CN109513930B - 一种高强度涡轮增压器喷嘴环叶片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种高强度涡轮增压器喷嘴环叶片及其制备方法，属于车用涡轮增压器喷嘴环叶片生产技术领域。本发明采用添加0.8‑1.5wt％增强剂的HK30不锈钢气雾化粉末和粘结剂；按质量比80‑95％：20‑5％的比例，称量好HK30、增强剂粉末与粘结剂进行混炼，混炼后，冷却破碎后制成喂料；将制好的喂料加入注射成形机内，注射温度140‑175℃，注射压力60‑120MPa，模温30‑60℃，注射成形出坯件；坯件经溶剂脱脂和加热脱脂相结合的处理后，经预烧结和烧结工序处理，得到产品。本发明的产品的尺寸精度和表面精度高、产品抗热疲劳性能高、产品高温强度下使用寿命长。

Description

一种高强度涡轮增压器喷嘴环叶片及其制备方法
技术领域
本发明一种高强度涡轮增压器喷嘴环叶片及其制备方法，具体涉及一种高强度HK30不锈钢及其制备方法，属于车用涡轮增压器喷嘴环叶片生产技术领域。
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。其主要工作原理是通过调节涡轮进口导向叶片的角度，来改变涡轮喷嘴的截面大小，进而调节增压压力。当发动机处于怠速工况或低速工况时，喷嘴叶片关闭或喷嘴截面很小，即使在此时较低的废气流量下也能够使叶轮很快地加速，从而提高发动机的低速扭矩，改善发动机的低速响应性；当发动机高速运转时，喷嘴叶片全开或喷嘴截面很大，凭借此时较高的废气流量能够克服较大的叶轮阻力，提供较大的动力来提高增压压力，充分满足发动机对吸入空气的需要。可变喷嘴涡轮增压器目前在车用柴油机得到愈来愈广泛的应用。涡轮增压器与通常增压器比较，具有如下优点：1、在全工况范围内提高内燃机的动力性和经济性；2、可明显改善内燃机的加速性和低速转矩特性；3、可使联合运行线流量范围拓宽，配合使用后掠式压气机和其他可变技术，可满足高增压、变工况运行特性要求很高的内燃机的性能需求；4、改善排放品质。其中，喷嘴环组件(喷嘴环，叶片)是涡轮增压器的关键组成部分，其质量尤其是叶片质量直接决定着涡轮增压器性能。
而随着内燃机排出的废气温度逐渐升高，喷嘴环叶片的工作环境越来越恶劣(约800℃)，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，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。
目前喷嘴环叶片常用材质为HK30不锈钢，其为奥氏体不锈钢，强度较低，烧结态硬度为190HV，800℃高温强度170MPa，因此常规的HK30已经难以满足喷嘴环叶片的高温需求。
发明内容
针对上述问题，本发明首次尝试了将适量的CrN引入到HK30，并将该种材料应用于高强度涡轮增压器喷嘴环叶片上。同时本发明开发了与之相匹配的制备工艺。
本发明一种高强度涡轮增压器喷嘴环叶片；所述高强度涡轮增压器喷嘴环叶片由HK30不锈钢和增强剂CrN构成；其中增强剂的质量为HK30不锈钢质量的0.8-1.5％、优选为1.0-1.5％、更进一步优选为1.4-1.5％。所述增强剂选自CrN、TiN、NbN中的至少一种。优选为CrN。
本发明一种高强度涡轮增压器喷嘴环叶片的制备方法；包括下述步骤：
步骤一
以HK30不锈钢粉末为原料；按原料质量的0.8-1.5％配取增强剂；所述增强剂选自CrN、TiN、NbN中的至少一种；优选为CrN粉末；
步骤二
按质量之比；(原料+增强剂)：粘结剂＝80-95:20-5的比例，配取粘接剂，并对粘接剂、原料、增强剂进行混炼；混炼后，冷却破碎得到喂料；
步骤三
将制好的喂料加入注射成形机内，注射温度为140-175℃，注射压力为60-120MPa，模温为30-60℃，注射成形得到坯件；
步骤四
将坯件放置于二氯甲烷内，通过溶剂脱脂的方式去除部分粘结剂；然后将干燥后的坯件在保护气氛中进行热脱脂；接着以8～12℃/min的速度加热至840～860℃进行预烧结；得到预烧结坯；所述热脱脂的温度为400-500℃；
步骤五
在保护气氛下，预烧结坯以5～9℃/min的升温速度升到1270～1340℃、优选为1300～1335℃，保温120～180分钟分钟后随炉冷却，得到高强度涡轮增压器喷嘴环叶片。
