CN110465667B - 一种涡轮增压器叶片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涡轮增压器叶片，所述涡轮增压器叶片由按质量百分比的如下组分在氮保护气氛下烧制而成：23‑27％Cr、30‑40％Ni、0.83‑1.93％Al、0.63‑1.47％Mo、1.38‑1.48％Nb、0.08‑0.19％Ti、0‑1.75％Si、0.25‑0.35％C、0‑1.5％Mn，余量为Fe。本发明还公开了一种上述涡轮增压器叶片的制备方法。本发明所得的涡轮增压器叶片最终烧结致密度在98％以上，其常温抗拉强度为850‑950MPa，高温(950℃)下的抗拉强度为400‑450Mpa，在950℃、170Mpa下蠕变断裂寿命达350‑450h，其延伸率大于30％。

Description

一种涡轮增压器叶片及其制备方法
技术领域
本发明属于铁基材料制备技术领域，尤其涉及一种涡轮增压器叶片及其制备方法。
背景技术
随着“国六”排放标准的出台，发动机的升级不可避免。“国六”标准是目前全球最严格的的排放标准之一，相较之前的“国五”，“国六”在多项污染物的限值方面更加严格，特别是在碳氢化合物、一氧化碳等排放污染物的限值方面，比“国五”严苛了50%，甚至比“欧六”标准更高。
现代轿车普遍使用的发动机为汽油机增压发动机，其中的涡轮增压器是一种空气压缩机，能全面提高发动机的动力性、改善发动机的排放指标等综合性能，对发动机有着重要作用。随着汽车行业对发动机性能要求的提高，涡轮增压器性能的提升无可避免。涡轮叶片作为涡轮增压器的关键部件之一，其质量直接决定着涡轮增压器的性能。由于发动机排出的废气温度十分高，涡轮叶片的服役环境苛刻，高温废气导致侵蚀和腐蚀。选择的合金除了需要具有优异的耐热磨损和耐腐蚀性能，在操作温度下还需具有良好的高温疲劳，蠕变强度和微观稳定性。
以往常选择HK30作为制备涡轮增压器叶片的材料。HK30不锈钢是一种应用比较广泛的耐热奥氏体不锈钢，其碳含量在0.3%左右，是一种在高温下仍具有一定的强度、抗氧化性以及抗腐蚀能力的合金，十分适用于涡轮增压器叶片。但随着需求的升级，目前涡轮增压器的服役环境大约在850℃，而HK30不锈钢的服役温度大约在650℃~700℃左右，已无法满足目前涡轮增压器需求的服役温度。除此之外，HK30不锈钢在高温下的综合力学性能也无法满足需要提高性能的涡轮增压器。
镍基高温合金钢虽然在高温环境（950~1050℃）下也能具有很好的高温强度、良好的抗氧化性和优异的蠕变性能，但其成本较高，使用镍基高温合金制备涡轮增压器叶片在经济角度方面可行性不足。
因此，开发一种能够满足涡轮叶片工作环境要求且制备成本低的涡轮增压器叶片是目前亟待解决的一个技术问题。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种生产成本低，同时具备良好的耐热以及高温性能的涡轮增压器叶片及其制备方法。
为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：
一种涡轮增压器叶片，所述涡轮增压器叶片由按质量百分比的如下组分在氮保护气氛下烧制而成：23-27%Cr、30-40%Ni、0.83-1.93%Al、0.63-1.47% Mo、1.38-1.48% Nb、0.08-0.19% Ti、0-1.75%Si、 0.25-0.35 %C、0-1.5 %Mn，余量为Fe。
一种制备上述涡轮增压器叶片的方法，包括如下步骤：
步骤一：按质量百分比的如下组分选取原料：23-27%Cr、 30-40%Ni、0.83-1.93%Al、0.63-1.47% Mo、1.38-1.48% Nb、0.08-0.19% Ti、0-1.75%Si、 0.25-0.35 %C、0-1.5 %Mn，余量为Fe；
步骤二：将步骤一得到的混合粉末与粘合剂混合制得喂料；
步骤三：将步骤二得到的喂料进行注射成形，制得涡轮增压器叶片生坯件；
步骤四：将涡轮增压器叶片生坯件进行脱脂，得到脱脂坯；
