汽車增壓器鑄造合金進(jìn)步

1、汽車增壓器鑄造合金進(jìn)步 渦輪增壓器技術(shù)在汽車工業(yè)中的廣泛應(yīng)用已成為提高發(fā)動機(jī)效率、降低燃油消耗、減少廢氣排放的有效手段，。增壓渦輪工作溫度高，轉(zhuǎn)速高，葉片上受到多種交變應(yīng)力的作用，因此要求渦輪材料具有較好的高溫力學(xué)性能、屈服點和長期組織穩(wěn)定性以及良好的鑄造性能。鑄造高溫合金因具有足夠的熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性和良好的抗機(jī)械疲勞、熱疲勞性能等優(yōu)點，被大量用于制作汽車增壓器渦輪。然而增壓渦輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，葉片截面變化大，有的葉稍最薄處甚至僅為，因此采用鑄造高溫合金澆注渦輪時，葉片極易產(chǎn)生熱裂，這成為發(fā)展汽車渦輪增壓技術(shù)進(jìn)程中亟待解決的問題之一。由于鑄造高溫合金的結(jié)晶溫度范圍大，線收縮率大（），其熱裂傾向也較大

2、，嚴(yán)重時導(dǎo)致鑄造渦輪葉片毛坯報廢率達(dá)。熱裂問題的存在始終制約著鑄件產(chǎn)品質(zhì)量的提高，并嚴(yán)重影響到產(chǎn)品的安全使用性能，是科研工作者長期以來致力研究的熱點。同時，鑄造高溫合金鑄件向輕、薄、形狀復(fù)雜的方向發(fā)展，對減小鑄件的熱裂傾向提出了更高要求。有關(guān)熱裂形成原因及防止措施的經(jīng)驗和成果在實際生產(chǎn)中已經(jīng)得到了應(yīng)用，但迄今為止，在實際生產(chǎn)中鑄件的熱裂問題仍未得到徹底解決。本文介紹了目前國內(nèi)用于制造汽車增壓器渦輪的鑄造高溫合金，通過綜述熱裂形成機(jī)理和影響因素等內(nèi)容，反映這方面的研究進(jìn)展，并提出了防止熱裂產(chǎn)生的措施，詳細(xì)介紹了鑄造高溫合金熱裂的研究現(xiàn)狀，以期為解決汽車增壓器渦輪用高溫合金的熱裂問題提供參考。汽車

3、增壓渦輪用鑄造高溫合金簡介為滿足不同工況條件對材料的要求，世界各國開發(fā)了多種增壓渦輪用高溫合金材料。目前國內(nèi)大量使用的增壓渦輪材料是自行研制的，和等鑄造高溫合金，國外用于增壓渦輪的材料有，等。表和表分別列舉了國內(nèi)增壓器渦輪用鑄造高溫合金的化學(xué)成分和主要用途，。合金是一種基鑄造高溫合金，含少，不含，主要通過加入，形成沉淀強(qiáng)化相，同時加入一定量的進(jìn)行固溶強(qiáng)化，微量的進(jìn)行晶界強(qiáng)化，少量的形成碳化物起一定強(qiáng)化作用。該合金具有良好的鑄造工藝性能。合金是一種不含的鎳基鑄造高溫合金，在基體上彌散分布沉淀相，它是合金的主要強(qiáng)化相，約占合金總質(zhì)量的（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。在晶界和枝晶間有（）共晶相，約占合金體積的，型碳化

4、物占合金總質(zhì)量的左右。另有極少量的硼化物。合金比重輕，具有良好的綜合性能、長期組織穩(wěn)定性和鑄造工藝性能。是高低型鎳基鑄造高溫合金，含有較多的相形成元素，等，并含有較高的，合金在鑄態(tài)下使用。合金具有高溫強(qiáng)度高、綜合性能好、組織穩(wěn)定、鑄造工藝性能好等特點。其顯微組織特征是，基體上有彌散分布的相沉淀，在晶界和枝晶間有占合金體積的（）共晶相，有塊狀和條狀型碳化物及肋骨狀的硼化物。是一種新型高強(qiáng)度鎳基鑄造合金。該合金含有較多的和一定量的和，因而具有高溫強(qiáng)度高，抗熱腐蝕性能好、組織穩(wěn)定等特點，特別是在中溫下兼有高的強(qiáng)度和韌性。零件性能與試棒性能較接近，鑄造性能好。鑄態(tài)相組成有，（）共晶、碳化物、硼化物以及

