一种低惯量、快速响应的金属陶瓷复合材料涡轮转轴的制作方法

本发明涉及涡轮增压技术领域，具体涉及涡轮增压器的一种低惯量、快速响应的金属陶瓷复合材料涡轮转轴。

背景技术：

涡轮增压器安装在发动机的排气管上，涡轮壳直接与排气管相连接，处在高温、高压的工作状态下，尤其在航空活塞发动机和轿车汽油机发动机上，废气排温高达950℃～1050℃，比柴油发动机最高排温850℃高出许多，传统的镍基合金涡轮已经不能满足其性能要求。而且镍基合金密度大，涡轮质量重，造成涡轮增压器的响应迟滞明显。因此，围绕着耐高温和低质量两大问题，研究出多种解决材料的增压器涡轮，主要有两种：一是钛铝合金涡轮；二是陶瓷涡轮。

钛铝合金具有优越的机械性能，密度低，仅为镍基合金的1/2，在温度超过600℃时仍有好的抗氧化性和耐腐蚀性。涡轮增压器用钛铝涡轮代替镍基合金涡轮，能够有效减轻涡轮质量，减小涡轮转子的惯性，消弱涡轮轴的响应滞后，改善发动机动力响应性。但是同镍基合金一样，钛铝涡轮仅适用于850℃以下的发动机排气温度，在汽油机上的应用受限。

陶瓷由于具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优点，能充分适应涡轮高温工作环境，可替代传统涡轮材料镍基合金，成为制作增压器涡轮转子的理想材料。特别是氮化硅陶瓷相对于镍基合金具有密度小的优势，陶瓷涡轮密度仅为镍基合金的0.4倍，能够有效减轻涡轮质量，减小涡轮转子的惯性，消弱涡轮轴的响应滞后，改善发动机动力响应性。专利cn201480023248也提供了一种“通过使用金属粘接剂的部分瞬间液相粘结的陶瓷涡轮部件的增材制造”工艺方法。但陶瓷涡轮的应用主要受制于两方面：一是由于其脆性大、延性低，在极端恶劣的使用条件下，面临热力冲击损伤问题，以及形成的热冲击损伤在长期高温和负责载荷下的结构演化损伤与性能急剧衰减问题，氮化硅涡轮转子可靠性受到严峻挑战。另一方面是由于其熔点高，氮化硅陶瓷涡轮与高温钢42crmo转轴的连接成为制约其应用的一大难题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服上述已有技术存在的不足，提供低惯量、快速响应的金属陶瓷复合材料涡轮转轴，涡轮采用镍基合金钢-高温合金粉末-陶瓷多种材料复合而成，减轻涡轮质量，使其达到涡轮承受1050℃高温工作环境，与同材料耐高温钢的转轴采用传统摩擦焊接工艺，连接可靠，制造成本低，实现改善发动机响应性的目的。

一种低惯量、快速响应的金属陶瓷复合材料涡轮转轴，其特征在于：包括涡轮和转轴两部分焊接而成；

所述涡轮由内至外分为三层结构，分别为内部主体、过渡层与叶片层；其中，内部主体采用传统镍基合金钢，为通过铸造成型方法制造的均匀回转体；镍基合金钢选用镍基合金钢k418；过渡层采用高温合金粉末，烧结到内部主体上；叶片层采用氮化硅和氧化锆混合陶瓷材料；叶片层具有轮毂表层以及轮轴外壁周向排列的涡轮叶片；所述转轴采用耐高温钢，材料为42crmo，一端与复合材料轮采用空心摩擦焊接方式同轴连接。

本发明的优点在于：

(1)本发明低惯量、快速响应的金属陶瓷复合材料涡轮转轴，采用镍基合金钢-高温合金粉末-陶瓷复合材料制成，具有重量轻、惯量低，改善涡轮增压器瞬态响应性的优势。

(2)本发明低惯量、快速响应的金属陶瓷复合材料涡轮转轴，采用镍基合金钢-高温合金粉末-陶瓷复合材料涡轮，具有耐高温、耐腐蚀的优点；

(3)本发明低惯量、快速响应的金属陶瓷复合材料涡轮转轴，采用镍基合金钢-高温合金粉末-陶瓷复合材料涡轮，涡轮中间本体镍基合金钢k418与转轴42crmo空心摩擦焊接工艺成熟可靠，解决纯陶瓷涡轮与转轴连接困难的问题。

附图说明

图1是本发明涡轮转轴结构示意图。

图2是本发明涡轮部分结构剖视图。

图中：

1-涡轮2-转轴101-内部主体102-过渡层

103-叶片层102a-环形凹槽102b-环形台阶103a-轮毂表层

103b-涡轮叶片

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

所述的一种低惯量、快速响应的金属陶瓷复合材料涡轮转轴，包括复合材料涡轮1和耐高温钢转轴2两部分焊接而成，如图1所示。

所述的复合材料涡轮1由内至外分为三层结构，分别为内部主体101、过渡层102与叶片层103，如图2所示。其中，内部主体101采用传统镍基合金钢，为通过铸造成型方法制造的均匀回转体。具体的：镍基合金钢选用镍基合金钢k418，密度8.0kg/cm^3，线膨胀系数12.6e-6/℃，导热率10.15w/m.℃，耐热性800℃。

