CN108311701B - 一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺 - Google Patents

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Abstract

一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺，包括粉料级配、炼制喂料并注射成型坯件、脱脂坯超声活化、烧结几个步骤。本发明采用粉末注射成形技术制备HK‑30不锈钢涡轮增压器喷嘴环叶片零部件，使用粗细粉末搭配，有效的改善了生坯的强度最终改善了表面粗糙度，可使产品的表面光洁度控制在Ra0.1范围内，免去后续的加工整形，提高了叶片气流的转化效率，有效缩短工艺流程，降低生产成本，提高产品的合格率；使用超声波提高粉末表面活性，拓宽了烧结窗口，有效的改善了产品的成品率；非常适合于制备精密复杂形的汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片零部件。

Description

一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺
技术领域
本发明公开了一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺，属于粉末冶金制备技术领域。
背景技术
涡轮增压器可以全面改善发动机的动力性、经济性以及排放指标等综合性能，给发动机注入强劲动力，能更好地满足欧Ⅲ、欧Ⅳ新排放标准要求。汽油机涡轮增压的发展历史同时也是小型化高性能增压器的发展史。随着涡轮增压器各项性能指标逐渐提高、生产成本降低、可靠性提高和越来越小型化、通用化，汽油机的增压技术也得到很大发展。由于电子汽油喷射技术的成熟应用，更多的汽油发动机也开始釆用涡轮增压器。现代轿车发动机己普遍釆用电子喷射系统，在电子控制技术及新材料的配合下，电子控制汽油喷射和电子控制点火的汽油机增压发动机，在燃料经济性方面已有很大改善。以往关于涡轮增压器叶片的专利，多是针对柴油机叶片。
汽油机涡轮增压的原理与柴油机涡轮增压基本上相同，但这两种发动机的工作特点有很大差别，所以在涡轮增压叶片材料方面有所不同：
1、柴油机排气温度相对汽油机比较低，因此对涡轮叶轮和涡轮壳的材料要求较低。而汽油机排温较高，额定功率时一般在950℃左右，所以要求涡轮增压片的材料具有更高的耐高温强度。
2、汽油机有较宽的速度范围，整个速度范围内功率差别比较大
(60000-240000r/min)，因此其对材料冲击载荷的要求要高，所以涡轮叶片表面光洁度要求较高。
汽油机涡轮内燃机排出的废气温度相当高，叶片的工作环境相当恶劣(约950℃以上,瞬间工作温度可达到1100℃)，导致目前内燃机车发生的故障中,喷嘴环叶片失效引起的涡轮增压器故障占相当大比例。喷嘴环叶片失效的主要原因是热疲劳所产生的裂纹。在高温高压下，喷嘴环叶片由于温度变化会引起膨胀及收缩，但因为受到约束导致内部因变形受阻而产生热应力,当温度反复变化时这种热应力也反复变化,尤其在开车、停车之周期影响下,该零件将受到交变热应力作用,因而使材料受到损伤，引起涡轮增压器故障。因此，汽油机用涡轮增压器增压技术的发展需要高性能的喷嘴环叶片，国内外从业者的在叶片叶型、材料及其制备技术三个方面进行了大量的研究工作。
有关喷嘴环叶片的结构与材料选用国内尚未制定可参照的标准,材料主要是18-8型不锈钢和2Cr13材质。18-8型不锈钢耐高温氧化，但容易产生晶间腐蚀，由于内燃机废气中含有大量Na2SO4、V2O5和其他盐类，要求材料抗燃气腐蚀能力强，故18-8型不锈钢已逐步被其他材料所取代。2Cr13材质高温强度不够，在服役条件下通常抗拉强度约为270MPa，延伸率约为15％左右，随着现代工业对发动机效率的要求不断提高，其力学性能和抗疲劳性能已力不从心。因此，国外制造商一般采用一些成分更为复杂、性能更为优异的材料。其中，HK-30不锈钢以其优良的高温力学性能及抗高温腐蚀性能受到了国外研究者的青睐。HK-30不锈钢性能优异，高温强度可达420MPa(使用温度可达1200℃)，延伸率25％，但是该材料烧结窗口很窄(烧结窗口只有10度左右)，因此，对烧结设备温度控制精度要求高，烧结工艺过程控制难度大。
在较小零件的制备工艺方面，国内主要采用粉末注射成型方法(简称MIM)进行制备，但是经过生坯脱脂处理后，表面与内部空隙较多，生坯强度较低，烧结完成后，容易在烧结生坯表面形成缺陷，增大了产品的表面粗糙度。正如美国专利US6453556B1所述，采用MIM方法生产的叶片在叶片与叶片轴的连接部分，因为表面粗糙，使材料强度通常低于锻钢或铸造产品。为了满足使用要求需要对零件进行表面抛光处理，但在连接部位很难进行磨抛，导致产品的生产工艺流程长、产品质量稳定性较低、生产成本大幅度提升。
