專利名稱：：TiAl基增壓器渦輪及其制造方法
技術領域：
：-本發(fā)明涉及增壓器渦輪
技術領域：
，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：
：渦輪增壓器實際上是一種空氣壓縮機，通過壓縮空氣來增加進氣量。利用發(fā)動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪又壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進入氣缸。當發(fā)動機轉速增快，廢氣排出速度與渦輪轉速也同步增快，葉輪壓縮更多的空氣進入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應增加燃料量和調整發(fā)動機的轉速，從而增加發(fā)動機的輸出功率。渦輪增壓器安裝在發(fā)動機的進排氣歧管上，處在高溫，高壓和高速運轉的工作狀況下，其工作環(huán)境非常惡劣，工作要求比較苛刻，因此對制造的材料成型工藝和加工技術都要求很高。要求材料有良好的高溫機械性能，要有較高的高溫持久強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鍵和重要的部件，隨著增壓器技術的發(fā)展，渦輪材料也在不斷更新?lián)Q代，以前，柴油機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，隨著增壓器的轉速越來越高、體積越來越小，柴油機排氣溫度有的達到750'C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°C的工況下工作，對于高轉速(小型增壓器最高可達250000r/min)渦輪葉片經常會出現(xiàn)變形現(xiàn)象。'2)高溫、高速時，渦輪葉片經常出現(xiàn)飛裂失效。3)渦輪重量大，響應性不好，葉輪的慣性作用對油門驟時變化反應遲緩，渦輪出現(xiàn)"滯后響應"，汽車提速慢、提速煙度大。
發(fā)明內容本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種TiAl基增壓器渦輪，該增壓器渦輪響應性好，在高溫、高壓和高速的情況下，變形量小并明顯減少滯后相應。本發(fā)明所要解決的另一個技術問題是提供一種TiAl基增壓器渦輪的制造方法，該方法可以通過簡單的步驟獲得由鈦鋁基合金構成的增壓器渦輪。為解決上述第一個技術問題，本發(fā)明的技術方案是它由鈦鋁金屬間化合物合金構成，所述合金由下述重量比的成分組成，Ti4050%，Al4050%，Cr68%，Mn0.801.30%，Mm2.0-3.0%。為解決上述第二個技術問題，本發(fā)明的技術方案是它包括以下步驟，(1)按重量比分別稱取4050。/。的Ti粉、4050%的Al粉、68%的Cr粉、0.801.30X的Mn粉、2.0-3.0%的混合稀土Mm，構成原料；(2)將所述原料進行混合和球磨，并進行干燥處理，得到過飽和固溶體粉末；(3)將過飽和固溶體粉末進行退火處理得到變異的鈦鋁金屬間化合物粉末；(4)向混合粉末中加入塑化劑和混合稀土并混合均勻，制成易于流動的團粒；(5)將所述團粒靜置；(6)將所述靜置后的粉末冷壓成型，獲得具有所需形狀的致密毛坯；(7)將所述冷壓毛坯放入熱壓燒結爐內進行真空熱壓燒結、保溫，燒結前先將燒結爐內抽取真空；(8)將所述熱壓毛坯放入預先預熱的熔模鑄造的模殼中，在電爐中加熱熔煉，然后放入另一電爐中保溫、冷卻；(9)將所述冷卻后的鑄件毛坯進行噴丸清理，去除表面模殼材料。采用了上述技術方案后，可以制造出由鈦鋁基合金材料構成的增壓器渦輪，5它包括前期金屬間化合物粉末的機械合金化法制備和后續(xù)的真空熱壓法制備。粉末經過高能球磨后，在機械能的作用下能形成過飽和固溶體，熱處理退火的作用使這些過飽和固溶體粉末在熱能作用下反應生成變異的鈦鋁金屬間化合物粉末。這些粉末經冷熱壓成型后能夠獲得高的的強度和良好的塑韌性。