CN108034940A - 一种涡轮增压转子轴及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发动机转子轴领域，特别涉及一种涡轮增压转子轴及其制备方法，解决了现有技术中的转子轴涂层与基体的结合强度较低，可靠性较差的问题。其技术方案要点是，一种涡轮增压转子轴，包括由粉末冶金烧结形成的轴体，轴体上设置有复合涂层，复合涂层包括由激光熔覆原位自生形成的内层涂层与由热喷涂形成的外层涂层，其中内层涂层为金属硼化物合金涂层，外层涂层是含有纳米TiO2颗粒和纳米SiC颗粒的镍包石墨涂层。通过在轴体上设置复合涂层，可提转子轴表面的硬度、耐磨性能、抗裂性能、耐腐蚀性能，同时，提高转子轴在高温下的稳定性，增加转子轴的润滑性，提高转子轴的使用寿命，防止转子轴污染，提高转子轴表面硬度。
Description
技术领域
本发明涉及发动机转子轴领域，特别涉及一种涡轮增压转子轴及其制备方法。
背景技术
目前在汽车制造、内燃机生产等领域中，由于国家对于汽车尾气排放的控制越来越严格，涡轮增压发动机越来越收到广大汽车制造企业的青睐。涡轮增压器是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮机内的涡轮，涡轮又带动同轴的压轮，压轮压送由空气滤清管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快后，废气排出速度可与涡轮转速也同步增快，压轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以使更多的燃料更加充分的燃烧，从而增加了发动机的输出功率。
涡轮增压转子轴是涡轮增压器中最重要的部件，涡轮增压器在工作的过程中，其转速可达每分钟数万到二十万转，因而转子轴的性能的优劣将直接影响到涡轮增压器的可靠性与耐用程度。
现有的涡轮增压转子轴通常使用热喷涂形成涂层，以提高转子轴的各项性能，但是热喷涂形成的涂层组织较为粗大且与基体属于机械结合，因而其与基体的结合强度较低，可靠性较差；同时，由于现有技术中的涂层，仅通过多种元素的简单组合，形成的涂层对于轴体表面的保护作用效果较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种涡轮增压转子轴及其制备方法，其优势在于，通过激光熔覆原位自生法制备内层涂层和热喷涂形成外层涂层，进而形成复合涂层，提高了涡轮增压转子轴的各项力学性能。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种涡轮增压转子轴，包括轴体，所述轴体上设置有复合涂层，所述复合涂层包括内层涂层与外层涂层，所述内层涂层为金属硼化物合金涂层，所述内层涂层包括6～11wt％的Ti；15～ 24％wt％的Cr；29～39％的Ni；2.5～12.5wt％的B；1.7～2.8wt％的C；以及0.07～0.16％的 Re与2.3～3.2％的Ce，剩余的为Fe，所述外层涂层是含有纳米TiO2颗粒和纳米SiC颗粒的镍包石墨涂层，所述外层涂层包括16.3～22.3wt％的石墨；4.3～9.8wt％的纳米TiO2颗粒和 4.4～9.3wt％的纳米SiC颗粒，其余为Ni。
通过采用上述技术方案，通过在轴体上设置复合涂层，内层涂层可提转子轴表面的硬度、耐磨性能、抗裂性能、耐腐蚀性能，同时，提高转子轴在高温下的稳定性，外层涂层可提高转子轴的耐磨、耐腐蚀性能，增加转子轴的润滑性，提高转子轴的使用寿命，防止转子轴污染，提高转子轴表面硬度。
