專利名稱：增壓器渦輪及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及增壓器渦輪技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及增壓器渦輪的材料，本發(fā)明還涉及這種增壓器渦輪的制造方法。
背景技術(shù)：
渦輪增壓器實(shí)際上是一種空氣壓縮機(jī)，通過壓縮空氣來增加進(jìn)氣量。利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣慣性沖力來推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動(dòng)同軸的葉輪，葉輪又壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量和調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而增加發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。
渦輪增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣歧管上，處在高溫，高壓和高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工作狀況下，其工作環(huán)境非常惡劣，工作要求比較苛刻，因此對(duì)制造的材料成型工藝和加工技術(shù)都要求很高。要求材料有良好的高溫機(jī)械性能，要有較高的高溫持久強(qiáng)度極限以及良好的抗疲勞和抗蠕變的性能。
增壓器渦輪是增壓器上非常關(guān)鍵和重要的部件，隨著增壓器技術(shù)的發(fā)展，渦輪材料也在不斷更新?lián)Q代，以前，柴油機(jī)增壓器渦輪普遍采用的材料是20Cr3MoWV(A)，但該材料僅適用于低速(40000r/min左右)較大型的增壓器，隨著增壓器的轉(zhuǎn)速越來越高、體積越來越小，柴油機(jī)排氣溫度有的達(dá)到750℃以上，該材料已不能滿足增壓器的使用要求。目前，一般汽車用增壓器渦輪普遍采用K418鎳基高溫合金。
但是，K418鎳基高溫合金制成的增壓器渦輪有很大局限性1)由于增壓器渦輪的特殊工作環(huán)境，要求其耐高溫、高壓，一般在不低于750℃的工況下工作，對(duì)于高轉(zhuǎn)速(小型增壓器最高可達(dá)250000r/min)渦輪葉片經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)變形現(xiàn)象。
2)高溫、高速時(shí)，渦輪葉片經(jīng)常出現(xiàn)飛裂失效。
3)渦輪重量大，響應(yīng)性不好，葉輪的慣性作用對(duì)油門驟時(shí)變化反應(yīng)遲緩，渦輪出現(xiàn)“滯后響應(yīng)”，汽車提速慢、提速煙度大。
4)鎳基K418合金等金屬材質(zhì)表面經(jīng)常成塊積碳，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下動(dòng)平衡失穩(wěn)，另外，脫落下來的微小碳?jí)K在極高運(yùn)轉(zhuǎn)速度下高速撞擊渦輪葉片，使葉片斷裂失效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種增壓器渦輪，該增壓器渦輪相應(yīng)性好，在高溫、高壓和高速的情況下，變形量小并很少產(chǎn)生積碳。
本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問題是提供一種增壓器渦輪的制造方法，該方法可以通過簡(jiǎn)單的步驟獲得由陶瓷材料構(gòu)成的增壓器渦輪。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是增壓器渦輪，由陶瓷材料的燒結(jié)體構(gòu)成，所述燒結(jié)體由下述重量比的成分組成，ZrO250～70％，TiAl 10～20％，Al2O310～20％，Ti 3～8％，Al 3～8％。
為解決上述第二個(gè)技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是增壓器渦輪的制造方法，包括以下步驟，按重量比分別稱取50～70％的ZrO2粉末、10～20％的TiAl粉末、10～20％的Al2O3粉末、3～8％的Ti粉末和3～8％的Al粉末，構(gòu)成原料；將所述原料進(jìn)行混合和研磨，并進(jìn)行干燥處理，得到混合粉末；向混合粉末中加入塑化劑并混合均勻，制成易于流動(dòng)的團(tuán)粒；將所述團(tuán)粒陳放20~30小時(shí)；向所述陳放后的團(tuán)粒中加入粘結(jié)劑并混合均勻，制成糊狀漿料，然后將其注射到模具中加壓成型，獲得具有所需形狀的致密毛坯；將所述毛坯放入燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)前先將燒結(jié)爐內(nèi)抽取真空，燒結(jié)溫度為1600℃~1800℃，保溫時(shí)間為1~3小時(shí)。
