CN112756610B - 一种高性能汽油机用涡轮叶片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能汽油机用涡轮叶片及其制备方法，将HK30不锈钢粉末与Al粉均匀混合得到基体材料，并与粘结剂通过混炼、制粒获得均匀喂料，然后利用注射成形技术将喂料注入到模腔中得到产品生坯，再将生坯中的粘结剂经溶剂脱脂、热脱脂工艺脱除，最后在等离子烧结炉内烧结致密化得到汽油机用涡轮叶片产品。与现有技术相比，采用Ni3Al弥散强化技术和放电等离子烧结技术相结合，具有综合性能优异、生产效率高、易于实现批量化生产等优点，能很好的满足高性能汽油机用涡轮叶片的需求，很适合于制备HK30基涡轮叶片制品。

Description

一种高性能汽油机用涡轮叶片及其制备方法
技术领域
本发明属于涡轮叶片制备技术领域，尤其涉及一种高性能汽油机用涡轮叶片及其制备方法。
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。叶片是涡轮增压器涡轮驱动组件中极为重要的零件，其质量直接决定着涡轮增压器性能。发动机工作时高速旋转产生的离心力和高温工作条件使涡轮叶片承受较大的拉应力和热应力，因此，涡轮增压器叶片须具有足够的屈服强度、抗拉强度以及高的抗高温蠕变、高温氧化及燃气腐蚀性能。
叶片主要由叶身和榫头两个部分组成。叶身具有复杂的空间形状，由许多不同截面的型面组成。各截面间扭成一定的角度，最后形成扭转的叶身。榫头通过榫齿使叶片安全可靠、准确合理地固定在涡轮盘上，以保证涡轮驱动组件的正常工作。榫齿形状有T形、圆柱形、叉形、枞树形等。叶片的加工难度很大。其一是材质为耐热合金钢强度、硬度、韧性都很高，对加工刀具要求很高，生产效率低；其二是叶身形状复杂，为变扭截面，一般机械加工难以胜任；其三是精度要求高。特别是榫齿，采用成形铣削加工达不到要求的精度。
随着涡轮增压器增压技术的快速发展，对高性能叶片的需求日益旺盛。研究人员针对叶片材料及其制备技术两方面进行了大量的研究工作。在叶片材料方面，典型的合金牌号以镍基高温合金为主，包括美国的镍基合金Inconel713、日本的镍基合金TM321以及欧洲的镍基合金MAR-M246/247等，以Inconel713为例，其工作温度在750～850℃，800℃时抗拉强度约为800MPa左右。但因其Cr含量仅有12～14％，腐蚀性能较差，且含有4％左右的Mo导致成本较高，限制了其在汽油机涡轮叶片中的应用。在制备工艺方面，采用的制造方法主要是精密铸造。但由于镍基高温合金的熔炼浇铸温度高，熔体化学性质活泼，流动性差，对于各种复杂形状的叶片要实现浇满非常困难，容易产生收缩得不到尺寸精度很高的产品，甚至导致铸件报废，若增加机加工工序又提高了生产成本。另外，铸件组织粗大，容易产生成分偏析，导致显微组织的不均匀性和性能的不稳定，即使通过退火处理，由于相变时产生的应力较大，性能提升并不明显，而且工艺成本高。因此，研究开发新型高性能汽油机用涡轮叶片来是一项重要而紧迫的课题。
HK30不锈钢以其优良的高温力学性能及抗高温腐蚀性能引起了国外研究者的关注。金属注射成形(MIM)是一种能够以较低的生产成本，大批量制备具有复杂形状的高性能异形金属零部件的加工方法，具有材料利用率高、成本低、组织均匀等优势。湖南英捷高科技有限责任公司的何浩采用粉末注射成形技术制备HK30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(CN108311701A)。为进一步提高其高温性能，他以HK30不锈钢粉末为基础原料，使用干混的方法混入不同比例的Ti粉，让Ti和碳形成相对比较稳定的碳化物，从而使和Fe元素结合的碳含量降低，推迟了烧结过程中液相的出现，有效提高了烧结温度，进而提升了高温力学性能，其高温抗拉强度(800℃)超过500MPa(CN109014214A)。而李益民尝试了将适量的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，利用固溶强化的方式，增强材料高温强度，得到了性能优越的产品。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(CN109513930A)。
