金属粉末打针成型汽车涡轮增压器部件制作新工艺

金属打针成型(MIM)手艺能够或许或许或许或许将那些难以用别的传统工艺加工的资料，制作成布局庞杂的整机。这一特征使其成为出产高机能涡轮增压器整机的抱负方式。巴斯夫公司怪异的Catamold 工艺，能够或许或许或许或许赞助处理涡轮增压器MIM整机的开辟进程中存在的一系列关头性困难。

涡轮增压器MIM整机

涡轮增压器的焦点在于涡轮室内由热废气流鞭策的涡轮，和位于冷氛围一侧的紧缩叶轮。紧缩叶轮只要耐受较低的温度，铝制叶轮机能就能够或许或许或许或许完整知足请求。而涡轮室的低温废气则请求涡轮操纵耐低温优良钢材。涡轮凡是用紧密锻造工艺出产，现实上，涡轮能够或许或许或许或许用MIM工艺制作。

金属打针成型(MIM)手艺在较早之前就曾被操纵在涡轮增压器整机上。因为MIM在资料挑选和设想自在度方面上风较着，最近几年来MIM手艺制作的整机被大批操纵，其机能也已在现实操纵中取得了证实。

面对的挑衅

虽然MIM手艺取得了必然的前进，但要制作出那些请求近乎刻薄的整机，依然有大批有关工艺优化、整机布局和模具设想方面的任务。当涡轮的中心地区资料积累过量时，能够或许或许或许或许致使缩孔的景象。这是因为冷却进程中显现了体积缩短。当模具中注满熔融资料时(紧密锻造中为熔融金属，MIM中为熔融喂料)两种工艺都存在显现这类缺点的能够或许或许或许或许性。而操纵古代摹拟手艺能够或许或许或许或许对这一题目停止具体的阐发。比方，借助得当的软件切确展望MIM打针成型进程。图1显现的便是涡轮摹拟充模的成果，这个整机接纳了一个圆锥形浇口，熔融喂料经由进程它注入到整机中。

除模具和熔体温度之外，经由进程对打针速度(cm3/s)的进一步调理，能够或许或许或许或许很是实在地摹拟出充模进程。图1和图2显现的是涡轮充模随时候变更的进程。在设定前提下，整机在1.1s内被填满。色温图显现的是充模进程中熔体随时候的变更。蓝色地区起首被添补，最初是白色地区。经由进程察看整机在模具中或脱模后的冷却进程，能够或许或许或许或许探知缺点地区熔体凝结的纤细进程。图3为涡轮在模具中冷却40s后的凝结压力截面图。中心较大的蓝色地区表现冷却竣事时压力很是低，而相邻的地区中资料已固化，从而禁止了更多熔体进入。是以，蓝色地区内因为资料冷却引发的体积缩短致使了缩孔的产生。图4清晰地展现了这一题目，冷却时候事后仍未固化的资料构成了空穴。

失芯(Lost core)手艺

在Catamold 工艺流程中，打针成型完成后，聚甲醛粘结剂在酸性情况下于脱脂炉中产生分化，从而被疾速地从整机中去撤除。

若是先用聚甲醛注塑一个模芯，而后喂料在模芯四周停止包塑，那末跟着聚甲醛模芯在脱脂进程中被去除，就能够或许或许或许或许够取得具备庞杂中空布局的整机。

图5的剖面图显现了若安在打针成型工艺中，经由进程嵌入模芯，使得本来的实心部件构成一个中空外部布局。跟着模芯在打针成型以后被去除，将会构成一个特定的中空布局。

图6显现了失芯手艺对涡轮缺点地区的改良成果。黑色条纹代表各地区凝结所需的时候。该部件除模芯之外的局部颠末27s的冷却后完整固化。

与通俗MIM工艺比拟，失芯法使得整机出产效力较着进步。这是因为，在现实上，模芯能够或许或许或许或许做成任何外形，外部布局能够或许或许或许或许根据涡轮的现实巨细和载荷停止调剂，同时这项手艺还能够或许或许或许或许大大下降涡轮的分量。

