為了提高其加速性能，減少渦輪滯后，必須降低旋轉(zhuǎn)體的慣性矩，而最有效的辦法是減輕旋轉(zhuǎn)體的質(zhì)量。渦輪增壓器可以不改變發(fā)動(dòng)機(jī)的排量而提高其動(dòng)力性能，但卻存在渦輪滯后現(xiàn)象。因此，許多國(guó)家都進(jìn)行了輕量化新材料的開發(fā)研究工作。
1 渦輪轉(zhuǎn)子的陶瓷化
陶瓷材料因具有良好的高溫強(qiáng)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(diǎn)，用它代替耐熱合金能大幅度地提高熱機(jī)效率，降低能耗，節(jié)約貴重金屬，達(dá)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(diǎn)。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(duì)各種陶瓷材料進(jìn)行選擇的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)Si3N4系陶瓷具有質(zhì)量輕、強(qiáng)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(dòng)至10萬(wàn)r/min的加速時(shí)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(shí)施加一定壓力并吹干，是對(duì)粉漿澆注法的改進(jìn)。表1所列為陶瓷成形方法的特點(diǎn)，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(guò)沖壓的方法將軸和葉片整體成形。
1.3 燒結(jié)技術(shù)
Si3N4是共價(jià)結(jié)合性強(qiáng)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(shí)的合成反應(yīng)進(jìn)行燒結(jié)，如反應(yīng)燒結(jié)Si3N4，是把經(jīng)過(guò)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(jìn)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(jìn)MgO、Y2O3等，加壓到20 MPa～30 MPa，加熱到1 700 ℃時(shí)所得到的燒結(jié)體。
氣壓燒結(jié)法：氣壓燒結(jié)Si3N4時(shí)，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。
Si3N4陶瓷燒結(jié)體的性能與燒結(jié)方法有關(guān)，表2列出各種Si3N4燒結(jié)法的特點(diǎn)。從增壓器渦輪轉(zhuǎn)子的制造來(lái)看，采用反應(yīng)燒結(jié)法，轉(zhuǎn)子強(qiáng)度不足；而用熱壓法難以滿足復(fù)雜形狀的要求。因而，目前普遍采用常壓燒結(jié)法和氣壓燒結(jié)法制造Si3N4轉(zhuǎn)子。表3列出這兩種燒結(jié)法所得到的Si3N4特性值。前者特點(diǎn)是能得到復(fù)雜聚合物的顯微結(jié)晶；后者特點(diǎn)是抑制助燒結(jié)劑并在高壓下燒結(jié)，以增加高溫強(qiáng)度等，作為高速旋轉(zhuǎn)體，顯示出充分的優(yōu)點(diǎn)。
1.4 與金屬軸的接合技術(shù)
陶瓷與金屬軸的接合面靠近轉(zhuǎn)子，防止在陶瓷破壞時(shí)潤(rùn)滑油向排氣一側(cè)流出，此接合面的溫度相當(dāng)高。所以，作為耐高溫的接合技術(shù)，一般采用壓入法和活性釬焊法。
采用活性釬焊法時(shí)，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?yàn)殁F焊時(shí)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(wú)反應(yīng)等方面綜合考慮，選擇Ni和W的組合。
2 壓氣機(jī)葉輪的樹脂化
由于纖維強(qiáng)化樹脂的強(qiáng)度比高強(qiáng)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(qiáng)化樹脂制造壓氣機(jī)葉輪，可達(dá)到減輕渦輪增壓器質(zhì)量的目的。
2.1 碳纖維強(qiáng)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?jǐn)?shù)為30 %的碳纖維強(qiáng)化塑料PKU，用于制造壓氣機(jī)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(wú)伸縮)等特點(diǎn)。與其它碳纖維復(fù)合材料相比，PKU30 %(質(zhì)量)碳纖維強(qiáng)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(jī)葉輪的使用環(huán)境。
2.2 樹脂制壓氣機(jī)葉輪的應(yīng)用效果
壓氣機(jī)葉輪材料用碳纖維強(qiáng)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(shí)間縮短8 %～9 %。
3 結(jié)束語(yǔ)
在渦輪增壓器上應(yīng)用陶瓷材料和纖維強(qiáng)化樹脂代替耐熱合金和鋁合金，可達(dá)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(jì)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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