金屬粉末注射成型汽車渦輪增壓器部件制造新工藝

金屬注射成型(MIM)技術(shù)可以將那些難以用其它傳統(tǒng)工藝加工的材料，制造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。這一特性使其成為生產(chǎn)高性能渦輪增壓器零件的理想方法。巴斯夫公司獨(dú)特的Catamold 工藝，可以幫助解決渦輪增壓器MIM零件的開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在的一系列關(guān)鍵性難題。

渦輪增壓器MIM零件

渦輪增壓器的核心在于渦輪室內(nèi)由熱廢氣流推動(dòng)的渦輪，以及位于冷空氣一側(cè)的壓縮葉輪。壓縮葉輪只需耐受較低的溫度，鋁制葉輪性能就能完全滿足要求。而渦輪室的高溫廢氣則要求渦輪使用耐高溫優(yōu)質(zhì)鋼材。渦輪通常用精密鑄造工藝生產(chǎn)，理論上，渦輪可以用MIM工藝制造。

金屬注射成型(MIM)技術(shù)在較早以前就曾被應(yīng)用在渦輪增壓器零件上。由于MIM在材料選擇和設(shè)計(jì)自由度方面優(yōu)勢(shì)明顯，近年來(lái)MIM技術(shù)制造的零件被大量使用，其性能也已經(jīng)在實(shí)際使用中得到了證明。

面臨的挑戰(zhàn)

盡管MIM技術(shù)取得了一定的進(jìn)步，但要制造出那些要求近乎苛刻的零件，仍然有大量有關(guān)工藝優(yōu)化、零件結(jié)構(gòu)和模具設(shè)計(jì)方面的工作。當(dāng)渦輪的中心區(qū)域材料累積過(guò)多時(shí)，可能導(dǎo)致縮孔的現(xiàn)象。這是因?yàn)槔鋮s過(guò)程中出現(xiàn)了體積收縮。當(dāng)模具中注滿熔融材料時(shí)(精密鑄造中為熔融金屬，MIM中為熔融喂料)兩種工藝都存在出現(xiàn)這種缺陷的可能性。而利用現(xiàn)代模擬技術(shù)可以對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的分析。例如，借助適當(dāng)?shù)能浖_預(yù)測(cè)MIM注射成型過(guò)程。圖1顯示的便是渦輪模擬充模的效果，這個(gè)零件采用了一個(gè)圓錐形澆口，熔融喂料通過(guò)它注入到零件中。

除了模具和熔體溫度以外，通過(guò)對(duì)注射速度(cm3/s)的進(jìn)一步調(diào)節(jié)，能夠非常真實(shí)地模擬出充模過(guò)程。圖1和圖2顯示的是渦輪充模隨時(shí)間變化的過(guò)程。在設(shè)定條件下，零件在1.1s內(nèi)被填滿。色溫圖顯示的是充模過(guò)程中熔體隨時(shí)間的變化。藍(lán)色區(qū)域首先被填充，最后是紅色區(qū)域。通過(guò)觀察零件在模具中或脫模后的冷卻過(guò)程，可以探知缺陷區(qū)域熔體凝固的細(xì)微過(guò)程。圖3為渦輪在模具中冷卻40s后的凝固壓力截面圖。中間較大的藍(lán)色區(qū)域表示冷卻結(jié)束時(shí)壓力非常低，而相鄰的區(qū)域中材料已經(jīng)固化，從而阻止了更多熔體進(jìn)入。因此，藍(lán)色區(qū)域內(nèi)由于材料冷卻引起的體積收縮導(dǎo)致了縮孔的產(chǎn)生。圖4清楚地展示了這一問(wèn)題，冷卻時(shí)間過(guò)后仍未固化的材料造成了空穴。

失芯(Lost core)技術(shù)

在Catamold 工藝流程中，注射成型完成后，聚甲醛粘結(jié)劑在酸性環(huán)境下于脫脂爐中發(fā)生分解，從而被快速地從零件中去除掉。

如果先用聚甲醛注塑一個(gè)模芯，然后喂料在模芯周圍進(jìn)行包塑，那么隨著聚甲醛模芯在脫脂過(guò)程中被去除，就能夠得到具有復(fù)雜中空結(jié)構(gòu)的零件。

圖5的剖面圖顯示了如何在注射成型工藝中，通過(guò)嵌入模芯，使得原本的實(shí)心部件形成一個(gè)中空內(nèi)部結(jié)構(gòu)。隨著模芯在注射成型之后被去除，將會(huì)形成一個(gè)特定的中空結(jié)構(gòu)。

圖6顯示了失芯技術(shù)對(duì)渦輪缺陷區(qū)域的改善效果。彩色條紋代表各區(qū)域凝固所需的時(shí)間。該部件除模芯以外的部分經(jīng)過(guò)27s的冷卻后完全固化。

與普通MIM工藝相比，失芯法使得零件生產(chǎn)效率顯著提高。這是因?yàn)?，在理論上，模芯可以做成任何形狀，?nèi)部結(jié)構(gòu)可以根據(jù)渦輪的實(shí)際大小和載荷進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)這項(xiàng)技術(shù)還可以大大降低渦輪的重量。

燒結(jié)工藝

金屬注射成型技術(shù)的最后一個(gè)步驟是燒結(jié)，在這個(gè)過(guò)程中，剩余的粘結(jié)劑將被去除，零件的尺寸會(huì)收縮變小。燒結(jié)的溫度稍低于所用合金的熔點(diǎn)，過(guò)程中尺寸會(huì)發(fā)生較大的變化。