但这些方法制备出的HK30涡轮叶片的高温性能较Inconel713相比还是差距较大，且制备时间长、生产效率低、导致生产成本高。
综上所述，提出一种生产效率高、成本低廉且性能能够媲美Inconel713的高性能汽油机用涡轮叶片的制备方法是目前亟需解决的问题。
发明内容
本发明为解决现有技术中存在的不足，提供一种高性能汽油机用涡轮叶片及其制备方法，在金属注射成形(MIM)工艺基础上，采用Ni3Al弥散强化技术结合放电等离子烧结技术制备出性能与Inconel713相当、生产效率高、适合大规模生产的HK30基涡轮叶片，克服了上述工艺的缺点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明一种高性能汽油机用涡轮叶片的制备方法，包括如下步骤：
将HK30不锈钢粉末与Al粉混合得到基体材料，基体材料与粘结剂通过混炼、制粒获得喂料，然后利用注射成形将喂料注入到模腔中得到生坯，再将生坯进行溶剂脱脂、热脱脂获得预烧结坯体，获得预烧结坯体经等离子体烧结即得涡轮叶片。
在本发明中汽油机用涡轮叶片的成分设计时，选择了HK30作为基体材料的组成部份，因为HK30属于高铬镍奥氏体不锈钢，其在高温下优异的抗蚀性能和抗氧化性能，在汽车、化工和工程机械等领域获得了广泛的应用。相同条件下，Cr含量越高，不锈钢耐蚀性越好，因此，HK30的腐蚀性能优于Inconel713。HK30本身的高温强化相主要来自NbC，但由于数量有限，其高温(800℃)抗拉强度约为420MPa左右，无法满足涡轮叶片的工作要求。
发明人意外的发现，在HK30粉末中添加适量的Al粉，可以在基体中析出大量的Ni3Al第二相，获得弥散强化的效果。而Ni3Al这种金属间化合物，由于其原子的长程有序排列和原子间金属键与共价键共存的特性，使其有可能同时兼顾金属的较好塑性和陶瓷的高温强度，从而成为一类具有广泛应用前景的高温结构材料。Ni3Al的熔点为1640℃，高温下很稳定，可以钉扎在晶界处阻碍位错的运动和细化晶粒，且在600～800℃出现屈服强度的峰值，从而使强HK30材料的高温性能，以实现性能可与Inconel713媲美的目的。。
作为优选方案，本发明一种高性能汽油机用涡轮叶片的制备方法，所述HK30不锈钢粉末的成分为：C：0.25～0.35wt.％、Cr：23～27wt.％、Ni：19～22wt.％、Nb：1.2～1.5wt.％、Mo：0～0.5wt.％、P：0～0.04wt.％、Si：0～1.75wt.％及Mn：0～1.5wt.％，余量为Fe。
作为优选方案，本发明一种高性能汽油机用涡轮叶片的制备方法，所述HK30不锈钢粉末的粒度为5～20μm；所述HK30不锈钢粉为气雾化粉。
作为优选方案，本发明一种高性能汽油机用涡轮叶片的制备方法，所述Al粉的粒度为5～20μm。
作为优选方案，本发明一种高性能汽油机用涡轮叶片的制备方法，所述基体材料中，Al粉的质量分数为0.5-2wt.％，优选为0.8-1.2wt.％，进一步优选为1.0-1.2wt.％。
发明人发现，将Al粉的加入量控制在上述范围，结合本发明的工艺可以控制最终的强化相仅为Ni3Al，最终才可得到获得优异性能的涡轮叶片，而若Al粉的加入量过量，则会导致NiAl相的出现，而其NiAl熔点低于Ni3Al，强化效果也相对较弱，当然加入量若过小，则会由于所生成的Ni3Al相量过少，从而使增强效果不足。
