汽車增壓渦輪用K418高溫合金粉末的燒結行為研究

陳曉宇

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汽車增壓渦輪用K418高溫合金粉末的燒結行為研究

陳曉宇

（江淮汽車技術中心乘研院協同開發部，安徽 合肥 230009）

文章以水霧化K418高溫合金粉末為原料，研究了不同燒結溫度對合金組織、結構和相關力學性能的影響。研究結果表明，隨著溫度的升高，合金致密度與顯微硬度均呈上升趨勢。在1240℃燒結時達到最大值，分別為97.3%和431HV0.3。

高溫合金；K418；燒結；γ'相

前言

渦輪增壓技術應用于汽車是實現汽車工業節能減排最有效的手段之一。該技術是利用廢氣循環，推動增壓渦輪壓縮空氣，增大進氣量，從而提高發動機功率，降低油耗，環保節能。而該技術中增壓渦輪是應用的關鍵部件，工作溫度在550~850℃，轉速為30000~110000r/min，使用壽命1000 ~10000h。由于服役條件苛刻，所以渦輪材料需要具有好的高溫力學性能、高屈服點、長期組織穩定性及良好的鑄造性[1]。鎳基高溫合金因具有足夠的高溫強度、熱穩定性、抗機械疲勞性、抗熱疲勞性能等優點，長期以來被大量用于制作汽車增壓器渦輪。目前國內大量使用的增壓渦輪材料是自行研制的K418、K419、K4002等[2, 3]。

本研究以K418鎳基高溫合金為研究對象，以水霧化合金粉末為原料，對粉末進行壓制燒結，分析了不同溫度對高溫合金燒結組織、成分結構以及力學性能的影響。

1 實驗部分

將水霧化K418合金粉末進行模壓成型，壓制成型為Φ15 mm的圓片（SY-6210），然后對獲得的生坯塊體進行溫度梯度燒結（合肥科晶管式爐GSL-1600X），燒結溫度根據參考文獻選擇1120℃，1170℃，1220℃，1240℃，1260℃，并均在750℃溫度下進行熱處理。對燒結的塊體進行磨樣，排水法（阿基米德原理，DH-3000M密度儀）對其密度進行測定。

用場發射掃描電鏡（FESEM，日本日立SU8020）分析觀察粉末顆粒的粒度、形貌和燒結與熱處理樣品相的析出與分布情況。析出相的觀察采用電解拋光+電解浸蝕工藝，觀察顯微組織中的γ'相與碳化物。電解拋光采用H2SO4+ CH3OH，在5V電壓下，浸蝕5-10s去除表面殘余應力；電解浸蝕采用CrO3+H2SO4+H3PO4，在20V電壓下浸蝕1-3s，可獲得良好的觀察析出相的樣品。

利用萬能材料試驗機(CMT-5105)測試燒結材料的抗拉強度。

2 結果與討論

表1為水霧化K418合金粉末的各元素含量。合金的成分簡單，不含鈷元素，密度較低。因為水霧化粉末在霧化過程中以水為介質，引入了氧元素，因而氧含量略微較高。

表1 粉末高溫合金化學成分

將得到的K418合金粉末進行掃描電鏡分析，其形貌照片如圖1所示。從圖中可以明顯看出，水霧化合金粉末大部分顆粒呈球形或近球形，少量粉末顆粒呈不規則形狀，粒度明顯小于市售氣霧化合金粉末，平均粒徑僅7.5μm，相較于氣霧化合金粉末小了50%多，并且幾乎不含有超過20μm的粉末顆粒。同時，經過水霧化處理的合金粉末粒度分布較廣，比表面積較大，因此具有較好的活化燒結性能。

圖2 K418合金致密度隨燒結溫度變化的曲線

圖2為不同溫度燒結后的致密度隨溫度變化的曲線。從圖中曲線可以看出，當燒結的溫度低于1220℃時，合金的致密度隨燒結溫度的提高而明顯增大。當燒結溫度為1240℃時，合金的致密度為97.3%。然而，繼續提高燒結溫度致密度出現了降低的現象，這是因為高溫下部分材料組織局部熔化而造成的。

