不銹鋼合金、由所述不銹鋼合金制成的渦輪增壓器渦輪殼體及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開總體上涉及不銹鋼合金。更具體地，本公開涉及在高溫下展現(xiàn)出抗氧化性 的、用于鑄件應(yīng)用（例如渦輪和渦輪增壓器殼體、排氣歧管和燃燒室）的不銹鋼合金及其制 造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在運行過程中，汽車或飛機(jī)的渦輪增壓器殼體承受著升高的運行溫度。這些殼體 必須能夠容納具有超高旋轉(zhuǎn)速度的渦輪葉輪。從汽車或飛機(jī)發(fā)動機(jī)排出的廢氣在高溫下 最先接觸渦輪增壓器的金屬部分，如渦輪增壓器的氣體入口區(qū)域。由于通過提高廢氣溫度 可改善高速性能，因此，已經(jīng)試圖逐漸提高發(fā)動機(jī)的廢氣溫度。由于這些高溫，作用于部件 (諸如排氣歧管和渦輪殼體）上的熱載荷變得非產(chǎn)大。
[0003] 這些接觸渦輪增壓器的金屬部分的提高的廢氣溫度帶來了各種問題。例如，由廢 氣溫度升高引起的一個問題是材料的熱變形，在渦輪殼體和排氣歧管內(nèi)，材料的熱變形在 高溫區(qū)和低溫區(qū)之間交替，伴隨著取決于具體情況的熱膨脹和熱收縮，其通過這樣的熱變 形會導(dǎo)致表面氧化褶皺，并且可繼續(xù)發(fā)展并形成穿透裂紋。
[0004] 為了克服與更高運行溫度相關(guān)的挑戰(zhàn)，用于渦輪增壓器應(yīng)用的現(xiàn)有技術(shù)合金已包 括高鎳含量的合金，如可商購的高鎳球墨鑄鐵合金。這些實例為由InternationalNickel Company開發(fā)的NiResist?，或者HK30, 一種鉻-鎳-鐵不銹鋼合金，其包含約25%的鉻和 20%的鎳，余量基本為Fe。HK系列不銹鋼合金一般含有大約18-22%的鎳，并且是完全奧氏 體合金。
[0005] 在蠕變強(qiáng)度方面，HK不銹鋼合金是強(qiáng)大的不銹鋼鑄造合金。然而，當(dāng)面對渦輪增 壓器殼體所要求的高溫性能時，此類合金由于它們的高鎳含量而特別昂貴。而且，由于最近 Ni的價格突然上漲，使得具有高鎳含量的材料的成本受到大量關(guān)注。
[0006] 因此，需要可用于渦輪增壓器應(yīng)用的不銹鋼合金，其能夠承受現(xiàn)代發(fā)動機(jī)所產(chǎn)生 的較高運行溫度，但是使昂貴的鎳的含量減至最低。此外，從隨后的本發(fā)明主題的詳細(xì)描述 和所附權(quán)利要求書，結(jié)合本發(fā)明主題的附圖和該【背景技術(shù)】，本發(fā)明主題的其它所期望的特 征和特性將變得顯而易見。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供不銹鋼合金、渦輪增壓器渦輪殼體、以及制造渦輪增壓器渦輪殼體的 方法。
[0008] 在一個實施方案中，僅通過示例的方式，奧氏體不銹鋼合金按重量計包含，約22% 至約28 %的鉻、約3. 5 %至約6. 5 %的鎳、約1 %至約6 %的錳、約0. 5 %至約2. 5 %的硅、 約0. 5%至約1. 5%的鎢、約0. 2%至約0. 8%的鉬、約0. 2%至約0. 8%的鈮、約0. 3%至約 0. 6 %的碳、約0. 2 %至約0. 8 %的氮、和余量的鐵。
[0009] 在另一實施方案中，僅通過示例的方式，渦輪增壓器渦輪殼體包含奧氏體不銹鋼 合金，該合金按重量計包含，約22 %至約28 %的鉻、約3. 5 %至約6. 5 %的鎳、約1 %至約 6 %的錳、約0. 5 %至約2. 5 %的硅、約0. 5 %至約1. 5 %的鎢、約0. 2 %至約0. 8 %的鉬、約 0. 2 %至約0. 8 %的鈮、約0. 3 %至約0. 6 %的碳、約0. 2 %至約0. 8 %的氮、和余量的鐵。
[0010] 在又一實施方案中，制造渦輪增壓器渦輪殼體的方法包括由奧氏體不銹鋼合金制 成渦輪增壓器渦輪殼體，該合金按重量計包含，約22 %至約28 %的鉻、約3. 5 %至約6. 5% 的鎳、約1 %至約6%的錳、約0. 5%至約2. 5%的硅、約0. 5%至約1. 5%的鎢、約0. 2%至約 0. 8 %的鉬、約0. 2 %至約0. 8 %的鈮、約0. 3 %至約0. 6 %的碳、約0. 2 %至約0. 8 %的氮、和 余量的鐵。
[0011] 提供本
【發(fā)明內(nèi)容】