MIM零件的收縮特性，受模具形狀、長(zhǎng)期生產(chǎn)穩(wěn)定性、材料批次差異以及加工窗口的影響。為了得到穩(wěn)定的收縮率，模具的生產(chǎn)，尤其對(duì)幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件還需要經(jīng)過(guò)幾輪優(yōu)化過(guò)程，對(duì)尺寸進(jìn)行校正。這些尺寸變化有的是難以提前預(yù)知的，可能在注射成型或燒結(jié)的過(guò)程中形成。

不難想象，在高達(dá)1200℃~1450℃(根據(jù)不同材料種類)的燒結(jié)溫度下，形狀復(fù)雜的部件很容易發(fā)生變形。這種變形在很多情況下可以通過(guò)適當(dāng)?shù)牧悴考O(shè)計(jì)和工藝控制得以避免。

然而，當(dāng)壁厚、懸臂結(jié)構(gòu)以及由于收縮產(chǎn)生的摩擦力等原因共同導(dǎo)致變形時(shí)，情況會(huì)變得更加復(fù)雜。

許多深入的基礎(chǔ)研究都是為了能夠事先預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的變形以及收縮差異，從而盡可能地通過(guò)對(duì)模具進(jìn)行適當(dāng)修改，而加以消除。

渦輪增壓器導(dǎo)向葉片的建模

圖7顯示的是燒結(jié)模擬過(guò)程中使用的渦輪增壓器的導(dǎo)向葉片。 借助模擬軟件，可分辨出最易發(fā)生變形的區(qū)域。這里采用了Barriere所描述的燒結(jié)模型。該模型中，將MIM零件發(fā)生的肉眼可見(jiàn)的收縮視為蠕變，并按照粘彈性材料的特性進(jìn)行描述。模擬過(guò)程中，相關(guān)膨脹計(jì)試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)圖8。圖中顯示了Catamold 310N材料在兩種加熱速率(左側(cè)坐標(biāo))下經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后的收縮情況(右側(cè)坐標(biāo))。很明顯，不同的加熱速率會(huì)導(dǎo)致不同的收縮率，加上燒結(jié)過(guò)程中發(fā)生的其它反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致零件發(fā)生變形。

圖9中，左側(cè)顯示的是交叉鏈接的導(dǎo)向葉片，線條指示的是燒結(jié)時(shí)所處的位置。右側(cè)對(duì)比顯示了燒結(jié)前后的零件，可以明顯地看到零件的形狀和位置的變化。

以燒結(jié)模型和材料的收縮特性為基礎(chǔ)，可以計(jì)算出零件在空間方向上的收縮。因此，圖10顯示了燒結(jié)時(shí)產(chǎn)生的收縮情況。色溫圖清楚標(biāo)明了區(qū)域收縮變小的趨勢(shì)?？紤]沿軸向收縮(圖9)，深藍(lán)色代表收縮程度最大的區(qū)域，從軸頸向?qū)蛉~片過(guò)渡的黃色部分代表收縮最小的區(qū)域。

為了進(jìn)行對(duì)比，對(duì)導(dǎo)向葉片的平放燒結(jié)過(guò)程也進(jìn)行了模擬。模擬得出的結(jié)果，使得在零件的開(kāi)發(fā)過(guò)程中就考慮并采取恰當(dāng)?shù)拇胧┫飨虍愋允湛s成為可能。

原材料

MIM渦輪的制造涉及到的另一個(gè)核心問(wèn)題是能否獲得合適的材料。這些材料要求能夠在高載荷的情況下耐受高達(dá)1080℃的高溫。MIM的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于它可以利用精密鑄造難以加工的材料制造零件。

超耐熱合金從2003年開(kāi)始就被應(yīng)用于MIM技術(shù)，并廣為人知。在渦輪增壓器葉輪材料的選擇上，一個(gè)基本要求是，在高溫下具有高強(qiáng)度，圖11顯示的是高溫作用1000h后，不同材料的斷裂強(qiáng)度值。

由于采用超細(xì)粉末生產(chǎn)，MIM超耐熱合金零件的微觀結(jié)構(gòu)非常均勻，與精密鑄造的零件的微觀結(jié)構(gòu)大不相同。Inconel 713 C是一種經(jīng)常被用來(lái)制造渦輪增壓器零件的超耐熱合金，也被開(kāi)發(fā)成為MIM材料。

由于鋁和鈦的含量相對(duì)較高，這種材料的燒結(jié)在常見(jiàn)的燒結(jié)環(huán)境(氫氣、氮?dú)?span>)下根本無(wú)法進(jìn)行。然而，研究發(fā)現(xiàn)，使用氬氣作為保護(hù)氣，可以防止這些元素在燒結(jié)過(guò)程中發(fā)生氧化，并實(shí)現(xiàn)對(duì)收縮的有效控制。

室溫下MIM零件和精密鑄造樣品的機(jī)械強(qiáng)度直接對(duì)比(附表)，證明了采用Catamold 工藝可以獲得優(yōu)異的材料性能。

總結(jié)

渦輪增壓器市場(chǎng)將在未來(lái)幾年內(nèi)繼續(xù)呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，其中一個(gè)原因是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器應(yīng)用的逐漸增加。

金屬注射成型技術(shù)已經(jīng)證明是生產(chǎn)渦輪增壓器用復(fù)雜零件的有效方法之一，然而MIM技術(shù)在成型方面的潛力還亟待發(fā)掘。

隨著注射成型和燒結(jié)過(guò)程模擬技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，使進(jìn)一步減少零件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的產(chǎn)品優(yōu)化步驟成為可能。MIM技術(shù)為高耐熱材料的使用提供了充分保證。采用MIM超高溫合金等耐熱材料制造的零件具有非常均勻的微觀結(jié)構(gòu)，其室溫下的機(jī)械性能甚至超越了精密鑄造零件。