本发明一种高强度涡轮增压器喷嘴环叶片的制备方法；HK30不锈钢粉末为气雾化粉。
本发明一种高强度涡轮增压器喷嘴环叶片的制备方法；HK30不锈钢粉末的粒径小于等于20微米、优选为5-20微米。
本发明一种高强度涡轮增压器喷嘴环叶片的制备方法；增强剂的粒度小于等于20微米、优选为5-20微米。
本发明一种高强度涡轮增压器喷嘴环叶片的制备方法；所述粘接剂以质量百分比计，包括下述组分：
石蜡(PW)70～85％；
聚丙烯(PP)10～25％；
硬脂酸(SA)1～10％。
本发明一种高强度涡轮增压器喷嘴环叶片的制备方法；步骤二中，按质量之比；(原料+增强剂)：粘结剂＝80-95:20-5的比例，配取粘接剂，并对粘接剂、原料、增强剂进行混炼；混炼的温度为130～170℃，混炼机转速为50～70r/min，混炼时间2-3h，冷却破碎后制成喂料。
在工业上应用时，通过溶剂脱脂的方式去除粘结剂内的石蜡。
本发明一种高强度涡轮增压器喷嘴环叶片的制备方法；步骤四中，热脱脂的时间为60-120min。
本发明一种高强度涡轮增压器喷嘴环叶片的制备方法；：步骤四中，预烧结的时间为60-120min。
本发明一种高强度涡轮增压器喷嘴环叶片的制备方法；所得高强度涡轮增压器喷嘴环叶片的大于等于250HV，800℃的抗拉强度大于等于230MPa。
本发明一种高强度涡轮增压器喷嘴环叶片的制备方法；所述保护气氛优选为氩气气氛。
原理和优势
本发明首次尝试了将适量的CrN引入到HK30，并将该种材料应用于高强度涡轮增压器喷嘴环叶片，通过各组分以及制备工艺协同作用，得到了性能优越的产品。本发明所得产品的大于等于250HV，800℃的抗拉强度大于等于230MPa；经优化后，硬度可以达到280-300HV、同时800℃的抗拉强度为240-270MPa。本发明通过添加CrN调节烧结产品当中的氮含量，通过固溶强化的方式，增强材料高温强度。
附图说明：
图1是HK30不锈钢粉的SEM形貌；
图2是涡轮增压器喷嘴环叶片实物图；
图3是添加1.5％CrN的涡轮增压器喷嘴环叶片金相组织图；
图4是添加2.0％CrN的涡轮增压器喷嘴环叶片金相组织图；
图5是添加1.5％CrN粒径未20-50微米的涡轮增压器喷嘴环叶片金相组织图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明实施例和对比中HK30的气雾化粉的粒度小于等于20微米，粉末的化学成分如表1所示，图1为原料粉末SEM形貌图。
表1HK30粉末的化学成分
Figure BDA0001887780920000041
实施例1：
高强度涡轮增压器喷嘴环叶片，其过程如下：
原料准备：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，按重量百分比加入1.5％的CrN，CrN粒径为5-20微米；
喂料制备：按质量比95％：5％的比例，称量好(HK30+CrN)粉末与粘结剂进行混炼，混炼的温度为170℃，混炼机转速为70r/min，混炼时间3h，冷却破碎后制成喂料；
注射成形：将制好的喂料加入注射成形机内，注射温度175℃，注射压力120MPa，模温60℃，注射成形出坯件；
坯件处理和预烧结：将坯件放置于二氯甲烷内，通过溶剂脱脂的方式去除部分粘结剂(包括石蜡)；然后将干燥后的坯件在氩气中进行热脱脂(时间为90min、温度为450℃)；接着以12℃/min的速度加热至860℃进行预烧结90min；得到预烧结坯；
坯件烧结：坯件以9℃/min的升温速度升到1330℃，保温180分钟后随炉冷却。对烧结态的产品的力学性能如硬度和800℃高温抗拉强度进行了测试，结果如表2。
表2不同配比CrN对涡轮增压器喷嘴环叶片力学性能的影响
Figure BDA0001887780920000042
Figure BDA0001887780920000051
实施例2：
高强度涡轮增压器喷嘴环叶片，其过程如下：
原料准备：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，按重量百分比加入1.0％的CrN，CrN粒径为5-20微米；