所述的混合和研磨步驟在球磨機中進行。所述步驟(5)中，團粒靜置時間為23小時。'所述步驟(7)中，真空度為10—2Pa，燒結溫度1100°C1200°C，保溫時間為13小時。成型壓力為160MPa250MPa，保壓時間為5090分鐘。所述步驟(8)中，真空度為l(T卞a，熔煉溫度120(TC135(rC，保溫時間為58分鐘。模殼所用材料為Zr02粉。所述電爐為中頻感應電爐。所述步驟(9)中，噴丸料為煤矸石粉。所述步驟(2)中，粉末的粒度為0.3um0.8um。所述球磨及熱壓步驟在氬氣氣氛下進行。由于該增壓器蝸輪的主要成分是TiAl，它是一種金屬間化合物材料，因而具有硬度大、強度高、耐高溫、導熱系數(shù)高和膨脹系數(shù)低等特性。TiAl是一種金屬間化合物合金，它具有密度低，比強度、比剛度高以及優(yōu)良的高溫性能，它可以減輕增壓器渦輪的重量，提高比強度和比剛度，并有效提高渦輪的韌性和可塑性。Cr和Mn同為高熔點金屬，在燒結過程中，它固溶在TiAl晶體晶格中，改變了TiAl晶體類型，減弱了其固有的脆性。使用本方法制成的增壓器渦輪，在體積相同的情況下，重量僅為鎳基K418合金增壓器渦輪的1/3，轉動慣性矩隨之減小，從而大大縮短了響應時間，提高了響應性；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。具體實施例方式以下實施例是對本發(fā)明的進一步說明，其不應被理解成對本發(fā)明的限制。實施例l1)配料按重量份分別稱取40份Ti粉、41份Al粉、6份Cr粉、0.8份Mn粉、2份混合稀土Mm，構成原料；2)機械合金化法球磨將所述原料進行混合和球磨，得到混合粉末。所述的混合和球磨步驟在行星式研磨機中進行，球磨20小時。球磨機轉速320r/min。選用lCr18Ni9Ti不銹鋼罐，八1203球為球磨介質，球徑分別為10mm、5mm、3mm，球料比為10:1。球磨在室溫下進行，采用氬氣保護以防氧化。球磨是批量生產和制備鈦鋁基合金金屬間化合物的最新方法，它的主要作用為減小粒子尺寸，固態(tài)合金化，固溶強化?；旌戏勰┰谇蚰ミ^程中在磨球高速碰撞的作用下，不斷受到強烈的塑性變形，在粉末顆粒的表面出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，當應力達到一定程度，粉末顆粒表面的硬化層開始破碎，從而形成潔凈的"原子化表面"。這些不同元素的"原子化表面"相互接觸，在碰撞應力的作用下，又相互冷焊在一起，形成有一定原子結合力的復合顆粒。隨著球磨的繼續(xù)進行，這些復合顆粒不斷受到碰撞，顆粒表面繼續(xù)產生塑性變形，再次出現(xiàn)加工硬化，應力達到一定程度又導致破碎。經過反復的破碎-冷焊-破碎過程，形成了多層結構的復合顆粒。此時，各復合層內積蓄了原子充分擴散所需的空位，位錯等缺陷。在經過一段時間的球磨后，原子的擴散速率突然增大，形成過飽和的固溶體。在這些粉末中加入混合稀土元素后，經冷變形和真空熱壓變形后制備出TiAl合金棒。行星式研磨機由球磨罐、罐座、轉盤、固定帶輪和電動機等組成。工作原理是行星式研磨機在轉盤上裝有4個球磨罐，當轉盤轉動時，球磨罐隨轉盤圍繞同一軸心作行星式運動，罐中磨料在高速運動中研磨和混勻被研磨的的坯料。性能特點①進料粒度200目左右；出料粒度小于400目②球磨罐轉速快，球磨效率高③結構緊湊，操作方便，密封取樣，安全可靠，噪聲低，無污染，無損耗。3)退火處理將2)所述過飽和的固溶體的粉末經過750t熱處理，保溫60分鐘，球磨后的粉末在熱能驅動下快速形成TiAl金屬間化合物粉末。4)冷壓成型將所述TiAl金屬間化合物粉末加入2-3%的混合稀土后繼續(xù)在球磨機中球磨4小時，取出后裝入冷壓模具中在壓力機上冷壓成型，壓力150MPa。冷壓的目的是為了增加材料的致密度，減少孔隙率，為后續(xù)熱壓成型做準備。5)真空熱壓成型將4)所述冷壓金屬棒放入石墨模具中，進行真空熱壓成型，真空度l(T2Pa。其優(yōu)點成形溫度低，產品致密，性能優(yōu)良。