圖3為不同燒結條件下的K418合金的掃描電鏡分析照片。圖3(a)是氬氣氣氛中1120℃燒結且經過750℃4h時效處理的的K418合金顯微組織。很明顯，由于燒結溫度較低，樣品中可以觀察到明顯的孔洞，并伴生有較多的碳化物，合金中的γ'相雜亂分布，形狀以不規則的鏈狀結構為主，尺寸在0.5~1μm。圖3(b)為1220℃燒結后合金中的形貌。在晶粒內部析出相為尺寸在0.2~0.6μm之間的中等大小的方形γ'相及少量尺寸在0.2~0.3μm的球形析出相，而較大的析出相仍保持呈鏈狀結構。隨著溫度的繼續升高，在1240℃下（圖3(c)）合金組織中γ'相更加規則，但有所長大在1μm左右，實驗說明溫度的升高使得元素充分擴散，γ'相由球形逐漸轉變為與基體共格應力較小的立方形析出相。當燒結溫度達到1260℃時，圖3(d)中碳化物相比于低溫度燒結時效有明顯的長大，部分已經連成片狀，這樣的結構容易在受力時產生應力集中，成為裂紋源。

圖3 K418合金組織結構隨燒結溫度變化的FESEM照片

圖4 K418合金顯微硬度隨燒結溫度變化的曲線

圖4為K418合金顯微硬度隨時間變化的曲線。從曲線中可以明顯看出，隨著燒結溫度的升高，顯微硬度逐漸增大。當溫度達到1240℃時，硬度值達到最大為431HV0.3。繼續升高溫度反而出現下降。分析其原因為：一方面，由于溫度升高，合金的致密度明顯提高，因此材料的顯微硬度也隨之升高。另一方面，由于溫度升高，合金中的強化相γ'相的尺寸與數量都逐漸增多，提高了材料的強度，而更高的溫度燒結處理增大了晶粒與碳化物的尺寸，γ'相與基體的共格逐漸失穩，影響了界面的穩定性，降低了材料的力學性能[4]。因此出現了在1260℃時硬度下降的現象。

3 結論

本文以水霧化K418高溫合金粉末為原料，在不同燒結溫度對其進行燒結。研究結果表明，隨著溫度的升高，合金致密度先上升，在1240℃燒結時達到最大值為97.3%，而過高的燒結溫度會使得部分材料組織局部熔化而造成密度下降。實驗中顯微硬度隨著溫度同樣先升高后下降，其最大值為431HV0.3。這是因為溫度的升高可以提高致密度同時產生較小的立方形γ'析出相，從而提高力學性能，而過高溫度則會增大了晶粒與碳化物的尺寸，降低了材料穩定性。

[1] 黃乾堯,王迪,師昌緒.中國高溫合金四十年[M].北京:中國科學技術出版社,1996.

[2] 趙展,董建新,張麥倉,鄭磊,姚志浩.增壓渦輪用K424高溫合金組織特征及熱裂傾向性[J].工程科學學報,10(38): 1429.

[3] Shi Z X,Dong J X,Zhang M C. Development of hot tearing on cast superalloys used for auto turbocharger turbine wheel[J].J.Mater. Eng.2012,2( 6) : 91.

[4] 楊福寶,李丹,劉欣,章林,景艷紅,朱強.鎳基高溫合金增壓渦輪的粉末注射成形試驗研究與缺陷分析[J].稀有金屬,2012,11(40):1112.

Study on Sintering Behavior of K418 Superalloy Powder for Automotive Turbocharged Turbine

Chen Xiaoyu

( Jianghuai Automobile Technology Center, Institute of Synergy Development, Anhui Hefei 230009 )

The effects of different sintering temperatures on the microstructure, structure and related mechanical properties of alloys were investigated by using water atomized K418 superalloy powder as raw material. The results show that the density and microhardness of the alloy increase with the increase of temperature. The maximum was reached at 1240 ° C sintering, 97.3% and 431 HV0.3, respectively.

superalloy; K418; sintering; γ' phase

A

1671-7988(2018)16-81-03

U465.2

A

1671-7988(2018)16-81-03

CLC NO.: U465.2

陳曉宇，就職于江淮汽車技術中心乘研院協同開發部。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.029