專利名稱：：一種AlTi基體增壓器渦輪材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種合金材料，特別是一種用于增壓器渦輪的AlTi基體材料，本發(fā)明還涉及該材料的制備方法。
背景技術(shù)：
：渦輪增壓器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣歧管上，處于高溫、高壓、高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工作狀況下，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20Cr3Mo群(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(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?；阪嚮鵎418合金的使用局限和渦輪增壓器的使用要求，急需一種既重量輕、強(qiáng)度高又與軸連接良好的新型材料來代替。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種AlTi基體增壓器渦輪材料，其具有重量輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，而且有良好的塑韌性，用其制造的增壓器渦輪響應(yīng)性好，在高溫、高壓、高速的情況下，不易出現(xiàn)變形和飛裂失效的現(xiàn)象。本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問題是提供一種AlTi基體增壓器渦輪材料的制備方法，通過該方法可制得上述材料。為解決第一個(gè)技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種AlTi基體增壓器渦輪材料，其主要由鈦粉、鋁粉、鉻粉、錳粉按比例混合后進(jìn)行球磨，然后退火處理，再加入混合稀土球磨處理并經(jīng)冷壓和真空熱等靜壓變形后制得，其材料成分組成為(重量比)鉻5.08.0%，錳0.801.30%，鈦3545%，混合稀土2.0-3.0%，雜質(zhì)中鐵、銅、鋅總量小于1.00%,其余為鋁。為解決第二個(gè)技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是包括以下步驟1)將鋁粉、鈦粉、鉻粉、錳粉、分散劑按重量比混合和球磨，得到鈦鋁過飽和固溶體；2)將上述鈦鋁過飽和固溶體粉末退火處理；3)將退火后的固溶體粉末加入塑化劑和混合稀土混合后，再進(jìn)行球磨；4)將上述球磨后的粉末冷壓成型為試塊；5)將上述冷壓成型的試塊進(jìn)行真空熱壓成型。上述制備方法中，所述混合和球磨步驟可在球磨機(jī)中進(jìn)行，球磨的工藝參數(shù)為球磨機(jī)轉(zhuǎn)速320~360r/min，球磨介質(zhì)為A120J#，球料比為10:1。步驟l)中球磨溫度為室溫，球磨時(shí)間為20小時(shí)，球磨中通入氬氣保護(hù)。步驟2)中退火溫度為750。C，退火時(shí)間為60-90分鐘。步驟3)中球磨時(shí)間為4小時(shí)。步驟5)中冷壓成型的試塊先干燥后，再裝入石墨模具內(nèi)置于干燥箱烘干后再進(jìn)行真空熱壓成型。真空熱壓成型步驟中真空度為1.5Xl(TPa，溫度為IOO(TC，壓力30MPa保溫時(shí)間為30分鐘。由于本發(fā)明的材料基體為AlTi合金，AlTi是一種高熔點(diǎn)、高硬度、高彈性模量的合金材料，它具有穩(wěn)定的化學(xué)特性，在70(TC以下難于氧化，符合作為本發(fā)明材料基體相的要求。Al-Ti合金可形成AlTi、Al2Ti、Al3Ti等金屬間化合物(IM)。AlTi-IM具有低密度、高強(qiáng)度以及良好的耐熱性能，其可以減輕增壓器渦輪的重量。研究表明，在AlTi-IM中添加第三合金元素可明顯降低其硬度，改善其塑性。本發(fā)明中添加合金元素Cr和Mn后，其點(diǎn)陣常數(shù)變大而彈性模量降低，所形成的化合物中d-d鍵減弱，硬度隨之下降，斷裂韌性提高。AlTi-IM的脆性一直是限制其在工程實(shí)際應(yīng)用的最大障礙。為最大限度地解決其脆性問題，本發(fā)明在合金中加入混合稀土，進(jìn)一步合金化，使其塑性明顯提高。此外，研究表明TiAl合金合金化后在室溫變形中顯示出可觀的壓縮塑性，通常具有超過5%的宏觀塑性應(yīng)變，其中以加Mn或Cr合金化最好，可達(dá)8-15%。然而，這個(gè)明顯的壓縮塑性變形往往伴隨著相當(dāng)數(shù)量的微觀裂紋產(chǎn)生。因此本發(fā)明加入稀土元素使其韌性進(jìn)一步提高。