真空熱壓成型可獲得均勻的細晶粒組織，能避免鑄錠的宏觀偏析，提高材料的工藝性能和機械性能。真空熱壓溫度1150-1250°C，壓力在100200兆帕(10002000大氣壓)之間。6)渦輪模殼制造熔模鑄造又稱〃失蠟鑄造〃，通常是在蠟模表面涂上數(shù)層耐火材料，待其硬化千燥后，將其中的蠟模熔去而制成型殼，再經過焙燒，然后進行澆注，而獲得鑄件的一種方法。本案用石蠟制作蠟模，用石英和剛玉，以及硅酸鋁耐火材料制作模殼，用硅酸膠體溶液作粘結劑，經過蠟模制作、組裝、涂掛涂料和撒砂、型殼干燥和硬化、自型殼中熔失熔模和焙燒型殼等工序制造渦輪模殼。7)熔煉澆注將所述5)熱壓成型毛坯放入經過預熱的模殼中，在中頻感應電爐中加熱，在幾分鐘內鈦鋁合金熔化澆注到模殼中，真空度10—3Pa。將模殼及未熔化的金屬液放入另一中頻感應電爐中保溫5-8分鐘，然后空冷。8)清理將所述7)冷卻后的模殼放入噴丸室中清理，渦輪鑄件表面的陶瓷模殼在煤矸石氣流的沖擊下被沖刷掉，然后切除澆口，獲得成型渦輪鑄件。通過上述方法獲得的增壓器渦輪，其各種性能指標見表2和表3。實施例2與實施例l基本相同，其不同之處在于-配料時，構成原料的各組分的配比不同，見表l;球磨時，球磨24小時。球磨機轉速300r/min;退火時，退火溫度7200C，保溫90分鐘；冷壓壓型時，成型壓力為170MPa，保壓時間為5分鐘；熱壓燒結時，燒結路線為550°C—105CTC—1150°C，升溫速度100。C/小時，保溫2h;真空度10—2Pa。熔煉澆注時中頻感應電爐真空度10—3Pa。成型后后增壓器渦輪的性能參數(shù)見表2和表3。實施例3與實施例l基本相同，其不同之處在于，配料時，構成原料的各組分的配比不同，見表l;球磨時，球磨28小時。球磨機轉速280r/min;退火時，退火溫度7600C,保溫50分鐘；冷壓壓型時，成型壓力為140MPa，保壓時間為15分鐘；熱壓燒結時，燒結路線為450°C—950°C—1050°C—1250°C，升溫速度150。C/小時，保溫3h;真空度10—2Pa。熔煉澆注時中頻感應電爐真空度5X10—2Pa。燒結后增壓器渦輪的性能參數(shù)見表2和表3。實施例4與實施例1基本相同，其不同之處在于配料時，構成原料的各組分的配比不同，見表l;球磨時，球磨18小時。球磨機轉速380r/min;退火時，退火溫度7000C,保溫80分鐘；冷壓壓型時，成型壓力為160MPa，保壓時間為8分鐘；熱壓燒結時，燒結路線為550°C—1050°C—1150°C—1250°C，升溫速度120。C/小時，保溫4h;真空度2X10,a。熔煉澆注時中頻感應電爐真空度2X10—2Pa。燒結后增壓器渦輪的性能參數(shù)見表2和表3。實施例5與實施例l基本相同，其不同之處在于配料時，構成原料的各組分的配比不同，見表l;球磨時，球磨26小時。球磨機轉速290r/min;退火時，退火溫度7300C，保溫80分鐘；冷壓壓型時，成型壓力為180MPa，保壓時間為6分鐘；熱壓燒結時，燒結路線為50°C—950°C—1050°C—U50。C，升溫速度140。C/小0時，保溫3h;真空度3X10—2pa。熔煉澆注時中頻感應電爐真空度5X10，a。燒結后增壓器渦輪的性能參數(shù)見表2和表3。實施例6與實施例l基本相同，其不同之處在于配料時，構成原料的各組分的配比不同，見表l;球磨時，球磨22小時。球磨機轉速370r/min;退火時，退火溫度7700C，保溫55分鐘；冷壓壓型時，成型壓力為155MPa，保壓時間為10分鐘；熱壓燒結時，燒結路線為550°C—850°C—1150°C—1250°C，升溫速度90"C/小時，保溫5h;真空度5X10—2Pa。熔煉澆注時中頻感應電爐真空度6X10—2Pa。燒結后增壓器渦輪的性能參數(shù)見表2和表3。表1是各個實施例原料的配比。表2是各個實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)對照表。表3是各個實施例所獲得的增壓器渦輪與K418材料增壓器渦輪的力學性能參數(shù)對照表。