專利名稱：一種具有中空內(nèi)部結(jié)構(gòu)增壓渦輪的近終成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于粉末注射成形技術(shù)領(lǐng)域，特別提供了一種具有中空內(nèi)部結(jié)構(gòu)增壓渦輪的近終成形方法。
背景技術(shù)：
渦輪增壓器安裝在車輛發(fā)動機排氣管上，它利用發(fā)動機氣缸排出的廢氣來推動渦輪機葉輪轉(zhuǎn)動，渦輪機轉(zhuǎn)動帶動同軸的壓氣機工作，壓氣機壓葉輪通過加速空氣而產(chǎn)生高壓高密度的空氣，提高了發(fā)動機的進氣量。渦輪增壓器的使用可以明顯減少發(fā)動機的體積和重量、改善燃油經(jīng)濟性和降低排放。渦輪是渦輪增壓器的核心部件，它受高溫廢氣的驅(qū)動，要求具有良好的高溫力學(xué)性能、耐腐蝕性能和疲勞性能。目前，渦輪葉輪主要采用精密鑄造方法制造，往往存在嚴(yán)重的成分偏析、組織不均勻、晶粒粗大，使塑性和加工性大幅度降低，性能不能得到完全發(fā)揮。與鑄造渦輪相比，粉末冶金渦輪具有組織成分均勻、無宏觀偏析等優(yōu)點，其綜合性能更加優(yōu)異。由于渦輪的形狀非常復(fù)雜、壁薄、尺寸精度要求高，因此需要開發(fā)粉末冶金渦輪近終形制備新技術(shù)。粉末注射成形技術(shù)將現(xiàn)代塑料注射成形優(yōu)異的成形能力用于金屬零件的制備，在制備形狀復(fù)雜、難加工的鐵基或鎳基高溫合金渦輪上具有組織結(jié)構(gòu)均勻、性能優(yōu)異和尺寸精度高等一系列優(yōu)點，能夠有效避免鑄造鎳基合金存在的非金屬夾雜、成分偏析和疏松等缺陷，而且生產(chǎn)效率和材料利用率高，成本低，容易實現(xiàn)自動化連續(xù)批量作業(yè)。傳統(tǒng)增壓渦輪的中心部分是實心的，其厚度較大且不均勻。實心結(jié)構(gòu)的注射成形增壓渦輪容易在注射成形過程中產(chǎn)生缺陷、并在后續(xù)脫脂、燒結(jié)過程中出現(xiàn)縮孔和不均勻變形等問題。本發(fā)明將增壓渦輪設(shè)計成中空結(jié)構(gòu)，能夠避免渦輪在脫脂、燒結(jié)過程中的不均勻變形，還能提高脫脂效率和大幅度減少脫脂缺陷。中空內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以根據(jù)渦輪的實際大小和載 荷進行調(diào)整。中空結(jié)構(gòu)的增壓渦輪對于實現(xiàn)渦輪的輕量化和進一步提高燃油經(jīng)濟性具有重要的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種采用注射成形技術(shù)制備中空結(jié)構(gòu)增壓渦輪的方法，旨在解決復(fù)雜形狀增壓渦輪近終成形的難題。注射成形增壓渦輪具有顯微組織均勻、綜合力學(xué)性能優(yōu)異、尺寸精度高、材料利用率高、成本低和便于批量化制備等優(yōu)點。本發(fā)明以氬氣霧化高溫合金粉末為原料，首先將原料粉末與特殊設(shè)計的石蠟基粘結(jié)劑預(yù)混合均勻，混合粉末經(jīng)過混煉后得到流變性能均勻的喂料，喂料在注射成形機上成形，得到具有較高強度的增壓渦輪坯體，增壓渦輪坯體相繼進行溶劑脫脂和熱脫脂，脫脂坯體在真空氣氛中燒結(jié)，燒結(jié)坯采用無包套熱等靜壓進一步致密化，最后進行固溶和時效處理，得到最終的增壓渦輪零件，制備工藝如圖1所示，具體工藝步驟為:
1、混煉:將粒徑為2-20 μ m的霧化高溫合金粉末與石蠟基粘結(jié)劑在雙行星混煉機中于131-149°C、轉(zhuǎn)速為36-50轉(zhuǎn)/min的條件下混煉60_120min制成流變性能均勻的喂料，其中粉末裝載量為63-66vol%。
