專利名稱：一種制備增壓器陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子的材料及用該材料制備渦輪轉(zhuǎn)子的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于增壓器渦輪轉(zhuǎn)子制造的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種制備增壓器陶瓷渦輪轉(zhuǎn)
子的材料及用該材料制備渦輪轉(zhuǎn)子的方法。
背景技術(shù)：
利用廢氣渦輪增壓已經(jīng)成為當前國際上汽油機、柴油機提高動力性、經(jīng)濟性和排放特性的最主要手段之一。渦輪轉(zhuǎn)子增壓器就是利用發(fā)動機排出的高溫廢氣能量推動渦輪室內(nèi)的廢氣渦輪高速旋轉(zhuǎn)，由此驅(qū)動與渦輪同軸的壓氣機實現(xiàn)增壓，從而提升發(fā)動機的性能。傳統(tǒng)的渦輪轉(zhuǎn)子材料一般采用鎳基合金，但是，在高溫、高壓、高速的環(huán)境工況下，鎳基渦輪轉(zhuǎn)子葉片容易變形和開裂；另一方面，鑄造鎳基渦輪轉(zhuǎn)子表面粗糙，易積碳，在高速運轉(zhuǎn)下微小碳塊有可能撞擊渦輪轉(zhuǎn)子葉片，造成轉(zhuǎn)子葉片斷裂失效。因此增壓器渦輪轉(zhuǎn)子安全性和可靠性成為制約其應用和發(fā)展的瓶頸。氮化硅陶瓷具有高強度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、抗熱震性好、熱導率高、密度小等優(yōu)點，可替代傳統(tǒng)渦輪材料鎳基合金，成為制造增壓器渦輪轉(zhuǎn)子的理想陶瓷材料。特別是氮化硅陶瓷相對于鎳合金密度小的優(yōu)勢，可有效減少渦輪轉(zhuǎn)子的慣性矩，消除渦輪軸的滯后響應，降低發(fā)動機的排放煙度，提升發(fā)動機動力。但是，氮化硅陶瓷的本質(zhì)脆性，在極端惡劣的服役條件下，面臨熱力沖擊損傷問題，以及形成的熱沖擊損傷在長期高溫和復雜載荷下的結(jié)構(gòu)演化損傷與性能急劇衰減問題，氮化硅陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子可靠性受到嚴峻挑戰(zhàn)。氮化硅陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子的本質(zhì)脆性和惡劣的服役環(huán)境造成其性能不穩(wěn)定，葉片飛斷，使用壽命低。以往的氮化硅陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子原料配方中只是不同陶瓷成分的混合，這樣的陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子因其脆性而性能極為不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述存在的缺陷而提供一種制備增壓器陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子的材料
及用該材料制備渦輪轉(zhuǎn)子的方法，用本發(fā)明所述材料制備的增壓器陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子重量輕，韌
性好，強度高，比重低，相應性好，在高溫、高壓和高速超常工況下，滯后相應小，變形量小，積碳少，壽命高，同時，所述用該材料制備渦輪轉(zhuǎn)子的方法步驟簡單，操作方便，有
利
于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種制備增壓器陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子的材料，包括以下重量份的組分氮化娃粉末85 90份,氮化硼納米管粉末I 8份,金屬招粉末2 4份,娃粉末2 4份，氧化錯粉末3 5份。用所述材料制備渦輪轉(zhuǎn)子的方法，包括以下步驟
(1)原料配制按重量份分別稱取85 90份氮化硅粉末、I 8份氮化硼納米管粉末、3 5份氧化錯粉末、2 4份金屬招粉末、2 4份娃粉末,構(gòu)成原料；
