一种MIM高温合金喷嘴环叶片的制备方法与流程

一种mim高温合金喷嘴环叶片的制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种喷嘴环叶片的制备方法，尤其涉及一种mim高温合金喷嘴环叶片的制备方法。


背景技术：

2.涡轮增压器主要的作用是通过压缩空气来增加发动机的进气量，工作原理是利用发动机排出的废气推动涡轮室内的涡轮旋转，旋转的涡轮又能带动与之相连的另一侧的压气机叶轮转动。转动的压气机叶轮能把由空气滤清器管道送来的空气强制吸进，吸入的空气经过压缩后进入汽缸，从而燃烧更多的燃料，达到增加发动机的输出功率的目的。
3.喷嘴环叶片是涡轮增压器中重要的零件，主要用于废气进气量的调节。发动机排出的废气温度约650℃，瞬间工作温度可达到850℃，因此，叶片材料需要具有较高的高温强度，抗高温氧化性以及耐腐蚀性能，通常选用hk30不锈钢。另外，喷嘴环叶片主要由叶身和榫头两个部分组成，其中叶身具有复杂的空间形状，多由各种不同的曲面组成，而榫头形状多为圆柱形、t形、叉形。金属注射成形（mim）是一种能够以较低的生产成本，大批量制备具有复杂形状的高性能异形金属零部件的加工方法，将mim工艺引入到涡轮增压器叶片的生产中，有效地解决了叶片生产的效率和成本问题。因此，湖南英捷高科技有限责任公司的何浩采用mim技术制备hk30不锈钢涡轮增压器喷嘴环叶片零部件，免去后续的加工整形，有效缩短工艺流程，降低生产成本，提高产品的合格率（cn108311701a）。
4.随着汽车尾气温度的逐渐升高，其工作环境越来越恶劣，对叶片的性能提出了更高的要求。为进一步提高其高温性能，研究人员以hk30不锈钢粉末为基础原料，混入不同比例的ti粉，让ti和碳形成相对比较稳定的碳化物，进而提升了高温力学性能，其高温抗拉强度（800℃）超过500mpa（cn109014214a、cn102211193a）。还有人员尝试了将适量的crn引入到hk30，并将该种材料应用于高强度涡轮增压器喷嘴环叶片，通过各组分以及制备工艺协同作用，利用固溶强化的方式，增强材料高温强度，得到了性能优越的产品。所得产品的大于等于250hv，800℃的抗拉强度大于等于230mpa（cn109513930a）。以及在mim工艺基础上，采用ni3al弥散强化技术结合放电等离子烧结技术制备出hk30基涡轮叶片（cn112756610a）。但这些合金化的方式对hk30改性并不能大幅提升其高温性能，同时工艺的控制难点增加。除此以外，研究人员还报道了其他材料体系用于喷嘴环叶片的制备，比如氮化硅、碳化硅、氧化铝或氧化锆陶瓷系（cn102777214a）和含铌420马氏体不锈钢（cn110791696a）。但这两类材料的塑性都较差，不利于加工，并不是代替hk30材料的理想选择。综上所述，提出一种新型高温合金，运用mim技术实现高性能喷嘴环叶片的制备是目前亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明为解决现有技术中存在的不足，提供一种高温合金喷嘴环叶片的制备方法，在以fe-cr-ni-co合金为基，并加入mo、w、nb等元素，采用金属注射成形（mim）技术与固
溶时效热处理结合制备出高温性能优异、生产效率高、适合大规模生产的喷嘴环叶片，克服了上述工艺的缺点。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：本发明一种mim高温合金喷嘴环叶片的制备方法，包括以下步骤：将高温合金粉末与粘结剂通过混炼、制粒获得均匀喂料，然后利用注射成形技术将喂料注入到模腔中得到产品生坯，再将生坯中的粘结剂经溶剂脱脂、热脱脂工艺脱除，最后依次进行烧结致密化、固溶、时效得到喷嘴环叶片产品；所述高温合金粉末的成分为：cr：18~23wt.%、co：17~23wt.%、ni：19~22wt.%、w：2~4wt.%、mo：2~4wt.%、nb：0.5~1.5wt.%、c：0.1~0.3wt.%、mn：1~1.5wt.%以及s：≤0.04wt.%、p：≤0.04wt.%、si：≤1.0wt.%，余量为铁；所述烧结工艺为：在氮气气氛保护下，以5~10℃/min的升温速率加热至1200~1300℃，压力为0.1~0.5mpa（由氮气提供），保温时间为1~6h；所述固溶工艺为：在真空热处理炉中，在氮气气氛保护下，固溶温度为1000~1200℃，保温时间为1~4h，压力为0.05~0.2mpa（由氮气提供），淬火介质为水或者油；所述时效工艺为：在真空热处理炉中，真空度≤10-1
