CN112695228B - 一种耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料及其制造方法，包括，C、Mn、Si、S、P、Cr、Fe、Al、Ti、B、Co、Cu、Nb和Ni；以叶片镍基合金材料质量为百分百计，所述C含量为0.5～1.0％，所述Mn含量为1.00％，所述Si含量为1.00％，所述S含量为0.015％，所述P含量为0.02％，所述Cr含量为18.0～21.0％，所述Fe含量为1.00％，所述Al含量为1.5～2.5％，所述Ti含量为1.0～2.0％，所述Co含量为5.0～8.0％，所述Cu含量为0.20％，所述Nb含量为1.5～2.5％，余量为Ni。本发明VGT叶片，加工难度降低，经过400h排温980℃发动机可靠性试验验证，试验后叶片完整无变形，叶片氧化层厚度低于10μm，轴孔配合间隙增加量小于100μm，叶片轴和安装盘轴孔的磨损量均在可接受的范围内。
Description
技术领域
本发明属于合金金属领域，具体涉及到一种耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料及其制造方法。
背景技术
可变截面涡轮增压器喷嘴环(以下简称VGT)叶片(见图1，简称VGT叶片)为导向叶片，其功能为在连杆机构的控制下改变发动机尾气进入涡轮增压器的方向和速度。随着技术的发展，人们对于汽车发动机的要求也越来越苛刻，不仅要拥有强劲的动力，还必须拥有极高的效率和足够清洁的排放。这就要求发动机在各种工况下都能要达到其最高效的工作状态，因此就必须满足发动机各个工作状态下对于进气量的需求。这就要求发动机的各部件都能够通过“可变”来满足在不同工况下的条件。比如我们所熟悉的可变气门正时/升程技术，可变进气歧管技术都是如此。还有在柴油发动机上常见的VGT可变截面涡轮增压技术。
为解决涡轮迟滞，让涡轮增压发动机在高低转速下都能保证良好的增压效果，VGT(Variable Geometry Turbocharger)或者叫VNT可变截面涡轮增压技术便应运而生。在柴油发动机领域，VGT可变截面涡轮增压技术早已得到了很广泛的应用。由于汽油发动机的排气温度要远远高于柴油发动机，达到1000℃左右(柴油发动机为800℃左右)，而VGT所使用的硬件材质很难承受如此高温的环境，因此这项技术也迟迟未能在汽油机上应用。近年来，博格华纳与保时捷联手克服了这个难题，使用了耐高温的航空材料技术，从而成功开发出了首款搭载可变截面涡轮增压器的汽油发动机，保时捷则将这项技术称为VTG(VariableTurbine Geometry)可变涡轮叶片技术。
可变截面涡轮增压器喷嘴环叶片(以下VGT叶片)为导向叶片，其功能为改变发动机尾气进入涡轮增压器的方向和速度。目前VGT技术主要是用在柴油机涡轮增压器上，VGT叶片普遍采用耐热铸钢HK30材料。叶片生产工艺主要有熔模铸造(investment casting)和金属注射成型MIM(Metal Injection Moulding)两种方式。采用MIM技术生产的叶片叶形保证更好、更接近最终零件尺寸，后期机加成本更低，缺点是金属粉末成本较高。此外，粉末冶金技术下生产出的叶片相对于精密铸造生产的叶片，材料的孔隙率要高一些。综合考虑，MIM工艺相对于熔模铸造更有优势。随着VGT技术越来越多地应用到汽油机上，VGT叶片承受的排温普遍达到950℃以上，铁基材料HK30基本不能满足要求。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料，包括，
C、Mn、Si、S、P、Cr、Fe、Al、Ti、B、Co、Cu、Nb和Ni；
以叶片镍基合金材料质量为百分百计，所述C含量为0.5～1.0％，所述Mn含量最高为1.00％，所述Si含量最高为1.00％，所述S含量最高为0.015％，所述P含量最高为0.02％，所述Cr含量为18.0～21.0％，所述Fe含量最高为1.00％，所述Al含量为1.5～2.5％，所述Ti含量为1.0～2.0％，所述Co含量为5.0～8.0％，所述Cu含量最高为0.20％，所述Nb含量为1.5～2.5％，余量为Ni。
作为本发明所述耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料的一种优选方案，其中：所述以叶片镍基合金材料质量为百分百计，所述C含量为0.8～1.0％，所述Mn含量最高为1.00％，所述Si含量最高为1.00％，所述S含量最高为0.015％，所述P含量最高为0.02％，所述Cr含量为19.0～20.0％，所述Fe含量最高为1.00％，所述Al含量为2～2.5％，所述Ti含量为1.5～2.0％，所述Co含量为6.0～8.0％，所述Cu含量最高为0.20％，所述Nb含量为2～2.5％，余量为Ni。