TiAl室溫?cái)嗔秧g性一般在20-30MPa*m1/2，而Al45Ti45Cr8Mm2和Al66Ti25Mn9Mm合金斷裂韌性可提高到35-45MPa*m1o本發(fā)明材料的制備工藝中，混合粉末在球磨過程中在磨球高速碰撞的作用下，不斷受到強(qiáng)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(dāng)應(yīng)力達(dá)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(yīng)力的作用下，又相互冷焊在一起，形成有一定原子結(jié)合力的復(fù)合顆粒。隨著球磨的繼續(xù)進(jìn)行，這些復(fù)合顆粒不斷受到碰撞，顆粒表面繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形，再次出現(xiàn)加工硬化，應(yīng)力達(dá)到一定程度又導(dǎo)致破碎。經(jīng)過反復(fù)的破碎-冷焊-破碎過程，形成了多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合顆粒。此時(shí)，各復(fù)合層內(nèi)積蓄了原子充分?jǐn)U散所需的空位，位錯(cuò)等缺陷。在經(jīng)過一段時(shí)間的球磨后，原子的擴(kuò)散速率突然增大，形成過飽和的固溶體。這些過飽和的固溶體再經(jīng)過退火熱處理后，在熱能驅(qū)動(dòng)下快速形成純度較高的TiAl系金屬間化合物粉末。在這些粉末中加入混合稀土元素后，迸一步合金化，使其塑性明顯提高。這些粉末經(jīng)冷壓和真空熱壓成型后能夠獲得較高的強(qiáng)度和良好的塑韌性。由上述敘述可知，本發(fā)明的有益效果是由于其基體材料為AlTi合金，因而其具有低密度、高強(qiáng)度及良好的耐熱性能，通過適量地加入Mn、Cr等合金元素，可明顯提高材料的塑性，通過加入稀土元素，可使材料的韌性進(jìn)一步提高，因此同鎳基K418合金比較，其材料的密度得到很大的降低，其強(qiáng)度、耐磨性、塑韌性、線膨脹系數(shù)和高溫性能與鎳基合金相近，可大大提高渦輪轉(zhuǎn)子的響應(yīng)性，從而從根本上解決了渦輪增壓器的滯后效應(yīng)。具體實(shí)施例方式下面以非限定性的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明實(shí)施例1本發(fā)明的鋁-鈦基材料采用前期機(jī)械合金化法制備和后期熔煉法制備的兩步工藝。其前期機(jī)械合金化法制備工藝為按重量比將粒度為200目(純度為99.9%)的鋁粉45份，粒度為200目(純度為99.0%)的鈦粉42.2份，粒度為200目(純度為99.0%)的鉻粉8.2份、粒度為200目的錳粉1.3份以及純度為99.9%的硬脂酸(分散劑)混合，裝入球磨罐中，利用機(jī)械合金化法(高能球磨法)，在球磨罐內(nèi)球磨20小時(shí)，形成Ti-Al二元固溶體。其球磨工藝參數(shù)為球磨機(jī)轉(zhuǎn)速320r/min。選用lCr18Ni9Ti不銹鋼罐，Al必球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，球徑分別為10咖、5咖、3mm，球料比為10:1。球磨在室溫下進(jìn)行，采用氬氣保護(hù)以防氧化。球磨后在手套箱中將粉末取出，靜置30分鐘后，取出放入退火爐中經(jīng)750。C退火處理，加熱速度200。C/min，保溫時(shí)間60min，并隨爐冷卻。后期熔煉法制備工藝為將退火后的粉末，加入塑化劑，并加入粒度為200目(純度為99.0%)的混合稀土2.5份，在球磨罐內(nèi)球磨4小時(shí)，取出后在成型機(jī)上以12MPa的壓力壓制成型，然后將試塊送入干燥箱在10(TC下烘千2小時(shí)，取出后裝入石墨模具并連同模具再次進(jìn)入干燥箱在20(TC下烘干0.5小時(shí)，然后在真空熱壓爐中熱等靜壓成型，制成O30X200的中間合金樣塊。其工藝參數(shù)如下模具尺寸①30X200，真空度1.5Xl(TPa，加熱溫度1000。C,30MPa下保溫30分鐘，隨爐冷卻。本發(fā)明中的球磨工藝中，混合粉末在球磨過程中在磨球高速碰撞的作用下，使原料粉末形成鈦鋁過飽和固溶體，通過后續(xù)的退火工藝，在熱能的驅(qū)動(dòng)下最8終形成純度較高的鈦鋁金屬間化合物粉末。冷壓成型的目的是為了增加材料的致密度，減少空隙率。真空熱壓成型的優(yōu)點(diǎn)是成形溫度低，產(chǎn)品致密，能提高材料的工藝性能和機(jī)械性能。本材料試樣的密度4.04g/cm3，剛度172GPa，高溫蠕變溫度1060°C，最高氧化溫度845，室溫塑性6%，工作溫度塑性15%,抗拉強(qiáng)度620MPa，工作溫度抗拉強(qiáng)度550MPa。材料具有極好的抗氧化性，耐高溫性能優(yōu)于常規(guī)鈦合金。實(shí)施例2與實(shí)施例l基本相同，其不同之處在于原料配比不同，見表l;球磨機(jī)轉(zhuǎn)速360r/min，前期制備工藝中球磨時(shí)間為24小時(shí)；球磨后的粉末靜置40分鐘后，再進(jìn)行退火處理；退火保溫時(shí)間90分鐘。本試樣的密度4.04g/cm3，剛度169GPa，高溫蠕變溫度IOI(TC，最高氧化溫度885，室溫塑性6.2%，工作溫度塑性14.6%，抗拉強(qiáng)度610MPa，工作溫度抗拉強(qiáng)度560MPa。