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Abstract

一种具有中空内部结构增压涡轮的近终成形方法，将雾化高温合金粉末与石蜡基粘结剂进行混炼，制成流变性能均匀的喂料。对中空内部结构简单的涡轮，喂料在注射成形机上直接成形就得到中空结构涡轮坯体。对中空内部结构复杂的涡轮，先将聚苯乙烯注射成形为与内部结构形状相同的模芯，然后将其嵌入模具中，注射成形后得到带有模芯的涡轮坯体，接着在三氯乙烷中浸泡后将模芯完全溶解，得到中空结构涡轮坯体。涡轮坯体在溶剂脱脂和热脱脂后进行真空烧结，烧结坯采用无包套热等静压致密化，最后经过固溶和时效处理就得到中空结构增压涡轮。该发明解决了复杂形状增压涡轮近终成形的难题,所得涡轮接近全致密、组织结构均匀、综合力学性能优于铸造涡轮。

Description

一种具有中空内部结构增压涡轮的近终成形方法
技术领域
本发明属于粉末注射成形技术领域，特别提供了一种具有中空内部结构增压涡轮的近终成形方法。
背景技术
涡轮增压器安装在车辆发动机排气管上, 它利用发动机气缸排出的废气来推动涡轮机叶轮转动，涡轮机转动带动同轴的压气机工作，压气机压叶轮通过加速空气而产生高压高密度的空气，提高了发动机的进气量。涡轮增压器的使用可以明显减少发动机的体积和重量、改善燃油经济性和降低排放。涡轮是涡轮增压器的核心部件，它受高温废气的驱动，要求具有良好的高温力学性能、耐腐蚀性能和疲劳性能。目前，涡轮叶轮主要采用精密铸造方法制造，往往存在严重的成分偏析、组织不均匀、晶粒粗大，使塑性和加工性大幅度降低，性能不能得到完全发挥。与铸造涡轮相比，粉末冶金涡轮具有组织成分均匀、无宏观偏析等优点，其综合性能更加优异。由于涡轮的形状非常复杂、壁薄、尺寸精度要求高，因此需要开发粉末冶金涡轮近终形制备新技术。粉末注射成形技术将现代塑料注射成形优异的成形能力用于金属零件的制备，在制备形状复杂、难加工的铁基或镍基高温合金涡轮上具有组织结构均匀、性能优异和尺寸精度高等一系列优点，能够有效避免铸造镍基合金存在的非金属夹杂、成分偏析和疏松等缺陷，而且生产效率和材料利用率高，成本低，容易实现自动化连续批量作业。传统增压涡轮的中心部分是实心的，其厚度较大且不均匀。实心结构的注射成形增压涡轮容易在注射成形过程中产生缺陷、并在后续脱脂、烧结过程中出现缩孔和不均匀变形等问题。本发明将增压涡轮设计成中空结构，能够避免涡轮在脱脂、烧结过程中的不均匀变形，还能提高脱脂效率和大幅度减少脱脂缺陷。中空内部结构可以根据涡轮的实际大小和载荷进行调整。中空结构的增压涡轮对于实现涡轮的轻量化和进一步提高燃油经济性具有重要的作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用注射成形技术制备中空结构增压涡轮的方法，旨在解决复杂形状增压涡轮近终成形的难题。注射成形增压涡轮具有显微组织均匀、综合力学性能优异、尺寸精度高、材料利用率高、成本低和便于批量化制备等优点。
本发明以氩气雾化高温合金粉末为原料，首先将原料粉末与特殊设计的石蜡基粘结剂预混合均匀，混合粉末经过混炼后得到流变性能均匀的喂料，喂料在注射成形机上成形，得到具有较高强度的增压涡轮坯体，增压涡轮坯体相继进行溶剂脱脂和热脱脂，脱脂坯体在真空气氛中烧结，烧结坯采用无包套热等静压进一步致密化，最后进行固溶和时效处理，得到最终的增压涡轮零件，制备工艺如图1所示，具体工艺步骤为：
1、混炼：将粒径为2-20μm的雾化高温合金粉末与石蜡基粘结剂在双行星混炼机中于131-149℃、转速为36-50转/min的条件下混炼60-120min制成流变性能均匀的喂料，其中粉末装载量为63-66vol%。
所述的雾化高温合金粉末为各种标准牌号的铁基高温合金（例如K213、GH4169或Incoloy800）或镍基高温合金（例如K418、IN738LC或K491），或者是根据实际工况设计的非标准合金；