所述的霧化高溫合金粉末為各種標(biāo)準(zhǔn)牌號的鐵基高溫合金(例如K213、GH4169或Incoloy800)或鎳基高溫合金(例如K418、IN738LC或K491 )，或者是根據(jù)實際工況設(shè)計的非標(biāo)準(zhǔn)合金；
所述的石蠟基粘結(jié)劑為蠟基多組元聚合物體系，各組元的比例為:10-15%高密度聚乙烯、I O-15%聚丙烯、I O-15%聚苯乙烯、5-10wt%硬脂酸和余量石蠟；
2、注射成形:對于有簡單內(nèi)部結(jié)構(gòu)的增壓渦輪(圖2)，在注射成形機上直接注射成形，得到具有中空結(jié)構(gòu)的渦輪坯體。對于具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的增壓渦輪(圖3)，首先以聚苯乙烯為原料，通過注射成形制備出與內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀相同的塑料模芯，然后再將塑料模芯嵌在渦輪模具中進行注射成形，注射溫度為145-160°C、注射壓力為85-130MPa，喂料填充模腔并包裹在塑料模芯周圍，得到帶模芯的渦輪坯體；
3、脫脂:對于帶有模芯的注射成形渦輪坯體，先將其在45-60°C于三氯乙烷中浸泡，使塑料模芯完全溶解，得到具有中空結(jié)構(gòu)的渦輪坯體。具有中空結(jié)構(gòu)的渦輪坯體采用溶劑脫脂和熱脫脂兩步脫脂工藝，先在三氯乙烯中溶脫6-12h ;然后在高純氬氣氣氛中進行熱脫脂和預(yù)燒結(jié)。脫脂工藝為:以1.50C /min的升溫速率加熱到340°C保溫2h，接著以3°C /min的升溫速率加熱到470°C保溫lh，再以5°C /min的升溫速率加熱到560°C保溫0.5h，最后在600-700°C預(yù)燒結(jié)1-1.5h，得到脫脂坯；
4、燒結(jié):脫脂坯在真空氣氛中進行燒結(jié)，真空度為IXIO-4Pa,燒結(jié)溫度為1250-1350°C，保溫時間為60-180min，得到燒結(jié)坯。5、無包套熱等靜壓:燒結(jié)坯在1100-1200°C的溫度范圍內(nèi)進行無包套熱等靜壓，壓力為100-200MPa，保溫時間為60_120min，得到全致密(致密度大于99%)渦輪；
6、熱處理:全致密渦輪在950-1250°C進行固溶處理，保溫l_2h后水冷，然后在680-800°C時效處理12-48h，最終得到增壓渦輪零件。本發(fā)明的優(yōu)點是能夠解決形狀復(fù)雜增壓渦輪的近終成形的難題。增壓渦輪具有中空內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不僅能夠有效避免脫脂、燒結(jié)過程中的不均勻變形，而且能夠提高脫脂效率，大幅度減少脫脂缺陷。制備出的增壓渦輪接近全致密，組織結(jié)構(gòu)均勻，能夠有效避免鑄造渦輪中存在的非金屬夾雜、成分偏析和疏松缺陷等問題，不僅具有較高的尺寸精度，而且綜合力學(xué)性能優(yōu)于精密鑄造渦輪。


圖1為本發(fā)明的工藝流程圖
圖2為具有簡單內(nèi)部結(jié)構(gòu)的增壓渦輪 圖3為具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的增壓渦輪
具體實施例方式實施例1:以K213合金粉末為原料，制備具有簡單中空結(jié)構(gòu)的渦輪