内层涂层：激光熔覆的过程中，内层涂层通过原位自生，形成了大量的TiB2晶须，轴体的表层形成了Fe2B、少量的FeB马氏体、奥氏体所组成的共晶组织。与FeB相比，TiB2晶须具有更高的弹性模量、更高的硬度，由于Ti与B的更容易结合，当随着Ti/B比例的增加，FeB相的数量显著降低，同时，TiB2具有热力学稳定、分布均匀，与基体界面洁净的优点，因而，内层涂层的硬度得到提升，进而提高了涡轮增压转子轴的硬度。当涂层进行磨损发生时，轴体本身表面出现细小的凹点，产生TiB2晶须处则形成了凸点，磨损表面呈波浪起伏状，TiB2晶须作为支撑点承受切应力和法向应力，对即将露出形成新的磨损表面的轴体本身具有保护作用，从而延缓了剥层磨损和磨屑的形成。因而，内层涂层极大的增强了涡轮增压转子轴的耐磨损性能。
当内层涂层从熔融状态逐渐冷却时，由于在25-1300℃范围内，TiB2的热膨胀系数为 8.1×106K-1，与Fe2B的热膨胀系数8.0×106K-1非常接近，因而，主要由TiB2、Fe2B及其共晶相组成的熔覆层(内层涂层+轴体表层)凝固时产生的内部组织应力很小。同时，由于内层涂层整体的热膨胀系数显著低于轴体本身的热膨胀系数，内层涂层在冷却时对轴体产生压应力，从而提高涡轮增压转子轴的抗裂性能。
Cr可提高内层涂层的硬度和耐磨性而不使其变脆，由于其含量高于12％，还提高了内层涂层高温抗氧化性和耐氧化腐蚀性，增强了内层涂层的热强性，同时降低了内层涂层的伸长率和断面收缩率。
Ce元素改善轴体中O、S灯化合物夹杂的形貌和分布，减少了轴体中O、N元素的含量，强化了轴体，提高了轴体的韧性、韧性及疲劳抗力，同时可固溶于Fe原子间，显著增大Fe原子的晶格畸变，实现了固溶强化，提高了轴体的硬度和强度。
外层涂层：Ni元素作为附着剂将石墨包裹起来，使外层涂层可以很好的附着在内层涂层上，外层涂层具有良好的导热性能，并且能够加涡轮增压转子轴的润滑性，减少转子轴与其他部件间的摩擦力，提高转子轴转动的稳定性和延长转子轴的使用寿命。
纳米TiO2颗粒具有自洁功能，有助于涂层保持赶紧清洁，防止转子轴受到污染。
纳米SiC颗粒的加入，增加了轴体表层的晶核数目，从而细化了Fe原子的铸态组织。 SiC颗粒与轴体表面的Fe原子之间由于热膨胀系数不同而产生了高密度位错，极小的纳米颗粒尺寸造成了较高的平均位错密度，同时，晶粒的均匀与细小也使材料具有较大的抗变形能力，使得转子轴表面的硬度显著提高。
作为优选，所述轴体包括0.32～0.4wt％的C；0.4～0.8wt％的Si；0.6～0.9wt％的Mn； 0.9～1.2wt％的Cr；0.15～0.3wt％的Mo；1.2～2wt％的Nb；0.5～1.2wt％的Ti，其余均为Fe。
通过采用上述技术方案，轴体的配方相对普通42CrMo4具有更好的机械性能，C、Si和Mn提高了轴体的硬度，进而提高了转子轴的耐磨性能；Cr可提高轴体的抗氧化性、耐磨性和耐腐蚀性，同时增大轴体淬火度和淬火后的变形能力；Mo可使钢的经理细化，提高淬透性和热强性能，在高温时可使轴体保持足够的强度和抗蠕变能力；Nb、Ti加入钢后，由于 Nb、Ti与C的亲和力比Cr大，C优先与Nb、Ti结合生成TiC和NbC，避免了析出CrC而造成晶界贫Cr，从而有效防止晶间腐蚀。
由于轴体含有Ti，也可与内层涂层的B发生反应，因而相对于普通的激光熔覆本专利中采用的激光熔覆，可以将内层涂层与轴体的结合更好，提高了内层涂层在轴体上的附着力，进而提高了转子轴的可靠性。
作为优选，一种涡轮增压转子轴的制备方法，包括以下步骤：
S1、通过粉末冶金烧结制备轴体；
S2、将轴体进行渗氮处理；
S3、轴体表面复合涂层的制备；
其中轴体表面复合涂层的制备具体包括：利用激光熔覆原位自生法制备内层涂层；利用热喷涂法制备外层涂层。
通过采用上述技术方案，通过激光熔覆原位自生法进行TiB2晶须的生成，相对于普通激光熔覆外加法来说，可以防止TiB2晶须发生团聚现象，TiB2晶须分布更加均匀，与基体间截面结合更加紧密、干净无污染。因而相对外加法，原位生成法具有更好的热力学稳定性和机械性能。使用热喷涂法进行外层涂层的喷涂，工艺灵活、操作程序少，同时，对轴体的加热温度较低，轴体的变形小，金相组织及性能的变化也较小。
作为优选，所述渗氮处理的步骤包括：
