新材料与工艺手册

[动力系统轻量化] 车用涡轮增压器的轻量化技术

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发表于 2013-11-13 21:15:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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摘要 介绍了Si3N4陶瓷以及碳纤维强化树脂在涡轮增压器上的应用,并叙述了陶瓷材料的成形技术、烧结技术与金属的结合技术以及新开发的碳纤维强化树脂PKU的特性等。

关键词: 涡轮增压器 轻量化 材料

涡轮增压器可以不改变发动机的排量而提高其动力性能,但却存在涡轮滞后现象。为了提高其加速性能,减少涡轮滞后,必须降低旋转体的惯性矩,而最有效的办法是减轻旋转体的质量。因此,许多国家都进行了轻量化新材料的开发研究工作。

1 涡轮转子的陶瓷化

陶瓷材料因具有良好的高温强度、高耐蚀性、高耐磨性、低膨胀系数和低密度(约等于钢铁的1/2)等特点,用它代替耐热合金能大幅度地提高热机效率,降低能耗,节约贵重金属,达到轻量化效果。目前,已广泛应用陶瓷材料代替Ni基耐热合金制造涡轮增压器的转子,并且取得了良好的效果。

1.1 材料的选择

陶瓷材料质量轻,耐热性好,但存在脆性缺点。根据汽车用增压器的使用环境和条件,特别是在100 ℃以下的温度范围,对各种陶瓷材料进行选择的结果,发现Si3N4系陶瓷具有质量轻、强度高、耐热冲击和韧性好等优越性,是制造涡轮转子的理想材料。以Si3N4代替Ni基耐热合金制造涡轮转子,可使转子单体惯性矩减小45 %,旋转体惯性矩减少34 %。增压器从起动至10万r/min的加速时间缩短约36 %。

1.2 成形技术

陶瓷成形方法一般有喷射成形、粉浆浇注和静水压(液压)成形等3种。喷射成形法是将陶瓷粉浆注入高压喷枪,经喷枪喷射到预制好的型腔内;粉浆浇注法是最普通的一种陶瓷成形方法,是将陶瓷粉浆直接注入预备好的模型中并吹干;静水压(液压)成形法是将陶瓷粉浆注入模中,同时施加一定压力并吹干,是对粉浆浇注法的改进。表1所列为陶瓷成形方法的特点,作为陶瓷涡轮转子的成形方法,应选择生产率高和容易得到复杂形状的喷射成形法(因粉浆浇注法受到形状限制)。其具体工艺是先采用静水压(液压)成形制作轴部和用喷射成形制作薄壁的叶片部分,然后通过冲压的方法将轴和叶片整体成形。
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1.3 烧结技术

Si3N4是共价结合性强的难烧结材料,但采用氧化物系助烧结剂,就能成为比较容易烧结的材料。其常用的烧结方法有反应烧结法、常压烧结法、热压烧结法及气压烧结法等。

常压烧结法:是最普通的陶瓷制造法,如常压烧结Si3N4是在Si3N4的粉末中加入烧结催化剂(如Be、Mg、Al)等,在常压下烧结而成。

反应烧结法:是利用陶瓷在高温时的合成反应进行烧结,如反应烧结Si3N4,是把经过粉碎后的金属Si粉末与结合剂混合,经加工成形或喷涂成形,在1 180 ℃~1 200 ℃下一次烧成,经加工后在1 350 ℃~1 450 ℃中氮化,即成为Si3N4的成品。

热压烧结法:是在碳制的模型中加温加压进行陶瓷的高温烧结,如热压烧结Si3N4即是在Si3N4粉末中加进MgO、Y2O3等,加压到20 MPa~30 MPa,加热到1 700 ℃时所得到的烧结体。

气压烧结法:气压烧结Si3N4时,是在装有电热丝的耐压容器中放入装有Si3N4粉末的密封盒,在1 700 ℃~1 800 ℃、100 MPa压力下的氩气中加热烧结而成。
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Si3N4陶瓷烧结体的性能与烧结方法有关,表2列出各种Si3N4烧结法的特点。从增压器涡轮转子的制造来看,采用反应烧结法,转子强度不足;而用热压法难以满足复杂形状的要求。因而,目前普遍采用常压烧结法和气压烧结法制造Si3N4转子。表3列出这两种烧结法所得到的Si3N4特性值。前者特点是能得到复杂聚合物的显微结晶;后者特点是抑制助烧结剂并在高压下烧结,以增加高温强度等,作为高速旋转体,显示出充分的优点。
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1.4 与金属轴的接合技术

陶瓷与金属轴的接合面靠近转子,防止在陶瓷破坏时润滑油向排气一侧流出,此接合面的温度相当高。所以,作为耐高温的接合技术,一般采用压入法和活性钎焊法。

采用活性钎焊法时,Si3N4的表面使用含Ti的银钎焊,但要配置由Ni和W构成的应力缓和层。在这种结构中,因为钎焊时Si3N4和金属轴的线膨胀系数及杨氏模量差别较大,设置应力缓和层使残余应力减少。此外,从接合部位的温度分布、各材料的线膨胀系数和杨氏模量以及钎焊材料有无反应等方面综合考虑,选择Ni和W的组合。

2 压气机叶轮的树脂化

由于纤维强化树脂的强度比高强度钢还高,其密度仅为1.5 g/cm3~2.0 g/cm3,比铝合金还要低。利用纤维强化树脂制造压气机叶轮,可达到减轻涡轮增压器质量的目的。

2.1 碳纤维强化树脂PKU的特性

新开发的聚合物材料是以聚醚酮系树脂为基础,质量百分数为30 %的碳纤维强化塑料PKU,用于制造压气机叶轮,以代替以往使用的铝合金材料。表4所列为两者特性的比较。它具有良好的耐蠕变性、耐腐蚀性、耐磨损性和热伸缩性小(-65 ℃~105 ℃之间无伸缩)等特点。与其它碳纤维复合材料相比,PKU30 %(质量)碳纤维强化材料的PKU/CF30的玻璃转移温度较高(比聚醚酮系树脂约高30 ℃),适合于压气机叶轮的使用环境。
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图1 涡轮增压器的加速响应性

2.2 树脂制压气机叶轮的应用效果

压气机叶轮材料用碳纤维强化树脂代替铝合金后,可使旋转体的惯性矩降低27 %,从踏下加速踏板起到设定增压压力的时间缩短8 %~9 %。图1所示为涡轮增压器全开时加速性能的比较。

3 结束语

在涡轮增压器上应用陶瓷材料和纤维强化树脂代替耐热合金和铝合金,可达到轻量化的目的。今后,随着材料的接合技术和零件设计技术等相关技术的发展,轻量化材料在汽车上将得到广泛应用。
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