1 渦輪轉(zhuǎn)子的陶瓷化 陶瓷材料因具有良好的高溫強度、高耐蝕性、高耐磨性、低膨脹系數(shù)和低密度(約等于鋼鐵的1/2)等特點,用它代替耐熱合金能大幅度地提高熱機效率,降低能耗,節(jié)約貴重金屬,達到輕量化效果。目前,已廣泛應(yīng)用陶瓷材料代替Ni基耐熱合金制造渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子,并且取得了良好的效果。 1.1 材料的選擇 陶瓷材料質(zhì)量輕,耐熱性好,但存在脆性缺點。根據(jù)汽車用增壓器的使用環(huán)境和條件,特別是在100 ℃以下的溫度范圍,對各種陶瓷材料進行選擇的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)Si3N4系陶瓷具有質(zhì)量輕、強度高、耐熱沖擊和韌性好等優(yōu)越性,是制造渦輪轉(zhuǎn)子的理想材料。以Si3N4代替Ni基耐熱合金制造渦輪轉(zhuǎn)子,可使轉(zhuǎn)子單體慣性矩減小45 %,旋轉(zhuǎn)體慣性矩減少34 %。增壓器從起動至10萬r/min的加速時間縮短約36 %。 1.2 成形技術(shù) 陶瓷成形方法一般有噴射成形、粉漿澆注和靜水壓(液壓)成形等3種。噴射成形法是將陶瓷粉漿注入高壓噴槍,經(jīng)噴槍噴射到預(yù)制好的型腔內(nèi);粉漿澆注法是最普通的一種陶瓷成形方法,是將陶瓷粉漿直接注入預(yù)備好的模型中并吹干;靜水壓(液壓)成形法是將陶瓷粉漿注入模中,同時施加一定壓力并吹干,是對粉漿澆注法的改進。表1所列為陶瓷成形方法的特點,作為陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子的成形方法,應(yīng)選擇生產(chǎn)率高和容易得到復(fù)雜形狀的噴射成形法(因粉漿澆注法受到形狀限制)。其具體工藝是先采用靜水壓(液壓)成形制作軸部和用噴射成形制作薄壁的葉片部分,然后通過沖壓的方法將軸和葉片整體成形。
Si3N4是共價結(jié)合性強的難燒結(jié)材料,但采用氧化物系助燒結(jié)劑,就能成為比較容易燒結(jié)的材料。其常用的燒結(jié)方法有反應(yīng)燒結(jié)法、常壓燒結(jié)法、熱壓燒結(jié)法及氣壓燒結(jié)法等。 常壓燒結(jié)法:是最普通的陶瓷制造法,如常壓燒結(jié)Si3N4是在Si3N4的粉末中加入燒結(jié)催化劑(如Be、Mg、Al)等,在常壓下燒結(jié)而成。 反應(yīng)燒結(jié)法:是利用陶瓷在高溫時的合成反應(yīng)進行燒結(jié),如反應(yīng)燒結(jié)Si3N4,是把經(jīng)過粉碎后的金屬Si粉末與結(jié)合劑混合,經(jīng)加工成形或噴涂成形,在1 180 ℃~1 200 ℃下一次燒成,經(jīng)加工后在1 350 ℃~1 450 ℃中氮化,即成為Si3N4的成品。 熱壓燒結(jié)法:是在碳制的模型中加溫加壓進行陶瓷的高溫?zé)Y(jié),如熱壓燒結(jié)Si3N4即是在Si3N4粉末中加進MgO、Y2O3等,加壓到20 MPa~30 MPa,加熱到1 700 ℃時所得到的燒結(jié)體。 氣壓燒結(jié)法:氣壓燒結(jié)Si3N4時,是在裝有電熱絲的耐壓容器中放入裝有Si3N4粉末的密封盒,在1 700 ℃~1 800 ℃、100 MPa壓力下的氬氣中加熱燒結(jié)而成。 采用活性釬焊法時,Si3N4的表面使用含Ti的銀釬焊,但要配置由Ni和W構(gòu)成的應(yīng)力緩和層。在這種結(jié)構(gòu)中,因為釬焊時Si3N4和金屬軸的線膨脹系數(shù)及楊氏模量差別較大,設(shè)置應(yīng)力緩和層使殘余應(yīng)力減少。此外,從接合部位的溫度分布、各材料的線膨脹系數(shù)和楊氏模量以及釬焊材料有無反應(yīng)等方面綜合考慮,選擇Ni和W的組合。 2 壓氣機葉輪的樹脂化 由于纖維強化樹脂的強度比高強度鋼還高,其密度僅為1.5 g/cm3~2.0 g/cm3,比鋁合金還要低。利用纖維強化樹脂制造壓氣機葉輪,可達到減輕渦輪增壓器質(zhì)量的目的。 2.1 碳纖維強化樹脂PKU的特性 新開發(fā)的聚合物材料是以聚醚酮系樹脂為基礎(chǔ),質(zhì)量百分數(shù)為30 %的碳纖維強化塑料PKU,用于制造壓氣機葉輪,以代替以往使用的鋁合金材料。表4所列為兩者特性的比較。它具有良好的耐蠕變性、耐腐蝕性、耐磨損性和熱伸縮性小(-65 ℃~105 ℃之間無伸縮)等特點。與其它碳纖維復(fù)合材料相比,PKU30 %(質(zhì)量)碳纖維強化材料的PKU/CF30的玻璃轉(zhuǎn)移溫度較高(比聚醚酮系樹脂約高30 ℃),適合于壓氣機葉輪的使用環(huán)境。 壓氣機葉輪材料用碳纖維強化樹脂代替鋁合金后,可使旋轉(zhuǎn)體的慣性矩降低27 %,從踏下加速踏板起到設(shè)定增壓壓力的時間縮短8 %~9 %。圖1所示為渦輪增壓器全開時加速性能的比較。 3 結(jié)束語 在渦輪增壓器上應(yīng)用陶瓷材料和纖維強化樹脂代替耐熱合金和鋁合金,可達到輕量化的目的。今后,隨著材料的接合技術(shù)和零件設(shè)計技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,輕量化材料在汽車上將得到廣泛應(yīng)用。 |
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