车用涡轮增压器的轻量化技术.PDF

车用涡轮增压器的轻量化技术 涡轮增压器可以不改变发动机的排量而提高其动力性能，但却存在涡轮滞后现 。为了 提高其加速性能，减少涡轮滞后，必须降低旋转体的惯性矩，而最有效的办法是减轻旋转体 的质量。因此，许多国家都进行了轻量化新材料的开发研究工作。 1 涡轮转子的陶瓷化 陶瓷材料因具有良好的高温强度、高耐蚀性、高耐磨性、低膨胀系数和低密度(约等于 钢铁的 1/2)等特点，用它代替耐热合金能大幅度地提高热机效率，降低能耗，节约贵重金属， 达到轻量化效果。目前，已广泛应用陶瓷材料代替Ni基耐热合金制造涡轮增压器的转子， 并且取得了良好的效果。 1.1 材料的选择 陶瓷材料质量轻，耐热性好，但存在脆性缺点。根据汽车用增压器的使用环境和条件， 特别是在 100 ℃以下的温度范围，对各种陶瓷材料进行选择的结果，发现Si3N4系陶瓷具 有质量轻、强度高、耐热冲击和韧性好等优越性，是制造涡轮转子的理想材料。以Si3N4 代替Ni基耐热合金制造涡轮转子，可使转子单体惯性矩减小45%，旋转体惯性矩减少34%。 增压器从起动至10万r/min 的加速时间缩短约36%。 1.2 成形技术 陶瓷成形方法一般有喷射成形、粉浆浇注和静水压(液压)成形等3种。喷射成形法是将 陶瓷粉浆注入高压喷枪，经喷枪喷射到预制好的型腔内；粉浆浇注法是最普通的一种陶瓷成 形方法，是将陶瓷粉浆直接注入预备好的模型中并吹干；静水压(液压)成形法是将陶瓷粉浆 注入模中，同时施加一定压力并吹干，是对粉浆浇注法的改进。表 1所列为陶瓷成形方法的 特点，作为陶瓷涡轮转子的成形方法，应选择生产率高和容易得到复杂形状的喷射成形法(因 粉浆浇注法受到形状限制)。其具体工艺是先采用静水压(液压)成形制作轴部和用喷射成形制 作薄壁的叶片部分，然后通过冲压的方法将轴和叶片整体成形。 1.3 烧结技术 Si3N4是共价结合性强的难烧结材料，但采用氧化物系助烧结剂，就能成为比较容易烧 结的材料。其常用的烧结方法有反应烧结法、常压烧结法、热压烧结法及气压烧结法等。 常压烧结法：是最普通的陶瓷制造法，如常压烧结Si3N4是在Si3N4 的粉末中加入烧 结催化剂(如Be、Mg、Al)等，在常压下烧结而成。 反应烧结法：是利用陶瓷在高温时的合成反应进行烧结，如反应烧结Si3N4，是把经过 粉碎后的金属Si粉末与结合剂混合，经加工成形或喷涂成形，在 1180 ℃～1200 ℃下一 次烧成，经加工后在1350 ℃～1450 ℃中氮化，即成为Si3N4的成品。 热压烧结法：是在碳制的模型中加温加压进行陶瓷的高温烧结，如热压烧结Si3N4即 是在Si3N4粉末中加进MgO、Y2O3等，加压到20MPa～30MPa，加热到 1700 ℃时所得 到的烧结体。 气压烧结法：气压烧结Si3N4时，是在装有电热丝的耐压容器中放入装有Si3N4粉末 的密封盒，在1700 ℃～1800 ℃、100MPa压力下的氩气中加热烧结而成。 Si3N4陶瓷烧结体的性能与烧结方法有关，表2列出各种Si3N4烧结法的特点。从增压 器涡轮转子的制造来看，采用反应烧结法，转子强度不足；而用热压法难以满足复杂形状的 要求。因而，目前普遍采用常压烧结法和气压烧结法制造Si3N4转子。表3列出这两种烧 结法所得到的Si3N4特性值。前者特点是能得到复杂聚合物的显微结晶；后者特点是抑制 助烧结剂并在高压下烧结，以增加高温强度等，作为高速旋转体，显示出充分的优点。 1.4 与金属轴的接合技术 陶瓷与金属轴的接合面靠近转子，防止在陶瓷破坏时润滑油向排气一侧流出，此接合面 的温度相当高。所以，作为耐高温的接合技术，一般采用压入法和活性钎焊法。 采用活性钎焊法时，Si3N4 的表面使用含Ti 的银钎焊，但要配置由Ni和 构成的应 力缓和层。在这种结构中，因为钎焊时Si3N4和金属轴的线膨胀系数及杨氏模量差别较大， 设置应力缓和层使残余应力减少。此外，从接合部位的温度分布、各材料的线膨胀系数和杨 氏模量以及钎焊材料有无反应等方面综合考虑，选择Ni和 的组合。 2 压气机叶轮的树脂化 由于纤维强化树脂的强度比高强度钢还高，其密度仅为1.5g/cm3～2.0 g/cm3，比铝合 金还要低。利用纤维强化树脂制造压气机叶轮，可达到减轻涡轮增压器质量的目的。 2.1 碳纤维强化树脂PKU 的特性 新开发的聚合物材料是以聚醚酮系树脂为基础，质量百分数为30%的