作为本发明所述耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料的一种优选方案，其中：所述以叶片镍基合金材料质量为百分百计，所述C含量为1.0％，所述Mn含量为1.00％，所述Si含量为1.00％，所述S含量为0.015％，所述P含量为0.02％，所述Cr含量为19.8％，所述Fe含量为1.00％，所述Al含量为2％，所述Ti含量为1.5％，所述Co含量为6.0％，所述Cu含量为0.20％，所述Nb含量为2％，余量为Ni。
本发明的再一个目的是，克服现有技术中的不足，提供一种耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料的制备方法，包括，采用MIM工艺，烧结温度1235～1265℃，烧结氛围为氩气；无热处理或730～750℃保温2～4h退火处理，制得叶片镍基合金材料，其硬度控制在250～350Hv；其中，叶片镍基合金材料包括C、Mn、Si、S、P、Cr、Fe、Al、Ti、B、Co、Cu、Nb和Ni；
以叶片镍基合金材料质量为百分百计，所述C含量为0.5～1.0％，所述Mn含量最高为1.00％，所述Si含量最高为1.00％，所述S含量最高为0.015％，所述P含量最高为0.02％，所述Cr含量为18.0～21.0％，所述Fe含量最高为1.00％，所述Al含量为1.5～2.5％，所述Ti含量为1.0～2.0％，所述Co含量为5.0～8.0％，所述Cu含量最高为0.20％，所述Nb含量为1.5～2.5％，余量为Ni。
作为本发明所述耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料制备方法的一种优选方案，其中：以叶片镍基合金材料质量为百分百计，所述C含量为0.8～1.0％，所述Mn含量最高为1.00％，所述Si含量最高为1.00％，所述S含量最高为0.015％，所述P含量最高为0.02％，所述Cr含量为19.0～20.0％，所述Fe含量最高为1.00％，所述Al含量为2～2.5％，所述Ti含量为1.5～2.0％，所述Co含量为6.0～8.0％，所述Cu含量最高为0.20％，所述Nb含量为2～2.5％，余量为Ni。
作为本发明所述耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料制备方法的一种优选方案，其中：所述以叶片镍基合金材料质量为百分百计，所述C含量为1.0％，所述Mn含量为1.00％，所述Si含量为1.00％，所述S含量为0.015％，所述P含量为0.02％，所述Cr含量为19.8％，所述Fe含量为1.00％，所述Al含量为2％，所述Ti含量为1.5％，所述Co含量为6.0％，所述Cu含量为0.20％，所述Nb含量为2％，余量为Ni。
作为本发明所述耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料制备方法的一种优选方案，其中：所述烧结温度1240～1250℃。
作为本发明所述耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料制备方法的一种优选方案，其中：所述烧结温度为1240℃。
本发明有益效果：
(1)本发明采用MIM工艺，烧结温度1235～1265℃，氩气烧结氛围，无热处理或730℃保温2小时退火处理进一步把材料硬度控制在350Hv左右，通过MIM工艺烧结工艺成型的材料，γ’相的含量明显低于铸造状态，且组织呈等轴晶状态，无铸态下的枝晶组织，在满足VGT叶片机械性能要求的前提下，综合性能更佳；本发明Cr元素含量控制在合理范围内，Cr元素高温下在叶片表面形成Cr2O3氧化层，可以有效防止高温腐蚀和硫化物腐蚀，本发明中Al元素是镍基合金中形成γ’相析出强化的关键元素，但是过高的Al含量会导致在中温区(400～700℃)多种脆性相的产生，因此，本发明中Al元素含量需要结合Cr、Nb元素的含量综合考虑，以实现叶片镍基合金材料最佳性能。本发明添加范围内的Cr元素含量有助于叶片表面Al2O3氧化层的形成，协同增加VGT叶片抗热腐蚀能力，当Cr元素含量和Al元素不在本发明范围内时，其抗热腐蚀能力有所降低。
(2)本发明中的Nb元素在镍基合金中对于稳定γ/γ’结构发挥重要作用，但是过高的Nb含量会造成耐高温腐蚀性能的下降，且Nb发生偏析、局部Nb含量过高时会形成Laves相和σ相，由于叶片后期不进行热处理，无法消除Laves相和σ相，对材料的耐磨性造成不良影响。本发明中Co元素起到固溶强化的作用，Co原料的成本较高，Co含量在6％以上时对γ’含量的提升不明显。本发明VGT叶片硬度控制在250～350Hv之间，加工难度降低，经过400小时排温980℃发动机可靠性试验验证，试验后叶片完整无变形，叶片氧化层厚度低于10μm，轴孔配合间隙增加量小于100μm，叶片轴和安装盘轴孔的磨损量均在可接受的范围内。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明实施例中可变截面涡轮增压器喷嘴环导向叶片。