A1：使用水砂纸、金相纸对轴体进行打磨，并用抛光粉对轴体抛光，将抛光完毕后进行保存；
A2：对浸没在无水乙醇中的轴体进行超声波清洗，吹干后放置在离子渗氮炉内；
A3：对离子渗氮炉进行抽真空，通入氢气，启动渗氮炉；
A4：处理结束后，在氮气的保护下冷却，直至轴体冷却至室温，取出轴体。
通过采用上述技术方案，通过渗氮处理，与轴体本身的合金元素形成各种合金氮化物，尤其是CrN，使得轴体的表面形成了理化性能良好的渗氮层，提高了其硬度、耐磨性、抗咬合性能、红硬性和疲劳强度。
作为优选，所述内层涂层的制备步骤包括：
B1：选用不同量的FeTi粉末、B4C粉末和NiCr粉末、Re粉末、Ce粉末进行称量初步混合，并使混合粉末的化学成分符合6～11wt％的Ti；15～24％wt％的Cr；29～39％的Ni；2.5～12.5wt％的B；1.7～2.8wt％的C；以及0.07～0.16％的Re与2.3～3.2％的Ce；剩余为Fe。
B2：对混合粉末使用球磨机进行研磨，在转速为226r/min的情况下，使用球磨介质为直径8mm的不锈钢球对混合粉末研磨30min，研磨完毕后加入无水乙醇作为粘结剂并混合均匀，制成团聚物；
B3：将团聚物均匀涂覆在轴体的表面，形成预置层，并使其厚度约1mm，将其置于室内阴干 8h；
B4：对转子轴进行激光熔覆，预先通入氩气作为保护气体，熔覆的过程中采用的参数为：激光输出功率1.5～2.3kW，扫描速度4～8mm/s，光斑直径3mm，氩气流量为6～8L/min，搭接率为25～35％，熔覆后，使用硅酸铝保温材料覆盖熔覆区域，并缓慢冷却。
通过采用上述技术方案，通过球磨，可对混合粉末进行进一步研磨，使粉末颗粒的粒度较为接近，方便团聚物的制作。通过无水乙醇对混合粉末进行粘结形成团聚物，方便混合粉末均匀的涂覆在轴体的表面。使用氩气作为保护气体，氩气性能稳定，且其分子量与空气接近，对于轴体可进行良好的覆盖和保护，防止在高温下，转子轴表面发生氧化。
作为优选，所述外层涂层的制备步骤包括：
C1：选用不同量的石墨粉末、Ni粉末、纳米TiO2颗粒和纳米SiC颗粒，在真空条件下，进行初步混合，使混合粉末的化学成分符合16.3～22.3wt％的石墨；4.3～9.8wt％的纳米TiO2颗粒和4.4～9.3wt％的纳米SiC颗粒；其余为Ni；
C2：使用球磨机对混合粉末进行研磨，在真空条件下，转速为226r/min的情况下，使用球磨介质为直径8mm的不锈钢球对混合粉末研磨120min，其中石墨和Ni粉末的粒度均在100～ 200目的范围内；
C3：使用喷枪将预制混合粉末喷涂到内层涂层上，并使用的那个氩气作为保护气体，其工艺参数为：乙炔压力0.1～0.12MPa，氧气压0.6～0.65MPa，氩气压力为0.15～0.2MPa，喷枪距离工件距离150～200mm，喷粉垂直于喷涂表面。
通过采用上述技术方案，通过球磨，可对混合粉末进行进一步研磨，使石墨和Ni粉末的粒度控制在100～200目内。使用氩气作为保护气体，氩气性能稳定，且其分子量与空气接近，对于轴体可进行良好的覆盖和保护，防止在高温下，转子轴表面发生氧化。喷粉垂直于喷涂表面，可提高着粉率，提高喷涂效率。
作为优选，所述外层涂层的制备步骤还包括：
C4：待C3结束之后，进行重熔和补喷，使用大号重熔枪对轴体的周面进行旋转加热，使其整体温度升至400℃以上，逐渐进行重熔。初始，烧嘴距离轴体100～130mm，待温度升至550～600℃时，烧嘴距离轴体表面缩短至30～50mm内，使粉末融化。在1050～1100℃时，出现镜面反光的瞬间立刻移开熔枪，对轴体表面整体逐渐进行重熔，在重熔的同时，使用热喷枪对重熔时产生的孔洞与基体缺陷形成的孔洞进行修补。
通过采用上述技术方案，重熔和补喷是确保喷涂质量的关键，重熔使外层涂层与内层涂层的结合区由原来的堆叠状变为致密的且较为均匀的组织，减少了孔隙，改善了外层涂层与内层涂层间的结合强度和外层涂层的内在质量，从而提高了外层涂层的耐磨、耐腐蚀性；同时，进行补喷，使用重熔枪吹去外层涂层形成的孔洞、内层涂层的缺陷形成的孔洞进行修补，减少了孔洞的数量，使外层涂层更好的覆盖轴体表面，提高了外层涂层对轴体表面的保护效果。
