[发明专利]一种AlTi基体增压器涡轮材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种合金材料，特别是一种用于增压器涡轮的AlTi基体材料，本发明还涉及该材料的制备方法。

背景技术

涡轮增压器安装在发动机的进排气歧管上，处于高温、高压、高速运转的工作状况下，因此对制造的材料成型工艺和加工技术都要求很高。要求材料有良好的高温机械性能，要有较高的高温持久强度极限以及良好的抗疲劳和抗蠕变的性能。增压器涡轮是增压器上非常关键和重要的部件，随着增压器技术的发展，涡轮材料也在不断更新换代，以前，柴油机增压器涡轮普遍采用的材料是20Cr3MoWV(A)，但该材料仅适用于低速(40000r/min左右)较大型的增压器，随着增压器的转速越来越高、体积越来越小，柴油机排气温度有的达到750℃以上，该材料已不能满足增压器的使用要求。目前，一般汽车用增压器涡轮普遍采用K418镍基高温合金。但K418镍基高温合金制成的增压器涡轮有很大局限性：

1)由于增压器涡轮的特殊工作环境，要求其耐高温、高压，一般在不低于750℃的工况下工作，对于高转速(小型增压器最高可达250000r/min)涡轮叶片经常会出现变形现象。

2)高温、高速时，涡轮叶片经常出现飞裂失效。

3)涡轮重量大，响应性不好，叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓，涡轮出现“滞后响应”，汽车提速慢、提速烟度大。

基于镍基K418合金的使用局限和涡轮增压器的使用要求，急需一种既重量轻、强度高又与轴连接良好的新型材料来代替。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是：提供一种AlTi基体增压器涡轮材料，其具有重量轻、强度高的特点，而且有良好的塑韧性，用其制造的增压器涡轮响应性好，在高温、高压、高速的情况下，不易出现变形和飞裂失效的现象。

本发明所要解决的另一个技术问题是：提供一种AlTi基体增压器涡轮材料的制备方法，通过该方法可制得上述材料。

为解决第一个技术问题，本发明的技术方案是：一种AlTi基体增压器涡轮材料，其主要由钛粉、铝粉、铬粉、锰粉按比例混合后进行球磨，然后退火处理，再加入混合稀土球磨处理并经冷压和真空热等静压变形后制得，其材料成分组成为(重量比)：铬5.0～8.0％，锰0.80～1.30％，钛35～45％，混合稀土2.0-3.0％，杂质中铁、铜、锌总量小于1.00％，其余为铝。

为解决第二个技术问题，本发明的技术方案是：包括以下步骤：

1)将铝粉、钛粉、铬粉、锰粉、分散剂按重量比混合和球磨，得到钛铝过饱和固溶体；

2)将上述钛铝过饱和固溶体粉末退火处理；

3)将退火后的固溶体粉末加入塑化剂和混合稀土混合后，再进行球磨；

4)将上述球磨后的粉末冷压成型为试块；

5)将上述冷压成型的试块进行真空热压成型。

上述制备方法中，所述混合和球磨步骤可在球磨机中进行，球磨的工艺参数为：球磨机转速320～360r/min，球磨介质为Al₂O₃球，球料比为10∶1。

步骤1)中：球磨温度为室温，球磨时间为20小时，球磨中通入氩气保护。

步骤2)中退火温度为750℃，退火时间为60-90分钟。

步骤3)中球磨时间为4小时。

步骤5)中冷压成型的试块先干燥后，再装入石墨模具内置于干燥箱烘干后再进行真空热压成型。

真空热压成型步骤中：真空度为1.5×10^-1Pa，温度为1000℃，压力30MPa保温时间为30分钟。

由于本发明的材料基体为AlTi合金，AlTi是一种高熔点、高硬度、高弹性模量的合金材料，它具有稳定的化学特性，在700℃以下难于氧化，符合作为本发明材料基体相的要求。Al-Ti合金可形成AlTi、Al₂Ti、Al₃Ti等金属间化合物(IM)。AlTi-IM具有低密度、高强度以及良好的耐热性能，其可以减轻增压器涡轮的重量。研究表明，在AlTi-IM中添加第三合金元素可明显降低其硬度，改善其塑性。本发明中添加合金元素Cr和Mn后，其点阵常数变大而弹性模量降低，所形成的化合物中d-d键减弱，硬度随之下降，断裂韧性提高。AlTi-IM的脆性一直是限制其在工程实际应用的最大障碍。为最大限度地解决其脆性问题，本发明在合金中加入混合稀土，进一步合金化，使其塑性明显提高。