5、微量的碳硫化物，碳化物等。鑄件的熱裂機(jī)理熱裂是在非平衡的線收縮開始溫度到非平衡的固相線溫度范圍內(nèi)形成的，此時合金處于固液兩相區(qū)內(nèi)，該區(qū)間被稱為“有效結(jié)晶溫度區(qū)間”或“有效結(jié)晶溫度范圍”。圖為采用熔模精鑄的某型號合金汽車增壓器渦輪的外形，圖箭頭所指部位即為澆注后在渦輪葉片上產(chǎn)生的熱裂紋。從渦輪葉片上取樣、磨光、侵蝕后在顯微鏡下觀察裂紋，發(fā)現(xiàn)此裂紋為扭曲的、走向不規(guī)則的晶間裂紋，如圖所示。過去幾十年中，已有大量針對鑄件熱裂行為的研究，科研工作者在大量研究的基礎(chǔ)上，已提出強(qiáng)度理論、液膜理論、形成功理論、凝固收縮補償理論、晶間搭橋理論等幾種不同的理論來闡述鑄件熱裂的形成機(jī)理。雖然這幾種理論在解釋熱裂產(chǎn)

6、生的細(xì)節(jié)上有所不同，但其實際的力學(xué)本質(zhì)是一致的，即在有效結(jié)晶溫度范圍內(nèi)，當(dāng)鑄件中薄弱環(huán)節(jié)（如熱節(jié)中的脆性區(qū)或液膜等）的收縮應(yīng)力或者塑性變形超過某一臨界值時就會導(dǎo)致熱裂的產(chǎn)生。此處僅詳細(xì)介紹應(yīng)用較為廣泛的強(qiáng)度理論和液膜理論。強(qiáng)度理論，認(rèn)為，鑄件在凝固末期時結(jié)晶骨架已經(jīng)形成，此時合金本身處于“脆性”階段。當(dāng)溫度下降合金收縮時，由于鑄件固態(tài)線收縮受阻，鑄件局部形成收縮應(yīng)力及塑性變形。若收縮應(yīng)力或塑性變形超過合金在該溫度下的強(qiáng)度極限和伸長率，鑄件即發(fā)生熱裂。在有效結(jié)晶溫度內(nèi)，合金強(qiáng)度越低，線收縮率越大，則越易形成熱裂。液膜理論認(rèn)為，凝固末期晶體周圍少量未凝固的液體構(gòu)成一層液膜，此液膜的存在是導(dǎo)致熱裂的

7、根本原因。隨著溫度接近固相線，液膜逐漸變薄，鑄件全部凝固時液膜消失。在液膜由厚變薄直到消失的液膜期內(nèi)，如果鑄件收縮受阻，晶體周圍的液膜就會受到拉應(yīng)力，應(yīng)力足夠大時，液膜被拉長。當(dāng)應(yīng)力超過一定限度，晶間就產(chǎn)生裂縫，由于此時鑄件凝固區(qū)域中其他部分晶粒間液相不可能填補這種裂縫，就形成了熱裂。合金元素對熱裂的影響合金在熱裂形成的溫度范圍內(nèi)凡能影響合金線收縮、收縮阻力、合金強(qiáng)度和塑性的因素，都將對合金熱裂傾向產(chǎn)生影響。合金的有效結(jié)晶溫度范圍越大，鑄件形成熱裂的傾向越大，因此凡能擴(kuò)大有效結(jié)晶溫度范圍、削弱合金高溫強(qiáng)度與伸長率的因素都會促進(jìn)熱裂。多年以來，從事合金研究的人員總是習(xí)慣于通過調(diào)整鑄造工藝參數(shù)來減