(2)膏料配制將步驟(I)所得原料與粘結(jié)劑按重量比I:1. 5的比例加入至攪拌機中進行攪拌混合，攪拌速度55 65 r/min,在攪拌50 60min后,加入原料重量2% 4%的三氧化二釔燒結(jié)助劑，同時加入原料重量13% 15%的蒸餾水，繼續(xù)攪拌20min，再加入原料重量3% 6%的流變劑，攪拌30 50min后制成膏狀物； (3)注射成型將步驟(2)所得膏狀物移入注射機儲存罐中，靜置30min，用注射機將膏狀物注入渦輪轉(zhuǎn)子成型模具中，將渦輪轉(zhuǎn)子成型模具預熱至300°C，在加壓條件下進行模具成型，得到毛坯；
(4)定型干燥處理將(3)中毛坯取出置于干燥缽中，用粒度為150 200目的氧化鋁干粉填埋，一起放入120°C 200°C烘干爐內(nèi)定型干燥，時間24h 30h ；
(5)模具約束氣壓燒結(jié)首先將(4)中干燥定型好的毛坯置于內(nèi)表面涂有氮化硼的石墨渦輪轉(zhuǎn)子模具中，將裝有毛坯的石墨渦輪轉(zhuǎn)子模具放入真空氣壓燒結(jié)爐內(nèi)，真空度為10_3Pa，通入101 108MPa的氮氣或氬氣，先按250°C /h的升溫速度將爐內(nèi)溫度由室溫升至500°C，保溫Ih后，再按100°C /h的升溫速度將溫度從500°C升至為1400 1800°C，最后保溫Ih后燒結(jié)結(jié)束，關(guān)爐使渦輪轉(zhuǎn)子隨爐自然冷卻得到增壓器渦輪轉(zhuǎn)子。所述步驟(2)中的粘結(jié)劑為硅溶膠。所述步驟(2)中的攪拌機為立式可升降強制式攪拌機。所述步驟(2)中的流變劑為高嶺土與羧甲基纖維素的混合物或者聚乙烯醇水溶液或者膨潤土或者羥乙基纖維素。所述步驟(3)中的注射機為柱塞式注射機。所述步驟(3)中所述壓力為lOOMPa。所述步驟(3)中在用注射機將膏狀物注入渦輪轉(zhuǎn)子成型模具前，在渦輪轉(zhuǎn)子成型模具內(nèi)表面涂上聚乙烯醇水溶液潤濕劑。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明所述材料主要成分是氮化硅，具有硬度大、強度高、耐高溫、導熱系數(shù)高和膨脹系數(shù)低等特性，替代傳統(tǒng)渦輪材料鎳基合金，相對于鎳合金密度小的優(yōu)勢，該增壓器陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子可有效減少渦輪轉(zhuǎn)子的慣性矩，消除渦輪軸的滯后響應，降低發(fā)動機的排放煙度，提升發(fā)動機動力。為了解決氮化硅渦輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)演化損傷和韌性、強度等力學性能的循環(huán)累積衰減問題，提高陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子的抗熱震性、斷裂韌性、高溫蠕變強度，還加入了氮化硼納米管粉末、金屬鋁粉末、硅粉末和氧化鋯粉末。氮化硼納米管具有良好的化學穩(wěn)定性、優(yōu)異的力學性能和導熱性能、較低的熱膨脹性能和優(yōu)良的抗氧化性能，尤其是氮化硼納米管特殊的管狀形貌，在與氮化硅復合時可明顯提高陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子的抗熱震性、斷裂韌性和可塑性。在燒結(jié)過程中，部分金屬鋁粉末、硅粉末分別氧化為Al2O3和SiO2，這樣捕捉了部分燒結(jié)爐內(nèi)的氧，提高了爐內(nèi)的真空度，氧化產(chǎn)物與氮化硅陶瓷復合，密實了陶瓷空隙，從而提高了陶瓷的強度。未氧化的鋁粉末、硅粉末成為液體，分布于陶瓷顆粒周圍，冷卻后明顯增加渦輪轉(zhuǎn)子的斷裂韌性。同時加入氧化鋯粉末后，由于氧化鋯的相變作用，造成部分體積膨脹，擬補了氮化硅陶瓷燒結(jié)過程中體積收縮現(xiàn)象，從而減少了燒結(jié)應力的產(chǎn)生，消除了應力造成的變形和裂紋。通過上述可知，用本發(fā)明所述材料制得的增強器陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子具有好的韌性、高的強度，價格低，比重小，在體積相同的情況下，重量僅為鎳基K418合金增壓器渦輪的1/3，轉(zhuǎn)動慣性矩隨之減小，從而大大縮短了響應時間，提高了相應性，在高溫、高壓和高速的情況下，不容易出現(xiàn)變形和飛裂失效現(xiàn)象，表面光潔度好，不積碳。同時通過氮化硼納米管的增韌作用，進一步提高了渦輪轉(zhuǎn)子的斷裂韌性、降低了孔隙率，減少了熱膨脹系數(shù)。
