CN113881902A - 奥氏体不锈钢合金和由不锈钢合金形成的涡轮增压器运动部件 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及奥氏体不锈钢合金和由不锈钢合金形成的涡轮增压器运动部件。提供了奥氏体不锈钢合金和涡轮增压器运动部件。奥氏体不锈钢合金按重量计包含大约23%至大约27%的铬，大约18%至大约22%的镍，大约0.5%至大约2.0%的锰，大约1.2%至大约1.4%的碳，大约1.6%至大约1.8%的硅，大约0.2%至大约0.4%的氮，大约0%至大约0.5%的钼，小于大约0.01%的量的硫，小于大约0.04%的量的磷，和余量的铁，以及以痕量存在的其它不可避免/无法避免的杂质。所述涡轮增压器运动部件至少部分使用该不锈钢合金制成。

Description

奥氏体不锈钢合金和由不锈钢合金形成的涡轮增压器运动 部件
技术领域
本公开一般地涉及铁基合金，例如奥氏体不锈钢合金，以及由其形成的制造制品。更特别地，本公开涉及用于(例如)涡轮机(turbine)和涡轮增压器运动部件(kinematiccomponents)的不锈钢合金，其中此类运动部件在升高的(涡轮增压器运行)温度下表现出提高的耐磨性。
背景技术
在涡轮发动机的情况中，涡轮增压器使用发动机废气的热和体积流动来对进入燃烧室的进气空气流进行加压或升压。具体而言，来自发动机的废气被引入涡轮增压器涡轮机壳体中。涡轮机安装在所述壳体内，并且废气流使涡轮机旋转。涡轮机安装在轴的一端上，该轴具有安装在其相对端上的径流式空气压缩机。因此，涡轮机的旋转动作也使空气压缩机旋转。空气压缩机的旋转动作使进气空气进入压缩机壳体并在进气空气与燃料混合和在发动机燃烧室内燃烧之前被加压或升压。
涡轮增压器内的各种系统包括摩擦界面，即在涡轮增压器运行时彼此相互作用并相对移动的部件的表面。此类部件—通常被称为运动部件—可能容易发生摩擦和磨损，尤其在升高的温度下，这降低了它们的使用寿命。可包括运动部件的涡轮增压器系统的例子包括废气门系统(waste-gate systems)，其将废气转移离开涡轮机以调节到涡轮机的气流，和可变几何系统(variable geometry systems)，其包括一排可移动的入口叶片以实现相同的目的。这些系统通常包括各种部件例如轴、衬套、阀等等，它们是运动部件，因为它们彼此相互作用并相对移动，并因此它们发生摩擦磨损。在现有技术中，可能已经使用了具有高镍或钴分数的相对更昂贵的合金。
因此，合意的是提供适用于制造涡轮发动机的运动部件的材料，其在升高温度运行期间能耐磨损。此外，结合附图和本发明主题的这种背景，本发明主题的其它合意特征和特性由本发明主题的后续详述和所附权利要求将变得显而易见。
发明内容
提供了奥氏体不锈钢合金和由此类合金制造的涡轮增压器运动部件。
在一个实施方案中，仅作为例子，奥氏体不锈钢合金按重量计包含以下成分或由以下成分组成：大约23%至大约27%的铬，大约18%至大约22%的镍，大约0.5%至大约2.0%的锰，大约1.2%至大约1.4%的碳，大约1.6%至大约1.8%的硅，大约0.2%至大约0.4%的氮，大约0%至大约0.5%的钼，小于大约0.01%的量的硫，小于大约0.04%的量的磷，和余量的铁，以及以痕量存在的其它不可避免/无法避免的杂质。
对于前述合金实施方案：铬的量可以限制为大约24%至大约26%；或者或此外，镍的量可以限制为大约19%至大约21%；或者或此外，锰的量可以限制为大约1.0%至大约1.5%；或者或此外，碳的量可以限制为大约1.25%至大约1.35%；或者或此外，硅的量可以限制为大约1.65%至大约1.75%；或者或此外，氮的量可以限制为大约0.25%至大约0.35%、或大约0.3%；以及，或者或此外，钼的量可以限制为大约0.05%至大约0.3%。
