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金屬粉末注射成型汽車渦輪增壓器部件制造新工藝
發布日期：[2024/4/25]
金屬注射成型(MIM)技術可以將那些難以用其它傳統工藝加工的材料，制造成結構復雜的零件。這一特性使其成為生產高性能渦輪增壓器零件的理想方法。巴斯夫公司獨特的Catamold 工藝，可以幫助解決渦輪增壓器MIM零件的開發過程中存在的一系列關鍵性難題。
渦輪增壓器MIM零件
渦輪增壓器的核心在于渦輪室內由熱廢氣流推動的渦輪，以及位于冷空氣一側的壓縮葉輪。壓縮葉輪只需耐受較低的溫度，鋁制葉輪性能就能完全滿足要求。而渦輪室的高溫廢氣則要求渦輪使用耐高溫優質鋼材。渦輪通常用精密鑄造工藝生產，理論上，渦輪可以用MIM工藝制造。
金屬注射成型(MIM)技術在較早以前就曾被應用在渦輪增壓器零件上。由于MIM在材料選擇和設計自由度方面優勢明顯，近年來MIM技術制造的零件被大量使用，其性能也已經在實際使用中得到了證明。
面臨的挑戰
盡管MIM技術取得了一定的進步，但要制造出那些要求近乎苛刻的零件，仍然有大量有關工藝優化、零件結構和模具設計方面的工作。當渦輪的中心區域材料累積過多時，可能導致縮孔的現象。這是因為冷卻過程中出現了體積收縮。當模具中注滿熔融材料時(精密鑄造中為熔融金屬，MIM中為熔融喂料)兩種工藝都存在出現這種缺陷的可能性。而利用現代模擬技術可以對這一問題進行詳細的分析。例如，借助適當的軟件精確預測MIM注射成型過程。圖1顯示的便是渦輪模擬充模的效果，這個零件采用了一個圓錐形澆口，熔融喂料通過它注入到零件中。
除了模具和熔體溫度以外，通過對注射速度(cm3/s)的進一步調節，能夠非常真實地模擬出充模過程。圖1和圖2顯示的是渦輪充模隨時間變化的過程。在設定條件下，零件在1.1s內被填滿。色溫圖顯示的是充模過程中熔體隨時間的變化。藍色區域首先被填充，最后是紅色區域。通過觀察零件在模具中或脫模后的冷卻過程，可以探知缺陷區域熔體凝固的細微過程。圖3為渦輪在模具中冷卻40s后的凝固壓力截面圖。中間較大的藍色區域表示冷卻結束時壓力非常低，而相鄰的區域中材料已經固化，從而阻止了更多熔體進入。因此，藍色區域內由于材料冷卻引起的體積收縮導致了縮孔的產生。圖4清楚地展示了這一問題，冷卻時間過后仍未固化的材料造成了空穴。
失芯(Lost core)技術
在Catamold 工藝流程中，注射成型完成后，聚甲醛粘結劑在酸性環境下于脫脂爐中發生分解，從而被快速地從零件中去除掉。
如果先用聚甲醛注塑一個模芯，然后喂料在模芯周圍進行包塑，那么隨著聚甲醛模芯在脫脂過程中被去除，就能夠得到具有復雜中空結構的零件。
圖5的剖面圖顯示了如何在注射成型工藝中，通過嵌入模芯，使得原本的實心部件形成一個中空內部結構。隨著模芯在注射成型之后被去除，將會形成一個特定的中空結構。
圖6顯示了失芯技術對渦輪缺陷區域的改善效果。彩色條紋代表各區域凝固所需的時間。該部件除模芯以外的部分經過27s的冷卻后完全固化。
與普通MIM工藝相比，失芯法使得零件生產效率顯著提高。這是因為，在理論上，模芯可以做成任何形狀，內部結構可以根據渦輪的實際大小和載荷進行調整，同時這項技術還可以大大降低渦輪的重量。
燒結工藝
金屬注射成型技術的最后一個步驟是燒結，在這個過程中，剩余的粘結劑將被去除，零件的尺寸會收縮變小。燒結的溫度稍低于所用合金的熔點，過程中尺寸會發生較大的變化。