由于MIM工艺制备的零部件表面光洁度及密度均存在一定的瑕疵，因此，现有技术中针对汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片的制备，通常采用机加工工艺进行，存在工艺复杂、工艺路线长、生产成本高的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺；本发明提供的制备工艺具有工艺简单合理、操作方便、制备的汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片的强度、致密度、表面光洁度满足设计要求。
本发明一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺，包括下述步骤：
第一步：粉料级配
分别取HK30的粗粉与微粉配置混合粉末，混合粉末中，粗粉与微粉的质量百分比为：
粗粉85-95％
微粉15-5％；
所述粗粉的中位径为50微米；微粉中位径6微米；
第二步：炼制喂料并注射成型坯件
取第一步得到的混合粉末并添加粘接剂，按粉末注射成形工艺对喂料的要求，炼制喂料后，于120-165℃注射成型，冷却后得到坯件；
第三步：脱脂坯超声活化
将坯件置于有机溶剂中，溶解其中的石蜡和植物油组分后，保护气氛下对坯件加热脱脂，得到脱脂坯；将得到的脱脂坯进行超声活化处理；
第四步：烧结
将第三步得到的超声活化处理后的脱脂坯加热至烧结温度进行真空烧结，得到烧结坯；烧结过程真空度控制10-2Pa的范围内。
本发明一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺，HK30粗粉及微粉均为气雾化粉末；生产商为英国Osprey公司。
本发明一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺，第二步中，粘接剂选自石蜡、植物油、聚丙烯、聚乙烯醇、硬脂酸中的一种或几种，粘接剂的用量按混合粉末质量的5-20％添加。
本发明一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺，第二步中，炼制喂料工艺参数为：密炼温度为120℃-150℃，密炼机转速为40r/min-60r/min，密炼时间1h-1.5h。
本发明一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺，第二步中，注射成型工艺参数为：设备：BOY50T注射成形机，注射温度120-165℃，注射压力60-120Mpa，模温30-60℃。
本发明一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺，第三步中，有机溶剂选自二氯甲烷、正庚烷中的一种。
本发明一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺，第三步中，保护气氛下对坯件加热脱脂工艺参数为：
将坯件在氩气保护下，以3℃-4℃/min的升温速度加热至160℃-180℃，保温150-180分钟后，再以4-5℃/min的升温速度加热至320-350℃，保温150-180分钟，得到脱脂坯。
本发明一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺，第三步中，超声活化处理工艺参数为：将脱脂生坯置于密闭的超声箱中，超声强度为0.4-0.5W/cm2，超声时间为0.75h-1h。
本发明一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺，第四步中，烧结温度为1240-1300℃，保温时间100-120分钟，升温速度为5-7℃/min。
本发明一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺，制备的汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片光洁度达到Ra0.1，密度为95.2-97.8％。
本发明提供的一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺，采用粉末注射成形技术制备HK-30不锈钢涡轮增压器喷嘴环叶片零部件，使用超声波提高粉末表面活性，拓宽了烧结窗口；使用粗细搭配的方式有效的改善了生坯的强度最终改善了表面粗糙度，提高了产品的合格率；使用粗细粉末搭配，不仅增大了粉末装载量，提高了脱脂坯的强度，同时在烧结时细粉通过毛细管力的作用可以有效填充与粗粉缝隙处，提高了产品的表面粗糙度，改善了产品的一次性合格率；另一方面，采用超声波预处理，可以有效提高粉末的表面活性，使其颗粒表面活性增大，有效的拓宽了相同粒径粉末的烧结窗口，使该窗口增大到60度左右，有效的改善了产品的成品率。使用粉末粗细搭配的方法，。非常适合于制备精密复杂形的汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片零部件。
与现有技术相比，本发明的优点是：