在另一实施方案中，仅作为例子，至少部分使用奥氏体不锈钢合金制造涡轮增压器运动部件，所述奥氏体不锈钢合金按重量计包含以下成分或由以下成分组成：大约23%至大约27%的铬，大约18%至大约22%的镍，大约0.5%至大约2.0%的锰，大约1.2%至大约1.4%的碳，大约1.6%至大约1.8%的硅，大约0.2%至大约0.4%的氮，大约0%至大约0.5%的钼，小于大约0.01%的量的硫，小于大约0.04%的量的磷，和余量的铁，以及以痕量存在的其它不可避免/无法避免的杂质。
对于前述涡轮增压器运动部件实施方案，特别是用于制造其的奥氏体不锈钢合金：铬的量可以限制为大约24%至大约26%；或者或此外，镍的量可以限制为大约19%至大约21%；或者或此外，锰的量可以限制为大约1.0%至大约1.5%；或者或此外，碳的量可以限制为大约1.25%至大约1.35%；或者或此外，硅的量可以限制为大约1.65%至大约1.75%；或者或此外，氮的量可以限制为大约0.25%至大约0.35%、或大约0.3%；以及，或者或此外，钼的量可以限制为大约0.05%至大约0.3%。
在本公开的一个特定实施方案中，公开的是一种涡轮增压器运动部件，其至少作为其构成(constituency)的一部分包含奥氏体不锈钢合金，其中该奥氏体不锈钢合金按重量计包含以下成分或由以下成分组成：大约24%至大约26%的铬，大约19%至大约21%的镍，大约1.0%至大约1.5%的锰，大约1.25%至大约1.35%的碳，大约1.65%至大约1.75%的硅，大约0.25%至大约0.35%的氮，大约0.05%至大约0.3%的钼，小于大约0.01%的量的硫，小于大约0.04%的量的磷，和余量的铁，以及以痕量存在的其它不可避免/无法避免的杂质。
提供本概述以便以简化形式介绍概念的选择，所述概念的选择在下面在具体实施方式中进一步描述。本概述并非意在确定所要求保护的主题的关键特征或必要特征，其也并非意在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
附图说明
将在下文中结合以下附图描述本发明的主题，其中相同的附图标记表示相同的要素，并且其中：
图1是根据本公开的涡轮增压内燃机的一个实施方案的系统视图；
图2是图1的涡轮增压内燃机的横截面视图；和
图3是根据本公开的包括废气门系统的涡轮增压器的系统视图。
具体实施方式
以下详述仅仅是示例性质的，并且不意在限制本发明或本发明的应用和用途。如本文中所用的那样，词语"示例性"是指"用作例子、实例或例释"。因此，本文中描述为"示例性"的任何实施方案不必解释为比其它实施方案更优选或更有利。本文中描述的所有实施方案都是示例性实施方案，它们被提供以使本领域技术人员能够制造或使用本发明，而非限制由权利要求限定的本发明的范围。此外，无意受到在之前的技术领域、背景技术、发明内容或以下详述中呈现的任何明示或暗示的理论的束缚。
除非具体陈述或由上下文显而易见，否则如本文中所用的那样，术语"大约"理解为在本领域中的正常容差(normal tolerance)的范围内，例如在平均值的2个标准偏差内。"大约"可以理解为在所述值的10%、5%、1%、0.5%、0.1%、0.05%或0.01%内。"大约"可以替代性地理解为意指所述的确切值。除非从上下文中清楚可见不是这样，否则本文中提供的所有数值均由术语"大约"修饰。
本文中描述的所有奥氏体不锈钢合金可理解为：(1)在开放式的情况下以它们的各种百分比"包含"列举的元素，或(2)在封闭式的情况下以它们的各种百分比"由"列举的元素"组成"。或者，本文中描述的奥氏体不锈钢合金可理解为(3)以它们的各种百分比"基本上由"列举的元素"组成"，其中其它元素可以以不影响合金的新颖性/非显而易见性特性的量存在。因此，如本文中所用的那样，术语"包含"、"由……组成"和"基本上由……组成"应理解为适用于本文中公开的合金组合物的所有范围。