喂料制备：按质量比90％：10％的比例，称量好(HK30+CrN)粉末与粘结剂进行混炼，混炼的温度为150℃，混炼机转速为65r/min，混炼时间2.8h，冷却破碎后制成喂料；
注射成形：将制好的喂料加入注射成形机内，注射温度160℃，注射压力100MPa，模温50℃，注射成形出坯件；
坯件处理和预烧结：将坯件放置于二氯甲烷内，通过溶剂脱脂的方式去除部分粘结剂(包括石蜡)；然后将干燥后的坯件在氩气中进行热脱脂(时间为60min、温度为500℃)；接着以10℃/min的速度加热至855℃进行预烧结60min；得到预烧结坯；
坯件烧结：坯件以7℃/min的升温速度升到1340℃，保温170分钟后随炉冷却。对烧结态的产品的力学性能如硬度和800℃高温抗拉强度进行了测试，结果如表2。
实施例3：
高强度涡轮增压器喷嘴环叶片，其过程如下：
原料准备：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，按重量百分比加入0.5％的CrN，CrN粒径为5-20微米；
喂料制备：按质量比85％：15％的比例，称量好HK30、CrN粉末与粘结剂进行混炼，混炼的温度为150℃，混炼机转速为60r/min，混炼时间2.5h，冷却破碎后制成喂料；
注射成形：将制好的喂料加入注射成形机内，注射温度150℃，注射压力80MPa，模温40℃，注射成形出坯件；
坯件处理和预烧结：将坯件放置于二氯甲烷内，通过溶剂脱脂的方式去除部分粘结剂(包括石蜡)；然后将干燥后的坯件在氩气中进行热脱脂(时间为90min、温度为450℃)；接着以9℃/min的速度加热至845℃进行预烧结90min；得到预烧结坯；
坯件烧结：坯件以6℃/min的升温速度升到1280℃，保温150分钟后随炉冷却。对烧结态的产品的力学性能如硬度和800℃高温抗拉强度进行了测试，结果如表2。
对比例1
高强度涡轮增压器喷嘴环叶片，其过程如下：
原料准备：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，按重量百分比加入0％的CrN；
喂料制备：按质量比80％：20％的比例，称量好HK30、CrN粉末与粘结剂进行混炼，混炼的温度为130～170℃，混炼机转速为50r/min，混炼时间2h，冷却破碎后制成喂料；
注射成形：将制好的喂料加入注射成形机内，注射温度140℃，注射压力60MPa，模温30℃，注射成形出坯件；
坯件处理和预烧结：将坯件放置于二氯甲烷内，通过溶剂脱脂的方式去除部分粘结剂(包括石蜡)；然后将干燥后的坯件在氩气中进行热脱脂(时间为60min、温度为500℃)；接着以8℃/min的速度加热至840℃进行预烧结90min；得到预烧结坯；
坯件烧结：坯件以5℃/min的升温速度升到1330℃，保温180分钟后随炉冷却。对烧结态的产品的力学性能如硬度和800℃高温抗拉强度进行了测试，结果如表2。
对比例2
高强度涡轮增压器喷嘴环叶片，其过程如下：
原料准备：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，按重量百分比加入2％的CrN，CrN粒径为5-20微米；
喂料制备：按质量比80％：20％的比例，称量好HK30、CrN粉末与粘结剂进行混炼，混炼的温度为130～170℃，混炼机转速为50r/min，混炼时间2h，冷却破碎后制成喂料；
注射成形：将制好的喂料加入注射成形机内，注射温度140℃，注射压力60MPa，模温30℃，注射成形出坯件；
坯件处理和预烧结：将坯件放置于二氯甲烷内，通过溶剂脱脂的方式去除部分粘结剂(包括石蜡)；然后将干燥后的坯件在氩气中进行热脱脂(时间为90min、温度为450℃)；接着以8℃/min的速度加热至840℃进行预烧结90min；得到预烧结坯；
坯件烧结：坯件以5℃/min的升温速度升到1340℃，保温180分钟后随炉冷却。对烧结态的产品的力学性能如硬度和800℃高温抗拉强度进行了测试，结果如表2，发现其延伸率显著降低，其原因是加入CrN过多使得基体内过多的氮化物，降低材料延伸率。
对比例3
高强度涡轮增压器喷嘴环叶片，其过程如下：
原料准备：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，按重量百分比加入1.5％的CrN，CrN粒径为20-50微米；