通過本發(fā)明所述的方法，可以制造出由氮化硼納米管增韌補強的氮化硅陶瓷材料構(gòu)成的增壓器渦輪轉(zhuǎn)子，它與合金鑄造成型的工藝不同，是先通過制膏、注射壓型制成毛坯，然后再將毛坯放入石墨模具中，采用模具約束氣壓燒結(jié)成型，最后成為氮化硼納米管增韌補強的堅硬的氮化硅陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子。原料經(jīng)過混合攪拌，并加入流變劑、燒結(jié)助劑和蒸餾水制成均勻的膏狀，從而有利于充填模具型腔；利用柱塞式注射成型機在IOOMPa壓力下將膏狀物注入模具中，不僅有利于提高坯體密度和密度分布的一致性，而且由于加入了流變齊U，充填能力強，壓縮比增大，可使渦輪轉(zhuǎn)子外形尺寸完整可靠；在燒結(jié)時采用模具約束成型，在氣壓下燒結(jié)，有利于提高渦輪轉(zhuǎn)子的形狀和尺寸的精度。該方法主要包括混合、攪拌、注射成型、壓型、干燥和模具約束氣壓燒結(jié)等步驟，簡單方便，投資少，有利于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。
具體實施例方式下面通過具體實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。實施例I
一種制備增壓器陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子的材料，包括以下重量份的組分氮化硅粉末85份，氮 化硼納米管粉末5份，金屬鋁粉末2份，硅粉末3份，氧化鋯粉末5份。用所述材料制備渦輪轉(zhuǎn)子的方法，包括以下步驟
(O原料配制按重量份分別稱取85份氮化硅粉末、5份氮化硼納米管粉末、2份金屬鋁粉末、3份硅粉末和5份氧化鋯粉末，構(gòu)成原料。(2)膏料配制將步驟(I)所得原料與硅溶膠按重量比I :1. 5的比例加入至可升降強制式攪拌機中進行攪拌混合，攪拌速度60 r/min,在攪拌50min后，加入原料重量3%的三氧化二釔燒結(jié)助劑，同時加入原料重量14%的蒸餾水，繼續(xù)攪拌20min，再加入原料重量4%的膨潤土流變劑，攪拌30min后制成膏狀物。(3)注射成型將步驟(2)所得膏狀物移入柱塞式注射機儲存罐中，靜置30min，用柱塞式注射機將膏狀物注入渦輪轉(zhuǎn)子成型模具中，將渦輪轉(zhuǎn)子成型模具預熱至300°C，然后在IOOMPa壓力下進行模具成型，得到毛坯。模具制造時考慮O. 78%的收縮率。在用柱塞式注射機將膏狀物注入渦輪轉(zhuǎn)子成型模具前，在渦輪轉(zhuǎn)子成型模具內(nèi)表面涂上聚乙烯醇水溶液潤濕劑。(4)定型干燥處理將(3)中毛坯取出置于干燥缽中，用粒度為200目的氧化鋁干粉填埋，一起放入200°C烘干爐內(nèi)定型干燥，時間24h。(5)模具約束氣壓燒結(jié)首先將(4)中干燥定型好的毛坯置于內(nèi)表面涂有氮化硼的石墨渦輪轉(zhuǎn)子模具中，將裝有毛坯的石墨渦輪轉(zhuǎn)子模具放入真空氣壓燒結(jié)爐內(nèi)，真空度為10_3Pa，通入IOlMPa的氬氣，先按250°C /h的升溫速度將爐內(nèi)溫度由室溫升至500°C，保溫Ih后，再按100°C /h的升溫速度將溫度從500°C升至為1600°C，最后保溫Ih后燒結(jié)結(jié)束，關(guān)爐使渦輪轉(zhuǎn)子隨爐自然冷卻得到增壓器陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子。實施例I制得的增壓器陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子各項性能指標見表I。表I實施例I所得增壓器陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子各項性能指標
權(quán)利要求
1.一種制備增壓器陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子的材料，包括以下重量份的組分氮化硅粉末85 90份，氮化硼納米管粉末I 8份,金屬招粉末2 4份,娃粉末2 4份,氧化錯粉末3 5份。