以粒度為2-20μπι的氬氣霧化K213合金粉末為原料，合金元素的重量百分含量為:35%N1、15%Cr、l.8%A1、3.5%T1、5%W、0.08%B、0.08%C 和余量 Fe。粘結(jié)劑中各組元的重量百分含量為:10%高密度聚乙烯、12%聚苯乙 烯、13%聚丙烯、5%硬脂酸和余量石蠟。首先將霧化高溫合金粉末與石蠟基粘結(jié)劑在雙行星混煉機中于131°C、轉(zhuǎn)速為36轉(zhuǎn)/min的條件下混煉60min制成流變性能均勻的喂料，粉末裝載量為63vol.%。喂料在CJ80-E型注射成形機上注射成形，注射溫度為160°C，注射壓力為90MPa，得到渦輪坯體。渦輪坯體在三氯乙烯中于40°C溶脫10h，然后在高純氬氣氣氛中熱脫脂，脫脂工藝為:以1.5°C /分的升溫速率加熱到340°C保溫2h，接著以3°C /min的升溫速率加熱到470°C保溫lh，再以5°C /min的升溫速率加熱到560°C保溫0.5h，最后以10°C /min的升溫速率加熱到600°C預(yù)燒結(jié)1.5h，得到脫脂坯。脫脂坯在真空氣氛中燒結(jié)，真空度為lX10_4Pa，燒結(jié)溫度為1250°C，保溫時間為180min，得到燒結(jié)坯。燒結(jié)坯在1100°C進行無包套熱等靜壓，壓力為200MPa，保溫時間為120min，得到全致密渦輪。全致密渦輪在1100°C固溶處理Ih后水冷，然后在680°C時效處理12h，最終得到具有簡單中空結(jié)構(gòu)的增壓渦輪零件。實施例2:以K418合金粉末為原料，制備具有簡單中空結(jié)構(gòu)的渦輪
以粒度為2-20μπι的氬氣霧化K213合金粉末為原料，合金元素的重量百分含量為:13%Cr、6.0%Α1、0.8%T1、4.2%Μο、2.3%Nb、0.04%Β、0.09%Zr、0.08%C 和余量 Ni。粘結(jié)劑各組元的重量百分含量為:12%高密度聚乙烯、10%聚丙烯、10-15%聚苯乙烯、8%硬脂酸和余量石蠟。首先將混合粉末與粘結(jié)劑混合均勻后在雙行星混煉機上中于140°C、轉(zhuǎn)速為40轉(zhuǎn)/min的條件下混煉90min制成流變性能均勻的喂料，粉末裝載量為64vol.%。喂料在CJ80-E型注射成形機上注射成形，注射溫度為150°C，注射壓力為lOOMPa，得到渦輪坯體。渦輪坯體在三氯乙烯中溶脫12h，然后在高純氬氣氣氛中熱脫脂，脫脂工藝為:以1.5°C /min的升溫速率加熱到340°C保溫2h，接著以3°C /min的升溫速率加熱到470°C保溫lh，再以5°C /min的升溫速率加熱到560°C保溫0.5h，最后以10°C /min的升溫速率加熱到600°C預(yù)燒結(jié)
1.5h，得到脫脂坯。脫脂坯在真空氣氛中燒結(jié)，真空度為lX10_4Pa，燒結(jié)溫度為1300°C，保溫時間為150min，得到燒結(jié)坯。燒結(jié)坯在1150°C進行無包套熱等靜壓，壓力為200MPa，保溫時間為60min，得到全致密渦輪。全致密渦輪在1180°C固溶處理2h后水冷，然后在750°C時效處理36h，最終得到具有簡單中空結(jié)構(gòu)的增壓渦輪零件。實施例3:以GH4169合金粉末為原料，制備具有簡單中空結(jié)構(gòu)的渦輪· 以粒度為2-20μπι的氬氣霧化K213合金粉末為原料，合金元素的重量百分含量為:
0.027%C、53.74%N1、17.58%Cr、5.35%Nb、3.01%Μο、0.98%T1、0.52%Α1、0.0025%B、0.009%S1、
0.40%Co、余為Fe。粘結(jié)劑各組元的重量百分含量為:14%高密度聚乙烯、15%聚丙烯、11%聚苯乙烯、10%硬脂酸和余量石蠟。首先將混合粉末與粘結(jié)劑混合均勻后在雙行星混煉機上于149°C、轉(zhuǎn)速為45轉(zhuǎn)/min的條件下混煉120min制成流變性能均勻的喂料，粉末裝載量為65vol.% ;喂料在CJ80-E型注射成形機上注射成形，注射溫度為155°C，注射壓力為IlOMPa ；渦輪坯體在三氯乙烯中溶脫6h，然后在高純氬氣氣氛中熱脫脂，脫脂工藝為:以1.5°C /min的升溫速率加熱到340°C保溫2小時，接著以3°C /min的升溫速率加熱到470°C保溫lh，再以5°C /min的升溫速率加熱到560°C保溫0.5h，最后以10°C /min的升溫速率加熱到700°C預(yù)燒結(jié)lh，得到脫脂坯。脫脂坯在真空氣氛中燒結(jié)，真空度為lX10_4Pa，燒結(jié)溫度為1320°C，保溫時間為90min，得到燒結(jié)坯。燒結(jié)坯在1200°C進行無包套熱等靜壓，壓力為150MPa，保溫時間為90min，得到全致密渦輪。全致密渦輪在980°C固溶處理2h后水冷，然后在720°C時效處理24h，最終得到具有簡單中空結(jié)構(gòu)的增壓渦輪零件。實施例4:以K418合金粉末為原料，制備具有復(fù)雜中空結(jié)構(gòu)的渦輪