作為一種改進(jìn)，所述燒結(jié)步驟在1~5Mpa的氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行。
采用了上述技術(shù)方案后，本發(fā)明的有益效果是通過本發(fā)明所揭示的方法，可以制造出由陶瓷材料構(gòu)成的增壓器渦輪，它與合金鑄造成型的工藝不同，是先通過注射壓型制成毛胚，然后再將毛胚進(jìn)行燒結(jié)，最后成為堅(jiān)硬的具有纖維結(jié)構(gòu)的多晶的燒結(jié)體。原料經(jīng)過混合和研磨后，可以使原料中的各種成分以更小的粒徑均勻分布，從而有利于燒結(jié)體的品質(zhì)；將混合粉末加入塑化劑制成團(tuán)粒，團(tuán)粒易于流動(dòng)，在注射壓型時(shí)，不僅有利于提高坯體密度和密度分布的一致性，而且由于團(tuán)粒的填充密度提高，空隙率較低，壓型時(shí)松裝比減小，壓縮比增大，可使模具外形尺寸減小。
由于該燒結(jié)體的主要成分是ZrO2，它是一種陶瓷材料，因而燒結(jié)體具有硬度大、強(qiáng)度高、耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)高和膨脹系數(shù)低等特性。TiAl是一種金屬間化合物合金，它具有密度低，比強(qiáng)度、比剛度高以及優(yōu)良的高溫性能，它可以減輕陶瓷體的重量，提高比強(qiáng)度和比剛度，并有效提高燒結(jié)體的韌性和可塑性。Ti和Al同為高熔點(diǎn)金屬，在燒結(jié)過程中，它與TiAl和Al2O3一起可以改善陶瓷體的脆性。
使用本方法制成的增壓器渦輪，在體積相同的情況下，重量?jī)H為鎳基K418合金增壓器渦輪的1/3，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性矩隨之減小，從而大大縮短了響應(yīng)時(shí)間，提高了相應(yīng)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。
具體實(shí)施例方式
以下實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步說明，其不應(yīng)被理解成對(duì)本發(fā)明的限制。
實(shí)施例11)配料按重量份分別稱取50份ZrO2粉末、20份TiAl粉末、20份Al2O3粉末、5份Ti粉末和5份Al粉末，構(gòu)成原料；2)混料和研磨將所述原料進(jìn)行混合和研磨，得到混合粉末。所述的混合和研磨步驟在行星式研磨機(jī)中進(jìn)行。
球磨是礦物加工陶瓷工藝所使用的基本方法，它的主要作用為減小粒子尺寸，固態(tài)合金化，混合或融合以及改變離子的形狀。行星式研磨機(jī)由球磨罐、罐座、轉(zhuǎn)盤、固定帶輪和電動(dòng)機(jī)等組成。工作原理是行星式研磨機(jī)在轉(zhuǎn)盤上裝有4個(gè)球磨罐，當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，球磨罐隨轉(zhuǎn)盤圍繞同一軸心作行星式運(yùn)動(dòng)，罐中磨料在高速運(yùn)動(dòng)中研磨和混勻被研磨的的坯料。性能特點(diǎn)①進(jìn)料粒度18目左右；出料粒度小于200目②球磨罐轉(zhuǎn)速快，球磨效率高③結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，密封取樣，安全可靠，噪聲低，無(wú)污染，無(wú)損耗。當(dāng)然，對(duì)所述原料進(jìn)行混合和研磨也可以采用陶瓷加工領(lǐng)域所公知的其它設(shè)備進(jìn)行。
將球、原料和酒精按2∶1∶1(重量比)的比例混合，在高速旋轉(zhuǎn)下(200r/min)，經(jīng)半個(gè)小時(shí)混合即可。由于ZrO2粉末的量比較大，其它原料的量比較小，所以在開始時(shí)，應(yīng)先將ZrO2粉末倒入球磨機(jī)的球磨罐中，然后再將其它原料加入所述球磨罐中。這樣，在混合時(shí)可以使其它原料盡量少地粘附在罐壁上，減少損耗。
3)干燥將磨好的料放在托盤中，鋪放均勻，然后放在烘干箱內(nèi)調(diào)溫至60℃左右烘干，從而得到混合粉末，由于酒精易揮發(fā)故門要敞開。
4)造粒將混合粉末放入研缽中，按相當(dāng)于混合粉末的7％的重量比加入濃度為20％的聚乙烯醇水溶液作為塑化劑，慢慢攪拌，制成小球，在40目的篩子中過篩，將篩余存放，不成粒的繼續(xù)攪拌，如此反復(fù)，至全部成粒，最好為米粒狀態(tài)，成正態(tài)分布。
