采用注射成形工艺实现复杂形状增压涡轮的近终成形,并满足高性能和低成本的要求。根据注射成形涡轮对零件壁厚的要求,选择052mm涡轮作为研制对象,并完成了中空蜗轮的结构设计及可靠性校验,中空孔径确定为05mm,孔深25mm,如图1所示。对比分析实芯涡轮和中空涡轮的离心应力分布可知,采用中空结构的涡轮,其应力分布较原始涡轮应力分布一致,但涡轮离心应力有所增大,中空结构涡轮的最大离心应力为626MPa,较原始涡轮增加了20.4%。涡轮采用中空设计后,自振频率变化很小,频率平均变小0.167%,可近似认为没有变化。中空结构增压涡轮不仅达到了减轻重量的目的,而且大幅度减小了烧结变形。设计了侧向抽芯模具结构(如图2所示),实现了复杂形状增压涡轮的近终成形。采用数值模拟方法对注射成形充模过程进行了模拟,得出了喂料的充模过程(如图3所示),并阐明了涡轮在注射成形过程中产生的缺陷与机理。优化了注射成形工艺参数,得出最佳的注射成形工艺参数为:注射温度为160°C,注射压力为60MPa,模温为80C,最终制备出了无缺陷的注射成形坯。以平均粒度15pm的惰性气体雾化的K418镍基高温合金为原料,选用67%装载量,将粉末与粘结剂(60%石蜡 15%高密度聚乙烯 15%聚丙烯 10%硬脂酸)于140C在开放式混炼机中混炼30min,制备出适合镍基高温台金粉末注射成形的高效粘结剂,制备出了流变性能良好的注射喂料。分析了脱脂方法、脱脂制度和脱脂温度对致密度和最终高温合金性能的影响,掌握了碳、氧含量的精确控制技术。通过烧结 热等静压工艺获得高致密度的粉末高温台金,具有晶粒细小、显微组织均匀、综合力学性能优异等优点°MIM418台金1230°C真空烧结相对密度为97%,热等静压后的样品接近全致密。
采用注射成形工艺实现复杂形状增压涡轮的近终成形,并满足高性能和低成本的要求。根据注射成形涡轮对零件壁厚的要求,选择052mm涡轮作为研制对象,并完成了中空蜗轮的结构设计及可靠性校验,中空孔径确定为05mm,孔深25mm,如图1所示。对比分析实芯涡轮和中空涡轮的离心应力分布可知,采用中空结构的涡轮,其应力分布较原始涡轮应力分布一致,但涡轮离心应力有所增大,中空结构涡轮的最大离心应力为626MPa,较原始涡轮增加了20.4%。涡轮采用中空设计后,自振频率变化很小,频率平均变小0.167%,可近似认为没有变化。中空结构增压涡轮不仅达到了减轻重量的目的,而且大幅度减小了烧结变形。设计了侧向抽芯模具结构(如图2所示),实现了复杂形状增压涡轮的近终成形。采用数值模拟方法对注射成形充模过程进行了模拟,得出了喂料的充模过程(如图3所示),并阐明了涡轮在注射成形过程中产生的缺陷与机理。优化了注射成形工艺参数,得出最佳的注射成形工艺参数为:注射温度为160°C,注射压力为60MPa,模温为80C,最终制备出了无缺陷的注射成形坯。以平均粒度15pm的惰性气体雾化的K418镍基高温合金为原料,选用67%装载量,将粉末与粘结剂(60%石蜡 15%高密度聚乙烯 15%聚丙烯 10%硬脂酸)于140C在开放式混炼机中混炼30min,制备出适合镍基高温台金粉末注射成形的高效粘结剂,制备出了流变性能良好的注射喂料。分析了脱脂方法、脱脂制度和脱脂温度对致密度和最终高温合金性能的影响,掌握了碳、氧含量的精确控制技术。通过烧结 热等静压工艺获得高致密度的粉末高温台金,具有晶粒细小、显微组织均匀、综合力学性能优异等优点°MIM418台金1230°C真空烧结相对密度为97%,热等静压后的样品接近全致密。
经过1200C固溶/空冷、750C时效,MIM418抗拉强度达到1425MPa,屈服强度为1004MPa,延伸率达到19.4%,与铸造台金性能相比分别提高了70%,30%,120%。图4为烧结态的注射成形涡轮。涡轮表面光洁,尺寸精度高,如图4所示。
图4注射成形涡轮
制备出满足涡轮使用性能测试要求的涡轮,涡轮尺寸与内部质量良好,达到 装机测试要求。涡轮样品在无锡威孚英特迈涡轮增压器公司进行了台架实验,图 5所示为涡轮样品焊接及部分工装的照片。钢轴焊接后接头抗拉破断力达到18 吨,远高于铸造涡轮与钢轴的焊接强度。转速相同时,粉末注射成形涡轮部件测 频一致性和气动性能涡端一致性均优于铸造性能,超速飞裂试验停止在225000 转/分与225000转/分,增压器拆检的结果可知,超速飞裂试验涡轮表现良好,两 套增压器的失效皆由涡轮轴断裂造成。粉末注射成形涡轮样件测频一致性优于铸 造涡轮,粉末注射成形涡轮与钢轴联结强度也明显高于铸造涡轮。粉末注射成形 MIM418涡轮在超速飞裂试验中表现不俗,在钢轴断裂21.5/22.5万转的状态下, 涡轮仍保持完好。粉末注射成形涡轮的涡端试验表明,涡轮部件涡端性能一致性 较好,3组样品涡端的效率曲线基本重合,均在士0.5%的偏差内。
图5涡轮样品焊接及部分工装的照片
市场分析:
注射成形增压涡轮的研发成功将解决复杂形状涡轮的近终注射成形、新型粘结剂设计、高效脱脂、致密度控制、尺寸精确控制和表面强化工艺等粉末高温合金注射成形的关键问题,提升我国车用增压涡轮的制造水平,打破国外在该领域的技术垄断,为涡轮增压技术在我国的推广应用和节能减排目标的实现奠定基础。
成果亮点:
1、具有自主知识产权,研究成果已授权发明专利10项,申请15项。