作为优选，所述外层涂层的制备步骤还包括：
C5：待C4结束后，进行加热校正，将转子轴整体加热到650～700℃，使转子轴均匀膨胀，然后在轴体一端的口部内加入冷却工装；进行整形处理，补喷处可能会高出平面，使用砂轮将其打磨平整后进行抛光。
通过采用上述技术方案，通过加热校正和整形处理后，轴体表面会更加光滑，从而达到涡轮增压转子轴的尺寸要求。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、渗氮处理、复合涂层的设置，渗氮处理有效提高了转子轴表面的硬度、耐磨性能、耐腐蚀性能，而复合涂层进一步提高了转子轴表面的硬度、耐磨性能、耐腐蚀性能使得转子轴更加可靠；
2、轴体内含有Ti、内层涂层含有Ti和B，在进行激光熔覆时，轴体内的Ti和内层涂层Ti均与B发生反应，从而原位自生产生大量TiB2晶须，内层涂层与轴体结合力也更强，从而使得转子轴的表面得到了理化性能的强化。
附图说明
图1为一种涡轮增压转子轴的制备流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
一种涡轮增压转子轴，包括由粉末冶金烧结形成的轴体，轴体上设置有复合涂层，复合涂层包括由激光熔覆原位自生生成的内层涂层和由热喷涂形成的外层涂层，其中内层涂层为金属硼化物合金涂层，其中主要包含Cr、Ni、Ti、Al、B和V元素，所述外层涂层是含有纳米TiO2颗粒和纳米SiC颗粒的镍包石墨涂层。
轴体包括0.32～0.4wt％的C；0.4～0.8wt％的Si；0.6～0.9wt％的Mn；0.9～1.2wt％的 Cr；0.15～0.3wt％的Mo；1.2～2wt％的Nb；0.5～1.2wt％的Ti，其余均为Fe。
一、涡轮增压转子轴的制备过程：
参考附图1，本实施例制作涡轮增压转子轴的方法包括如下步骤：
(1)预购轴体材料：预购42CrMo4合金粉末，加入适量NbC粉末与Ti粉末均匀混合，使混合粉末达到比例如表1所示，本实施例中采用V型混料机对混合粉末混合30min；
表1：轴体化学成分表
(2)研磨轴体材料：使用球磨机对混合粉末进行研磨，本实施例中使用型号为 MITR-YXQM-4L的球磨机，在转速为226r/min的情况下，使用球磨介质为直径8～16mm的不锈钢球对混合粉末研磨5h。
(3)轴体模压成型：将混合粉末加入到压胚模具内，进行模压成型；
(4)轴体烧结：将胚块加入到烧结机中，进行烧结，本实施例中使用型号为BWM-SP80-a的烧结机在压强为70MPa、烧结温度为1160℃的条件下进行烧结，并保温2h，冷却温度为 10～15℃/min；
(5)轴体冷却：待胚块冷却至室温后，取出柱状胚块；
(6)轴体初加工：对胚块进行切削初加工；
(7)轴体热处理：对切削初加工后的胚块进行热处理；
1)进行高频淬火(10kHz以上)，温度：850℃；
2)淬火后5小时，进行高温回火，温度：600℃。
(8)轴体机加工：进行机加工，开出轴体上的环槽与密封槽；
(9)轴体半精磨：对轴体进行半精磨，为渗氮处理做准备；
(10)渗氮处理：
1)、使用水砂纸、金相纸对轴体进行打磨，并用Cr3Os抛光粉对轴体周面进行抛光后保存；
2)、将抛光完毕后的轴体使用无水乙醇在机进行清洗，吹干后放置在离子渗氮炉内，本实施例采用型号为LDMC-A的离子渗氮炉进行渗氮；
3)、对粒子渗氮炉进行抽真空，直至炉内气压低于10Pa，通入氢气对试样表面进行除杂，启动渗氮炉；
4)、处理结束后，通入氮气，在氮气的保护下冷却，当轴体冷却至室温后，关闭氮气和真空泵，取出试样。
(11)制备内层涂层：在轴体表面进行内层涂层的制备：
1)、材料准备：经过渗氮处理后的轴体、FeTi粉末、B4C粉末和NiCr粉末、Re粉末、Ce粉末。
2)设备准备：型号为TJ-T5000的5kW连续CO2气体激光器