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>綜上所述，通過本發(fā)明所揭示的制造方法，可以制造出一種鈦鋁基合金材料的增壓器渦輪，由于該鈦鋁基合金材料不但具有好的韌性、高的強度，價格低，比重小，還通過合金化進一步提高了材料的斷裂韌性、提高了其高溫抗氧化性，減少了線膨脹系數(shù)，因此相應性好，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。采用的生產工藝簡便，投資少，有利于工業(yè)化規(guī)模生產。權利要求1、一種TiAl基增壓器渦輪，其特征在于由鈦鋁金屬間化合物合金構成，所述合金由下述重量比的成分組成，Ti40～50％，Al40～50％，Cr6～8％，Mn0.80～1.30％，Mm2.0-3.0％。2、一種TiAl基增壓器渦輪的制造方法，其特征在于包括以下步驟，(1)按重量比分別稱取4050。/。的Ti粉、4050%的Al粉、68%的Cr粉、0.801.30X的Mn粉、2.0-3.0%的混合稀土Mm，構成原料；.(2)將所述原料進行混合和球磨，并進行干燥處理，得到過飽和固溶體粉末；(3)將過飽和固溶體粉末進行退火處理得到變異的鈦鋁金屬間化合物粉末；(4)向混合粉末中加入塑化劑和混合稀土并混合均勻，制成易于流動的團粒；(5)將所述團粒靜置；(6)將所述靜置后的粉末冷壓成型，獲得具有所需形狀的致密毛坯；(7)將所述冷斤毛坯放入熱壓燒結爐內進行真空熱壓燒結、保溫，燒結前先將燒結爐內抽取真空；(8)將所述熱壓毛坯加工成所需形狀，放入預先預熱的熔模鑄造的模殼中，在電爐中加熱熔煉，然后放入另一電爐中保溫、冷卻；(9)將所述冷卻后的鑄件毛坯進行噴丸清理，去除表面模殼材料。3、根據(jù)權利要求2所述的TiAl基增壓器渦輪的制造方法，其特征是所述步驟(5)中，團粒靜置時間為23小時。4、根據(jù)權禾lj要求2所述的TiAl基增壓器渦輪的制造方法，其特征是所述步驟(7)中，真空度為10—2Pa,燒結溫度1100。C1200。C，保溫時間為13小時。5、根據(jù)權利要求2或4所述的TiAl基增壓器渦輪的制造方法，其特征是所述步驟(7)中，成型壓力為160MPa250MPa，保壓時間為5090分鐘。6、根據(jù)權利要求2所述的TiAl基增壓器渦輪的制造方法，其特征是所述步驟(8)中，真空度為10—3Pa，熔煉溫度120(r(Tl35(rC，保溫時間為58分鐘。7、根據(jù)權利要求2所述的TiAl基增壓器渦輪的制造方法，其特征是所述步驟(9)中，噴丸料為煤矸石粉。8、根據(jù)權利要求2所述的TiAl基增壓器渦輪的制造方法，其特征是所述步驟(2)中，粉末的粒度為O.3um0.8ym。9、根據(jù)權利要求2所述的TiAl基增壓器渦輪的制造方法，其特征是所述步驟(8)中，模殼所用材料為Zr02粉。10、根據(jù)權利要求2所述的TiAl基增壓器渦輪的制造方法，其特征是所述球磨及熱壓步驟在氬氣氣氛下進行。全文摘要本發(fā)明涉及增壓器渦輪
技術領域：
，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。它由下述重量比的成分組成，Ti40～50％，Al40～50％，Cr6～8％，Mn0.80～1.30％，Mm2.0-3.0％。由于增壓器渦輪采用上述鈦鋁基合金材料，密度減輕了1/3，因而其相應性好，滯后相應減弱，在高溫、高壓和高速的情況下，變形量小并很少產生積碳，是合金增壓器渦輪鎳基K418合金的理想替代產品。本發(fā)明還公開了這種增壓器渦輪的制造方法，主要包括機械和進化、退火熱處理、冷壓、真空熱壓和熔煉澆注等步驟，該方法簡單方便，投資少，有利于工業(yè)化規(guī)模生產。文檔編號C22C30/00GK101457322SQ200910013908公開日2009年6月17日申請日期2009年1月7日優(yōu)先權日2009年1月7日發(fā)明者萍李,楊學鋒,王守仁申請人:濟南大學