本文中描述的奥氏体不锈钢合金、涡轮增压器运动部件及其制造方法的所有实施方案和实施方式都是示例性实施方案，它们被提供以使本领域技术人员能够制造或使用本发明，而非限制由权利要求限定的本发明的范围。当然，所描述的实施方案不应视为限于此类部件，而是它们可被视为适用于其中可以使用铁合金或不锈钢合金的任何制造制品。此外，无意受到在之前的技术领域、背景技术、发明内容或以下详述中呈现的任何明示或暗示的理论的束缚。
如上所述，本公开涉及用于涡轮增压器(用于各种交通工具和其它应用)的运动部件的奥氏体不锈钢合金，用于与此类运动部件的使用和实施相关的磨损目的。如上文进一步指出的那样，可变几何涡轮增压器(以及可能的涡轮增压器系统)可以采用此类运动部件。因此，为了描述的完整性，图1示出了可变几何涡轮增压器(VGT)10的一部分，其包括涡轮机壳体12，该涡轮机壳体12具有用于接收废气流的标准入口14，和用于将废气引导至发动机的排气系统的出口16。蜗壳连接到废气入口并且整体的外喷嘴壁并入邻近所述蜗壳的涡轮机壳体铸件中。涡轮机叶轮17和轴组合件18承载在涡轮机壳体12内。废气或供应涡轮增压器的其它高能气体通过入口14进入涡轮机壳体并且通过涡轮机壳体中的蜗壳分配，以通过圆周喷嘴进口20基本径向地输送至涡轮机叶轮。
多个叶片22使用轴26安装到机械加工到涡轮机壳体中的喷嘴壁24上，所述轴26从所述叶片垂直向外突出。所述轴26旋转地接合在喷嘴壁中的对应开口28内。所述叶片各自包括致动突片30，所述致动突片30从与所述轴相对的一侧突出并且由协调环(unisonring)34中的对应槽32接合，所述协调环34用作第二喷嘴壁。所述突片30、槽32和其它描述的部件相对于彼此移动，并因此出于摩擦目的而会期望减小它们之间的摩擦。
图2示出了用在上文描述和示出的VGT中的、当由协调环34致动时的常规叶片36的一般运动模式。每个叶片突片42设置在协调环40的对应长槽38内。在关闭位置"A"处，叶片突片42的位置临近槽38的第一端部44。该位置被称为关闭位置，因为叶片没有径向向外张开，由此用于限制废气流到涡轮机。在中间位置"B"处，协调环40已经旋转足够的量，使得叶片突片42在槽38内远离第一槽端部44(与第二槽端部46相对)朝向槽的中间位置移动。同样，出于摩擦目的，当叶片36的部件相对于协调环40的部件移动时会期望减小摩擦。
此外，如上所述，废气门系统也可以包括摩擦部件，并且因此，为了公开的完整性，图3示出了一种示例性废气门系统。具体而言，图3示出了组合件300的一个例子的剖视图，该组合件300包括涡轮机壳体部件320和废气门380。在组合件300中，涡轮机壳体部件320包括开口340，例如，如由涡轮机壳体部件320的基本上圆柱形的壁部分330的表面332所限定。如图所示，壁332延伸至边缘(例如限定开口340)并然后变平，连接相对平坦的表面334，其可以被称为废气门座。在图3的例子中，表面332限定相对短的通道，例如具有轴线(例如z-轴线)，表面332从该轴线以径向距离(例如r-轴线)设置。远离开口340延伸，座334沿另一表面336(例如基本上圆柱形的壁部分330的表面)下降到与壁表面346组合的部分由例如涡轮机壳体部件320形成的排气室的底板348。如图3中所示，涡轮机壳体部件320的壁表面346上升到限定排气室的开口349的边缘并然后向外延伸到相对平坦的表面328，其可以包括一个或多个孔等等，例如孔325，例如以将另一个部件连接到涡轮机壳体部件320上。