8、少熱裂，然而可鑄性差的合金很難通過工藝調(diào)整完全消除熱裂。長期的研究結(jié)果表明合金成分的微調(diào)都可有效避免熱裂，因此，研究某些合金元素對鑄造高溫合金凝固行為的影響，對減小鑄造高溫合金的熱裂傾向很有幫助，元素對熱裂的影響眾所周知，增加鑄造高溫合金中含量可以有效提高鑄造高溫合金的耐溫能力，而增加，含量是提高鑄造高溫合金中含量的有效途徑，但在鑄造高溫合金研制過程中，曾出現(xiàn)，含量的微量變化導(dǎo)致鑄件出現(xiàn)熱裂的問題。范映偉等為了探明高定向凝固柱晶鑄造高溫合金鑄造渦輪導(dǎo)向葉片時開裂的原因，對兩種不同含量的合金進(jìn)行了凝固特性研究。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含量提高了以后，由于高合金的形成因子（）較高，合金中（）共晶的析出溫度提高

9、了。合金含量提高后，枝晶間（）共晶的大量析出，使液相流動的通路被堵塞，較早失去了補縮能力。由于合金中存在大量不可補縮的液相區(qū)，導(dǎo)致強(qiáng)度和塑性變差，在澆鑄截面復(fù)雜的空心導(dǎo)向渦輪葉片時，如果凝固造成的熱應(yīng)力超過合金在此溫度下的強(qiáng)度，就容易產(chǎn)生開裂。王艷麗等的研究表明，合金中的含量提高后，盡管微觀組織無明顯變化，但由于合金熔化溫度范圍擴(kuò)大，熱裂傾向性增大。鑄造高溫合金中的沉淀強(qiáng)化元素屬于強(qiáng)正偏析元素，在凝固過程中強(qiáng)烈偏析于液相，因此對合金的熱裂傾向影響很大。對含量不同的定向凝固鎳基鑄造高溫合金的熱裂行為研究表明，降低合金的含量后，鑄件的熱裂傾向明顯降低。在楊政等，的研究中同樣發(fā)現(xiàn)由于鑄造高溫合金中的

10、元素含量偏高，提高了合金的有效結(jié)晶溫度上限，擴(kuò)大了有效結(jié)晶溫度區(qū)間，導(dǎo)致合金在凝固過程中出現(xiàn)熱裂的傾向增加。由此可知，通過降低合金中，元素的含量，從而縮小鑄造高溫合金的有效結(jié)晶溫度區(qū)間，是解決定向空心葉片熱裂的有效手段之一。微量合金元素對熱裂的影響由于微量合金化調(diào)整對降低合金熱裂傾向所起的作用顯著，研究某些微量元素對鑄造高溫合金凝固過程的影響對于評定鑄造高溫合金的熱裂傾向很有幫助。分析了對鎳基鑄造高溫合金熱裂傾向的影響。結(jié)果表明，添加微量以后，合金的熱裂傾向降低。這是由于添加以后，碳化物的析出使（）共晶的數(shù)量和分布發(fā)生改變。不僅降低了合金的液相線溫度，同時降低了（）共晶析出溫度以及（）共晶的體

11、積分?jǐn)?shù)。熱裂與連續(xù)共晶的形成有關(guān)。當(dāng)共晶形成于枝晶間的孤立液池中時，合金中避免了連續(xù)共晶的形成，枝晶臂的搭接使固相骨架的強(qiáng)度提高，從而降低了合金的熱裂傾向。的研究結(jié)果表明，控制適當(dāng)?shù)谋瓤梢燥@著提高的可鑄性。這是由于適當(dāng)?shù)谋瓤梢蕴岣吣棠┢谑Ｓ嘁合嗟哪虦囟?，從而降低了枝晶間液膜形成的可能性，使熱裂傾向降低。對鑄造高溫合金熱裂敏感性的影響較為復(fù)雜。去除合金中的或合金中含量高于時，鑄造高溫合金的熱裂傾向都會可以顯著減低。元素含量增加，促成共晶形成，使合金熔化溫度范圍增大，增加合金熱裂傾向性。鄭運榮的研究也表明，去除中的可以使合金的抗熱裂性能明顯提高。通過研究和對定向凝固鎳基鑄造高溫合金熱裂傾向的影