造粒是在混合粉末中加入一定的塑化劑，混合均勻后，依靠塑化劑的粘聚作用，制成粒度較粗、具有一定假顆粒級(jí)配、流動(dòng)性好的團(tuán)粒，以利于坯料的壓制成型。粒度應(yīng)盡量細(xì)，但不能太細(xì)，因?yàn)榱６仍郊?xì)，顆粒越輕，流動(dòng)性越差；同時(shí)粉料的比面積較大，占的體積也大，因而成型時(shí)不能均勻的填充模型，容易產(chǎn)生孔洞，降低致密度。粒度一般在0.3~0.8mm左右。團(tuán)粒的則流動(dòng)性好，裝模方便，分布均勻，在注射壓型時(shí)松裝比減小，壓縮比增大，有利于充填模具型腔。
為了提高效率，也可以采用加壓造粒法，即將混合粉末加入塑化劑，預(yù)先攪拌混合均勻，過20目篩，然后在液壓機(jī)上用18~25MPa的壓力保壓約1分鐘，壓成圓餅，破碎過20目篩后即成團(tuán)粒。
還可采用噴霧干燥造粒法，即將混合有適量的塑化劑的粉料預(yù)先作成漿料，再用噴霧器噴入造粒塔進(jìn)行霧化和熱風(fēng)干燥，出來的粒子即為流動(dòng)性較好的球狀團(tuán)粒。
5)燜料將所述團(tuán)粒陳放24小時(shí)，這樣濕度比較均勻。
6)壓型按石蠟∶原料＝1∶5的重量比稱取石蠟，使之與原料混合，攪拌成漿糊狀；將所述漿料注射到模具中加壓成型，獲得具有所需形狀的致密毛坯；成型壓力為160MPa，保壓時(shí)間為5分鐘。石蠟作為一種粘結(jié)劑，它的主要作用是改善壓型時(shí)所用原料的流變性能。
7)燒結(jié)將所述毛坯放入真空燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)路線為室溫→550℃，升溫速度250℃/小時(shí)，保溫0.5h；550℃→1600℃→1600℃，升溫速度150℃/小時(shí)，保溫1h。
燒結(jié)是陶瓷毛坯在高溫下的致密化過程和現(xiàn)象的總稱。隨著溫度的上升和時(shí)間的延長(zhǎng)，固體顆粒相互鍵連，晶粒長(zhǎng)大，氣孔和晶界漸趨減小，通過物質(zhì)的傳遞，其體積收縮，密度增加，最后成為堅(jiān)硬的具有纖維結(jié)構(gòu)的多晶的燒結(jié)體。
由于高純氧化鋯在高溫時(shí)失重增加，難以燒結(jié)致密，而且分解溫度為1900℃左右，如果發(fā)生分解反應(yīng)，材料的優(yōu)越性將無(wú)法得到實(shí)現(xiàn)。為了阻止氧化鋯分解，提高燒結(jié)致密度，最好通入1Mpa的氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛。
通過上述方法獲得的增壓器渦輪，其各種性能指標(biāo)見表2和表3。
實(shí)施例2與實(shí)施例1基本相同，其不同之處在于配料時(shí)，構(gòu)成原料的各組分的配比不同，見表1；造粒時(shí)，按相當(dāng)于混合粉末的5％的重量比加入濃度為20％的聚乙烯醇水溶液作為塑化劑；燜料時(shí)，將所述團(tuán)粒陳放22小時(shí)；壓型時(shí)，成型壓力為170MPa，保壓時(shí)間為5分鐘；燒結(jié)時(shí)，燒結(jié)路線為550℃→1650℃→1650℃，升溫速度160℃/小時(shí)，保溫2h；氮?dú)鈿夥?Mpa。
燒結(jié)后增壓器渦輪的性能參數(shù)見表2和表3。
實(shí)施例3與實(shí)施例1基本相同，其不同之處在于，配料時(shí)，構(gòu)成原料的各組分的配比不同，見表1；造粒時(shí)，按相當(dāng)于混合粉末的10％的重量比加入濃度為20％的聚乙烯醇水溶液作為塑化劑；燜料時(shí)，將所述團(tuán)粒陳放16小時(shí)；壓型時(shí)，成型壓力為190MPa，保壓時(shí)間為6分鐘；燒結(jié)時(shí)，燒結(jié)路線為550℃→1700℃→1700℃，升溫速度170℃/小時(shí)，保溫2h；氮?dú)鈿夥?Mpa。
燒結(jié)后增壓器渦輪的性能參數(shù)見表2和表3。
實(shí)施例4與實(shí)施例1基本相同，其不同之處在于配料時(shí)，構(gòu)成原料的各組分的配比不同，見表1；造粒時(shí)，加入膨潤(rùn)土作為塑化劑；燜料時(shí)，將所述團(tuán)粒陳放20小時(shí)；壓型時(shí)，成型壓力為210MPa，保壓時(shí)間為8分鐘；
燒結(jié)時(shí)，燒結(jié)路線為550℃→1600℃→1600℃，升溫速度150℃/小時(shí)，保溫2h；氮?dú)鈿夥?Mpa。
燒結(jié)后增壓器渦輪的性能參數(shù)見表2和表3。
實(shí)施例5與實(shí)施例1基本相同，其不同之處在于配料時(shí)，構(gòu)成原料的各組分的配比不同，見表1；造粒時(shí)，加入高嶺土和羧甲基纖維素作為塑化劑；燜料時(shí)，將所述團(tuán)粒陳放16小時(shí)；壓型時(shí)，成型壓力為230MPa，保壓時(shí)間為10分鐘；燒結(jié)時(shí)，燒結(jié)路線為550℃→1800℃→1800℃，升溫速度180℃/小時(shí)，保溫2h；氬氣氣氛3Mpa。