以粒度為2-20μπι的氬氣霧化K418合金粉末為原料，合金元素的的重量百分含量為:13%Cr、6.0%Α1、0.8%T1、4.2%Μο、2.3%Nb、0.04%B、0.09%Zr、0.08%C 和余量 Ni。粘結(jié)劑中各組元的重量百分含量為:15%高密度聚乙烯、15%聚丙烯、10%聚苯乙烯、7%硬脂酸和余量石蠟。首先將混合粉末與粘結(jié)劑混合均勻后在雙行星混煉機于145°C、轉(zhuǎn)速為50轉(zhuǎn)/min的條件下混煉90min制成流變性能均勻的喂料，粉末裝載量為66vol.%。以聚苯乙烯為原料，在CJ80-E型注射成形機上制備出與內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀相同的聚苯乙烯模芯。將聚苯乙烯模芯嵌在渦輪模具中進行注射成形，注射溫度為145°C，注射壓力為130MPa，喂料填充模腔并包裹在塑料模芯周圍，得到帶模芯的渦輪坯體。帶有模芯的注射成形渦輪坯體在45-60°C于三氯乙烷中浸泡，使塑料模芯完全溶解，得到具有中空結(jié)構(gòu)的渦輪坯體。接著，采用溶劑脫脂和熱脫脂兩步脫脂工藝將中空結(jié)構(gòu)渦輪坯體中的粘結(jié)劑脫除，渦輪坯體在三氯乙烯中脫8h，然后在高純氬氣氣氛中熱脫脂，脫脂工藝為:以1.5°C /min的升溫速率加熱到340°C保溫2h，接著以3°C /min的升溫速率加熱到470°C保溫lh，再以5°C /min的升溫速率加熱到560°C保溫0.5h，最后以10°C /min的升溫速率加熱到700°C預(yù)燒結(jié)lh，得到脫脂坯。脫脂坯在真空氣氛中燒結(jié)，真空度為lX10_4Pa，燒結(jié)溫度為1300°C，保溫時間為60min，得到燒結(jié)坯。燒結(jié)坯在1200°C進行無包套熱等靜壓，壓力為lOOMPa，保溫時間為90min，得到全致密渦輪。全致密渦輪在1210°C固溶處理2h后水冷，然后在800°C時效處理48h，最終得到具有復(fù)雜中空結(jié)構(gòu)的增壓渦輪零件。`
權(quán)利要求
1.一種具有中空內(nèi)部結(jié)構(gòu)增壓渦輪的近終成形方法，其特征在于: 步驟一、以粒徑為2-20 μ m的霧化高溫合金粉末為原料，霧化高溫合金粉末為各種標(biāo)準(zhǔn)牌號的的鐵基高溫合金或鎳基高溫合金，或者是根據(jù)實際工況設(shè)計的非標(biāo)準(zhǔn)合金；將霧化高溫合金粉末與石蠟基粘結(jié)劑在雙行星混煉機中于131-149°C、轉(zhuǎn)速為36-50轉(zhuǎn)/min的條件下混煉60-120min制成流變性能均勻的喂料，其中粉末裝載量為63_66νο1% ;鐵基高溫合金包括Κ213、GH4169或Incoloy800，鎳基高溫合金包括K418、IN738LC或K491 ; 步驟二、對于具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的增壓渦輪，首先通過注射成形制備出與內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀相同的模芯，然后再將模芯嵌在渦輪模具中，喂料填充模腔并包裹在塑料模芯周圍，得到帶有模芯的渦輪坯體；注射溫度為145-160°C、注射壓力為85-130MPa ； 