所述的石蜡基粘结剂为蜡基多组元聚合物体系，各组元的比例为：10-15%高密度聚乙烯、10-15%聚丙烯、10-15%聚苯乙烯、5-10wt%硬脂酸和余量石蜡；
2、注射成形：对于有简单内部结构的增压涡轮（图2），在注射成形机上直接注射成形，得到具有中空结构的涡轮坯体。对于具有复杂内部结构的增压涡轮（图3），首先以聚苯乙烯为原料，通过注射成形制备出与内部结构形状相同的塑料模芯，然后再将塑料模芯嵌在涡轮模具中进行注射成形，注射温度为145-160℃、注射压力为85-130MPa，喂料填充模腔并包裹在塑料模芯周围，得到带模芯的涡轮坯体；
3、脱脂：对于带有模芯的注射成形涡轮坯体，先将其在45-60℃于三氯乙烷中浸泡，使塑料模芯完全溶解，得到具有中空结构的涡轮坯体。具有中空结构的涡轮坯体采用溶剂脱脂和热脱脂两步脱脂工艺，先在三氯乙烯中溶脱6-12h；然后在高纯氩气气氛中进行热脱脂和预烧结。脱脂工艺为：以1.5℃/min的升温速率加热到340℃保温2h，接着以3℃/min的升温速率加热到470℃保温1h，再以5℃/min的升温速率加热到560℃保温0.5h，最后在600-700℃预烧结1-1.5h，得到脱脂坯；
4、烧结：脱脂坯在真空气氛中进行烧结，真空度为1×10-4Pa，烧结温度为1250-1350℃，保温时间为60-180min，得到烧结坯。
5、无包套热等静压：烧结坯在1100-1200℃的温度范围内进行无包套热等静压，压力为100-200MPa，保温时间为60-120min，得到全致密（致密度大于99%）涡轮；
6、热处理：全致密涡轮在950-1250℃进行固溶处理，保温1-2h后水冷，然后在680-800℃时效处理12-48h，最终得到增压涡轮零件。
本发明的优点是能够解决形状复杂增压涡轮的近终成形的难题。增压涡轮具有中空内部结构，不仅能够有效避免脱脂、烧结过程中的不均匀变形，而且能够提高脱脂效率，大幅度减少脱脂缺陷。制备出的增压涡轮接近全致密，组织结构均匀，能够有效避免铸造涡轮中存在的非金属夹杂、成分偏析和疏松缺陷等问题，不仅具有较高的尺寸精度，而且综合力学性能优于精密铸造涡轮。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图
图2为具有简单内部结构的增压涡轮
图3为具有复杂内部结构的增压涡轮
具体实施方式
实施例1：以K213合金粉末为原料，制备具有简单中空结构的涡轮
以粒度为2-20μm的氩气雾化K213合金粉末为原料，合金元素的重量百分含量为：35%Ni、15%Cr、1.8%Al、3.5%Ti、5%W、0.08%B、0.08%C和余量Fe。粘结剂中各组元的重量百分含量为：10%高密度聚乙烯、12%聚苯乙烯、13%聚丙烯、5%硬脂酸和余量石蜡。首先将雾化高温合金粉末与石蜡基粘结剂在双行星混炼机中于131℃、转速为36转/min的条件下混炼60min制成流变性能均匀的喂料，粉末装载量为63vol.%。喂料在CJ80-E型注射成形机上注射成形，注射温度为160℃，注射压力为90MPa，得到涡轮坯体。涡轮坯体在三氯乙烯中于40℃溶脱10h，然后在高纯氩气气氛中热脱脂，脱脂工艺为：以1.5℃/分的升温速率加热到340℃保温2h，接着以3℃/min的升温速率加热到470℃保温1h，再以5℃/min的升温速率加热到560℃保温0.5h，最后以10℃/min的升温速率加热到600℃预烧结1.5h，得到脱脂坯。脱脂坯在真空气氛中烧结，真空度为1×10-4Pa，烧结温度为1250℃，保温时间为180min，得到烧结坯。烧结坯在1100℃进行无包套热等静压，压力为200MPa，保温时间为120min，得到全致密涡轮。全致密涡轮在1100℃固溶处理1h后水冷，然后在680℃时效处理12h，最终得到具有简单中空结构的增压涡轮零件。