作为优选方案，本发明一种高性能汽油机用涡轮叶片的制备方法，所述粘结剂按质量百分比计由下述组分组成；石蜡70～85％；聚乙烯10～25％；硬脂酸1～10％。
作为优选方案，本发明一种高性能汽油机用涡轮叶片的制备方法，所述混炼的温度为120～180℃，混炼的时间为1～4h，混炼机的转速为60～100r/min。
作为优选方案，本发明一种高性能汽油机用涡轮叶片的制备方法，所述喂料中，粘结剂的体积分数为40％～60％。
作为优选方案，本发明一种高性能汽油机用涡轮叶片的制备方法，所述注射成形工艺中，注射温度为140～180℃，注射压力为60～120MPa，注射速度为30～90g/s、模具温度为40～60℃。
作为优选方案，本发明一种高性能汽油机用涡轮叶片的制备方法，所述溶剂脱脂工艺中，溶剂为二氯甲烷，脱脂时间为4～6h，温度为30～50℃。
作为优选方案，本发明一种高性能汽油机用涡轮叶片的制备方法，所述热脱脂在氩气气氛保护下进行，先以5～10℃/min的升温速率加热至400～500℃保温1～4h，再以5～10℃/min的升温速率加热至800～900℃保温1～4h后随炉冷却至室温。
发明人发现，通过溶剂脱脂与热脱脂相结合的工艺，最终所得涡轮叶片性能最佳。
作为优选方案，本发明一种高性能汽油机用涡轮叶片的制备方法，所述等离子烧结的工艺过程为：在真空度≤5×10-3Pa的真空环境下，以100～500℃/min的升温速率升温至1000～1100℃，通入氩气使压力为30～50MPa，保温5～30min。
发明人发现，SPS可显著降低HK30基不锈钢的烧结温度、缩短烧成时间、抑制晶粒长大，有助于性能提升。不过SPS的工艺参数需要控制，若不在本发明范围内，无法获得理想结果，如烧结温度过低，则制品致密度不佳，降低性能；如烧结温度过高，将导致制品晶粒明显长大，恶化性能。
本发明还提供上述制备方法所制备的一种高性能汽油机用涡轮叶片。
原理与优势
本发明首次将Ni3Al弥散强化与SPS技术相结合，在基体中获得了强化粒子，缩短保温时间，抑制晶粒长大，同时提高了生产效率，制备出综合性能优异，并适合批量化生产的汽油机用涡轮叶片制品。
本发明所得产品的成本大大低于现有同类产品。其生产效率是现有生产技术的3～4倍，远远高于现有工艺。
本发明所得产品中，相对密度≥99％，800℃的抗拉强度为580～700MPa，其性能可媲美Inconel713，很好地满足高性能汽油机用涡轮叶片的需求。
本发明首次将Ni3Al弥散强化技术和放电等离子烧结技术相结合制备出性能与Inconel713相当、生产效率高、适合大规模生产的HK30基涡轮叶片。
与现有技术相比，本发明的优势如下：
1)性能优异。其性能可媲美Inconel713，很好地满足高性能汽油机用涡轮叶片的需求；
2)生产效率高。烧结保温时间至少缩短4倍；
3)工序简单，易于批量生产。
综上所述，本发明采用Ni3Al弥散强化技术和放电等离子烧结技术相结合，在基体中获得了强化粒子，缩短保温时间，抑制晶粒长大，同时提高了生产效率，具有综合性能优异、生产效率高、易于实现批量化生产等优点，解决了现有技术中产品性能低、生产效率低、成本高昂等问题，能很好的满足高性能汽油机用涡轮叶片的需求，很适合于制备HK30基涡轮叶片制品。
附图说明
图1是HK30不锈钢粉的SEM形貌图。
图2是Al粉的SEM形貌图。
图3是HK30+Al烧结态SEM形貌图，白色颗粒即为Ni3Al。
图4是汽油机用涡轮叶片的实物图。
具体实施方式
以下结合三个实例对本发明方法作进一步说明。
将HK30不锈钢粉末与Al粉均匀混合得到基体材料，并与粘结剂通过混炼、制粒获得均匀喂料，然后利用注射成形技术将喂料注入到模腔中得到产品生坯，再将生坯中的粘结剂经溶剂脱脂、热脱脂工艺脱除，最后在等离子烧结炉内烧结致密化得到汽油机用涡轮叶片产品。
实施例1：
一种高性能汽油机用涡轮叶片的制备方法，其过程如下：