(1)使用粗细粉末搭配的方法，在制备喂料的过程中，细粉能够有效填充进粗粉缝隙内，提高喂料中粉末的密实程度，增大了该喂料的粉末装载量进而有效的提高了脱脂坯的强度，有效提高烧结后材料的表面光洁度，提升了脱脂坯的成品率。
(2)采用超声波对脱脂坯进行预处理，使粉末表面产生较大的应力残余，有效提高粉末表面活性，在烧结过程中，表面活性高的细粉通过毛细管力的作用有效填充了粗粉缝隙，有效改善了产品的表面粗糙度，提高了最终产品的合格率。同时，由于烧结活性的提高，有效拓宽了烧结坯的烧结窗口。
(3)一方面，粗细粉搭配使粉体接触界面增多，脱脂坯的强度增加；另一方面。采用超声波预处理，可以有效提高粉末表面活性，有效拓宽了烧结坯的烧结窗口，上述两方面的协同作用，改善了烧结后材料的表面光洁度，材料烧结窗口的拓宽，促进了烧结过程的进行。
(4)本发明采用粉末注射成形技术制备可变几何截面涡轮增压器喷嘴环叶片，通过粗细粉末搭配的方式，可以将产品的表面光洁度控制在Ra0.1范围内，免去后续的加工整形，提高了叶片气流的转化效率，有效缩短工艺流程，降低生产成本；
(5)本发明采用超声处理的方式，提高了产品的烧结窗口，较原同类产品烧结窗口提高了6倍，极大的提高了产品的合格率；
附图说明
附图1为发明制备的汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片实物图。
具体实施方式
本发明以一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备为实例详细介绍本发明，其过程如下：
本发明采用的粉末原料为英国Osprey公司提供的HK30的气雾化粉。
粉末的化学成分如表1所示。
为提高生坯强度及成品表面光洁度，在中位粒径为50微米的气雾化粉末中按重量百分比加入5％、10％、15％的中位粒径为6微米的HK30气雾化粉末。
按质量比80-95：20-5％的比例，称量好粘结剂与HK30级配粉末，密炼温度为120℃-150℃，密炼机转速为40r/min-60r/min，密炼时间1h-1.5h，冷却后制成喂料。
将制好的喂料加入BOY50T注射成形机内，注射温度120-165℃，注射压力60-120Mpa，模温30-60℃，注射成形，冷却后得到坯件。首先将坯件置于二氯甲烷溶剂中，溶解其中的石蜡和植物油组分；然后将干燥后的坯件放入真空脱脂炉中，在氩气保护下，以3℃-4℃/min的升温速度加热至160℃-180℃，保温150-180分钟后，再以4-5℃/min的升温速度加热至320-350℃，保温150-180分钟，得到脱脂坯；使细粉可经由孔隙通道到达脱脂坯表面。
表2为粗细粉不同配比情况下的脱脂坯强度及1290度烧结后表面粗糙度。
采用超声波对脱脂坯进行超声处理，将脱脂坯放入密闭的超声箱中，超声强度为0.4-0.5W/cm2，超声时间为0.75h-1h。随后进行试样烧结，烧结温度为1200-1320℃，升温速度为5-7℃/min，升到烧结温度保温120分钟后随炉冷却。通过在不同温度下烧结结果确定其烧结窗口，本试样以95％致密度为合格标准。
表3为不同烧结温度条件下产品的致密度。
本发明提供3个具体实施例，其工艺参数如下：
所有实施例中，粗粉是中位粒径为50微米的HK30的气雾化粉；微粉是中位粒径为6微米的HK30气雾化粉末。
实施例1
1、粉料级配：粗粉95％、微粉5％；
2、炼制喂料并注射成型坯件
2.1粘结剂加入量5％
2.2密炼温度为150℃，密炼机转速为60r/min，密炼时间1.5h；
2.3注射温度165℃，注射压力120Mpa，模温50-60℃；
3、脱脂坯超声活化
3.1脱脂工艺：以3℃-4℃/min的升温速度加热至160-180℃，保温150-155分钟后，再以4-5℃/min的升温速度加热至320℃，保温160分钟；
3.2超声活化工艺：超声强度为0.4-0.5W/cm2，超声时间为0.75h；
4、烧结工艺
烧结温度1200-1320℃，升温速度为5-7℃/min，保温时间120分钟。
实施例2
1、粉料级配：粗粉90％、微粉10％；
2、炼制喂料并注射成型坯件
2.1粘结剂加入量10％
2.2密炼温度为140℃，密炼机转速为40r/min，密炼时间1h；
2.3注射温度140℃，注射压力80Mpa，模温40-60℃；
3、脱脂坯超声活化
3.1脱脂工艺：以3℃-4℃/min的升温速度加热至160-180℃，保温160-170分钟后，再以4-5℃/min的升温速度加热至340℃，保温180分钟；
3.2超声活化工艺：超声强度为0.4-0.5W/cm2，超声时间为0.75h；
4、烧结工艺
烧结温度1200-1320℃，升温速度为5-7℃/min，保温时间120分钟。
实施例3
1、粉料级配：粗粉85％、微粉15％；
2、炼制喂料并注射成型坯件
2.1粘结剂加入量20％
2.2密炼温度为120℃，密炼机转速为40r/min，密炼时间1h；
2.3注射温度120℃，注射压力60Mpa，模温30-50℃；
3、脱脂坯超声活化
3.1脱脂工艺：以3℃-4℃/min的升温速度加热至160-180℃，保温170-180分钟后，再以4-5℃/min的升温速度加热至350℃，保温180分钟；