步骤五：将脱脂坯在氮气气氛下，以5-8℃/min的加热速度升温至1280-1300℃保温2-4小时后随炉冷却，得到涡轮增压器叶片。
进一步的，步骤一中原料的制备过程如下：首先采用FeCr粉、FeNi粉与羟基铁粉（CN铁粉）预扩散处理，预扩散后的粉末按照配比加入其它元素粉末混料得原料。
进一步的，所述FeCr合金粉的中位粒径为20-25微米，Al元素粉的中位粒径为5-15微米，Ti元素粉的中位粒径为5-15微米，Nb元素粉的中位粒径为5-15微米，Mo元素粉的中位粒径为5-15微米，羟基铁粉的中位粒径为5-10微米。
进一步的，喂料制备的具体过程如下：由60%的原料和40%的粘结剂在140-160℃，混炼至少30分钟得到；其中，粘结剂选用蜡基体系，包含固体石蜡、聚丙烯、硬脂酸、花生油和蓖麻油。
进一步的，注射胚的脱脂采用溶剂脱脂+热脱脂的工艺。
进一步的，溶剂脱脂过程中使用的脱脂溶剂为CH2Cl2溶液，在水浴槽中保持恒温条件，脱脂温度为30-40℃，脱脂时间为6h。
进一步的，热脱脂的脱脂温度为750-850℃，热脱脂时间为80-120min。
进一步的，注射压力为80-100 Mpa。
进一步的，所述涡轮增压器叶片的烧结致密度在98%以上，常温抗拉强度为850-950MPa，950℃下的高温抗拉强度为400-450Mpa，在950℃、170Mpa下蠕变断裂寿命为350-450h。
原理及优势
目前，行业内为提高涡轮增压器叶片的力学性能，通常是想尽办法实现晶粒的细化，进而通过细晶强化机理实现增强，但是发明人通过大量试验发现，高涡轮增压器叶片的高温性能的提高并不是晶粒越小越好，这是因为在高温下晶粒的晶界呈粘滞状态，在外力作用易产生滑动和迁移，细小的晶粒反而无益，在高温下较大的晶粒反而力学性能更好，本发明正是基于这一发明构思，通过在HK30粉末的基础上，首次尝试将Ni元素的成分比例提升至特定比例，并增加Al、Ti元素，通过各组分以及制备工艺的协同作用，制备得到了常温及高温性能均优异的产品。
发明人研究发现，HK30粉末的晶粒大小随着Ni含量的增加而长大，本发明通过在HK30粉末的基础上，将Ni元素的成分比例提升至30-40%，将基体晶粒增大至适当尺寸，进而达到提高材料高温力学性能，特别是高温蠕变性能的目的。添加的Al、Ti元素与Ni元素一起生成强化相γ＇，在氮气气氛下烧结，添加的Nb元素还会与N元素结合，生成NbN强化相，进而弥补因晶粒长大带来的强度损失。
本发明所得的涡轮增压器叶片最终烧结致密度在98%以上，其常温抗拉强度为850-950MPa，高温（950℃）下的抗拉强度为400-450Mpa，在950℃、170Mpa下蠕变断裂寿命达350-450h，其延伸率大于30%。
本发明采用镍含量远低于高温合金的铁基材料，制备得到了具有高温合金相当的高温性能以及HK30相当的低温性能的涡轮增压器叶片，既节约了镍钴稀有金属，又大大降低产品成本，采用本发明合金制成的产品仅是镍基高温合金成本的60%左右。
附图说明
图1为本发明的热脱脂工艺图；
图2为实施例2的金相图片；
图3为实施例4的金相图片；
图4为实施例5的金相图片；
图5为实施例6的金相图片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。
一种涡轮增压器叶片，所述涡轮增压器叶片由按质量百分比的如下组分在氮保护气氛下烧制而成：23-27%Cr、30-40%Ni、0.83-1.93%Al、0.63-1.47% Mo、1.38-1.48% Nb、0.08-0.19% Ti、0-1.75%Si、 0.25-0.35 %C、0-1.5 %Mn，余量为Fe。
一种制备上述涡轮增压器叶片的方法，包括如下步骤：
步骤一：按质量百分比的如下组分选取原料：23-27%Cr、 30-40%Ni、0.83-1.93%Al、0.63-1.47%Mo、1.38-1.48%Nb、0.08-0.19%Ti、0-1.75%Si、 0.25-0.35 %C、0-1.5 %Mn，余量为Fe；
步骤二：将步骤一得到的混合粉末与粘合剂混合制得喂料；
步骤三：将步骤二得到的喂料进行注射成形，制得涡轮增压器叶片生坯件；
