CN105522157A - 一种车用增压涡轮的粉末注射成形质量控制方法 - Google Patents

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杨福宝
章林
李大全
朱强
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Abstract

本发明属于粉末高温合金零件成形与车用涡轮增压器关键部件制造技术领域，尤其涉及一种车用增压涡轮的粉末注射成形质量控制方法，包括：对涡轮本体结构减薄的中空设计，以降低生坯脱酯厚度；同时采用聚甲醛基粘结剂、配合催化脱酯工艺以实现涡轮生坯快速完全脱酯，减小涡轮变形和粘结剂残留；同时在涡轮注射成形模具采用热流道技术，实现注射成形充型平稳，保证涡轮生坯质量，避免了各种工艺缺陷的产生。所述的粉末注射成形涡轮材料为铁基、镍基和镍钴基高温合金。通过上述主要技术手段与质量控制方法，可以获得外形尺寸合格、内部质量良好的注射成形涡轮零件。

Description

一种车用增压涡轮的粉末注射成形质量控制方法
技术领域
本发明属于粉末高温合金零件成形与车用涡轮增压器关键部件制造技术领域，尤其涉及一种车用增压涡轮的粉末注射成形质量控制方法。
背景技术
涡轮增压是提高汽车发动机燃油效率、降低有害气体及颗粒物排放的重要举措，在增压技术进步与环保公约国际化进程加快的双重牵引下，涡轮增压配套的车型已逐步从重型车辆向轻型车、轿车和微型车过渡，并且逐渐由目前柴油机发动机涡轮增压基本全覆盖向汽油机发动机普及涡轮增压的方向发展。随着我国汽车产量和保有量的不断攀升，涡轮增压器的需求量也随之增大。
涡轮是涡轮增压器中的关键零部件，其所处的高温与高速旋转的苛刻服役工况对涡轮性能有严格的标准。伴随着车用涡轮增压器的小型化和高性能化，对增压涡轮成形质量和性能提出了越来越高的要求。目前国内外车用增压涡轮通常是采用精密熔模铸造方法生产，铸造高温合金存在的成分偏析和组织均匀性差等问题制约了涡轮寿命的进一步提高。
近年来发达国家开始研究金属粉末注射成形制备车用增压涡轮技术。该技术有望能够完全克服精密铸造过程中不可避免的铸造缺陷，从而大幅度提高涡轮的性能和延长使用寿命。据报道国外已经研制出注射成形高温合金增压涡轮产品，但是尚未检索到相关专利，工艺及技术细节仍处于保密状态。国内外每年均有大量关于注射成形材料的文献公开发表，但是主要是铁基合金(不锈钢等)、包括部分难熔合金及轻合金等，研究内容大多集中在原料粉末特性分析、粘结剂选择与脱脂工艺研究、粉末注射成形工艺的计算机模拟及优化、以及注射成形件的组织性能分析。
与传统的铸造工艺相比，粉末注射成形零件内部组织更为均匀；与传统粉末冶金工艺相比，粉末注射成形零件的结构复杂程度可以大大提高。并且零件越小，形状越复杂，MIM工艺的优势就越明显。与常见的注射成形零件相比，车用增压涡轮的尺寸明显偏大，尤其是增压涡轮中心部位，实心涡轮采用粉末注射成形方法制备还是存在一定的工艺局限性，厚大部位极易出现裂纹、疏松等严重缺陷，缺陷的大量存在也使得涡轮整体形状难以保持，出现重心偏移、叶片变形等问题。因此目前针对粉末注射成形增压涡轮叶的技术开发也仅限于小尺寸规格的柴油机涡轮增压器涡轮和汽油机涡轮增压器涡轮。
通常适合粉末注射成形工艺的零件厚度一般都控制在10毫米以内，对于外缘直径50-70毫米规格的增压涡轮，其中心实体部位厚度仍然偏大，厚度过大会严重降低生坯的脱酯速度，使得生坯中粘结剂难以彻底脱除，并存在复杂零件注射成形易出现裂纹和不均匀变形的技术问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种车用增压涡轮的粉末注射成形质量控制方法，包括：
A、对涡轮本体结构采用中空设计与尺寸修正，通过减薄涡轮壁厚来降低生坯脱酯厚度；
B、粉末注射喂料采用聚甲醛基粘结剂、配合催化脱酯工艺以实现涡轮生坯快速完全脱酯，减小涡轮变形和粘结剂残留；
C、涡轮注射成形模具采用热流道手段实现涡轮生坯注射成形过程充型平稳完整，保证涡轮生坯质量，避免了各种工艺缺陷的产生。
所述中空设计与尺寸修正必须基于涡轮可靠性验证。
所述增压涡轮的规格为外缘直径70毫米及以下。
所述粉末注射喂料为铁基、镍基和镍钴基高温合金。
所述粉末注射成形的工艺流程具体包括：喂料混炼、注射成形、催化脱脂、烧结和热等静压致密化。
本发明的有益效果在于：在对注射成形涡轮进行壁厚减薄结构设计的同时涡轮整体结构服役可靠性不受影响；针对特定的涡轮采用高温合金，在粘结剂选择、注射充型工艺、脱酯方式等主要环节进行了改进，突破了复杂零件注射成形易出现裂纹和不均匀变形的技术问题。
附图说明
图1为中空结构的涡轮示意图，其中，1-涡轮本体,2-中空内孔。
具体实施方式
下面结合附图，对实施例作详细说明。
1)涡轮规格及原材料
涡轮规格：52mm增压涡轮
粉末合金材料：In713c镍基高温合金
粉末粒度范围为：～30μm
粘结剂配方：聚甲醛(POM)：高密度聚乙烯(HDPE)：乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)＝88：10：2
喂料配比：IN713c合金粉末：粘结剂＝66：33(体积比)
喂料混炼温度：150℃
2)涡轮结构的中空设计，如图1所示，在涡轮本体1的中心开有Φ5×20中空内孔2，以实现涡轮壁厚的减薄；
3)涡轮注射成形模具增设热流道，以提高注射喂料的流动性及充型均匀平稳性，防止注射料流表面温度降低而引起黏度变化。
4)注射成形涡轮生坯的脱酯：采用催化脱酯工艺，在催化脱酯炉内进行。
5)真空热烧结：1210℃/0.5h
6)热等静压：氩气，1200℃/2h/200MPa。
经过几年的试验摸索与总结，我们在自主开发增压涡轮粉末注射成形技术方面取得了技术突破，采用本发明提出的方法获得了尺寸、形状符合标准要求和内部质量优良的增压涡轮制品，并实现了高度的工艺可重复性，制备的涡轮样件满足增压器用户的使用要求，各项性能均优于相同或相近成分的铸造成形涡轮。
上述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种车用增压涡轮的粉末注射成形质量控制方法，其特征在于，包括：
A、对涡轮本体结构采用中空设计与尺寸修正，通过减薄涡轮壁厚来降低生坯脱酯厚度；
B、粉末注射喂料采用聚甲醛基粘结剂、配合催化脱酯工艺以实现涡轮生坯快速完全脱酯，减小涡轮变形和粘结剂残留；
C、涡轮注射成形模具采用热流道手段实现涡轮生坯注射成形过程充型平稳完整，保证涡轮生坯质量，避免了各种工艺缺陷的产生。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述中空设计与尺寸修正必须基于涡轮可靠性验证。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述增压涡轮的规格为外缘直径70毫米及以下。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述粉末注射喂料为铁基、镍基和镍钴基高温合金。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述粉末注射成形的工艺流程具体包括：喂料混炼、注射成形、催化脱脂、烧结和热等静压致密化。
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