3)选用不同量的FeTi粉末、B4C粉末和NiCr粉末、Re粉末、Ce粉末进行称量初步混合，并使混合粉末的化学成分如表2所示：
表2：内层涂层的化学成分表
4)将表2中实施例1至实施例7中的混合粉末分别使用型号为MITR-YXQM-4L的球磨机，在转速为226r/min的情况下，使用球磨介质为直径8mm的不锈钢球对混合粉末研磨30min，研磨完毕后加入无水乙醇作为粘结剂，仔细均匀混合，制成团聚物。
5)将团聚物均匀涂覆在轴体的表面，形成预置层，并使其厚度约1mm，将其置于室内阴干8h，备用。
6)对转子轴进行激光熔覆，预先通入氩气作为保护气体，熔覆的过程中采用的参数为：激光输出功率1.5～2.3kW，扫描速度4～8mm/s，光斑直径3mm，氩气流量为6～8L/min，搭接率为25～35％，熔覆后，使用硅酸铝保温材料覆盖熔覆区域，并缓慢冷却，完成对内层涂层的制备。
在激光熔覆的过程中，预置层及轴体的表层经过激光急速加热熔融，其中的FeTi粉末、 B4C粉末及轴体内的Fe、Ti、C元素发生如下反应：
2Ti+B2C→2Ti B2+C
Ti B2+4Fe+C→TiC+2Fe2B
4Fe+B4C→4FeB+C
因而，内层涂层与轴体表面通过原位自生，得到了大量的TiB2晶须，轴体的表层形成了Fe2B、少量的FeB马氏体、奥氏体所组成的共晶组织。
相对于普通的合金耐磨涂层，本专利中的涂层增加了Fe-Ti合金，复合Fe-Ti-B激光熔覆层的硬度和坑裂性能同时得到了改善，同时由于轴体内本身还有Ti，也可与内层涂层的B 发生反应，因而相对于普通的激光熔覆本专利中采用的激光熔覆，可以将内层涂层与轴体的结合更好，提高了内层涂层在轴体上的附着力，进而提高了转子轴的可靠性。而与FeB相比， TiB2晶须具有更高的弹性模量、更高的硬度，由于Ti与B的更容易结合，当随着Ti/B比例的增加，FeB相的数量显著降低，同时，TiB2具有热力学稳定、分布均匀，与基体界面洁净的优点，因而，内层涂层的硬度得到提升，进而提高了涡轮增压转子轴的硬度。
当涂层进行磨损发生时，轴体本身表面出现细小的凹点，产生TiB2晶须处则形成了凸点，磨损表面呈波浪起伏状，TiB2晶须作为支撑点承受切应力和法向应力，对即将露出形成新的磨损表面的轴体本身具有保护作用，从而延缓了剥层磨损和磨屑的形成。因而，内层涂层极大的增强了涡轮增压转子轴的耐磨损性能。
当内层涂层从熔融状态逐渐冷却时，由于在25～1300℃范围内，TiB2的热膨胀系数为 8.1×106K-1，与Fe2B的热膨胀系数8.0×106K-1非常接近，因而，主要由TiB2、Fe2B及其共晶相组成的熔覆层(内层涂层+轴体表层)凝固时产生的内部组织应力很小。同时，由于内层涂层整体的热膨胀系数显著低于轴体本身的热膨胀系数，内层涂层在冷却时对轴体产生压应力，从而提高涡轮增压转子轴的抗裂性能。
另外，通过激光熔覆原位自生法进行TiB2晶须的生成，相对于普通激光熔覆外加法来说，可以防止TiB2晶须发生团聚现象，TiB2晶须分布更加均匀，与基体间截面结合更加紧密、干净无污染。因而相对外加法，原位生成法具有更好的热力学稳定性和机械性能。
同时，在内层涂层中加入Ni和Cr，Ni可提高内层涂层的强度，使其提高对疲劳的抗力和减小对缺口的敏感性，还同时提高了内层涂层耐酸和抗碱性能，提高了对大气及盐的抗蚀性能。
Cr可提高内层涂层的硬度和耐磨性而不使其变脆，由于其含量高于12％，还提高了内层涂层高温抗氧化性和耐氧化腐蚀性，增强了内层涂层的热强性，同时降低了内层涂层的伸长率和断面收缩率。
在内层涂层中加入Re和Ce，Re能够提高镍高温合金的蠕变强度，进而提高了涡轮增压转子轴的高温合金性能，有利于涡轮增压转子轴在高温环境下工作。同时，由于“Re效应”， Re能有效提高Cr的轻度和塑性，提高Cr的再结晶温度。