MIM零件的收縮特性，受模具形狀、長期生產穩定性、材料批次差異以及加工窗口的影響。為了得到穩定的收縮率，模具的生產，尤其對幾何結構復雜的零件還需要經過幾輪優化過程，對尺寸進行校正。這些尺寸變化有的是難以提前預知的，可能在注射成型或燒結的過程中形成。
不難想象，在高達1200℃~1450℃(根據不同材料種類)的燒結溫度下，形狀復雜的部件很容易發生變形。這種變形在很多情況下可以通過適當的零部件設計和工藝控制得以避免。
然而，當壁厚、懸臂結構以及由于收縮產生的摩擦力等原因共同導致變形時，情況會變得更加復雜。
許多深入的基礎研究都是為了能夠事先預測可能出現的變形以及收縮差異，從而盡可能地通過對模具進行適當修改，而加以消除。
渦輪增壓器導向葉片的建模
圖7顯示的是燒結模擬過程中使用的渦輪增壓器的導向葉片。 借助模擬軟件，可分辨出最易發生變形的區域。這里采用了Barriere所描述的燒結模型。該模型中，將MIM零件發生的肉眼可見的收縮視為蠕變，并按照粘彈性材料的特性進行描述。模擬過程中，相關膨脹計試驗的結果見圖8。圖中顯示了Catamold 310N材料在兩種加熱速率(左側坐標)下經過一定時間后的收縮情況(右側坐標)。很明顯，不同的加熱速率會導致不同的收縮率，加上燒結過程中發生的其它反應，會導致零件發生變形。
圖9中，左側顯示的是交叉鏈接的導向葉片，線條指示的是燒結時所處的位置。右側對比顯示了燒結前后的零件，可以明顯地看到零件的形狀和位置的變化。
以燒結模型和材料的收縮特性為基礎，可以計算出零件在空間方向上的收縮。因此，圖10顯示了燒結時產生的收縮情況。色溫圖清楚標明了區域收縮變小的趨勢。考慮沿軸向收縮(圖9)，深藍色代表收縮程度最大的區域，從軸頸向導向葉片過渡的黃色部分代表收縮最小的區域。
為了進行對比，對導向葉片的平放燒結過程也進行了模擬。模擬得出的結果，使得在零件的開發過程中就考慮并采取恰當的措施消除各向異性收縮成為可能。
原材料
MIM渦輪的制造涉及到的另一個核心問題是能否獲得合適的材料。這些材料要求能夠在高載荷的情況下耐受高達1080℃的高溫。MIM的關鍵優勢在于它可以利用精密鑄造難以加工的材料制造零件。
超耐熱合金從2003年開始就被應用于MIM技術，并廣為人知。在渦輪增壓器葉輪材料的選擇上，一個基本要求是，在高溫下具有高強度，圖11顯示的是高溫作用1000h后，不同材料的斷裂強度值。
由于采用超細粉末生產，MIM超耐熱合金零件的微觀結構非常均勻，與精密鑄造的零件的微觀結構大不相同。Inconel 713 C是一種經常被用來制造渦輪增壓器零件的超耐熱合金，也被開發成為MIM材料。
由于鋁和鈦的含量相對較高，這種材料的燒結在常見的燒結環境(氫氣、氮氣)下根本無法進行。然而，研究發現，使用氬氣作為保護氣，可以防止這些元素在燒結過程中發生氧化，并實現對收縮的有效控制。
室溫下MIM零件和精密鑄造樣品的機械強度直接對比(附表)，證明了采用Catamold 工藝可以獲得優異的材料性能。
總結
渦輪增壓器市場將在未來幾年內繼續呈現出強勁的增長態勢，其中一個原因是汽油發動機渦輪增壓器應用的逐漸增加。
金屬注射成型技術已經證明是生產渦輪增壓器用復雜零件的有效方法之一，然而MIM技術在成型方面的潛力還亟待發掘。
隨著注射成型和燒結過程模擬技術應用的發展，使進一步減少零件開發過程中的產品優化步驟成為可能。MIM技術為高耐熱材料的使用提供了充分保證。采用MIM超高溫合金等耐熱材料制造的零件具有非常均勻的微觀結構，其室溫下的機械性能甚至超越了精密鑄造零件。