[发明专利]用于粉末注射成形制备涡轮的缺陷可视化分析方法、钛铝合金涡轮的制备方法

说明书

本发明提供了一种用于粉末注射成形制备涡轮的缺陷可视化分析方法、钛铝合金涡轮的制备方法，该缺陷可视化分析方法包括：导入网格文件；依次设置材料属性、流体类型和边界条件；进行初始化设置；采用全隐式耦合多网格线性求解；分析注射成形过程中合金粉末及粘结剂的体积分数分布状态，使所设置边界条件下得到的涡轮型腔整体的粉末体积分数分布在X±0.5％内波动，然后将该边界条件设定为注射成形的工艺参数。通过利用缺陷可视化分析方法得到注射成形的工艺参数，因而实现注射成形工艺参数的调控优化并得到尺寸精度优异的涡轮。

技术领域

本发明涉及粉末冶金技术领域，具体涉及一种用于粉末注射成形制备涡轮的缺陷可视化分析方法、钛铝合金涡轮的制备方法。

背景技术

涡轮增压技术是实现汽车工业节能减排最为有效的手段之一。增压器涡轮是核心零部件，其性能直接决定了发动机的节能减排效果。涡轮材料随着增压器技术的快速发展不断更新换代，随着轻量化、小型化、高转速增压器的发展，具有轻质、高强、耐热、服役温度可达700℃以上等特点的TiAl合金逐渐展现出其巨大的应用潜力。与此同时，粉末注射成形技术(PIM)被诸多发达国家用以制备增压器涡轮，该技术能够克服传统铸造技术的固有缺陷，实现复杂形状零部件的批量化、近终形制备，且制备的样件尺寸精度高、组织均匀、性能优异。

粉末注射成形工艺主要包括产品设计、模具设计、质量检测、混炼、注射、脱脂、烧结、二次加工等八个重要环节，其中注射阶段最为重要。因为制品的大部分缺陷(如表面塌陷、内部缩孔、开裂、变形翘曲、分层、欠注、两相分离等)都是在这一步中引入的，而且这些缺陷不能在后续工序中消除。喂料的流变性和粉末与粘结剂的两相分离是影响PIM产品质量的重要因素，两相分离严重时将导致烧结后的成品出现收缩不均等。PIM实验研究中成形坯的粉末密度分布不均及烧结后成品的收缩不均都说明了PIM过程中可能发生过粉末与粘结剂两相分离的现象，但实验研究难以观察和分析粉末与粘结剂发生两相分离的具体情况。此外，钛铝合金涡轮形状复杂、厚度十分不均匀，注射生坯由于球形钛铝合金粉末颗粒之间较小的摩擦力，经热脱脂后极易发生开裂、塌陷等变形，严重影响其采用性能。

因此，针对高性能钛铝合金增压涡轮的注射成形制备，实现粉末注射过程中缺陷的可视化，通过分析粘结剂所制喂料充型数值模拟的缺陷可视化结果，研究缺陷形成机理、论证粘结剂体系的可行性及优化注射工艺参数，将理论计算、数值模拟以及实际实验三者有机结合，对于推动实际工业生产中不同材料适用粘结剂体系的设计开发十分重要。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种用于粉末注射成形制备涡轮的缺陷可视化分析方法、钛铝合金涡轮的制备方法，通过利用缺陷可视化分析方法得到注射成形的工艺参数，具体是基于计算流体力学软件CFX，采用双流体模型对所设计的添加了聚乙二醇20000的粘结剂体系填充TiAl合金涡轮型腔过程进行三维数值模拟，直观分析充型过程中粉末与粘结剂的两相分离情况、粉末体积分数分布及温度、压力分布，从而使PIM制备TiAl合金涡轮可能存在的缺陷实现可视化，因而通过调控优化注射成形工艺参数以得到尺寸精度优异的TiAl合金涡轮，进而为实际实验中粘结剂的设计开发及产品的高质量批量化生产提供指导，以解决现有技术中需要大量试错实验以控制注射缺陷并确定最佳注射工艺的技术问题。

为了实现上述目的，本发明的第一方面，提供了一种用于粉末注射成形制备涡轮的缺陷可视化分析方法。

该用于粉末注射成形制备涡轮的缺陷可视化分析方法包括以下步骤：

S1，导入网格文件：对涡轮几何模型进行网格划分，并导入计算流体力学软件；

S2，依次设置材料属性、流体类型和边界条件；其中，材料包括合金粉末和粘结剂，所述合金粉末在合金粉末和粘结剂的总量中的体积占比为X；所述边界条件的设置包括：浇口的注射速度为 60～80cm³/s、注射压力为80～100MPa，注射温度为160～165℃；