pa，时效温度为700~900℃，保温时间为1~30h，冷却方式为风冷或者空冷。
7.作为优选方案，本发明一种mim高温合金喷嘴环叶片的制备方法，所述高温合金粉末的平均粒度为8~15um；所述高温合金粉末由水雾化法、气雾化法中的一种制备而得。
8.作为优选方案，本发明一种mim高温合金喷嘴环叶片的制备方法，所述粘结剂按质量百分比计由下述组分组成；石蜡50~65%；聚二氧戊环20~35%；聚丙交酯5~20%。
9.作为优选方案，本发明一种mim高温合金喷嘴环叶片的制备方法，所述混炼工艺中，混炼温度为100~160℃，混炼时间为1~4h，混炼机转速为40~80r/min。
10.作为优选方案，本发明一种mim高温合金喷嘴环叶片的制备方法，所述粘结剂和粉末配制的喂料中粘结剂所占的体积比范围为35%~45%。
11.作为优选方案，本发明一种mim高温合金喷嘴环叶片的制备方法，所述注射成形工艺中，注射温度为110~160℃，注射压力为80~130mpa，注射速度为40~100g/s、模具温度为30~70℃。
12.作为优选方案，本发明一种mim高温合金喷嘴环叶片的制备方法，所述溶剂脱脂工艺中，溶剂为正庚烷，脱脂时间为2~8h，温度为40~60℃；所述热脱脂为；在氩气气氛保护下，先以5~10℃/min的升温速率加热至450~600℃保温1~4h，再以5~10℃/min的升温速率加热至950~1100℃保温1~4h后随炉冷却至室温。
13.作为优选方案，本发明一种mim高温合金喷嘴环叶片的制备方法，所得喷嘴环叶片制品的室温抗拉强度≥750mpa，延伸率≥10%，800℃抗拉强度≥650mpa，延伸率≥20%。
14.原理与优势在本发明中，对于喷嘴环叶片的成分设计，基于优异高温强度、塑性和抗蚀性能的要求，采用耐热奥氏体不锈钢，在耐蚀性能方面，ni是主要奥氏体形成元素，cr与氧结合能
生成耐腐蚀的cr2o3钝化膜，是保持耐蚀性的基本元素之一，同时与ni搭配能减缓钢的腐蚀现象。在强化方面，发明人意外的发现，高含量co元素以及恰当的w、mo、nb、c的加入，在热处理的帮助下引起了良好的固溶强化和析出强化效果。因此，这样的成分设计可以满足喷嘴环叶片对材料成分的要求。
15.各个环节的工艺参数都将对最终产品的性能产生影响，需要优化各个工艺参数。在混料工序中，采用超细粉末（平均粒度8~15um）和粘结剂充分混炼获得均匀喂料，防止喂料成分偏析，以保证烧结后收缩均匀，保型性良好。在注射成形工序中，通过调节注射温度、注射压力以及注射速度等注射参数以得到良好的注射坯，防止因注射而造成成形坯密度不均。在脱脂工序中，本发明利用溶剂脱脂和热脱脂相结合的脱脂方式，用正庚烷溶剂来溶解粘结剂中的石蜡组分，再通过两段式升温程序达到目标脱脂温度的热脱脂工艺脱除剩余高分子量粘结剂，并控制相应的升温速率以及保温时间，有效控制脱脂速率，使粘结剂尽量脱除干净，避免坯体在脱脂过程出现变形、裂纹等缺陷。
16.烧结是mim中的关键性工序，烧结消除了粉末颗粒之间的孔隙。使得mim产品达到全致密或接近全致密化，通过烧结使其得到所要求的最终物理机械性能。发明人发现，在fe-cr-ni-co基高温合金，采用氮气烧结，通过控制氮气的压力和烧结温度，获得了性能的提升，n原子进入fe晶格内，一方面形成了氮化物，弥散的第二相能够细化晶粒，另一方面，由于n元素与fe基体元素两者原子半径的差异造成内部晶格畸变，对滑移面上运动的位错有阻碍作用，使金属的强度、硬度升高。同时采用合理的装舟方式，使各部位得到合理的支撑，受热均匀，保证烧结密度和表面光洁度，可有效避免坯体在升温及烧结过程中出现变形，开裂等缺陷。
17.由于烧结保温结束后的缓慢冷却，会造成大量第二相析出，发明人发现主要有碳化物、氮化物和金属间化合物，利用设置合理的固溶温度和保温时间，使这些相在高温下尽可能多的固溶于基体中，引起溶质原子n、c、w、mo等在铁晶格中造成晶格畸变，形成一个强烈的应力场，该应力场阻碍位错的运动，从而提高钢的强度和硬度。