Ce元素改善轴体中O、S灯化合物夹杂的形貌和分布，减少了轴体中O、N元素的含量，强化了轴体，提高了轴体的韧性、韧性及疲劳抗力，同时可固溶于Fe原子间，显著增大Fe原子的晶格畸变，实现了固溶强化，提高了轴体的硬度和强度。
(12)制备外层涂层：在轴体表面进行外层涂层的制备：
1)材料准备：石墨粉末、镍粉末、纳米TiO2颗粒和纳米SiC颗粒。
2)设备准备：型号为SPH-E2000型喷涂两用枪
3)选用不同量的石墨粉末、Ni粉末、纳米TiO2颗粒和纳米SiC颗粒，在真空环境下进行初步混合，并配置成以下比例的混合粉末：
表3：外层涂层的化学成分表
4)将表2中实施例1至实施例7中的混合粉末分别使用型号为MITR-YXQM-4L的球磨机，在真空条件下，转速为226r/min的情况下，使用球磨介质为直径8mm的不锈钢球对混合粉末研磨120min，其中石墨和Ni粉末的粒度均在100～200目的范围内。
5)使用喷枪将预制混合粉末喷涂到内层涂层上，并使用的那个氩气作为保护气体，其工艺参数为：乙炔压力0.1～0.12MPa，氧气压0.6～0.65MPa，氩气压力为0.15～0.2MPa，喷枪距离工件距离150～200mm，喷粉垂直于喷涂表面。
6)进行重熔和补喷，使用大号重熔枪对轴体的周面进行旋转加热，使其整体温度升至 400℃以上，然后进行重熔。初始，烧嘴距离轴体100～130mm，待温度升至550～600℃时，烧嘴距离轴体表面缩短至30～50mm内，使粉末融化。在1050～1100℃时，出现镜面反光的瞬间立刻移开熔枪，对轴体表面整体逐渐进行重熔。
重熔使外层涂层与内层涂层的结合区由原来的堆叠状变为致密的且较为均匀的组织，减少了孔隙，改善了外层涂层与内层涂层间的结合强度和外层涂层的内在质量，从而提高了外层涂层的耐磨、耐腐蚀性。
同时，进行补喷，使用重熔枪吹去外层涂层形成的孔洞、内层涂层的缺陷形成的孔洞进行修补。
7)进行加热校正，将转子轴整体加热到650～700℃，使转子轴均匀膨胀，然后在轴体一端的口部内加入冷却工装，从而达到对轴体一端口部校正的目的。
8)进行整形处理，补喷处可能会高出平面，使用砂轮将其打磨平整后进行抛光。
Ni元素作为附着剂将石墨包裹起来，使外层涂层可以很好的附着在内层涂层上，外层涂层具有良好的导热性能，并且能够加涡轮增压转子轴的润滑性，减少转子轴与其他部件间的摩擦力，提高转子轴转动的稳定性和延长转子轴的使用寿命。
纳米TiO2颗粒具有自洁功能，有助于涂层保持赶紧清洁，防止转子轴受到污染。
纳米SiC颗粒的加入，增加了轴体表层的晶核数目，从而细化了Fe原子的铸态组织， SiC颗粒的(001)晶面原子间距为而奥氏体的(111)晶面的原子间距为两晶面的原子排列相同，因此，当外层涂层凝固初期析出奥氏体时，在一定程度上，SiC粒子能部分地作为奥氏体的结晶形心而形成具有部分共格关系的相截面结构，同时纳米颗粒具有高活性结构与液态金属间具有良好的润湿性，金属熔体在较低的过冷度下少需甚至不需形核功，直接利用加入的纳米陶瓷颗粒为结晶核心而结晶长达，使轴体表面的铸态组织得以细化。
SiC颗粒与轴体表面的Fe原子之间由于热膨胀系数不同而产生了高密度位错，极小的纳米颗粒尺寸造成了较高的平均位错密度，同时，晶粒的均匀与细小也使材料具有较大的抗变形能力，使得转子轴表面的硬度显著提高。
(13)滚丝：使用型号为ZP28-12.5的滚丝机，对转子轴一端的口部内壁进行滚丝，形成螺纹。
(14)清洗：使用环保碳氢清洗剂对转子轴进行清洗。
(15)分选：通过使用千分尺对轴体表面进行测量，并对不符合标准的转子轴进行二次打磨和二次抛光。
(16)退磁：使用退磁机对转子轴进行退磁处理。
(17)包装：将轴体放置在预先准备的包装盒内。
二、涡轮增压转子轴的性能检测：
(一)、轴体的性能检测：
分别制备实施例1至实施例5及对比例1至对比例4中的轴体，并将实施例1至实施例5及对比例1至对比例4中的轴体分别切割成10mm×10mm×30mm的试样备用。
1、轴体的耐磨性测试