喂料制备：按质量比80％：20％的比例，称量好HK30、CrN粉末与粘结剂进行混炼，混炼的温度为130～170℃，混炼机转速为50r/min，混炼时间2h，冷却破碎后制成喂料；
注射成形：将制好的喂料加入注射成形机内，注射温度140℃，注射压力60MPa，模温30℃，注射成形出坯件；
坯件处理和预烧结：将坯件放置于二氯甲烷内，通过溶剂脱脂的方式去除部分粘结剂(包括石蜡)；然后将干燥后的坯件在氩气中进行热脱脂(时间为90min、温度为450℃)；接着以8℃/min的速度加热至840℃进行预烧结90min；得到预烧结坯；
坯件烧结：坯件以5℃/min的升温速度升到1340℃，保温180分钟后随炉冷却。对烧结态的产品的力学性能如硬度和800℃高温抗拉强度进行了测试，结果如表2，发现其延伸率显著降低，其原因是CrN颗粒过大使得其未完全固溶到基体内，降低材料延伸率。
对比例4
制备条件与实施例1一致，仅烧结温度降为1260℃，发现其烧结密度为7.2g/cm3，其远低实施例1样品密度(7.7g/cm3)，造成其硬度和抗拉强度降低。
对比例5
制备条件与实施例1一致，仅保温时间为30min，发现其烧结密度为6.4g/cm3，其远低实施例1样品密度(7.7g/cm3)，造成其硬度和抗拉强度降低。
对比例6
制备条件与实施例1一致，仅烧结温度降为1350℃，发现其晶粒显著长大，造成其延伸率降低。
对比例7
制备条件与实施例1一致，仅保温时间为200min，发现其晶粒显著长大，造成其延伸率降低。
对比例所有产品用于高强度涡轮增压器喷嘴环叶片时，其寿命远远低于实施例尤其是实施例1的产品。这证明实施例1所得产品特别适用于高强度涡轮增压器喷嘴环叶片。
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。

Claims (5)

1.一种高强度涡轮增压器喷嘴环叶片，其特征在于：所述高强度涡轮增压器喷嘴环叶片由HK30不锈钢和增强剂构成；其中增强剂的质量为HK30不锈钢质量的1.0-1.5%，所述增强剂为CrN；
所述的一种高强度涡轮增压器喷嘴环叶片的制备方法包括下述步骤：
步骤一
以HK30不锈钢粉末为原料；按原料质量的1.0-1.5%配取增强剂；所述增强剂为CrN；所述HK30不锈钢粉末的粒径小于等于20微米；所述增强剂的粒径小于等于20微米；
步骤二
按质量之比，（原料+增强剂）：粘接剂=80-95:20-5的比例，配取粘接剂，并对粘接剂、原料、增强剂进行混炼；混炼后，冷却破碎得到喂料；
所述粘接剂以质量百分比计，包括下述组分：
石蜡70~85%；
聚丙烯10~25%；
硬脂酸1~10%；
步骤三
将制好的喂料加入注射成形机内，注射温度为140-175℃，注射压力为60-120MPa，模温为30-60℃，注射成形得到坯件；
步骤四
将坯件放置于二氯甲烷内，通过溶剂脱脂的方式去除部分粘接剂；然后将干燥后的坯件在保护气氛下进行热脱脂；接着以8～12℃/min的速度加热至840～860℃进行预烧结，得到预烧结坯；所述热脱脂的温度为400-500℃；
步骤五
在保护气氛下，预烧结坯以5～9℃/min的升温速度升到1270～1340℃，保温120～180分钟后随炉冷却，得到高强度涡轮增压器喷嘴环叶片；
所得高强度涡轮增压器喷嘴环叶片的硬度大于等于250HV，800℃的抗拉强度大于等于230MPa。
2.根据权利要求1所述的一种高强度涡轮增压器喷嘴环叶片，其特征在于：HK30不锈钢粉末为气雾化粉。
3.根据权利要求1所述的一种高强度涡轮增压器喷嘴环叶片，其特征在于：步骤二中，按质量之比，（原料+增强剂）：粘接剂=80-95:20-5的比例，配取粘接剂，并对粘接剂、原料、增强剂进行混炼；混炼的温度为130～170℃，混炼机转速为50～70r/min，混炼时间2-3h，冷却破碎后制成喂料。
4.根据权利要求1所述的一种高强度涡轮增压器喷嘴环叶片，其特征在于：步骤四中，热脱脂的时间为60-120min。
5.根据权利要求1所述的一种高强度涡轮增压器喷嘴环叶片，其特征在于：步骤四中，预烧结的时间为60-120min。
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