18.析出强化是在时效过程中，从基体弥散析出纳米级第二相粒子，塑性变形时，位错线不能直接切过第二相粒子，但在外力作用下，位错线可以环绕第二相粒子发生弯曲，位错线的弯曲将会增加位错影响区的晶格畸变能，这就增加了位错线运动的阻力，使滑移抗力增大，从而起到扎钉位错、阻碍位错迁移的作用，大大提高了材料的强度，又可使塑性和韧性下降不大。发明人发现五种析出相：碳化物cb (c, n)、m23c6、x相和m6c相以及金属间化合物laves相，导致时效硬化的主要析出物是碳化物m23c6和x相，碳化物m6c和laves相，对硬化几乎没有贡献。发明人通过运用适当的时效温度和保温时间，得到主要析出相为m23c6和x相的微观组织，由此获得喷嘴环叶片性能的进一步提升。
19.与现有技术相比，本发明的优势如下：1）性能优异。其室温和高温性能为hk30的2~3倍，很好地满足mim高温合金喷嘴环叶片的需求；2）氮气烧结，生产效率高；3）工序简单，无塑性加工工艺，易于批量生产。
20.综上所述，本发明以fe-cr-ni-co合金为基，并加入mo、w、nb等元素，采用金属注射成形（mim）技术与固溶时效热处理结合，由c、n等元素的固溶强化和碳化物的析出强化大幅
提高合金的性能，同时提高了生产效率，具有综合性能优异、工序简单、易于实现批量化生产等优点，解决了现有技术中产品性能低、成本高昂等问题，能很好的满足mim高温合金喷嘴环叶片的需求。
附图说明
21.图1是高温合金粉的sem形貌图。
22.图2是高温合金时效态金相照片。
具体实施方式
23.以下结合三个实例对本发明方法作进一步说明。
24.将高温合金粉末与粘结剂通过混炼、制粒获得均匀喂料，然后利用注射成形技术将喂料注入到模腔中得到产品生坯，再将生坯中的粘结剂经溶剂脱脂、热脱脂工艺脱除，最后依次进行烧结致密化、固溶、时效得到喷嘴环叶片产品。
25.实施例1：一种mim高温合金喷嘴环叶片的制备方法，其过程如下：a、原料准备：使用气雾化的平均粒度为12um的高温合金粉，图1为高温合金粉的sem形貌图；b、制备粘结剂：按质量百分比，取石蜡55%、聚二氧戊环30%、聚丙交酯15%，在120℃温度下于混料机中混合4h制得粘结剂；c、制备喂料：将粘结剂与粉末按照体积比44%：56%进行混炼、制粒制成喂料，混炼温度为120℃，混炼机转速为60r/min，混炼时间为4h；d、注射成形：利用注射成形机将喂料注入到模腔中得到产品生坯；注射温度为140℃，注射压力为120mpa，注射速度为50g/s，模具温度为60℃；e、脱脂：将产品生坯先通过正庚烷溶剂脱除其中的石蜡组分，脱脂时间为6h，脱脂温度为50℃，然后在真空脱脂炉中进行热脱脂，在氩气气氛保护中，先以8℃/min的升温速率加热至500℃保温2h，再以5℃/min的升温速率加热至1000℃保温3h后随炉冷却至室温；f、烧结：将脱脂坯置于烧结炉内进行烧结；以5℃/min的升温速率加热至1280℃，压力为0.4mpa（由氮气提供），保温时间为2h；g、固溶：在氮气气氛保护下，烧结坯置于热处理炉内，固溶温度为1150℃，保温时间为2h，压力为0.1mpa（由氮气提供），淬火介质为油；h、时效：在真空热处理炉中，真空度≤10-1
pa，时效温度为900℃，保温时间为2h，冷却方式为风冷。检测性能，室温抗拉强度为780mpa，延伸率为15%，800℃抗拉强度为687mpa，延伸率为28%。
26.实施例2：一种mim高温合金喷嘴环叶片的制备方法，其过程如下：a、原料准备：使用气雾化的平均粒度为12um的高温合金粉，图1为高温合金粉的sem形貌图；b、制备粘结剂：按质量百分比，取石蜡60%、聚二氧戊环32%、聚丙交酯8%，在120℃温度下于混料机中混合4h制得粘结剂；