A、原料准备：基体材料使用气雾化的平均粒度为8μm的HK30不锈钢粉与平均粒度为15μm的Al粉混合，Al粉的含量占基体材料总量的0.8％，图1和图2分别为HK30不锈钢粉和Al粉的SEM形貌图；
B、制备粘结剂：按质量百分比，取石蜡(PW)75％、聚乙烯(PE)17％、硬脂酸(SA)8％，在120℃温度下于混料机中混合4h制得粘结剂；
C、制备喂料：将粘结剂与基体材料按照体积比43％:57％进行混炼、制粒制成喂料，混炼温度为120℃，混炼机转速为85r/min，混炼时间为4h；
D、注射成形：利用注射成形机将喂料注入到模腔中得到产品生坯；注射温度为140℃，注射压力为110MPa，注射速度为60g/s，模具温度为60℃；
E、脱脂：将产品生坯先通过二氯甲烷溶剂脱除其中的石蜡组分，脱脂时间为4h，脱脂温度为50℃，然后在真空脱脂炉中进行热脱脂，在氩气气氛保护中，先以8℃/min的升温速率加热至450℃保温2h，再以5℃/min的升温速率加热至800℃保温3h后随炉冷却至室温；
F、烧结：将脱脂后的产品坯体在SPS烧结炉内进行烧结；SPS处理的温度为1100℃，压力为30MPa(由氩气提供)，充氩气前真空度小于等于5*10-3Pa，保温时间为10min，升温速率为200℃/min。检测性能，其相对密度为99.5％，800℃的抗拉强度620MPa。
实施例2：
一种高性能汽油机用涡轮叶片的制备方法，其过程如下：
A、原料准备：基体材料使用气雾化的平均粒度为8μm的HK30不锈钢粉与平均粒度为15μm的Al粉混合，Al粉的含量占基体材料总量的1％，图1和图2分别为HK30不锈钢粉和Al粉的SEM形貌图；
B、制备粘结剂：按质量百分比，取石蜡(PW)80％、聚乙烯(PE)15％、硬脂酸(SA)5％，在150℃温度下于混料机中混合2h制得粘结剂；
C、制备喂料：将粘结剂与基体材料按照体积比45％:55％进行混炼、制粒制成喂料，混炼温度为150℃，混炼机转速为90r/min，混炼时间为2h；
D、注射成形：利用注射成形机将喂料注入到模腔中得到产品生坯；注射温度为160℃，注射压力为80MPa，注射速度为60g/s，模具温度为60℃；
E、脱脂：将产品生坯先通过二氯甲烷溶剂脱除其中的石蜡组分，脱脂时间为6h，脱脂温度为30℃，然后在真空脱脂炉中进行热脱脂，在氩气气氛保护中，先以8℃/min的升温速率加热至450℃保温2h，再以5℃/min的升温速率加热至800℃保温3h后随炉冷却至室温；
F、烧结：将脱脂后的产品坯体在SPS烧结炉内进行烧结；SPS处理的温度为1050℃，压力为40MPa(由氩气提供)，充氩气前真空度小于等于5*10-3Pa，保温时间为20min，升温速率为200℃/min。检测性能，其相对密度为99.6％，800℃的抗拉强度700MPa。
实施例3：
一种高性能汽油机用涡轮叶片的制备方法，其过程如下：
A、原料准备：基体材料使用气雾化的平均粒度为8μm的HK30不锈钢粉与平均粒度为15μm的Al粉混合，Al粉的含量占基体材料总量的1.2％，图1和图2分别为HK30不锈钢粉和Al粉的SEM形貌图；
B、制备粘结剂：按质量百分比，取石蜡(PW)85％、聚乙烯(PE)13％、硬脂酸(SA)2％，在180℃温度下于混料机中混合1h制得粘结剂；
C、制备喂料：将粘结剂与基体材料按照体积比40％:60％进行混炼、制粒制成喂料，混炼温度为180℃，混炼机转速为100r/min，混炼时间为1h；
D、注射成形：利用注射成形机将喂料注入到模腔中得到产品生坯；注射温度为150℃，注射压力为90MPa，注射速度为60g/s，模具温度为60℃；
E、脱脂：将产品生坯先通过二氯甲烷溶剂脱除其中的石蜡组分，脱脂时间为6h，脱脂温度为30℃，然后在真空脱脂炉中进行热脱脂，在氩气气氛保护中，先以8℃/min的升温速率加热至450℃保温2h，再以5℃/min的升温速率加热至800℃保温3h后随炉冷却至室温；