步驟三、將帶有模芯的注射成形渦輪坯體在45-60°C于三氯乙烷中浸泡，使塑料模芯完全溶解，得到具有中空結(jié)構(gòu)的渦輪坯體；接著，采用溶劑脫脂和熱脫脂兩步脫脂工藝將中空結(jié)構(gòu)的渦輪坯體中的 粘結(jié)劑脫除，先在三氯乙烯中溶脫6-12h，然后在高純氬氣氣氛中進行熱脫脂和預(yù)燒結(jié)，得到脫脂坯體； 步驟四、脫脂坯體在真空氣氛中進行燒結(jié)，真空度為lX10_4Pa，燒結(jié)溫度為1250-1350°C，保溫時間為60-180min，得到燒結(jié)坯； 步驟五、燒結(jié)坯在1100-1200°C的溫度范圍內(nèi)進行無包套熱等靜壓，壓力為100-200MPa，保溫時間為60_120min，得到致密度大于99%的全致密渦輪； 步驟六、全致密渦輪在950-1250 °C固溶I_2h后水冷，然后在680-800 °C時效處理12-48h，最終得到增壓渦輪零件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有中空內(nèi)部結(jié)構(gòu)增壓渦輪的近終成形方法，其特征在于:模芯以聚苯乙烯作為原料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有中空內(nèi)部結(jié)構(gòu)增壓渦輪的近終成形方法，其特征在于:所述的石蠟基粘結(jié)劑為蠟基多組元聚合物體系，各組元的比例為:10-15%高密度聚乙烯、IO-15%聚丙烯、I O-15%聚苯乙烯、5-10wt%硬脂酸和余量石蠟。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有中空內(nèi)部結(jié)構(gòu)增壓渦輪的近終成形方法，其特征在于:對于具有簡單內(nèi)部結(jié)構(gòu)的增壓渦輪，在注射成形機上直接注射成形，得到具有中空結(jié)構(gòu)的渦輪坯體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有中空內(nèi)部結(jié)構(gòu)增壓渦輪的近終成形方法，其特征在于:中空結(jié)構(gòu)渦輪坯體的脫脂工藝為:以1.51:/1^11的升溫速率加熱到3401:保溫211，接著以30C /min的升溫速率加熱到470°C保溫lh，再以5°C /min的升溫速率加熱到560°C保溫.0.5h，最后在 600-700°C預(yù)燒結(jié) 1-1.5h。
全文摘要
一種具有中空內(nèi)部結(jié)構(gòu)增壓渦輪的近終成形方法，將霧化高溫合金粉末與石蠟基粘結(jié)劑進行混煉，制成流變性能均勻的喂料。對中空內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單的渦輪，喂料在注射成形機上直接成形就得到中空結(jié)構(gòu)渦輪坯體。對中空內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的渦輪，先將聚苯乙烯注射成形為與內(nèi)部結(jié)構(gòu)形狀相同的模芯，然后將其嵌入模具中，注射成形后得到帶有模芯的渦輪坯體，接著在三氯乙烷中浸泡后將模芯完全溶解，得到中空結(jié)構(gòu)渦輪坯體。渦輪坯體在溶劑脫脂和熱脫脂后進行真空燒結(jié)，燒結(jié)坯采用無包套熱等靜壓致密化，最后經(jīng)過固溶和時效處理就得到中空結(jié)構(gòu)增壓渦輪。該發(fā)明解決了復(fù)雜形狀增壓渦輪近終成形的難題,所得渦輪接近全致密、組織結(jié)構(gòu)均勻、綜合力學(xué)性能優(yōu)于鑄造渦輪。
文檔編號B22F5/10GK103240418SQ20131019354
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月23日
發(fā)明者章林, 李丹, 曲選輝, 秦明禮, 何新波 申請人:北京科技大學(xué)