将试样在ML-10型磨损试验机上进行耐磨性试验，其中，磨料为100目刚玉砂纸，在压块为 500g的状态下，每隔10min测量一次磨损后的质量，共测5次，以试样磨损失重判断耐磨性，测试结果如表4所示。
2、轴体的硬度测试
将试样在HBE-3000M型电子布氏硬度计上进行布氏硬度检测，其测试结果如表4所述。
3、轴体的抗拉强度测试
将实施例1至实施例5及对比例1至对比例4中的轴体使用TBT-B616-S型液压万能试验机进行抗拉强度测试，其测试结果如表4所示。
表4：轴体耐磨性、硬度及抗拉强度测试结果
| 实施例编号 | 磨损失量(g) | 硬度(HB) | 抗拉强度(MPa) |
| 实施例1 | 0.15 | 278 | 784 |
| 实施例2 | 0.12 | 298 | 796 |
| 实施例3 | 0.07 | 332 | 846 |
| 实施例4 | 0.09 | 311 | 814 |
| 实施例5 | 0.11 | 303 | 802 |
| 对比例1 | 0.22 | 252 | 742 |
| 对比例2 | 0.35 | 238 | 713 |
| 对比例3 | 0.21 | 258 | 758 |
| 对比例4 | 0.28 | 247 | 728 |
由上述试验结果可知，实施例1至实施例5中的轴体，其耐磨性能、硬度及抗拉强度明显好于对比例1至对比例4中轴体的耐磨性能、硬度及抗拉强度。
(二)、轴体及复合涂层的性能检测：
选用实施例3中的轴体作为复合涂层的基体，将基体切割成板状试样，并将实施例6至实施例10及对比例5至对比例8的复合涂层制备在板状试样的表面，再将板状试样切割成10mm ×10mm×30mm的待检测试样，并确保每个待检测试样的至少有一面10mm×10mm带有复合涂层。
选用实施例3中的轴体作为复合涂层的基体，并将实施例6至实施例10及对比例5至对比例8的复合涂层制备在基体上，备用。
1、轴体及复合涂层的耐磨性测试
将待测试样在ML-10型磨损试验机上进行耐磨性试验，并将带有复合涂层的一面作为待测面，其中，磨料为100目刚玉砂纸，在压块为500g的状态下，每隔10min测量一次磨损后的质量，共测5次，以待测试样磨损失重判断耐磨性，测试结果如表5所示。
2、轴体及复合涂层的硬度测试
将待测试样带有复合涂层的一面在HBE-3000M型电子布氏硬度计上进行布氏硬度检测，其测试结果如表5所述。
3、轴体及复合涂层的抗拉强度测试
将带有实施例6至实施例10及对比例5至对比例8中复合涂层的轴体使用TBT-B616-S型液压万能试验机进行抗拉强度测试，其测试结果如表5所示。
表5带有复合涂层的轴体耐磨性、硬度及抗拉强度测试结果
由上述试验结果可知，实施例6至实施例10中的带有复合涂层的轴体，其耐磨性能、硬度及抗拉强度明显好于对比例5至对比例8中带有复合涂层的轴体的耐磨性能、硬度及抗拉强度，且均好于实施例1至实施例5中轴体的耐磨性能、硬度及抗拉强度。
综上所述，通过采用本专利中所提供的轴体及复合涂层可有效提高转子轴的耐磨性能、硬度及抗拉强度。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (8)
1.一种涡轮增压转子轴，包括轴体，所述轴体上设置有复合涂层，所述复合涂层包括内层涂层与外层涂层，其特征在于，所述内层涂层为金属硼化物合金涂层，所述内层涂层包括6～11wt％的Ti；15～24％wt％的Cr；29～39％的Ni；2.5～12.5wt％的B；1.7～2.8wt％的C；以及0.07～0.16％的Re与2.3～3.2％的Ce，剩余的为Fe，所述外层涂层是含有纳米TiO2颗粒和纳米SiC颗粒的镍包石墨涂层，所述外层涂层包括16.3～22.3wt％的石墨；4.3～9.8wt％的纳米TiO2颗粒和4.4～9.3wt％的纳米SiC颗粒，其余为Ni。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮增压转子轴，其特征在于，所述轴体包括0.32～0.4wt％的C；0.4～0.8wt％的Si；0.6～0.9wt％的Mn；0.9～1.2wt％的Cr；0.15～0.3wt％的Mo；1.2～2wt％的Nb；0.5～1.2wt％的Ti，其余均为Fe。
