金属粉末注射成型汽车涡轮增压器部件制造新工艺

金属注射成型(MIM)技术可以将那些难以用其它传统工艺加工的材料，制造成结构复杂的零件。这一特性使其成为生产高性能涡轮增压器零件的理想方法。巴斯夫公司独特的Catamold 工艺，可以帮助解决涡轮增压器MIM零件的开发过程中存在的一系列关键性难题。

涡轮增压器MIM零件

涡轮增压器的核心在于涡轮室内由热废气流推动的涡轮，以及位于冷空气一侧的压缩叶轮。压缩叶轮只需耐受较低的温度，铝制叶轮性能就能完全满足要求。而涡轮室的高温废气则要求涡轮使用耐高温优质钢材。涡轮通常用精密铸造工艺生产，理论上，涡轮可以用MIM工艺制造。

金属注射成型(MIM)技术在较早以前就曾被应用在涡轮增压器零件上。由于MIM在材料选择和设计自由度方面优势明显，近年来MIM技术制造的零件被大量使用，其性能也已经在实际使用中得到了证明。

面临的挑战

尽管MIM技术取得了一定的进步，但要制造出那些要求近乎苛刻的零件，仍然有大量有关工艺优化、零件结构和模具设计方面的工作。当涡轮的中心区域材料累积过多时，可能导致缩孔的现象。这是因为冷却过程中出现了体积收缩。当模具中注满熔融材料时(精密铸造中为熔融金属，MIM中为熔融喂料)两种工艺都存在出现这种缺陷的可能性。而利用现代模拟技术可以对这一问题进行详细的分析。例如，借助适当的软件精确预测MIM注射成型过程。图1显示的便是涡轮模拟充模的效果，这个零件采用了一个圆锥形浇口，熔融喂料通过它注入到零件中。

除了模具和熔体温度以外，通过对注射速度(cm3/s)的进一步调节，能够非常真实地模拟出充模过程。图1和图2显示的是涡轮充模随时间变化的过程。在设定条件下，零件在1.1s内被填满。色温图显示的是充模过程中熔体随时间的变化。蓝色区域首先被填充，最后是红色区域。通过观察零件在模具中或脱模后的冷却过程，可以探知缺陷区域熔体凝固的细微过程。图3为涡轮在模具中冷却40s后的凝固压力截面图。中间较大的蓝色区域表示冷却结束时压力非常低，而相邻的区域中材料已经固化，从而阻止了更多熔体进入。因此，蓝色区域内由于材料冷却引起的体积收缩导致了缩孔的产生。图4清楚地展示了这一问题，冷却时间过后仍未固化的材料造成了空穴。

失芯(Lost core)技术

在Catamold 工艺流程中，注射成型完成后，聚甲醛粘结剂在酸性环境下于脱脂炉中发生分解，从而被快速地从零件中去除掉。

如果先用聚甲醛注塑一个模芯，然后喂料在模芯周围进行包塑，那么随着聚甲醛模芯在脱脂过程中被去除，就能够得到具有复杂中空结构的零件。

图5的剖面图显示了如何在注射成型工艺中，通过嵌入模芯，使得原本的实心部件形成一个中空内部结构。随着模芯在注射成型之后被去除，将会形成一个特定的中空结构。

图6显示了失芯技术对涡轮缺陷区域的改善效果。彩色条纹代表各区域凝固所需的时间。该部件除模芯以外的部分经过27s的冷却后完全固化。

与普通MIM工艺相比，失芯法使得零件生产效率显著提高。这是因为，在理论上，模芯可以做成任何形状，内部结构可以根据涡轮的实际大小和载荷进行调整，同时这项技术还可以大大降低涡轮的重量。

烧结工艺

金属注射成型技术的最后一个步骤是烧结，在这个过程中，剩余的粘结剂将被去除，零件的尺寸会收缩变小。烧结的温度稍低于所用合金的熔点，过程中尺寸会发生较大的变化。

MIM零件的收缩特性，受模具形状、长期生产稳定性、材料批次差异以及加工窗口的影响。为了得到稳定的收缩率，模具的生产，尤其对几何结构复杂的零件还需要经过几轮优化过程，对尺寸进行校正。这些尺寸变化有的是难以提前预知的，可能在注射成型或烧结的过程中形成。