燒結(jié)后增壓器渦輪的性能參數(shù)見表2和表3。
實(shí)施例6與實(shí)施例1基本相同，其不同之處在于配料時(shí)，構(gòu)成原料的各組分的配比不同，見表1；造粒時(shí)，加入羥已基纖維素作為塑化劑；燜料時(shí)，將所述團(tuán)粒陳放12小時(shí)；壓型時(shí)，采用聚乙烯醇作粘結(jié)劑，成型壓力為250MPa，保壓時(shí)間為12分鐘；燒結(jié)時(shí)，燒結(jié)路線為550℃→1600℃→1600℃，升溫速度150℃/小時(shí)，保溫2h；氬氣氣氛2Mpa。
燒結(jié)后增壓器渦輪的性能參數(shù)見表2和表3。
表1是各個(gè)實(shí)施例原料的配比。
表2是各個(gè)實(shí)施例所獲得的增壓器渦輪與K418材料增壓器渦輪的綜合性能參數(shù)對(duì)照表。
表3是各個(gè)實(shí)施例所獲得的增壓器渦輪與K418材料增壓器渦輪的力學(xué)性能參數(shù)對(duì)照表。
表1

表2

表3

綜上所述，通過本發(fā)明所揭示的制造方法，可以制造出一種陶瓷材料的增壓器渦輪，由于該陶瓷材料不但具有好的韌性、高的強(qiáng)度，價(jià)格低，比重小，還通過金屬粒子增韌，進(jìn)一步提高了材料的斷裂韌性、降低了孔隙率，減少了線膨脹系數(shù)，因此相應(yīng)性好，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。采用的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)便，投資少，有利于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。
權(quán)利要求
1.增壓器渦輪，其特征在于由陶瓷材料的燒結(jié)體構(gòu)成，所述燒結(jié)體由下述重量比的成分組成，ZrO250～70％，TiAl10～20％，Al2O310～20％，Ti 3～8％，Al 3～8％。
2.增壓器渦輪的制造方法，其特征在于包括以下步驟，按重量比分別稱取50～70％的ZrO2粉末、10～20％的TiAl粉末、10～20％的Al2O3粉末、3～8％的Ti粉末和3～8％的Al粉末，構(gòu)成原料；將所述原料進(jìn)行混合和研磨，并進(jìn)行干燥處理，得到混合粉末；向混合粉末中加入塑化劑并混合均勻，制成易于流動(dòng)的團(tuán)粒；將所述團(tuán)粒陳放20~30小時(shí)；向所述陳放后的團(tuán)粒中加入粘結(jié)劑并混合均勻，制成糊狀漿料，然后將其注射到模具中加壓成型，獲得具有所需形狀的致密毛坯；將所述毛坯放入燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)前先將燒結(jié)爐內(nèi)抽取真空，燒結(jié)溫度為1600℃~1800℃，保溫時(shí)間為1~3小時(shí)。
3.如權(quán)利要求2所述的增壓器渦輪的制造方法，其特征在于所述的混合和研磨步驟在球磨機(jī)中進(jìn)行。
4.如權(quán)利要求2所述的增壓器渦輪的制造方法，其特征在于在所述制粒步驟中，所述塑化劑是聚乙烯醇水溶液、膨潤(rùn)土、羥已基纖維素或高嶺土與羧甲基纖維素的混合物。
5.如權(quán)利要求4所述的增壓器渦輪的制造方法，其特征在于在所述制粒步驟中，所述團(tuán)粒的粒度為0.3~0.8mm。
6.如權(quán)利要求2所述的增壓器渦輪的制造方法，其特征在于在所述的壓型步驟中，所述的粘結(jié)劑是石蠟或聚乙烯醇。
7.如權(quán)利要求6所述的增壓器渦輪的制造方法，其特征在于在所述的壓型步驟中，成型壓力為160~250MPa，保壓時(shí)間為5~12分鐘。
8.如權(quán)利要求2所述的增壓器渦輪的制造方法，其特征在于所述燒結(jié)步驟在1~5Mpa的氮?dú)鈿夥栈驓鍤鈿夥障逻M(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種增壓器渦輪，由陶瓷材料的燒結(jié)體構(gòu)成，所述燒結(jié)體由下述重量比的成分組成，ZrO
文檔編號(hào)B22F3/16GK101058862SQ20071001479
公開日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2007年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月26日
發(fā)明者王守仁, 劉恩來, 劉風(fēng)虎, 徐作森, 陳良, 王新江 申請(qǐng)人:濰坊富源增壓器有限公司