图2为本发明实施例3中制得的材料在不同温度下的各种相的质量百分比图。从图中可以看出，在800℃以下，该材料主要以γ’相析出强化机制为主，800℃以上则主要通过Cr、Co元素固溶强化实现高温强度。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明硬度测试：利用WILSOWWOLPERT450SVD型维氏硬度计对试样进行硬度检测。
本发明高温拉伸力学性能：测试在德国ZWICK公司Z100型精密万能试验机上进行，进行980℃下的测试。测试采用位移法进行，屈服前拉伸速率为3mm/s，屈服后拉伸速率为5mm/s。
本发明高温氧化试验按HB5258-2000《钢及高温合金的抗氧化性测定试验方法》规定进行，试验温度为1050℃：将叶片试样清洗干净、烘干并置入烘烤至恒重的瓷杯，然后放入高温炉中进行氧化试验，试验总时间为100h，每25h取出试样称量，共称量4次，其平均值。
实施例1
本实施例提供一种耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料及其制造方法：
(1)耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料：包括元素C、Mn、Si、S、P、Cr、Fe、Al、Ti、Co、Cu、Nb和Ni；以各化学成分质量为百分百计，以叶片镍基合金材料质量为百分百计，所述C含量为0.5％，所述Mn含量为1.00％，所述Si含量为1.00％，所述S含量为0.015％，所述P含量为0.02％，所述Cr含量为18.0％，所述Fe含量为1.00％，所述Al含量为1.5％，所述Ti含量为1.0％，所述Co含量为5.0％，所述Cu含量为0.20％，所述Nb含量为1.5％，余量为Ni。
(2)耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料及其制造方法：采用MIM工艺，烧结温度1240℃，烧结氛围为氩气；无热处理，制得叶片镍基合金材料。
实施例2
本实施例提供一种耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料及其制造方法：
(1)耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料：包括元素C、Mn、Si、S、P、Cr、Fe、Al、Ti、Co、Cu、Nb和Ni；以各化学成分质量为百分百计，以叶片镍基合金材料质量为百分百计，所述C含量为1.0％，所述Mn含量为1.00％，所述Si含量为1.00％，所述S含量为0.015％，所述P含量为0.02％，所述Cr含量为21.0％，所述Fe含量为1.00％，所述Al含量为2.5％，所述Ti含量为2.0％，所述Co含量为8.0％，所述Cu含量为0.20％，所述Nb含量为2.5％，余量为Ni。
(2)耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料及其制造方法：采用MIM工艺，烧结温度1240℃，烧结氛围为氩气；无热处理，制得叶片镍基合金材料。
实施例3
本实施例提供一种耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料及其制造方法：
(1)耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料：包括元素C、Mn、Si、S、P、Cr、Fe、Al、Ti、Co、Cu、Nb和Ni；以各化学成分质量为百分百计，以叶片镍基合金材料质量为百分百计，所述C含量为1.0％，所述Mn含量为1.00％，所述Si含量为1.00％，所述S含量为0.015％，所述P含量为0.02％，所述Cr含量为19.8％，所述Fe含量为1.00％，所述Al含量为2％，所述Ti含量为1.5％，所述Co含量为6％，所述Cu含量为0.20％，所述Nb含量为2％，余量为Ni。
(2)耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料及其制造方法：采用MIM工艺，烧结温度1240℃，烧结氛围为氩气；无热处理，制得叶片镍基合金材料。
实施例1～3中的叶片镍基合金材料的配方和力学、抗腐蚀性能测试结果见表1。
表1
注：母材中的氧含量应低于15ppm。
由上表1可以看出，本发明制得的VGT叶片硬度在250～350Hv之间，加工难度降低，在机加性能方面，由于本发明制得的叶片镍基合金材料主要通过固溶强化实现高温强度，机加难度和常用的Nimonic80A等镍基变形合金类似，且切削等工艺性明显优于Inconel713c、Inconel 718等析出强化镍基合金。
本发明制得的叶片镍基合金材料制得的VGT叶片经过400小时排温980℃发动机可靠性试验验证，试验后叶片完整无变形，叶片氧化层厚度低于10μm，轴孔配合间隙增加量小于100μm，叶片轴和安装盘轴孔的磨损量均在可接受的范围内。