过渡层102采用高温合金粉末，烧结到内部主体上。烧结前，过渡层102通过内部主体101周向上设计的环形凹槽101a以及前端端部周向上设计的环形台阶101b结构实现定位，且内部主体101末端具有未覆盖过渡层102部分，由此，通过环形凹槽101a防止过渡层102变形，通过环形台阶101b结构保证过渡层101a厚度均匀，防止过渡层102开裂。具体的：过渡层102材料为dos高温合金粉末，是基于马氏体钢和铁素体钢的基础上，形成的一种具有承受高中子通量的理想核包壳材料，由于本身的晶体结构，体立方中心的钢基体可以形成具有弥散的柯氏气体团，形成超稳定的强化态，具有抗高温蠕变的特性。过渡层102材料特性界于k418和陶瓷之间，起到良好的过渡作用，有效避免因线膨胀系数差异造成的陶瓷表面开裂等失效问题。

叶片层103采用氮化硅和氧化锆混合陶瓷材料。具体的：氮化硅和氧化锆混合陶瓷材料密度3.2kg/cm^3，线膨胀系数3.2e-6/℃，导热率29.3w/m.℃，耐热性1000℃；且超过900℃高温燃气经过本发明复合材料涡轮表面，陶瓷镀层的抗氧化性和耐腐蚀性依旧良好，传递到内部主体的温度降到700℃以下，满足k418的耐热边界，同样具有良好的机械特性。叶片层103具有轮毂表层103a以及轮轴外壁周向排列的涡轮叶片103b，轮毂表层103a厚度1～3mm，涡轮叶片103b全部为氮化硅和氧化锆混合陶瓷材料，采用瞬间液相粘接技术制成，其密度仅为镍基合金的0.4倍，可使涡轮总质量减轻约40％，且使涡轮的旋转惯量质量半径极大减小，有利于降低涡轮转轴转动惯量，改善其瞬态响应性。

所述的耐高温钢转轴2材料采用为42crmo，一端与复合材料涡轮1采用空心摩擦焊接方式3同轴连接，焊接可靠，解决了单纯陶瓷涡轮脆性大，与转轴连接困难的问题。

本发明低惯量、快速响应的金属陶瓷复合材料涡轮转轴，通过下属步骤成型：

步骤1：铸造内部主体101；

a、采用溶模铸造工艺，选用低温蜡cp200作为熔模材料，静置除水处理，成型内部主体蜡模。

b、采用硅溶胶粘接剂制浇注内部主体蜡模，工艺过程为上涂料、撒砂和干燥；其中，涂料由粉料和硅溶胶按一定比例混合制成，包括面层涂料、过渡层涂料和背层涂料。面层涂料与金属液接触，不与金属液发生反应，保证型壳内表面质量，并采用70目锆英砂作为面层撒砂；过渡层涂料采用30～60目煤矸石撒砂；背层涂料的粉料采用270～320目的煤矸石粉，耐火度大于1450℃，保证型壳的高低温度强度，保证铸件不变形和尺寸精度，撒砂为16～24目煤矸石；最后完成封浆。

上述面层涂料的粉料和硅溶胶混合比例为3.7:1。过渡层涂料的粉料和硅溶胶混合比例为2.0:1。背层涂料的粉料和硅溶胶混合比例为1.4:1。所述硅溶胶成分含量主要为sio2：30～31％(质量百分含量)，na2o≤0.3％(质量百分含量)；密度(25℃)：1.195～1.215g/cm³；粘度(20℃)≤7.0pa.s×10^-1；ph值8.5～10.0；平均粒径10～20nm；外观：乳白色半透明；稳定期：一年。

上述面层涂料和过渡层涂料的粉料均为325目锆英粉，锆英粉中含有如下质量百分含量的组分：zro2含量≥65％，fe2o3含量≤0.1％，tio2含量≤0.5％，p2o5含量≤0.1％，al2o3含量≤0.3％，sio2含量<33％；密度为4.6～4.78g/cm³；耐火度>1500℃；硬度7.5莫氏硬度；膨胀系数：4.6×10^-3(l/℃)。

c、对步骤b中浇注后的内部主体蜡模熔模脱蜡，得到内部主体模壳；

d、焙烧内部主题模壳；

e、合金熔化及浇注；

通过中频真空感应炉熔炼奥氏体耐热铸钢，并采用真空浇注工艺对内部主体模壳进行浇注。

f、振壳和抛丸清壳；

步骤2：通过高温合金粉末注射成型过渡层102。

将dos高温合金粉末与粘接剂硅溶胶按重量比1:1.5的比例进行配比，搅拌约40min后制成膏状物；然后加入注射机储存罐中，静置30min后，将膏状物注入带有内部主体101的过渡层模具中，模具需预热至300℃，加压成型；将成型好的内部主体和过渡层放入烘干炉内定型干燥，温度120℃～200℃，时间24～30h。

步骤3：瞬间液相粘接成型叶片层103。

1)将陶瓷粉末与无机粘结剂粉末按重量比1:1.5混合来制备起始粉末；所述陶瓷粉末为氮化硅和氧化锆混合陶瓷粉末；无机粘接剂粉末为金属粉末。

2)采用增材制造工艺将起始粉末在过渡层102上成型叶片层103。所述的增材制造工艺可以采用直接激光烧结、直接激光熔化、选择性激光烧结、选择性激光熔化或电子束熔化中的一种。

3)采用部分瞬间液相烧结来使成型的叶片层致密化。

步骤4：涡轮1和转轴2摩擦焊焊接。

对于不同的转轴2直径焊接参数略有不同，对于直径约等于19mm的涡轮转轴，焊接转速850rpm，顶锻压力2.2～2.4mpa，需保压10s，随后需进行回火处理，回火温度200℃，时间30s。