在图3的例子中，废气门380包括连接到废气门臂390的塞部分382。塞部分382包括下部表面381、向上延伸到塞部分382的上部端部385的杆383和外缘表面384(例如设置在围绕杆383的半径处并且具有轴向高度)。如图所示，杆383由废气门臂390的镗孔393接收，其中镗孔393在废气门臂390的下部表面391和上部表面395之间延伸。在图3的例子中，夹紧垫圈387夹紧到塞部分382的杆383，由此防止杆383滑过废气门臂390的镗孔393。因此，当废气门臂390枢转时，塞部分382的下部表面381相对于涡轮机壳体部件320的座334定位，以用于打开和关闭废气门380。
本公开的典型实施方案存在于装备有汽油或柴油动力内燃机和涡轮增压器的机动车辆中。所述涡轮增压器配备有独特的特征组合，其在各种实施方案中与类似的未改进的系统相比可以通过相对限制涡轮机和/或压缩机中二次流动(secondary flow)的量(和动能)来提供效率益处。用于涡轮增压器的不锈钢合金可以具有最高达大约1050℃(或最高达大约1100℃)或更高的运行温度。本公开的一些实施方案涉及不锈钢合金，其包含与各种合金化元素合金化的铁，如下文中基于合金总重量以重量百分比更详细描述的那样。如下文所述，关于包含某些重量百分比的材料的特定效果的描述特定于本公开的合金，因此不应理解为适用于任何其它合金。此外，关于包含某些重量百分比的材料的特定效果的描述并非意在限制本公开的范围或内容。
由此，在一个实施方案中，本公开的不锈钢合金包含大约23%至大约27%的铬(Cr)，例如大约24%至大约26%的Cr，例如大约25%至大约26%的Cr。已经发现，如果过量添加Cr，则形成Cr的粗大的初级碳化物，导致极高的脆性。因此，Cr的含量优选限于最高大约27%，以保持不锈钢内适当的体积分数以获得耐腐蚀性。
在一个实施方案中，本公开的不锈钢合金包含大约18%至大约22%的镍(Ni)，例如大约19%至大约21%的Ni，例如大约19.5%至大约20.5%的Ni。Ni是稳定奥氏体相的元素。因此，Ni的含量优选为大约18%至大约22%。
在一个实施方案中，本公开的奥氏体不锈钢合金包含大约0.5%至大约2.0%的锰(Mn)，例如大约1.0%至大约1.5%的Mn，例如大约1.1%至大约1.3%的Mn。Mn如同Si有效作为熔体的脱氧剂，并具有在铸造操作过程中改善流动性的功能。为了有效地表现该功能，Mn的量为大约2.0%或更少，优选大约2.0%。Mn通常具有大于大约0.5%的含量以调节金属流速(flowrate)。但是，当Mn含量过高时，Mn与钢的硫结合并形成过高水平的硫化锰，由此劣化耐腐蚀性和热可成型性。由此，Mn的上限含量限于2.0%。
在一个实施方案中，本公开的不锈钢合金包含大约0.0%至大约0.5%的钼(Mo)，例如大约0.05%至大约0.3%的Mo，例如大约0.05%至大约0.2%的Mo。如果Mo含量过高，则Mo可能在其退火时形成σ(sigma)相，由此劣化耐腐蚀性和耐冲击性，这对本文中描述的涡轮增压器的运动部件的摩擦性质是有害的。
在一个实施方案中，本公开的不锈钢合金包含大约1.2%至大约1.4%的碳(C)，例如大约1.25%至大约1.35%的C。一个具体实施方案可以采用大约1.3%的C。C具有改善合金的烧结能力的功能。当以相对高的所公开的范围存在时，C还与铌(其如下文中更详细讨论的那样也可以包含在合金中)形成共晶碳化物，其改善耐磨性。为了有效地表现出这些功能，C的量应当为1.2%或更多。此外，C通过固溶强化有效强化材料。为了最大化耐腐蚀性，C含量降低至大约1.4%和更低。
在一个实施方案中，本公开的不锈钢合金包含大约1.6%至大约1.8%的硅(Si)，例如大约1.65%至大约1.75%的Si。一个特定实施方案可以采用大约1.7%的Si。Si具有提高合金金属结构的稳定性和其抗氧化性的效果。此外，当以大于大约1.6%的量存在时，Si具有作为脱氧剂的功能并且还有效用于改善可浇铸性和减少所得烧结产品中的针孔。如果Si含量过高，则Si劣化不锈钢的机械性能例如冲击韧性。因此，Si的含量优选限于大约1.8%和更低。