对比例1～3
对比例1～3的叶片镍基合金材料配方见表2，制备工艺同实施例3。
表2
本发明Cr元素含量控制在合理范围内，Cr元素高温下在叶片表面形成Cr2O3氧化层，可以有效防止高温腐蚀和硫化物腐蚀，本发明中Al元素是镍基合金中形成γ’相析出强化的关键元素，但是过高的Al含量会导致在中温区(400～700℃)多种脆性相的产生，因此，本发明中Al元素含量需要结合Cr、Nb元素的含量综合考虑，以实现叶片镍基合金材料最佳性能。本发明添加范围内的Cr元素含量有助于叶片表面Al2O3氧化层的形成，协同增加VGT叶片抗热腐蚀能力，当Cr元素含量和Al元素不在本发明范围内时，其抗热腐蚀能力有所降低。
对比例4～6
对比例4～6的叶片镍基合金材料配方见表3，制备工艺同实施例3。
表3
本发明中的Nb元素在镍基合金中对于稳定γ/γ’结构发挥重要作用，但是过高的Nb含量会造成耐高温腐蚀性能的下降，且Nb发生偏析、局部Nb含量过高时会形成Laves相和σ相，由于叶片后期不进行热处理，无法消除Laves相和σ相，对材料的耐磨性造成不良影响。本发明中Co元素起到固溶强化的作用，Co原料的成本较高，通过计算发现Co含量在6％以上时对γ’含量的提升不明显。
本发明机械性能、耐腐蚀性、耐磨性和可加工性的考虑，对于用于VGT叶片化学成分进行优化：通过以上措施，VGT叶片硬度控制在250-350Hv之间，加工难度降低。经过400小时排温980℃发动机可靠性试验验证，试验后叶片完整无变形，叶片氧化层厚度低于10μm，轴孔配合间隙增加量小于100μm，叶片轴和安装盘轴孔的磨损量均在可接受的范围内。
目前的INCO 713C机械性能、耐腐蚀性、耐磨性和可加工性的等方面还存着一些困难。本发明制得的材料拥有良好的高温强度和耐高温腐蚀性能。其高温强度主要通过碳化物的析出硬化和Cr、Mo、Nb等合金元素的固溶强化来实现。涡轮一般采用真空熔模铸造(investment casting)的方式进行生产。INCO713C材料铸态下硬度在400Hv以上，后期加工比耐热钢和镍基变形合金更困难。与涡轮叶片相比，VGT叶片不做高速旋转运动，因此不承受恒速静压对涡轮叶片造成的高温蠕变载荷和转速变化导致的低周疲劳载荷。但同时，VGT叶片的工作温度比涡轮叶片更高，气流对叶片的表面冲击更大，VGT叶片材料要承受更大的高温腐蚀和冲蚀载荷。VGT叶片对材料的机械性能要求没有涡轮叶片高，但对材料的耐腐蚀性能要求则更高。VGT叶片与涡轮叶片承受载荷的另一个差异点体现在零件磨损上。涡轮叶片自由转动，正常工况下不和任何其他零件发生摩擦接触。VGT叶片轴与安装盘轴孔配合，在执行器控制叶片转动过程中，叶片轴轴与轴孔发生摩擦，VGT叶片的上下边缘也分别和VGT安装盘和后盖形成摩擦接触。在叶片相对静止的情况下，气流冲击和发动机传导至叶片的震动会导致叶片轴和和轴孔之间的微震磨损。工程经验表明，磨损是导致VGT失效的最重要原因之一。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料的制备方法，其特征在于：包括，
采用MIM工艺，烧结温度1235～1265℃，烧结氛围为氩气；
无热处理或730～750℃保温2～4h退火处理，制得叶片镍基合金材料，其硬度控制在250～350Hv；其中，
叶片镍基合金材料包括C、Mn、Si、S、P、Cr、Fe、Al、Ti、Co、Cu、Nb和Ni；
以叶片镍基合金材料质量为百分百计，所述C含量为0.8～1.0％，所述Mn含量最高为1.00％，所述Si含量最高为1.00％，所述S含量最高为0.015％，所述P含量最高为0.02％，所述Cr含量为19.0～20.0％，所述Fe含量最高为1.00％，所述Al含量为2～2.5％，所述Ti含量为1.5～2.0％，所述Co含量为6.0～8.0％，所述Cu含量最高为0.20％，所述Nb含量为2～2.5％，余量为Ni。
2.如权利要求1所述耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料的制备方法，其特征在于：以叶片镍基合金材料质量为百分百计，所述C含量为1.0％，所述Mn含量为1.00％，所述Si含量为1.00％，所述S含量为0.015％，所述P含量为0.02％，所述Cr含量为19.8％，所述Fe含量为1.00％，所述Al含量为2％，所述Ti含量为1.5％，所述Co含量为6.0％，所述Cu含量为0.20％，所述Nb含量为2％，余量为Ni。
3.如权利要求1所述耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料的制备方法，其特征在于：所述烧结温度1240～1250℃。
4.如权利要求1所述耐1050℃的增压器喷嘴环叶片镍基合金材料的制备方法，其特征在于：所述烧结温度为1240℃。
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