F、烧结：将脱脂后的产品坯体在SPS烧结炉内进行烧结；SPS处理的温度为1000℃，压力为50MPa(由氩气提供)，充氩气前真空度小于等于5*10-3Pa，保温时间为25min，升温速率为200℃/min。检测性能，其相对密度为99.4％，800℃的抗拉强度590MPa。
对比例1：
与实例2的唯一区别是把Al粉末的添加改为3％，检测性能，其相对密度为99.2％，800℃的抗拉强度452MPa。可能是由于过量的Al粉添加导致NiAl相出现，其熔点低于Ni3Al，强化效果也相对较弱。
对比例2：
与实例2的唯一区别是把Al粉末的添加改为0.2％，检测性能，其相对密度为99.3％，800℃的抗拉强度405MPa。可能是由于Al粉的添加量过小，几乎没有Ni3Al强化相出现。
对比例3：
Figure BDA0002852342280000081
对比例1～3中除了上述表明的条件，其他条件均和实施例2一致。
上述对比可以看出，过高或者过低的Al添加量、烧结温度、烧结压力等工艺参数，都会导致产品出现缺陷，进而影响性能。
以上所述实例仅是本发明较优的实施方法，故不能以此限定本发明的实施范围，其他按照本发明的原理和内容所做的等效改变、修饰、替代和组合，都仍属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高性能汽油机用涡轮叶片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将HK30不锈钢粉末与Al粉混合得到基体材料，基体材料与粘结剂通过混炼、制粒获得喂料，然后利用注射成形将喂料注入到模腔中得到生坯，再将生坯进行溶剂脱脂、热脱脂获得预烧结坯体，获得预烧结坯体经等离子体烧结即得涡轮叶片；
所述Al粉的质量分数为0.5-2wt.％；
所述等离子烧结的工艺过程为：在真空度≤5×10-3Pa的真空环境下，以100～500℃/min的升温速率升温至1000～1100℃，通入氩气使压力为30～50MPa，保温5～30min。
2.根据权利要求1所述的一种高性能汽油机用涡轮叶片的制备方法，其特征在于，
所述HK30不锈钢粉末的粒度为5～20μm；所述HK30不锈钢粉为气雾化粉；所述Al粉的粒度为5～20μm。
3.根据权利要求1所述的一种高性能汽油机用涡轮叶片的制备方法，其特征在于，所述粘结剂按质量百分比计由下述组分组成；石蜡70～85％；聚乙烯10～25％；硬脂酸1～10％。
4.根据权利要求1所述的一种高性能汽油机用涡轮叶片的制备方法，其特征在于，所述混炼的温度为120～180℃，混炼的时间为1～4h，混炼机的转速为60～100r/min；所述喂料中，粘结剂的体积分数为40％～60％。
5.根据权利要求1所述的一种高性能汽油机用涡轮叶片的制备方法，其特征在于，所述注射成形工艺中，注射温度为140～180℃，注射压力为60～120MPa，注射速度为30～90g/s、模具温度为40～60℃。
6.根据权利要求1所述的一种高性能汽油机用涡轮叶片的制备方法，其特征在于，所述溶剂脱脂工艺中，溶剂为二氯甲烷，脱脂时间为4～6h，温度为30～50℃。
7.根据权利要求1所述的一种高性能汽油机用涡轮叶片的制备方法，其特征在于，所述热脱脂在氩气气氛保护下进行，先以5～10℃/min的升温速率加热至400～500℃保温1～4h，再以5～10℃/min的升温速率加热至800～900℃保温1～4h后随炉冷却至室温。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的制备方法所制备的一种高性能汽油机用涡轮叶片。
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