实施例2：以K418合金粉末为原料，制备具有简单中空结构的涡轮
以粒度为2-20μm的氩气雾化K213合金粉末为原料，合金元素的重量百分含量为：13%Cr、6.0%Al、0.8%Ti、4.2%Mo、2.3%Nb、0.04%B、0.09%Zr、0.08%C和余量Ni。粘结剂各组元的重量百分含量为：12%高密度聚乙烯、10%聚丙烯、10-15%聚苯乙烯、8%硬脂酸和余量石蜡。首先将混合粉末与粘结剂混合均匀后在双行星混炼机上中于140℃、转速为40转/min的条件下混炼90min制成流变性能均匀的喂料，粉末装载量为64vol.%。喂料在CJ80-E型注射成形机上注射成形，注射温度为150℃，注射压力为100MPa，得到涡轮坯体。涡轮坯体在三氯乙烯中溶脱12h，然后在高纯氩气气氛中热脱脂，脱脂工艺为：以1.5℃/min的升温速率加热到340℃保温2h，接着以3℃/min的升温速率加热到470℃保温1h，再以5℃/min的升温速率加热到560℃保温0.5h，最后以10℃/min的升温速率加热到600℃预烧结1.5h，得到脱脂坯。脱脂坯在真空气氛中烧结，真空度为1×10-4Pa，烧结温度为1300℃，保温时间为150min，得到烧结坯。烧结坯在1150℃进行无包套热等静压，压力为200MPa，保温时间为60min，得到全致密涡轮。全致密涡轮在1180℃固溶处理2h后水冷，然后在750℃时效处理36h，最终得到具有简单中空结构的增压涡轮零件。
实施例3：以GH4169合金粉末为原料，制备具有简单中空结构的涡轮
以粒度为2-20μm的氩气雾化K213合金粉末为原料，合金元素的重量百分含量为：0.027%C、53.74%Ni、17.58%Cr、5.35%Nb、3.01%Mo、0.98%Ti、0.52%Al、0.0025%B、0.009%Si、0.40%Co、余为Fe。粘结剂各组元的重量百分含量为：14%高密度聚乙烯、15%聚丙烯、11%聚苯乙烯、10%硬脂酸和余量石蜡。首先将混合粉末与粘结剂混合均匀后在双行星混炼机上于149℃、转速为45转/min的条件下混炼120min制成流变性能均匀的喂料，粉末装载量为65vol.%；喂料在CJ80-E型注射成形机上注射成形，注射温度为155℃，注射压力为110MPa；涡轮坯体在三氯乙烯中溶脱6h，然后在高纯氩气气氛中热脱脂，脱脂工艺为：以1.5℃/min的升温速率加热到340℃保温2小时，接着以3℃/min的升温速率加热到470℃保温1h，再以5℃/min的升温速率加热到560℃保温0.5h，最后以10℃/min的升温速率加热到700℃预烧结1h，得到脱脂坯。脱脂坯在真空气氛中烧结，真空度为1×10-4Pa，烧结温度为1320℃，保温时间为90min，得到烧结坯。烧结坯在1200℃进行无包套热等静压，压力为150MPa，保温时间为90min，得到全致密涡轮。全致密涡轮在980℃固溶处理2h后水冷，然后在720℃时效处理24h，最终得到具有简单中空结构的增压涡轮零件。
实施例4：以K418合金粉末为原料，制备具有复杂中空结构的涡轮
以粒度为2-20μm的氩气雾化K418合金粉末为原料，合金元素的的重量百分含量为：13%Cr、6.0%Al、0.8%Ti、4.2%Mo、2.3%Nb、0.04%B、0.09%Zr、0.08%C和余量Ni。粘结剂中各组元的重量百分含量为：15%高密度聚乙烯、15%聚丙烯、10%聚苯乙烯、7%硬脂酸和余量石蜡。首先将混合粉末与粘结剂混合均匀后在双行星混炼机于145℃、转速为50转/min的条件下混炼90min制成流变性能均匀的喂料，粉末装载量为66vol.%。以聚苯乙烯为原料，在CJ80-E型注射成形机上制备出与内部结构形状相同的聚苯乙烯模芯。