12、響，發(fā)現(xiàn)向合金中單獨加入或都不影響合金的可鑄性，但當(dāng)同時加入和以后，合金的熱裂傾向增加，且這一影響當(dāng)加入含量高時更為顯著。作為鑄造高溫合金中的微量添加元素，其對合金的熱裂也有一定影響。元素不僅縮小了枝晶間失去毛細(xì)管補縮能力和固相線之間的溫度范圍，還降低了枝晶間液池溝通所需的液體量。在凝固后期枝晶間的富熔體具有很好的流動性、浸潤性和趨膚效應(yīng)，這些有利因素都有利于降低合金的熱裂傾向。據(jù)王艷麗等的研究結(jié)果，降低含量使得合金熔化溫度范圍變小，合金的鑄造性能提高；增加含量使得熔化溫度范圍增大，但由于富熔體流動性好，液相能滲透過枝晶間隙補縮，故含量提高也不會影響合金的鑄造性能。凝固方式對熱裂的影響熱裂是合

13、金在凝固過程中收縮受到外界阻礙而產(chǎn)生的一種晶界缺陷，因此其形成與合金凝固過程的自身特點密切相關(guān)。根據(jù)鑄件凝固時期液固并存時不同的組織結(jié)構(gòu)形式，可將鑄件的凝固方式分為逐層凝固、糊狀凝固及中間凝固三種。當(dāng)鑄造合金的凝固方式為逐層凝固時，金屬液澆入鑄型后，結(jié)晶從鑄型型壁開始，在型壁上形成凝固層，產(chǎn)生凝固前沿，即固、液界面。隨著液相不斷降溫，凝固前沿逐層向鑄件中心推進(jìn)。逐層凝固方式具有良好的補縮特性，凝固時由于收縮受阻而產(chǎn)生晶間裂紋時，其他晶粒間的液相能實現(xiàn)滲流流動來填補裂紋，使裂紋愈合，所以熱裂傾向較小。當(dāng)鑄造合金的凝固方式為糊狀凝固時，晶體在熔液內(nèi)部形核和生長，易發(fā)展成樹枝發(fā)達(dá)的等軸晶，晶粒在型腔

14、金屬液整個容積內(nèi)生長?？拷捅诘木Я＜?xì)，鑄件中心的粗。由于此時固相與液相的混合體猶如糊粥，謂之糊狀凝固方式。隨著凝固的進(jìn)行，固相與液相的混合體很快就形成結(jié)晶骨架。由于糊狀凝固時無補縮通道，使鑄件的補縮特性變差。結(jié)晶骨架的形成，使固態(tài)線收縮提早開始，出現(xiàn)晶間裂紋時得不到熔液的補充，所以熱裂傾向較大。鑄造工藝參數(shù)對熱裂的影響在鑄件生產(chǎn)中，鑄件熱裂的形成還受到鑄造工藝參數(shù)如鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)和澆注系統(tǒng)設(shè)計等因素的影響。鑄型性質(zhì)鑄件凝固收縮時受到鑄型的阻力，阻力越大，鑄件內(nèi)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力越大，鑄件越容易開裂。因此，為使鑄件凝固外殼能自由線收縮，減小外殼中的收縮應(yīng)力，造型材料在鑄件凝固時期的溫