步骤四：将涡轮增压器叶片生坯件进行脱脂，得到脱脂坯；
步骤五：将脱脂坯在氮气气氛下，以5-8℃/min的加热速度升温至1295℃保温3小时后随炉冷却，得到涡轮增压器叶片。
进一步的，步骤一中原料的制备过程如下：首先采用FeCr粉、FeNi粉与羟基铁粉（CN铁粉）预扩散处理，预扩散后的粉末按照配比加入其它元素粉末混料得原料。
进一步的，喂料制备的具体过程如下：由60%的原料和40%的粘结剂在140-160℃，混炼至少30分钟得到；其中，粘结剂选用蜡基体系，包含固体石蜡、聚丙烯、硬脂酸、花生油和蓖麻油。
进一步的，注射胚的脱脂采用溶剂脱脂+热脱脂的工艺。
进一步的，溶剂脱脂过程中使用的脱脂溶剂为CH2Cl2溶液，在水浴槽中保持恒温条件，脱脂温度为30-40℃，脱脂时间为6h。
进一步的，热脱脂的脱脂温度为750-850℃，热脱脂时间为80-120min。
进一步的，注射压力为80-100 Mpa。
进一步的，所述涡轮增压器叶片的烧结致密度在98%以上，常温抗拉强度为850-950MPa，950℃下的高温抗拉强度为400-450Mpa，在950℃、170Mpa下蠕变断裂寿命为350-450h。
其中：各组分按以下粒度进行级配；Fe-Cr合金粉的中位粒径为20-25微米，Fe-Ni合金粉的中位粒径为20-25微米，Al元素粉的中位粒径为5-15微米，Ti元素粉的中位粒径为5-15微米，Nb元素粉的中位粒径为5-15微米，Mo元素粉的中位粒径为5-15微米，CN铁粉的中位粒径为5-10微米。
优选的，上述各元素粉均为球形气雾化粉末。
进一步的，在原料中添加粘接剂后，在三维旋转混合机中混炼均匀，混炼时间至少0.5小时，温度150-155℃；混炼机转速为90 r/min，使粉料与粘结剂充分混合均匀，得到喂料。
本发明将Ni元素的成分比例提升至30-40%，增强了其高温力学性能，随着Ni含量的提高，晶粒均会长大，在高温下晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动和迁移，因而晶粒细小反而无益，在高温下大晶粒反而力学性能更好。
其次，添加Al、Ti元素，其会与Ni元素一起生成强化相γ＇(面心立方的Ni3(Al,Ti))相，提高合金强度。在氮气气氛下烧结，添加的Nb元素会与N元素结合，生成NbN强化相，提高合金力学性能。
通过将Fe-Cr粉及Fe-Ni粉与CN铁粉混合预扩散处理，可减少成分偏析，并极大的降低由此带来的组织差异，从而改善所得产品的性能。
制备得到的产品最终烧结致密度在98%以上，其常温抗拉强度为850-950MPa，高温（950℃）下的抗拉强度为400-450Mpa，在950℃、170Mpa下蠕变断裂寿命达350-450h，其延伸率大于30%。
制备本发明涡轮增压器叶片的合金材料其Ni含量高于HK30，又低于高温合金，然后以粉末注射成形技术制备涡轮增压器叶片。既能够节约成本，又能提高材料的耐热温度及高温下的服役性能。
通过将Fe-Cr粉及Fe-Ni粉与CN铁粉混合预扩散处理，可减少成分偏析，并极大的降低由此带来的组织差异，从而改善所得产品的性能。
以下将结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
一种制备上述涡轮增压器叶片的方法，包括如下步骤：
第一步： 喂料的制备
按质量百分比的如下组分选取原料：Cr23，Ni30，Al0.83，Mo0.63，Nb1.38，Ti0.08，Si0.74， C0.25，Mn0.74，余量为Fe。合金粉是粒度为5-15μm的球形气雾化粉末，喂料由60%的合金粉末和40%的粘结剂（体积分数）在155-160℃，时间为3h，得到喂料，混炼机转速90转/分钟，混炼时间1h。
第二步：注射成形
将第一步所得喂料通过注射成形机注入涡轮增压器叶片模具中成型，出模，得到涡轮增压器叶片坯件；注射成形工艺参数如下表所示：
Figure 821312DEST_PATH_IMAGE001
第三步：注射胚的脱脂