2.一種用權(quán)利要求I所述材料制備渦輪轉(zhuǎn)子的方法，包括以下步驟 (1)原料配制按重量份分別稱取85 90份氮化硅粉末、I 8份氮化硼納米管粉末、3 5份氧化錯粉末、2 4份金屬招粉末、2 4份娃粉末,構(gòu)成原料； (2)膏料配制將步驟(I)所得原料與粘結(jié)劑按重量比I:1. 5的比例加入至攪拌機中進行攪拌混合，攪拌速度55 65 r/min,在攪拌50 60min后,加入原料重量2% 4%的三氧化二釔燒結(jié)助劑，同時加入原料重量13% 15%的蒸餾水，繼續(xù)攪拌20min，再加入原料重量3% 6%的流變劑，攪拌30 50min后制成膏狀物； (3)注射成型將步驟(2)所得膏狀物移入注射機儲存罐中，靜置30min，用注射機將膏狀物注入渦輪轉(zhuǎn)子成型模具中，將渦輪轉(zhuǎn)子成型模具預熱至300°C，在加壓條件下進行模具成型，得到毛坯； (4)定型干燥處理將(3)中毛坯取出置于干燥缽中，用粒度為150 200目的氧化鋁干粉填埋，一起放入120°C 200°C烘干爐內(nèi)定型干燥，時間24h 30h ； (5)模具約束氣壓燒結(jié)首先將(4)中干燥定型好的毛坯置于內(nèi)表面涂有氮化硼的石墨渦輪轉(zhuǎn)子模具中，將裝有毛坯的石墨渦輪轉(zhuǎn)子模具放入真空氣壓燒結(jié)爐內(nèi)，真空度為10_3Pa，通入101 108MPa的氮氣或氬氣，先按250°C /h的升溫速度將爐內(nèi)溫度由室溫升至500°C，保溫Ih后，再按100°C /h的升溫速度將溫度從500°C升至為1400 1800°C，最后保溫Ih后燒結(jié)結(jié)束，關(guān)爐使渦輪轉(zhuǎn)子隨爐自然冷卻得到增壓器陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述制備渦輪轉(zhuǎn)子的方法，其特征在于，所述步驟(2)中的粘結(jié)劑為硅溶膠。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述制備渦輪轉(zhuǎn)子的方法，其特征在于，所述步驟(2)中的攪拌機為立式可升降強制式攪拌機。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述制備渦輪轉(zhuǎn)子的方法，其特征在于，所述步驟(2)中的流變劑為高嶺土與羧甲基纖維素的混合物或者聚乙烯醇水溶液或者膨潤土或者羥乙基纖維素。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述制備渦輪轉(zhuǎn)子的方法，其特征在于，所述步驟(3)中的注射機為柱塞式注射機。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述制備渦輪轉(zhuǎn)子的方法，其特征在于，所述步驟(3)中所述壓力為IOOMPa。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述制備渦輪轉(zhuǎn)子的方法，其特征在于，所述步驟(3)中在用注射機將膏狀物注入渦輪轉(zhuǎn)子成型模具前，在渦輪轉(zhuǎn)子成型模具內(nèi)表面涂上聚乙烯醇水溶液潤濕劑。
全文摘要
本發(fā)明屬于增壓器渦輪轉(zhuǎn)子制造的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種制備增壓器陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子的材料及用該材料制備渦輪轉(zhuǎn)子的方法。一種制備增壓器陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子的材料，包括以下重量份的組分氮化硅粉末85～90份，氮化硼納米管粉末1～8份，金屬鋁粉末2～4份，硅粉末2～4份，氧化鋯粉末3～5份。用所述材料制備渦輪轉(zhuǎn)子的方法，包括以下步驟(1)原料配制；(2)膏料配制；(3)注射成型；(4)定型干燥處理；(5)模具約束氣壓燒結(jié)。用本發(fā)明所述材料制備的增壓器陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子重量輕，韌性好，強度高，比重低，相應性好，在高溫、高壓和高速超常工況下，滯后相應小，變形量小，積碳少，壽命高，同時，所述用該材料制備渦輪轉(zhuǎn)子的方法步驟簡單，操作方便，有利于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號F01D5/02GK102765957SQ20121023106
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月5日
發(fā)明者喬陽, 于航海, 宋令惠, 楊麗穎, 王守仁, 王英姿 申請人:濟南大學