在一个实施方案中，本公开的不锈钢合金包含大约0.2%至大约0.4%的氮(N)，例如大约0.25%至大约0.35%的N，或大约0.3%的N。以前述量向合金中添加氮能够改善延性，使得能够将合金铸造成所需形式(即涡轮增压器运动部件)，并避免需要烧结合金。虽然已知向合金中添加氮可导致脆性，但令人惊讶地对于本文描述的合金，不再观察到合金脆性，并因此包含氮(甚至以所述相对高的量)在制造方面提供了显著的益处，同时避免了已知在甚至以较低的量包含氮时会发生的问题。在包含氮的情况下在其它合金中观察到的脆性是由于形成氮化物，但是在本合金的情况中，形成的氮化物令人惊讶地最显著有助于进一步改善耐磨性，这对本文中所述的运动部件应用而言特别重要。由此，本公开的合金以前述量包含氮。
某些不可避免/无法避免的杂质也可能存在于本公开的不锈钢合金中，例如如下文就磷和硫所描述的那样(这些所述杂质(以及其它杂质)的量尽可能最小化)。
在一个实施方案中，磷(P)可以存在于所述合金中，但是被最小化至大约0.04%或更少。P结粒(seeded)在晶界或界面中，并可能劣化耐腐蚀性和韧性。因此，尽可能低得降低P的含量。优选地，考虑到精炼过程的效率，将P的上限含量限制到0.04%。有害杂质例如P的含量尽可能小。但是，由于与去除这些杂质相关的成本问题，P含量被限制到0.04%。
在一个实施方案中，硫(S)可以存在于所述合金中，但是被最小化至大约0.01%或更少。钢中的S劣化热加工性并可形成不利地影响耐点蚀性的硫化物夹杂物。因此其应被限于小于0.01%。S劣化热可成型性，由此劣化耐腐蚀性。因此，尽可能低得降低S的含量。有害杂质例如S(硫)的含量尽可能小。但是，由于与去除这些杂质相关的成本问题，S含量被限制到大约0.01%。
在一些实施方案中，现有技术中已经提出包含在不锈钢中的高成本元素被特别排除在所述合金之外(除了无法避免的杂质量)。这些可排除的元素例如是Nb、W、Co和V。在各种实施方案中，可以排除任意数目或组合的前述元素。
所公开的合金，其是不锈钢合金，还包含余量的铁(Fe)。如本文中所用的那样，术语"余量"是指就重量而言达到整个合金的100%而剩余的量。应当理解，如果实施方案"包含"所述元素、"由"所述元素"组成"或"基本由"所述元素"组成"且余量为Fe，则该量可以不同。
本文中描述的制造制品，例如用上述不锈钢合金制造的涡轮增压器运动部件，可以使用烧结工艺形成。例如，如本领域中已知的那样，烧结是指通过热和/或压力(不将材料熔化至液化点)压紧并形成材料的固体实体的工艺。所述制品也可以采用铸造工艺或金属粉末注射成型(metal injection molding，MIM)工艺来制造，或它们可以锻制。
因此，本公开的实施方案提供了适用于制造涡轮发动机的运动部件的材料，所述运动部件能够在升高温度运行过程中抵抗磨损。如上所述，可包括运动部件的涡轮增压器系统的例子包括废气门系统和可变几何系统。当然，所描述的实施方案不应被视为限于此类部件，而是它们可被视为适用于其中可以采用铁合金或不锈钢合金的任何制造制品。所描述的材料可以提供310级不锈钢或具有更高镍含量或包含高成本元素例如Nb、W、Co和V的其它不锈钢的有效且低成本的替代品。
虽然在本发明主题的前述详细描述中已经呈现了至少一个示例性实施方案，但是应当理解的是，存在大量变型。还应理解的是，所述示例性实施方案或所述多个示例性实施方案仅仅是例子，并且不意在以任何方式限制本发明主题的范围、适用性或配置。相反，前述详细描述将为本领域技术人员提供用于实施本发明主题的示例性实施方案的便利指南。应当理解的是，不脱离所附权利要求中陈述的本发明主题的范围，可以对示例性实施方案中描述的要素的功能和设置进行各种改变。