以簡化的方式介紹概念的選擇，其將在下文的【具體實施方式】中得 到進(jìn)一步描述。本
【發(fā)明內(nèi)容】
并不意在限定所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或必要特征，也不 意在用于輔助確定所要求保護(hù)主題的范圍。
【附圖說明】
[0012] 接下來將結(jié)合下面的附圖來描述本發(fā)明的主題，其中相同的數(shù)字表示相同的要 素，并且其中：
[0013]圖1是根據(jù)本公開的渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)的一個實施方案的系統(tǒng)示意圖。
[0014]圖2是示出某些不銹鋼合金的熱膨脹系數(shù)的比較圖；
[0015] 圖3是示出某些不銹鋼合金的熱導(dǎo)率的比較圖；
[0016] 圖4是示出某些不銹鋼合金的比熱的比較圖；
[0017] 圖5是示出某些不銹鋼合金在室溫下的極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的比較圖；
[0018] 圖6是示出某些不銹鋼合金的楊氏模量的比較圖；和
[0019] 圖7是示出某些不銹鋼合金的高溫屈服強(qiáng)度的比較圖。 具體實施方案
[0020] 接下來的具體實施方案本質(zhì)上僅僅是示例性的，并不意在限制本發(fā)明或本發(fā)明的 應(yīng)用和使用。如本文中所使用的"示例性的"表示"作為一個實例、例子、或者例證"。因此， 本文所描述的任何作為"示例性的"的實施方案不一定被理解為比其它實施方案更優(yōu)選或 更有利。此外，除非在所附權(quán)利要求中通過語言進(jìn)行了具體限定，否則本文中所用的數(shù)字序 號，如"第一"、"第二"、"第三"等，例如第一、第二、和第三組分，僅代表多數(shù)中的不同個體。 所述不銹鋼合金、渦輪增壓器渦輪殼體及其制造方法的所有實施方案和實施方式均為示例 性的實施方案，其旨在使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造或運用本發(fā)明，而不是限制本發(fā)明的范 圍，其通過權(quán)利要求來限定。再者，無意于受到呈現(xiàn)在前述技術(shù)領(lǐng)域、【背景技術(shù)】、
【發(fā)明內(nèi)容】
和 下面的具體實施方案中明示或暗示的理論所束縛。
[0021] 渦輪增壓器渦輪殼體，通常為鑄造不銹鋼或者鑄鐵，是渦輪增壓器中最昂貴的組 件。降低殼體的成本將直接影響渦輪增壓器的成本。為了經(jīng)受通常由沖擊到渦輪殼體上 的廢氣所帶來的高運行溫度，渦輪殼體材料通常與除了其它的碳化物形成元素之外的元素 (例如鉻和鎳）形成合金，導(dǎo)致成本增加。減少這些昂貴合金元素的含量和/或排除這些昂 貴的合金元素將直接影響禍輪殼體的成本。
[0022] 本公開的典型實施方案置于裝配有汽油動力內(nèi)燃機(jī)（"ICE"）和渦輪增壓器的機(jī) 動車中。該渦輪增壓器具有獨特的特征組合，與可比較的未改進(jìn)系統(tǒng)相比，該特征組合在各 種實施方案中可以通過相對地限制渦輪和/或壓氣機(jī)中二次流的總量（和動能）來提供效 率益處。
[0023] 參見圖1-2,具有徑流式渦輪和離心式壓氣機(jī)的渦輪增壓器101的一個示例性實 施方案包括渦輪增壓器殼體和轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子配置在渦輪增壓器殼體內(nèi)，在渦輪增壓器運 行時繞推力軸承和兩組軸頸軸承（每個轉(zhuǎn)子葉輪上各一組），或可替代地，其它類似支撐軸 承上的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線103旋轉(zhuǎn)。渦輪增壓器殼體包括渦輪殼體105、壓氣機(jī)殼體107、和連 接渦輪殼體和壓氣機(jī)殼體的軸承殼體109 (即，含有軸承的中間殼體）。轉(zhuǎn)子包括基本位于 渦輪殼體105內(nèi)的至流式渦輪葉輪111、基本位于壓氣機(jī)殼體107內(nèi)的離心式壓氣機(jī)葉輪 113、和沿著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線103延伸的轉(zhuǎn)軸115,該轉(zhuǎn)軸穿過軸承殼體109,以連接渦輪葉輪 111與壓氣機(jī)輪113。