烧结工艺

金属打针成型手艺的最初一个步骤是烧结，在这个进程中，残剩的粘结剂将被去除，整机的尺寸会缩短变小。烧结的温度稍低于所用合金的熔点，进程中尺寸会产生较大的变更。

MIM整机的缩短特征，受模具外形、持久出产不变性、资料批次差别和加工窗口的影响。为了取得不变的缩短率，模具的出产，特别对多少布局庞杂的整机还须要颠末几轮优化进程，对尺寸停止校订。这些尺寸变更有的是难以提早预知的，能够或许或许或许或许在打针成型或烧结的进程中构成。

不难设想，在高达1200℃~1450℃(根据差别资料品种)的烧结温度下，外形庞杂的部件很轻易产生变形。这类变形在良多情况下能够或许或许或许或许经由进程得当的零部件设想和工艺节制得以避免。

但是，当壁厚、悬臂布局和因为缩短产生的磨擦力等缘由配合致使变形时，情况会变得加倍庞杂。

很多深切的底子研讨都是为了能够或许或许或许或许事前展望能够或许或许或许或许显现的变形和缩短差别，从而尽能够或许或许或许或许地经由进程对模具停止得当点窜，而加以消弭。

涡轮增压器导向叶片的建模

图7显现的是烧结摹拟进程中操纵的涡轮增压器的导向叶片。 借助摹拟软件，可分辩出最易产生变形的地区。这里接纳了Barriere所描写的烧结模子。该模子中，将MIM整机产生的肉眼可见的缩短视为蠕变，并根据粘弹性资料的特征停止描写。摹拟进程中，相干缩短计实验的成果见图8。图中显现了Catamold 310N资料在两种加热速度(左边坐标)下颠末必然时候后的缩短情况(右边坐标)。很较着，差别的加热速度会致使差别的缩短率，加上烧结进程中产生的别的反映，会致使整机产生变形。

图9中，左边显现的是穿插链接的导向叶片，线条唆使的是烧结时所处的地位。右边对照显现了烧结前后的整机，能够或许或许或许或许较着地看到整机的外形和地位的变更。

以烧结模子和资料的缩短特征为底子，能够或许或许或许或许计较出整机在空间标的目的上的缩短。是以，图10显现了烧结时产生的缩短情况。色温图清晰表明了地区缩短变小的趋向。斟酌沿轴向缩短(图9)，深蓝色代表缩短水平最大的地区，从轴颈领导向叶片过渡的黄色局部代表缩短最小的地区。

为了停止对照，对导向叶片的平放烧结进程也停止了摹拟。摹拟得出的成果，使得在整机的开辟进程中就斟酌并接纳得当的办法消弭各向同性缩短成为能够或许或许或许或许。

原资料

MIM涡轮的制作触及到的另外一个焦点题目是可否取得适合的资料。这些资料请求能够或许或许或许或许在高载荷的情况下耐受高达1080℃的低温。MIM的关头上风在于它能够或许或许或许或许操纵紧密锻造难以加工的资料制作整机。

超耐热合金从2003年起头就被操纵于MIM手艺，并广为人知。在涡轮增压器叶轮资料的挑选上，一个根基请求是，在低温下具备高强度，图11显现的是低温感化1000h后，差别资料的断裂强度值。

因为接纳超细粉末出产，MIM超耐热合金整机的微观布局很是平均，与紧密锻造的整机的微观布局大不不异。Inconel 713 C是一种常常被用来制作涡轮增压器整机的超耐热合金，也被开辟成为MIM资料。

因为铝和钛的含量绝对较高，这类资料的烧结在罕见的烧结情况(氢气、氮气)下底子没法停止。但是，研讨发明，操纵氩气作为掩护气，能够或许或许或许或许避免这些元素在烧结进程中产生氧化，并完成对缩短的有用节制。

室温下MIM整机和紧密锻造样品的机器强度间接对照(附表)，证实了接纳Catamold 工艺能够或许或许或许或许取得优良的资料机能。

总结

涡轮增压器市场将在将来几年内持续显现出微弱的增添态势，此中一个缘由是汽油策念头涡轮增压器操纵的逐步增添。

金属打针成型手艺已证实是出产涡轮增压器用庞杂整机的有用方式之一，但是MIM手艺在成型方面的潜力还亟待挖掘。

跟着打针成型和烧结进程摹拟手艺操纵的成长，使进一步削减整机开辟进程中的产物优化步骤成为能够或许或许或许或许。MIM手艺为高耐热资料的操纵供给了充实保障。接纳MIM超低温合金等耐热资料制作的整机具备很是平均的微观布局，其室温下的机器机能乃至超出了紧密锻造整机。