Claims (20)

1.奥氏体不锈钢合金，其按重量计包含：
大约23%至大约27%的铬，
大约18%至大约22%的镍，
大约0.5%至大约2.0%的锰，
大约1.2%至大约1.4%的碳，
大约1.6%至大约1.8%的硅，
大约0.2%至大约0.4%的氮，
大约0%至大约0.5%的钼，和
余量的铁，以及以痕量存在的其它不可避免/无法避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢合金，其包含大约24%至大约26%的铬。
3.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢合金，其包含大约19%至大约21%的镍。
4.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢合金，其包含大约1.0%至大约1.5%的锰。
5.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢合金，其包含大约0.05%至大约0.3%的钼。
6.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢合金，其包含大约1.65%至大约1.75%的硅。
7.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢合金，其包含大约1.25%至大约1.35%的碳。
8.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢合金，其包含大约0.25%至大约0.35%的氮。
9.根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢合金，其进一步包含小于大约0.01%的量的硫和小于大约0.04%的量的磷。
10.涡轮增压器运动部件，其至少作为其构成的一部分包含：
奥氏体不锈钢合金，其中所述奥氏体不锈钢合金按重量计包含：
大约23%至大约27%的铬，
大约18%至大约22%的镍，
大约0.5%至大约2.0%的锰，
大约1.2%至大约1.4%的碳，
大约1.6%至大约1.8%的硅，
大约0.2%至大约0.4%的氮，
大约0%至大约0.5%的钼，和
余量的铁，以及以痕量存在的其它不可避免/无法避免的杂质。
11.根据权利要求10所述的涡轮增压器运动部件，其中所述奥氏体不锈钢合金包含大约24%至大约26%的铬。
12.根据权利要求10所述的涡轮增压器运动部件，其中所述奥氏体不锈钢合金包含大约19%至大约21%的镍。
13.根据权利要求10所述的涡轮增压器运动部件，其中所述奥氏体不锈钢合金包含大约1.0%至大约1.5%的锰。
14.根据权利要求10所述的涡轮增压器运动部件，其中所述奥氏体不锈钢合金包含大约0.05%至大约0.3%的钼。
15.根据权利要求10所述的涡轮增压器运动部件，其中所述奥氏体不锈钢合金包含大约1.65%至大约1.75%的硅。
16.根据权利要求10所述的涡轮增压器运动部件，其中所述奥氏体不锈钢合金包含大约1.25%至大约1.35%的碳。
17.根据权利要求10所述的涡轮增压器运动部件，其中所述奥氏体不锈钢合金包含大约0.25%至大约0.35%的氮。
18.根据权利要求10所述的涡轮增压器运动部件，其中所述奥氏体不锈钢合金包含小于大约0.01%的量的硫和小于大约0.04%的量的磷。
19.根据权利要求10所述的涡轮增压器运动部件，其中所述涡轮增压器运动部件构成废气门系统或可变几何系统。
20.包含根据权利要求10所述的涡轮增压器运动部件的涡轮增压器。
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