c、制备喂料：将粘结剂与粉末按照体积比40%：60%进行混炼、制粒制成喂料，混炼温度为140℃，混炼机转速为70r/min，混炼时间为3h；d、注射成形：利用注射成形机将喂料注入到模腔中得到产品生坯；注射温度为155℃，注射压力为85mpa，注射速度为60g/s，模具温度为60℃；e、脱脂：将产品生坯先通过正庚烷溶剂脱除其中的石蜡组分，脱脂时间为6h，脱脂温度为55℃，然后在真空脱脂炉中进行热脱脂，在氩气气氛保护中，先以8℃/min的升温速率加热至450℃保温2h，再以5℃/min的升温速率加热至1100℃保温2h后随炉冷却至室温；f、烧结：将脱脂坯置于烧结炉内进行烧结；以5℃/min的升温速率加热至1250℃，压力为0.3mpa（由氮气提供），保温时间为3h；g、固溶：在氮气气氛保护下，烧结坯置于热处理炉内，固溶温度为1100℃，保温时间为3h，压力为0.1mpa（由氮气提供），淬火介质为油；h、时效：在真空热处理炉中，真空度≤10-1
pa，时效温度为850℃，保温时间为10h，冷却方式为空冷。检测性能，室温抗拉强度为835mpa，延伸率为12%，800℃抗拉强度为730mpa，延伸率为22%。
27.实施例3：一种mim高温合金喷嘴环叶片的制备方法，其过程如下：a、原料准备：使用气雾化的平均粒度为12um的高温合金粉，图1为高温合金粉的sem形貌图；b、制备粘结剂：按质量百分比，取石蜡58%、聚二氧戊环30%、聚丙交酯12%，在120℃温度下于混料机中混合4h制得粘结剂；c、制备喂料：将粘结剂与粉末按照体积比38%：62%进行混炼、制粒制成喂料，混炼温度为160℃，混炼机转速为60r/min，混炼时间为1h；d、注射成形：利用注射成形机将喂料注入到模腔中得到产品生坯；注射温度为150℃，注射压力为90mpa，注射速度为60g/s，模具温度为60℃；e、脱脂：将产品生坯先通过正庚烷溶剂脱除其中的石蜡组分，脱脂时间为4h，脱脂温度为60℃，然后在真空脱脂炉中进行热脱脂，在氩气气氛保护中，先以8℃/min的升温速率加热至600℃保温1h，再以5℃/min的升温速率加热至1100℃保温2h后随炉冷却至室温；f、烧结：将脱脂坯置于烧结炉内进行烧结；以5℃/min的升温速率加热至1200℃，压力为0.2mpa（由氮气提供），保温时间为4h；g、固溶：在氮气气氛保护下，烧结坯置于热处理炉内，固溶温度为1100℃，保温时间为3h，压力为0.1mpa（由氮气提供），淬火介质为油；h、时效：在真空热处理炉中，真空度≤10-1
pa，时效温度为750℃，保温时间为24h，冷却方式为空冷。检测性能，室温抗拉强度为766mpa，延伸率为20%，800℃抗拉强度为669mpa，延伸率为30%。
28.对比例1-1：与实例2的唯一区别是cr含量为15wt.%、mo含量为1wt.%，检测性能，室温抗拉强度为576mpa，延伸率为20%。可能是由于cr、mo含量较小，固溶和析出强化效果也相对较弱。
29.对比例1-2：与实例2的唯一区别是w含量为5wt.%、nb含量为3wt.%，检测性能，室温抗拉强度为
580mpa，延伸率为18%。可能是由于过量w含量没有强化效果，而nb有较多的形成nbc，影响c固溶强度的提升。
30.对比例1-3：与实例2的唯一区别是c含量为0.8wt.%，检测性能，室温抗拉强度为530mpa，延伸率为8%。可能是由于过量c含量形成nbc等碳化物，这些脆性相大幅降低强度。
31.对比例2-1：与实例2的唯一区别是真空烧结，取消氮气，检测性能，室温抗拉强度为552mpa，延伸率为12%。可能是n的固溶强度和氮化物的析出强化作用消失。
32.对比例2-2：与实例2的唯一区别是氮气烧结的压力为1mpa，检测性能，室温抗拉强度为522mpa，延伸率为7%。可能是过大的压力使n形成大量晶界氮化物，削弱固溶能力，也是脆性相容易成为断裂源。
33.对比例3：
对比实验固溶温度时效温度实验结果11100℃600℃时效温度过低，没有析出相产生，检测性能，室温抗拉强度为588mpa，延伸率为15%21100℃1000℃时效温度过高，析出相为laves相，无强化效果，检测性能，室温抗拉强度为585mpa，延伸率为15%3900℃850℃固溶温度过低，碳化物和氮化物未完成固溶，检测性能，室温抗拉强度为545mpa，延伸率为11%41250℃850℃固溶温度过高，晶粒长大，检测性能，室温抗拉强度为542mpa，延伸率为10%
以上所述实例仅是本发明较优的实施方法，故不能以此限定本发明的实施范围，其他按照本发明的原理和内容所做的等效改变、修饰、替代和组合，都仍属于本发明的保护范围。