3.2超声活化工艺：超声强度为0.4-0.5W/cm2，超声时间为1h；
4、烧结工艺
烧结温度1200-1320℃，升温速度为5-7℃/min，保温时间120分钟。
从表2、3可知，本发明具有以下突出的技术效果：
(1)采用超声波对脱脂坯进行预处理，提高粉末表面活性，拓宽了该材料的烧结窗口。
(2)使用粗细粉末搭配的方法，增大了该喂料的粉末装载量有效的提高了脱脂坯的强度。
(3)在烧结过程中，细粉通过毛细管力的作用有效填充了粗粉缝隙，有效改善了产品的表面粗糙度，表面光洁度在Ra0.1范围内，提高了产品的合格率。
以上所述设计参数仅为本发明部分实例，故不能以此限定本发明的实施范围，依本发明申请专利范围及说明书内容所做的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围。
表1 HK30粉末的化学成分
Figure BDA0001581899570000101
表2不同配比粗细粉末生坯强度及烧结后表面粗糙度
Figure BDA0001581899570000102
表3烧结温度与产品致密度的关系
Figure BDA0001581899570000103

Claims (10)

1.一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺，包括下述步骤：
第一步：粉料级配
分别取HK30的粗粉与微粉配置混合粉末，混合粉末中，粗粉与微粉的质量百分比为：
粗粉 85-95%
微粉 15-5%；
所述粗粉的中位径为50微米；微粉中位径6微米；
第二步：炼制喂料并注射成型坯件
取第一步得到的混合粉末并添加粘接剂，按粉末注射成形工艺对喂料的要求，炼制喂料后，于120-165℃注射成型，冷却后得到坯件；
第三步：脱脂坯超声活化
将坯件置于有机溶剂中，溶解其中的石蜡和植物油组分后，保护气氛下对坯件加热脱脂，得到脱脂坯；将得到的脱脂坯进行超声活化处理；
第四步：烧结
将第三步得到的超声活化处理后的脱脂坯加热至烧结温度进行真空烧结，得到烧结坯；烧结过程真空度控制10-2Pa的范围内；制备的汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片光洁度达到Ra0.1。
2.根据权利要求1所述的一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺，其特征在于：HK30粗粉及微粉均为气雾化粉末。
3.根据权利要求1所述的一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺，其特征在于：第二步中，粘接剂选自石蜡、植物油、聚丙烯、聚乙烯醇、硬脂酸中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺，其特征在于：第二步中，炼制喂料工艺参数为：密炼温度为120℃-150℃，密炼机转速为40r/min-60r/min，密炼时间1h-1.5h。
5.根据权利要求1所述的一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺，其特征在于：第二步中，注射成型工艺参数为：设备：BOY50T注射成形机，注射温度120-165℃，注射压力60-120Mpa，模温30-60℃。
6.根据权利要求1所述的一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺，其特征在于：第三步中，有机溶剂选自二氯甲烷、正庚烷中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺，其特征在于：第三步中，保护气氛下对坯件加热脱脂工艺参数为：
将坯件在氩气保护下，以3℃-4℃/min的升温速度加热至160℃-180℃，保温150-180分钟后，再以4-5℃/min的升温速度加热至320-350℃，保温150-180分钟，得到脱脂坯。
8.根据权利要求1所述的一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺，其特征在于：第三步中，超声活化处理工艺参数为：将脱脂生坯置于密闭的超声箱中，超声强度为0.4-0.5W/cm2，超声时间为0.75h-1h。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺，其特征在于：第四步中，烧结温度为1240-1300℃，保温时间100-120分钟，升温速度为5-7℃/min。
10.根据权利要求9所述的一种汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片制备工艺，其特征在于：制备的汽油机用涡轮增压器喷嘴环叶片密度为95.2-97.8%。
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