一种AlTi基体增压器涡轮材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种AlTi基体增压器涡轮材料及其制备方法，是一种用于增压器涡轮的AlTi基体材料。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压变形后制得，其原料配比为(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。本发明的材料具有重量轻、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。

权利要求

1.一种AlTi基体增压器涡轮材料的制备方法，其特征是：该材料主要由钛粉、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压变形后制得，其原料配比按重量比为：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；其具体步骤如下：

1)将铝粉、钛粉、铬粉、锰粉按重量配比混合和球磨，得到钛铝过饱和固溶体粉末，所述混合和球磨步骤在球磨机中进行，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，球磨温度为室温，球磨时间为20小时，球磨过程中通入氩气保护；

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)将步骤3)中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。

2.根据权利要求1所述的AlTi基体增压器涡轮材料的制备方法，其特征是：步骤2)中退火温度为750℃，退火时间为60-90分钟。

3.根据权利要求1所述的AlTi基体增压器涡轮材料的制备方法，其特征是：步骤3)中球磨时间为4小时。

4.根据权利要求1或2所述的AlTi基体增压器涡轮材料的制备方法，其特征是：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。

5.根据权利要求4所述的AlTi基体增压器涡轮材料的制备方法，其特征是：真空热压-1成型步骤中：真空度为1.5×10 Pa，温度为1000℃，压力30MPa，保温时间为30分钟。

说明书

一种AlTi基体增压器涡轮材料及其制备方法

技术领域

[0001] 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

[0002] 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：

[0003] 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。

[0004] 2)高温、高速时，涡轮叶片经常出现飞裂失效。

[0005] 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。

[0006] 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

[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 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。

[0010] 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：

[0011] 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；

[0012] 2)将上述钛铝过饱和固溶体粉末退火处理；

[0013] 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；

[0014] 4)将上述球磨后的粉末冷压成型为试块；

[0015] 5)将上述冷压成型的试块进行真空热压成型。

[0016] 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。

[0017] 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。

[0018] 步骤2)中退火温度为750℃，退火时间为60-90分钟。

[0019] 步骤3)中球磨时间为4小时。

[0020] 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。

[0021] 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。

[0022] 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。

[0023] 此外，研究表明TiAl合金合金化后在室温变形中显示出可观的压缩塑性，通常具有超过5％的宏观塑性应变，其中以加Mn或Cr合金化最好，可达8-15％。然而，这个明显的压缩塑性变形往往伴随着相当数量的微观裂纹产生。因此本发明加入稀土元素使其韧性1/2
进一步提高。TiAl室温断裂韧性一般在20-30MPa·m ，而Al45Ti45Cr8Mm2和Al66Ti25Mn9Mm
1/2
合金断裂韧性可提高到35-45MPa·m 。

[0024] 本发明材料的制备工艺中，混合粉末在球磨过程中在磨球高速碰撞的作用下，不断受到强烈的塑性变形，在粉末颗粒的表面出现加工硬化现象，当应力达到一定程度，粉末颗粒表面的硬化层开始破碎，从而形成洁净的“原子化表面”。这些不同元素的“原子化表面”相互接触，在碰撞应力的作用下，又相互冷焊在一起，形成有一定原子结合力的复合颗粒。随着球磨的继续进行，这些复合颗粒不断受到碰撞，颗粒表面继续产生塑性变形，再次出现加工硬化，应力达到一定程度又导致破碎。经过反复的破碎-冷焊-破碎过程，形成了多层结构的复合颗粒。此时，各复合层内积蓄了原子充分扩散所需的空位，位错等缺陷。在经过一段时间的球磨后，原子的扩散速率突然增大，形成过饱和的固溶体。这些过饱和的固溶体再经过退火热处理后，在热能驱动下快速形成纯度较高的TiAl系金属间化合物粉末。在这些粉末中加入混合稀土元素后，进一步合金化，使其塑性明显提高。这些粉末经冷压和真空热压成型后能够获得较高的强度和良好的塑韧性。

[0025] 由上述叙述可知，本发明的有益效果是：由于其基体材料为AlTi合金，因而其具有低密度、高强度及良好的耐热性能，通过适量地加入Mn、Cr等合金元素，可明显提高材料的塑性，通过加入稀土元素，可使材料的韧性进一步提高，因此同镍基K418合金比较，其材料的密度得到很大的降低，其强度、耐磨性、塑韧性、线膨胀系数和高温性能与镍基合金相近，可大大提高涡轮转子的响应性，从而从根本上解决了涡轮增压器的滞后效应。

具体实施方式

[0026] 下面以非限定性的实施例对本发明作进一步的说明：

[0027] 实施例1

[0028] 本发明的铝-钛基材料采用前期机械合金化法制备和后期熔炼法制备的两步工艺。

[0029] 其前期机械合金化法制备工艺为：

[0030] 按重量比将粒度为200目(纯度为99.9％)的铝粉45份，粒度为200目(纯度为99.0％)的钛粉42.2份，粒度为200目(纯度为99.0％)的铬粉8.2份、粒度为200目的锰粉1.3份以及纯度为99.9％的硬脂酸(分散剂)混合，装入球磨罐中，利用机械合金化法(高能球磨法)，在球磨罐内球磨20小时，形成Ti-Al二元固溶体。其球磨工艺参数为：
球磨机转速320r/min。选用1Cr18Ni9Ti不锈钢罐，Al2O3球为球磨介质，球径分别为10mm、
5mm、3mm，球料比为10∶1。球磨在室温下进行，采用氩气保护以防氧化。球磨后在手套箱中将粉末取出，静置30分钟后，取出放入退火炉中经750℃退火处理，加热速度200℃/min，保温时间60min，并随炉冷却。

[0031] 后期熔炼法制备工艺为：

[0032] 将退火后的粉末，加入塑化剂，并加入粒度为200目(纯度为99.0％)的混合稀土2.5份，在球磨罐内球磨4小时，取出后在成型机上以12MPa的压力压制成型，然后将试块送入干燥箱在100℃下烘干2小时，取出后装入石墨模具并连同模具再次进入干燥箱在200℃下烘干0.5小时，然后在真空热压炉中热等静压成型，制成Φ30×200的中间合金样块。其-1
工艺参数如下：模具尺寸Φ30×200，真空度1.5×10 Pa，加热温度1000℃，30MPa下保温
30分钟，随炉冷却。

[0033] 本发明中的球磨工艺中，混合粉末在球磨过程中在磨球高速碰撞的作用下，使原料粉末形成钛铝过饱和固溶体，通过后续的退火工艺，在热能的驱动下最终形成纯度较高的钛铝金属间化合物粉末。冷压成型的目的是为了增加材料的致密度，减少空隙率。真空热压成型的优点是成形温度低，产品致密，能提高材料的工艺性能和机械性能。

[0034] 本材料试样的密度4.04g/cm3，刚度172GPa，高温蠕变温度1060℃，最高氧化温度845，室温塑性6％，工作温度塑性15％，抗拉强度620MPa，工作温度抗拉强度550MPa。材料具有极好的抗氧化性，耐高温性能优于常规钛合金。

[0035] 实施例2

[0036] 与实施例1基本相同，其不同之处在于：

[0037] 原料配比不同，见表1；

[0038] 球磨机转速360r/min，前期制备工艺中球磨时间为24小时；

[0039] 球磨后的粉末静置40分钟后，再进行退火处理；

[0040] 退火保温时间90分钟。

[0041] 本试样的密度4.04g/cm3，刚度169GPa，高温蠕变温度1010℃，最高氧化温度885，