比較K418合金，新材料的重量減輕了30%，高溫抗氧化性、沖擊韌性分別提高了1.4%和1.3%，材料具有極好的抗氧化性，耐高溫性能優(yōu)于常規(guī)鈦合金。實(shí)施例3與實(shí)施例1基本相同，其不同之處在于原料配比不同，見表l。實(shí)施例4與實(shí)施例l基本相同，其不同之處在于原料配比不同，見表l;球磨機(jī)轉(zhuǎn)速360r/ndn，前期制備工藝中球磨時(shí)間為24小時(shí);球磨后的粉末靜置40分鐘后，再進(jìn)行退火處理；退火保溫時(shí)間90分鐘；實(shí)施例5與實(shí)施例l基本相同，其不同之處在于原料配比不同，見表l。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>綜上所述；通過本發(fā)明的制造方法制備的鈦鋁基材料，不但具有重量輕、強(qiáng)度高、有良好的韌性的特點(diǎn)，而且通過合金化進(jìn)一步提高了材料的斷裂韌性、提高了其高溫抗氧化性，因此用其制造的渦輪轉(zhuǎn)子響應(yīng)性好，在高溫、高壓、高速的情況下，不易出現(xiàn)變形和飛裂失效現(xiàn)象。權(quán)利要求1、一種AlTi基體增壓器渦輪材料，其特征是其主要由鈦粉、鋁粉、鉻粉、錳粉按比例混合后進(jìn)行球磨，然后退火處理，再加入混合稀土球磨處理并經(jīng)冷壓和真空熱壓變形后制得，其原料配比為(重量比)鉻5.0～8.0％，錳0.80～1.30％，鈦35～45％，混合稀土2.0-3.0％，雜質(zhì)中鐵、銅、鋅總量小于1.00％，其余為鋁。2、一種如權(quán)利要求1所述的AlTi基體增壓器渦輪材料的制備方法，其特征是其包括以下步驟1)將鋁粉、鈦粉、鉻粉、錳粉按重量配比混合和球磨，得到鈦鋁過飽和固溶體粉末；2)將上述鈦鋁過飽和固溶體粉末退火處理；3)將退火后的固溶體粉末加入塑化劑和混合稀土混合后，再進(jìn)行球磨；4)將上述球磨后的粉末冷壓成型為試塊；5)將上述冷壓成型的試塊進(jìn)行真空熱壓成型。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的AlTi基體增壓器渦輪材料的制備方法，其特征是所述混合和球磨步驟在球磨機(jī)中進(jìn)行，球磨的工藝參數(shù)為球磨機(jī)轉(zhuǎn)速320~360r/min，球磨介質(zhì)為AU)3球，球料比為10:1。4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的AlTi基體增壓器渦輪材料的制備方法，其特征是步驟l)中球磨溫度為室溫，球磨時(shí)間為20小時(shí)，球磨過程中通入氬氣保護(hù)。5、根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的AlTi基體增壓器渦輪材料的制備方法，其特征是步驟2)中退火溫度為750。C，退火時(shí)間為60-90分鐘。6、根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的AlTi基體增壓器渦輪材料的制備方法，其特征是步驟3)中球磨時(shí)間為4小時(shí)。7、根據(jù)權(quán)利要求5所述的AlTi基體增壓器渦輪材料的制備方法，其特征是:步驟5)中冷壓成型的試塊先干燥后，再裝入石墨模具內(nèi)置于干燥箱烘干后再進(jìn)行真空熱壓成型。8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的AlTi基體增壓器渦輪材料的制備方法，其特征是:真空熱壓成型步驟中真空度為1.5X10，a，溫度為1000°C，壓力30MPa，保溫時(shí)間為30分鐘。9、根據(jù)權(quán)利要求2所述的AlTi基體增壓器渦輪材料的制備方法，其特征是所述分散劑是硬脂酸。全文摘要本發(fā)明公開了一種AlTi基體增壓器渦輪材料及其制備方法，是一種用于增壓器渦輪的AlTi基體材料。其主要由鈦粉、鋁粉、鉻粉、錳粉按比例混合后進(jìn)行球磨，然后退火處理，再加入混合稀土球磨處理并經(jīng)冷壓和真空熱壓變形后制得，其原料配比為(重量比)鉻5.0～8.0％，錳0.80～1.30％，鈦35～45％，混合稀土2.0-3.0％，雜質(zhì)中鐵、銅、鋅總量小于1.00％，其余為鋁。本發(fā)明的材料具有重量輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，而且有良好的塑韌性，用其制造的增壓器渦輪響應(yīng)性好，在高溫、高壓、高速的情況下，不易出現(xiàn)變形和飛裂失效的現(xiàn)象。文檔編號(hào)C22C21/00GK101457317SQ20091001373公開日2009年6月17日申請(qǐng)日期2009年1月7日優(yōu)先權(quán)日2009年1月7日發(fā)明者萍李,楊學(xué)鋒,王守仁申請(qǐng)人:濟(jì)南大學(xué)