注射胚的脱脂包括两个步骤：溶剂脱脂和热脱脂。溶剂脱脂过程中使用的脱脂溶剂为CH2Cl2溶液，在水浴槽中保持恒温条件，脱脂温度为30-40℃。脱脂时间为6h。溶剂脱脂需注意保证溶液澄清，否则CH2Cl2溶剂中溶入过多脂类后，溶解速度后降低，影响溶剂脱脂效果。脱脂后进行恒温干燥，干燥温度50℃，干燥时间1h，称量计算出溶剂脱脂失重率，用以检验溶剂脱脂效果。热脱脂工艺根据TG-DSC曲线可分析得到粘结剂中各组元成分的脱除温度，选择适宜的保温温度和时间，确定采用的热脱脂工艺如图1所示。
第四步：高温烧结
将热脱脂坯在氮气气氛下（0.6Mpa），以5-8℃/min的加热速度升温至1295℃保温3小时后随炉冷却，得到涡轮增压器叶片。
本实例制备的涡轮增压器叶片，其相对密度在98%以上；其常温抗拉强度为850MPa，高温（950℃）下的抗拉强度为400Mpa，在950℃、170Mpa下蠕变断裂寿命达350h。
实施例2
与实施例1所不同的是，原料成分为：Cr24.5，Ni35，Al1.5，Mo1.0，Nb1.43，Ti0.13，Si0.8，C0.25，Mn0.8，余量为Fe。
本实例制备的涡轮增压器叶片，其相对密度在98%以上；其常温抗拉强度为900MPa，高温（950℃）下的抗拉强度为420Mpa，在950℃、170Mpa下蠕变断裂寿命达400h。从图2可以看出，晶粒尺寸比较细小，分布不是很均匀。
实施例3
与实施例1所不同的是，原料成分为：Cr25.5，Ni40，Al1.93，Mo1.47，Nb1.48，Ti0.19，Si0.5，C0.30，Mn0.88，余量为Fe。
本实例制备的涡轮增压器叶片，其相对密度在98%以上；其常温抗拉强度为870MPa，高温（950℃）下的抗拉强度为410Mpa，在950℃、170Mpa下蠕变断裂寿命达370h。
实施例4
与实施例1所不同的是，原料成分为：Cr25.5，Ni35，Al1.93，Mo1.47，Nb1.48，Ti0.19，Si0.85， C0.30，Mn0.88，余量为Fe。合金粉是粒度为20-25μm的球形气雾化粉末，首先采用Fe-Cr粉、Fe-Ni粉与CN铁粉预扩散处理，以增加Ni、Cr元素的扩散。
预扩散采用真空氛围，全程真空度保持在10-3Pa；温度为800℃，保温时间为30min。预扩散后的粉末按照配比加入其它元素粉末混料30min得合金粉末。
本实例制备的涡轮增压器叶片，其相对密度在98%以上；其常温抗拉强度为950MPa，高温（950℃）下的抗拉强度为450Mpa，在950℃、170Mpa下蠕变断裂寿命达450h。
从图3可以看出，晶粒尺寸由于镍含量的提高及采用了元素扩散，也随之有一定的长大，相应地，其高温抗拉性能会稍有提高，且其晶粒相较实施例1更均匀，所以其常温抗拉性能也得到了提高。
实施例5
与实施例1所不同的是，原料成分为：Cr25.5，Ni25，Al0.6，Mo1.47，Nb1.20，Ti0.05，Si0.85， C0.30，Mn0.88，余量为Fe。
本实例制备的涡轮增压器叶片，其相对密度为98%；其常温抗拉强度为650MPa，高温（950℃）下的抗拉强度为300Mpa，在950℃、170Mpa下蠕变断裂寿命达300h。
从图4可以看出，图中的晶粒大小差异较大，不均匀，导致其常温抗拉强度相对低，且普遍晶粒尺寸较小，导致其高温抗拉强度相对低。
实施例6
与实施例1所不同的是，原料成分为：Cr25.5，Ni45，Al2.2，Mo1.47，Nb1.60，Ti0.22，Si0.85， C0.30，Mn0.88，余量为Fe。
本实例制备的涡轮增压器叶片，其相对密度为98%；其常温抗拉强度为700MPa，高温（950℃）下的抗拉强度为350Mpa，在950℃、170Mpa下蠕变断裂寿命达330h。
从图5可以看出，由于Nb含量过高，晶界处的第二相过多，形成网状，降低了材料韧性，导致其常温及高温的拉伸强度下降。
对比例1
与实施例1所不同的是，使用原料为HK30，原料成分为：Cr23.1，Ni20， Si0.85，C0.30，Mn0.88，P0.02，余量为Fe。
本实例制备的涡轮增压器叶片，其相对密度为98%左右；其常温抗拉强度为650MPa，高温（950℃）下的抗拉强度为250Mpa，在950℃、170Mpa下蠕变断裂寿命达300h。与HK30合金相比，本发明的常温抗拉强度及高温抗拉强度都得到了很大提升，在高温下的蠕变断裂寿命也更强。
