[发明专利]粉末注射成形中空涡轮的合金选择及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型粉末注射成形中空涡轮的合金选择及制备方法，属于粉末高温合金材料和车用发动机增压器材料选择与成形技术领域。

背景技术

金属粉末注射成形（MIM/PIM）是批量化生产精密复杂薄壁小型零件的先进成形技术，对于铸造性能欠佳的高熔点或高合金化合金零件成形具有明显优势，通过粉末冶金手段可以大幅度细化晶粒、缓解成分偏析、减少缩孔疏松缺陷，因此粉末注射成形在陶瓷、难熔合金、硬质合金、不锈钢、高温合金等小型复杂零部件的生产上具有广泛的应用前景。

增压涡轮是车用涡轮增压器最关键的热端部件，目前工业生产上主要采用熔模铸造工艺，随着增压涡轮小型化和高性能化的发展趋势，传统熔模铸造高温合金增压涡轮由于组织粗大和成分偏析的存在使其合金性能潜力难以充分发挥，因此采用粉末注射成形方法制备中小尺寸规格增压涡轮引起增压器行业的关注。

涡轮中空设计是基于粉末注射成形脱脂工艺要求和结构减重的双重要求，采用中空结构设计可以实现在不降低涡轮整体强度的前提下降低了涡轮质量及转动惯量，从而提高涡轮增压器的瞬态响应性。注射成形脱脂工艺对零件壁厚有严格限制，特别是微细粉末注射成形，工业生产中注射成形零件的厚度一半在10mm以内，以保证脱脂完全，中空涡轮结构示意图见图1。

涡轮合金材料的选用主题是从上世纪60年代伴随柴油机废气涡轮增压技术发展而提出的，从最早使用变形耐热钢冷加工机械成型，到后来使用铸造耐热钢制造，耐热钢涡轮只能用于650℃以下的工作温度。上世纪60年代中期，苏联等国家开始陆续研制和使用铁基和镍基耐热合金，典型的合金牌号包括前苏联的铁基合金ЭИ787Л、美国的镍基合金Inconel713、日本的镍基合金TM321以及欧洲的镍基合金MAR-M246/247等，见表1和表2。

20世纪60年代，我国在涡轮合金和成形技术方面以仿制跟踪为主，1964年钢研总院研制成功K213铁基铸造高温合金，用于650℃长期工作的增压涡轮材料，最高服役温度可以达到750℃。对于更高使用温度的增压涡轮，国内钢研总院研制了K418镍基合金，用于750～850℃的工作温度，相当于美国的镍基合金Inconel713C，实现了铸造增压涡轮国产化。中科院金属所于上世纪90年代研制成功K491高硼低碳合金，化学成分与B1914合金相似，用于铸造不同型号的增压涡轮，使用温度可达1000℃。In100是目前国际知名增压器制造商重点关注并且在研的下一代汽油发动机涡轮增压器涡轮合金，该牌号相当于国内牌号K417，该合金以Ni作为基体元素，添加14～16%Co作为固溶强化和稳定γ相元素，进一步提高高温热强性和抗蠕变性能，可用于不超过1050℃的服役环境。

表1国内外常用增压涡轮用高温合金的力学性能

表2国内外常用增压涡轮用高温合金不同温度下的断裂极限

发明内容

本发明的目的是根据涡轮增压器特殊使用环境（高温、高周和低周疲劳载荷等），确定注射成型新型中空涡轮用高温合金牌号及其成分控制原则，根据涡轮使用温度的不同选择相应的高温合金，并根据涡轮在严重的高周和低周疲劳服役环境特点，限定了碳化物形成元素“C含量”及合金中氧化物含量的控制标准。

一种粉末注射成形中空涡轮的合金选择及制备方法，以碳含量为0.08-0.12%的K418合金粉末作为原料，采用粉末注射成形工艺，制备得到最高服役温度为850℃的增压器中空涡轮。

一种粉末注射成形中空涡轮的合金选择及制备方法，以碳含量为0.01-0.05%的K213合金粉末作为原料，采用粉末注射成形工艺，制备得到最高服役温度为750℃的增压器中空涡轮。

一种粉末注射成形中空涡轮的合金选择及制备方法，以碳含量为0.13-0.17%的K417合金粉末作为原料，采用粉末注射成形工艺，制备得到最高服役温度为1050℃的增压器中空涡轮。

在上述三种方法中，所述的K418合金粉末、K213合金粉末和K417合金粉末采用气雾化方法加工制成，合金粉末的粒度为20-80μm，合金粉末的氧含量低于150ppm，碳含量均为中下限。

在上述三种方法中，所述的粉末注射成形工艺，具体工艺流程包括：气雾化制粉→喂料混炼→注射成形→脱脂→烧结→热等静压及热处理。

中空涡轮合金的成分设计原则是基于对现有铸造涡轮所用合金，三种合金均经过长期的应用考核和性能检验，其中三种合金力学性能数据参见表3，可以满足相应服役条件增压器的使用要求，最高使用温度可达1050℃。