15、度下應(yīng)有最低的熱強(qiáng)度，即具有良好的高溫退讓性。澆注條件澆注溫度對鑄件形成熱裂的影響極為復(fù)雜。澆注溫度高時，提高了液相的流動性，降低了金屬的凝固速度，有利于非金屬夾雜物的排除，但又增加了鋼水中的氣體含量。這些因素同時影響鑄件的熱裂傾向，因此在生產(chǎn)中通常根據(jù)鑄件壁厚來選定澆注溫度。薄壁鑄件要求較高的澆注溫度，使凝固速率緩慢均勻，從而減少熱裂的傾向；厚壁鑄件則不宜采用過高的澆注溫度，以避免增加縮孔的容積，減緩冷卻速率，從而降低熱裂傾向。在鑄造過程中，需要綜合考慮澆注溫度和模殼溫度對鑄件質(zhì)量的影響。盡管較高的澆注溫度和模殼溫度能保證合金液的充型能力，基本能消除冷隔、澆不足等鑄造缺陷，但過高的澆溫和模溫

16、會使凝固時間增加，導(dǎo)致熱裂傾向增大；較低的澆溫和模溫能減少熱裂，但過低的澆溫和模溫會導(dǎo)致葉片充型困難。此外，澆注速率對熱裂也有一定的影響。澆注薄壁件，應(yīng)采用較高的澆注速率，以防止局部過熱，而厚壁件則要求澆注速率盡可能慢一些。鑄件結(jié)構(gòu)鑄件結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生熱裂的一個重要影響因素，通常形狀復(fù)雜、薄壁長零件以及截面尺寸多變的鑄件容易產(chǎn)生熱裂。在鑄件較厚的部位、拐角處、截面厚度有突變或局部冷凝慢以及其他產(chǎn)生應(yīng)力集中的地方常產(chǎn)生短而彎曲的熱裂紋。澆注系統(tǒng)澆注系統(tǒng)作為鑄型中液態(tài)金屬流入型的通道，其設(shè)計的成功與否對鑄件質(zhì)量影響很大，大約的鑄件廢品是由于澆注系統(tǒng)設(shè)計不當(dāng)引起的。澆注系統(tǒng)的設(shè)置使金屬液集中從冒口中或經(jīng)過

17、冒口從鑄件厚實處流向細(xì)薄處，會顯著增大熱裂傾向；澆注系統(tǒng)設(shè)置使金屬液從鑄件薄處分散引入型腔，最后進(jìn)入冒口，再在冒口中補澆或點冒口等措施補救冒口金屬液溫度過低的問題，即可避免嚴(yán)重?zé)崃?。此外，生產(chǎn)者可在生產(chǎn)之前利用計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對鑄造工藝方案及凝固過程進(jìn)行模擬，可預(yù)測鑄造過程中各種鑄造缺陷，如熱裂、縮孔、氣孔、疏松等的發(fā)生情況，這不僅縮短了實驗周期，而且為制定最佳鑄造工藝方案提供了極大幫助。熱裂的防止措施通過對國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于鑄造高溫合金熱裂的形成原因與解決措施的大量研究發(fā)現(xiàn)，解決熱裂的措施主要分為以下五類：（）在合金成分和熔煉工藝方面，要嚴(yán)格控制合金的化學(xué)成分以防止熱裂；（）在造型材料方面，選擇具有良好的高溫退讓性的造型材料；（）在澆注工藝方面，在保證金屬液充型，不發(fā)生其他充填缺陷（冷隔、澆不到等）的前提下，應(yīng)使?jié)沧囟鹊托癖诩鸵桩a(chǎn)生熱裂的鑄件，通過提高冷卻速率來減小熱裂傾向；（）在鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，應(yīng)盡量做到使鑄件壁厚均勻，兩壁相交的凹角應(yīng)有足夠大的內(nèi)圓角半徑，避免有十字交叉的熱節(jié)等；（）在設(shè)置澆注系統(tǒng)方面，通過將最后凝固部位分散，或?qū)⑹湛s應(yīng)力分散作用于各部位，或?qū)烧呓诲e開，以避免鑄件最后凝固或熱節(jié)處因線