将聚苯乙烯模芯嵌在涡轮模具中进行注射成形，注射温度为145℃，注射压力为130MPa，喂料填充模腔并包裹在塑料模芯周围，得到带模芯的涡轮坯体。带有模芯的注射成形涡轮坯体在45-60℃于三氯乙烷中浸泡，使塑料模芯完全溶解，得到具有中空结构的涡轮坯体。接着，采用溶剂脱脂和热脱脂两步脱脂工艺将中空结构涡轮坯体中的粘结剂脱除，涡轮坯体在三氯乙烯中脱8h，然后在高纯氩气气氛中热脱脂，脱脂工艺为：以1.5℃/min的升温速率加热到340℃保温2h，接着以3℃/min的升温速率加热到470℃保温1h，再以5℃/min的升温速率加热到560℃保温0.5h，最后以10℃/min的升温速率加热到700℃预烧结1h，得到脱脂坯。脱脂坯在真空气氛中烧结，真空度为1×10-4Pa，烧结温度为1300℃，保温时间为60min，得到烧结坯。烧结坯在1200℃进行无包套热等静压，压力为100MPa，保温时间为90min，得到全致密涡轮。全致密涡轮在1210℃固溶处理2h后水冷，然后在800℃时效处理48h，最终得到具有复杂中空结构的增压涡轮零件。

Claims (5)

1.一种具有中空内部结构增压涡轮的近终成形方法，其特征在于：
步骤一、以粒径为2-20μm的雾化高温合金粉末为原料，雾化高温合金粉末为各种标准牌号的的铁基高温合金或镍基高温合金，或者是根据实际工况设计的非标准合金；将雾化高温合金粉末与石蜡基粘结剂在双行星混炼机中于131-149℃、转速为36-50转/min的条件下混炼60-120min制成流变性能均匀的喂料，其中粉末装载量为63-66vol%；铁基高温合金包括K213、GH4169或Incoloy800，镍基高温合金包括K418、IN738LC或K491；
步骤二、对于具有复杂内部结构的增压涡轮，首先通过注射成形制备出与内部结构形状相同的模芯，然后再将模芯嵌在涡轮模具中，喂料填充模腔并包裹在塑料模芯周围，得到带有模芯的涡轮坯体；注射温度为145-160℃、注射压力为85-130MPa；
步骤三、将带有模芯的注射成形涡轮坯体在45-60℃于三氯乙烷中浸泡，使塑料模芯完全溶解，得到具有中空结构的涡轮坯体；接着，采用溶剂脱脂和热脱脂两步脱脂工艺将中空结构的涡轮坯体中的粘结剂脱除，先在三氯乙烯中溶脱6-12h，然后在高纯氩气气氛中进行热脱脂和预烧结，得到脱脂坯体；
步骤四、脱脂坯体在真空气氛中进行烧结，真空度为1×10-4Pa，烧结温度为1250-1350℃，保温时间为60-180min，得到烧结坯；
步骤五、烧结坯在1100-1200℃的温度范围内进行无包套热等静压，压力为100-200MPa，保温时间为60-120min，得到致密度大于99%的全致密涡轮；
步骤六、全致密涡轮在950-1250℃固溶1-2h后水冷，然后在680-800℃时效处理12-48h，最终得到增压涡轮零件。
2.根据权利要求1所述的具有中空内部结构增压涡轮的近终成形方法，其特征在于：模芯以聚苯乙烯作为原料。
3.根据权利要求1所述的具有中空内部结构增压涡轮的近终成形方法，其特征在于：所述的石蜡基粘结剂为蜡基多组元聚合物体系，各组元的比例为：10-15%高密度聚乙烯、10-15%聚丙烯、10-15%聚苯乙烯、5-10wt%硬脂酸和余量石蜡。
4.根据权利要求1所述的具有中空内部结构增压涡轮的近终成形方法，其特征在于：对于具有简单内部结构的增压涡轮，在注射成形机上直接注射成形，得到具有中空结构的涡轮坯体。
5.根据权利要求1所述的具有中空内部结构增压涡轮的近终成形方法，其特征在于：中空结构涡轮坯体的脱脂工艺为：以1.5℃/min的升温速率加热到340℃保温2h，接着以3℃/min的升温速率加热到470℃保温1h，再以5℃/min的升温速率加热到560℃保温0.5h，最后在600-700℃预烧结1-1.5h。
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