3.根据权利要求1或2所述的一种蜗轮增压转子轴的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过粉末冶金烧结制备轴体；
S2、将轴体进行渗氮处理；
S3、轴体表面复合涂层的制备；
其中轴体表面复合涂层的制备具体包括：利用激光熔覆原位自生法制备内层涂层；利用热喷涂法制备外层涂层。
4.根据权利要求3所述的一种涡轮增压转子轴的制备方法，其特征在于，所述渗氮处理的步骤包括：
A1：使用水砂纸、金相纸对轴体进行打磨，并用抛光粉对轴体抛光，将抛光完毕后进行保存；
A2：对浸没在无水乙醇中的轴体进行超声波清洗，吹干后放置在离子渗氮炉内；
A3：对离子渗氮炉进行抽真空，通入氢气，启动渗氮炉；
A4：处理结束后，在氮气的保护下冷却，直至轴体冷却至室温，取出轴体。
5.根据权利要求3所述的一种涡轮增压转子轴的制备方法，其特征在于，所述内层涂层的制备步骤包括：
B1：选用不同量的Fe-Ti粉末、B4C粉末和Ni-Cr粉末、Re粉末、Ce粉末进行称量初步混合，并使混合粉末的化学成分符合；
B2：对混合粉末使用球磨机进行研磨，在转速为226r/min的情况下，使用球磨介质为直径8mm的不锈钢球对混合粉末研磨30min，研磨完毕后加入无水乙醇作为粘结剂并混合均匀，制成团聚物；
B3：将团聚物均匀涂覆在轴体的表面，形成预置层，并使其厚度约1mm，将其置于室内阴干8h；
B4：对转子轴进行激光熔覆，预先通入氩气作为保护气体，熔覆的过程中采用的参数为：激光输出功率1.5～2.3kW，扫描速度4～8mm/s，光斑直径3mm，氩气流量为6～8L/min，搭接率为25～35％，熔覆后，使用硅酸铝保温材料覆盖熔覆区域，并缓慢冷却。
6.根据权利要求3所述的一种涡轮增压转子轴的制备方法，其特征在于，所述外层涂层的制备步骤包括：
C1：选用不同量的石墨粉末、Ni粉末、纳米TiO2颗粒和纳米SiC颗粒，在真空条件下进行初步混合，使混合粉末的化学成分符合16.3～22.3wt％的石墨；4.3～9.8wt％的纳米TiO2颗粒和4.4～9.3wt％的纳米SiC颗粒，其余为Ni；
C2：使用球磨机对混合粉末进行研磨，在转速为226r/min的情况下，使用球磨介质为直径8mm的不锈钢球对混合粉末研磨120min，其中石墨和Ni粉末的粒度均在100～200目的范围内；
C3：使用喷枪将预制混合粉末喷涂到内层涂层上，并使用的那个氩气作为保护气体，其工艺参数为：乙炔压力0.1～0.12MPa，氧气压0.6～0.65MPa，氩气压力为0.15～0.2MPa，喷枪距离工件距离150～200mm，喷粉垂直于喷涂表面。
7.根据权利要求6所述的一种涡轮增压转子轴的制备方法，其特征在于，所述外层涂层的制备步骤还包括：
C4：待C3喷涂结束之后，进行重熔和补喷，使用大号重熔枪对轴体的周面进行旋转加热，使其整体温度升至400℃以上，逐渐进行重熔；
初始，烧嘴距离轴体100～130mm，待温度升至550～600℃时，烧嘴距离轴体表面缩短至30～50mm内，使粉末融化；
在1050～1100℃时，出现镜面反光的瞬间立刻移开熔枪，对轴体表面整体逐渐进行重熔，在重熔的同时，使用热喷枪对重熔时产生的孔洞与基体缺陷形成的孔洞进行修补。
8.根据权利要求7所述的一种涡轮增压转子轴的制备方法，其特征在于，所述外层涂层的制备步骤还包括：
C5：待C4结束之后，进行加热校正，将转子轴整体加热到650～700℃，使转子轴均匀膨胀，然后在轴体一端的口部内加入冷却工装；进行整形处理，补喷处可能会高出平面，使用砂轮将其打磨平整后进行抛光。
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