不难想象，在高达1200℃~1450℃(根据不同材料种类)的烧结温度下，形状复杂的部件很容易发生变形。这种变形在很多情况下可以通过适当的零部件设计和工艺控制得以避免。

然而，当壁厚、悬臂结构以及由于收缩产生的摩擦力等原因共同导致变形时，情况会变得更加复杂。

许多深入的基础研究都是为了能够事先预测可能出现的变形以及收缩差异，从而尽可能地通过对模具进行适当修改，而加以消除。

涡轮增压器导向叶片的建模

图7显示的是烧结模拟过程中使用的涡轮增压器的导向叶片。 借助模拟软件，可分辨出最易发生变形的区域。这里采用了Barriere所描述的烧结模型。该模型中，将MIM零件发生的肉眼可见的收缩视为蠕变，并按照粘弹性材料的特性进行描述。模拟过程中，相关膨胀计试验的结果见图8。图中显示了Catamold 310N材料在两种加热速率(左侧坐标)下经过一定时间后的收缩情况(右侧坐标)。很明显，不同的加热速率会导致不同的收缩率，加上烧结过程中发生的其它反应，会导致零件发生变形。

图9中，左侧显示的是交叉链接的导向叶片，线条指示的是烧结时所处的位置。右侧对比显示了烧结前后的零件，可以明显地看到零件的形状和位置的变化。

以烧结模型和材料的收缩特性为基础，可以计算出零件在空间方向上的收缩。因此，图10显示了烧结时产生的收缩情况。色温图清楚标明了区域收缩变小的趋势。考虑沿轴向收缩(图9)，深蓝色代表收缩程度最大的区域，从轴颈向导向叶片过渡的黄色部分代表收缩最小的区域。

为了进行对比，对导向叶片的平放烧结过程也进行了模拟。模拟得出的结果，使得在零件的开发过程中就考虑并采取恰当的措施消除各向异性收缩成为可能。

原材料

MIM涡轮的制造涉及到的另一个核心问题是能否获得合适的材料。这些材料要求能够在高载荷的情况下耐受高达1080℃的高温。MIM的关键优势在于它可以利用精密铸造难以加工的材料制造零件。

超耐热合金从2003年开始就被应用于MIM技术，并广为人知。在涡轮增压器叶轮材料的选择上，一个基本要求是，在高温下具有高强度，图11显示的是高温作用1000h后，不同材料的断裂强度值。

由于采用超细粉末生产，MIM超耐热合金零件的微观结构非常均匀，与精密铸造的零件的微观结构大不相同。Inconel 713 C是一种经常被用来制造涡轮增压器零件的超耐热合金，也被开发成为MIM材料。

由于铝和钛的含量相对较高，这种材料的烧结在常见的烧结环境(氢气、氮气)下根本无法进行。然而，研究发现，使用氩气作为保护气，可以防止这些元素在烧结过程中发生氧化，并实现对收缩的有效控制。

室温下MIM零件和精密铸造样品的机械强度直接对比(附表)，证明了采用Catamold 工艺可以获得优异的材料性能。

总结

涡轮增压器市场将在未来几年内继续呈现出强劲的增长态势，其中一个原因是汽油发动机涡轮增压器应用的逐渐增加。

金属注射成型技术已经证明是生产涡轮增压器用复杂零件的有效方法之一，然而MIM技术在成型方面的潜力还亟待发掘。

随着注射成型和烧结过程模拟技术应用的发展，使进一步减少零件开发过程中的产品优化步骤成为可能。MIM技术为高耐热材料的使用提供了充分保证。采用MIM超高温合金等耐热材料制造的零件具有非常均匀的微观结构，其室温下的机械性能甚至超越了精密铸造零件。