[0024] 渦輪殼體105和渦輪葉輪111形成渦輪，其經(jīng)配置以周向接收來自發(fā)動機(jī)（例如 來自內(nèi)燃機(jī)125的排氣歧管123)的高壓和高溫廢氣流121。渦輪葉輪111 (以及由此所述 轉(zhuǎn)子）被高壓和高溫廢氣流驅(qū)動而繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線103旋轉(zhuǎn)，所述高壓和高溫廢氣流變成 低壓和低溫廢氣流127并軸向釋放到廢氣系統(tǒng)（未示出）。
[0025] 壓氣機(jī)殼體107和壓氣機(jī)葉輪113形成壓氣機(jī)級。壓氣機(jī)葉輪被廢氣驅(qū)動的渦輪 葉輪111驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，其經(jīng)配置以壓縮軸向接收的輸入空氣（例如，環(huán)境空氣131，或來自多級 壓氣機(jī)中上一級的已經(jīng)過壓縮的空氣）形成壓縮空氣流133,壓縮空氣流133被周向地從壓 氣機(jī)中排出。由于所述壓縮過程，壓縮空氣流的特征在于比輸入空氣更高的溫度。
[0026] 任選地，壓縮空氣流可被引導(dǎo)通過對流冷卻的增壓空氣冷卻器135,其經(jīng)配置以使 來自壓縮空氣流的熱量消散，增加其密度。將所得的經(jīng)冷卻和加壓的輸出空氣流137導(dǎo)入 到內(nèi)燃機(jī)上的進(jìn)氣歧管139,或者可替代地，導(dǎo)入到串聯(lián)壓氣機(jī)的下一級。系統(tǒng)的運行由 E⑶151 (發(fā)動機(jī)控制單元）來控制，E⑶151經(jīng)由通訊連接件153與系統(tǒng)的其它部分連接。
[0027] 根據(jù)渦輪增壓器的配置和所期望的輸出功率，渦輪增壓器可以設(shè)計為在多種溫度 下運行。如本文所用的，術(shù)語運行溫度是指被設(shè)計為由渦輪增壓器的渦輪殼體和葉片組件 所經(jīng)受的廢氣的最高溫度。本領(lǐng)域所熟知的不銹鋼1. 4848是用于1000°C-1020°C之間的 渦輪殼體應(yīng)用的一種示例性現(xiàn)有技術(shù)材料，其中鎳的規(guī)格為19%至22%。另外，具有較低 鎳含量的K273可用于溫度高達(dá)1020°C的殼體。然而，由于較高的碳含量，K273在切削加工 性方面帶來了制造的隱憂。同樣，實驗室氧化試驗表明，與其它推薦用于此類高溫應(yīng)用的不 銹鋼相比，K273顯示出較低的抗氧化性。因此，具有較少的機(jī)械加工問題和更好的抗氧化 性的材料將是可用選項的合適替代品。如下給出的表1提供了不銹鋼1. 4848和K273的規(guī) 格。
[0028] 表1.K273和1. 4848不銹鋼的組成

[0031] 因此，本公開的實施方案涉及對用于具有高達(dá)約1020°C的運行溫度的渦輪增壓器 的目前可用的不銹鋼合金的改進(jìn)。特別地，本公開的實施方案涉及具有比不銹鋼1. 4848更 少的鎳含量（出于成本考量），以及比K273更好的切削加工性（出于制造考量）的不銹鋼 合金。本文中描述的不銹鋼合金包含與多種合金元素形成合金的鐵，如在基于合金總重量 的重量百分?jǐn)?shù)方面在下文中更詳細(xì)描述的那樣。
[0032] 在一個實施方案中，本公開的不銹鋼合金包含約0.3 %至約0.6 %的碳（C)，例如 約0. 4%至約0. 5%的C。C具有改善熔體的流動性和可鑄性的作用。C還具有通過與鈮（如 下文中更詳細(xì)討論的那樣，合金中包含鈮）形成共晶碳化物來提高可鑄性的作用。為了有 效地實現(xiàn)這樣的作用，C的量應(yīng)為0.3%或更高。再者，C可以通過固溶強(qiáng)化來有效強(qiáng)化材 料。為了使耐腐蝕性最大化，將C的含量降低至約0. 6%及以下。
[0033] 在一個實施方案中，本公開的不銹鋼合金包含約0. 5%至約2. 5%的硅（Si)，例如 約1.0%至約2.0%的Si。Si具有提高其金屬結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和其抗氧化性的作用。此外， 其具有作為脫氧劑的功能，并且當(dāng)其以大于約〇. 5%的量存在時，還能夠有效改善可鑄性和 減少所得鑄造產(chǎn)品中的針孔。如果Si含量