对比例2
与实施例1所不同的是，使用原料为713C镍基高温合金，原料成分为：Cr11.5;Al5.50; Mo3.80; Nb1.80; Fe0.8; Ti0.50; Si0.4; Zr0.06；C0.08; Mn0.4; B0.008;P0.01; S0.01;Ni余量。
本实例制备的涡轮增压器叶片，其相对密度为98%左右；其常温抗拉强度为1000MPa，高温（950℃）下的抗拉强度为520Mpa，在950℃、170Mpa下蠕变断裂寿命达480h。与713C镍基高温合金相比，本发明成本降低了40%，而性能与其相差不多，在性价比方面十分有优势。
上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种制备涡轮增压器叶片的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：按质量百分比的如下组分选取原料：23-27%Cr、 30-40%Ni、0.83-1.93%Al、0.63-1.47% Mo、1.38-1.48% Nb、0.08-0.19% Ti、0-1.75%Si、 0.25-0.35 %C、0-1.5 %Mn，余量为Fe；
步骤二：将步骤一得到的混合粉末与粘合剂混合制得喂料；
步骤三：将步骤二得到的喂料进行注射成形，制得涡轮增压器叶片生坯件；
步骤四：将涡轮增压器叶片生坯件进行脱脂，得到脱脂坯；
步骤五：将脱脂坯在氮气气氛下，以5-8℃/min的加热速度升温至1280-1300℃保温2-4小时后随炉冷却，得到涡轮增压器叶片。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一中原料的制备过程如下：首先采用FeCr粉、FeNi粉与羟基铁粉预扩散处理，预扩散后的粉末按照配比加入其它元素粉末混料得原料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述FeCr粉和FeNi粉的中位粒径为20-25微米，Al元素粉的中位粒径为5-15微米，Ti元素粉的中位粒径为5-15微米，Nb元素粉的中位粒径为5-15微米，Mo元素粉的中位粒径为5-15微米，羟基铁粉的中位粒径为5-10微米。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：喂料制备的具体过程如下：由60%体积含量的原料和40%体积含量的粘结剂在140-160℃，混炼至少30分钟得到；其中，粘结剂选用蜡基体系，包含固体石蜡、聚丙烯、硬脂酸、花生油和蓖麻油。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：注射胚的脱脂采用溶剂脱脂+热脱脂的工艺。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：溶剂脱脂过程中使用的脱脂溶剂为CH2Cl2溶液，在水浴槽中保持恒温条件，脱脂温度为30-40℃，脱脂时间为6h。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：热脱脂的脱脂温度为750-850℃，热脱脂时间为80-120min。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：注射压力为80-100 Mpa。
9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于：所述涡轮增压器叶片的烧结致密度在98%以上，常温抗拉强度为850-950MPa，950℃下的高温抗拉强度为400-450Mpa，在950℃、170Mpa下蠕变断裂寿命为350-450h。
10.一种涡轮增压器叶片，其特征在于：采用权利要求1-8任一项所述方法制备得到。
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