車用渦輪增壓器葉片材料的發(fā)展概述

徐銘駿，王子揚，高 宇

（沈陽工程學院 能源與動力學院，遼寧 沈陽 110136）

渦輪增壓器技術在汽車工業(yè)中的廣泛應用已成為提高發(fā)動機效率、降低燃油消耗、減少廢氣排放的有效手段［1-2］。渦輪增壓器能夠增加空氣密度，增加氣缸內(nèi)的進氣量，提高發(fā)動機熱效率，從而提高發(fā)動機的輸出效率。但是它還有不可忽略的缺點，其中最重要的一點為動力輸出反應滯后。特別是，具有不斷變化的負載的渦輪增壓器響應特性并不令人滿意。這是渦輪增壓技術中常見的問題［3］。為了提高加速性能并減少渦輪滯后帶來的影響，應減少旋轉體的慣性矩（轉動慣量），最有效的方法是減少旋轉體的質(zhì)量。使用新的渦輪機制造材料，并降低渦輪質(zhì)量是降低慣性矩并提高渦輪增壓器響應特性的重要手段［4］。當渦輪機運轉時，渦輪機具有較高的瞬時速度和工作環(huán)境溫度，因此對渦輪機材料有很高的性能要求［5］。近年來，許多國家正在研究開發(fā)新材料。目前，用于制造渦輪增壓器的材料主要是鎳基超合金、陶瓷材料和鈦鋁合金。

1 發(fā)展歷程

1.1 國外研究

早在1905年11月16日，瑞典科學家Alfred Büchi提出的內(nèi)燃機輔助增壓器技術被德國專利局授予了第204630號專利，這標志著渦輪增壓技術正式誕生。渦輪增壓器的生產(chǎn)在國外已有80多年的歷史。1953年，美國Garrett公司研發(fā)了T02渦輪增壓器，由此開始生產(chǎn)小型徑流式渦輪增壓器。1956年該公司僅生產(chǎn)兩種型號渦輪增壓器，到60年代已增加到11種。20世紀90年代，Garrett公司生產(chǎn)的CT15增壓器的質(zhì)量可以達到3.3 kg［6］，其匹配功率為15 kW～110 kW，它是為小排量客車、輕型商品機動車輛和船用柴油（汽油）機設計的。Schwitzer公司于1952年開始生產(chǎn)徑流式渦輪增壓器，從早期的D系列到90年代的S系列。K.K.K公司在 50至60年代生產(chǎn)3LKY、3LD、3LD2、3HD、4HD、4MF、4LG、5MD等型號渦輪增壓器，70年代生產(chǎn)K系列渦輪增壓器。日本三菱重工公司于1957年開始研制渦輪增壓器，生產(chǎn)TD系列17種基本型增壓器，其中TDo2型質(zhì)量僅2.2 kg。這些增壓器的研發(fā)、制造與應用，皆伴隨著增壓器制造材料的改進。

在50年代至90年代這一時期，渦輪葉片材料的發(fā)展主要是以在原有成熟材料基礎上改進得來。鎳基高溫合金是一種在具有腐蝕性和氧化性環(huán)境中仍有優(yōu)異的高溫強度、韌性和表面穩(wěn)定性的金屬材料［7］。渦輪增壓器早期采用的鍛造鎳基高溫合金就是在80%Ni和20%Cr的合金基礎上逐步發(fā)展得來的。隨后，為了順應高溫高轉速的使用環(huán)境，在該合金中添加少量Ti和Al來提高材料的蠕變斷裂強度以及抗高溫氧化等性能。例如，英國Mond鎳公司在1939年首先研制出了用于Whittle發(fā)動機渦輪葉片的Nimonic 75合金。它是一種低C、含Ti的鎳基合金，后來通過加入Al，又研制出Nimonic 80合金。其蠕變性能相較Nimoinc 75高出至少幾十度，該合金也是最早使用Ni3（Al、Ti）強化的渦輪葉片材料［8-9］。此后，Mond鎳公司在合金Nimonic 80A中加入約20%Co制成Nimonic90，其耐溫能力則可進一步提高約50℃［10］。若再進一步調(diào)整合金成分并改進熱處理工藝，可得到各項性能更佳的合金，如Nimonic l15、Nimonic 118等。英國Rolls-Royce公司早期生產(chǎn)的發(fā)動機，其渦輪葉片幾乎全部采用了Nimonic系列的變形高溫合金。

至今，國外渦輪增壓技術已趨于成熟，在軍事、農(nóng)業(yè)、民用等領域取得了極大進步。國外用于增壓渦輪的材料主要包括Inconel713C、GMR235、MARM247、MAR-M246、X40［11-12］等。在過去的20年中，國外汽車制造商不斷開發(fā)出采用渦輪增壓技術的小型汽車，使得渦輪增壓技術得到更大范圍的普及。

1.2 國內(nèi)研究

我國在20世紀70年代末開始研究汽油機增壓技術，且早期的渦輪材料主要以仿制為主，并在CA-10BDG2和6100-12機型上取得了成功。我國通過引進國外的先進生產(chǎn)線來制造渦輪增壓器，國產(chǎn)葉片材料早期也曾采用英國的高溫合金，如GH4080A等。在此基礎之上，國內(nèi)的研究人員還對這種高溫合金的性能和成分進行了改進，并發(fā)展了具有自主產(chǎn)權的高溫合金。到2001年，僅有少數(shù)車型采用增壓技術，還沒有國產(chǎn)增壓車型。目前，一汽、東風等國內(nèi)大型柴油機企業(yè)正在努力推廣渦輪增壓技術，不斷引進增壓柴油機。同樣一些公司已經(jīng)突破技術壁壘，開始將渦輪增壓技術應用于汽油發(fā)動機，以提高發(fā)動機的動力和經(jīng)濟性。國內(nèi)增壓器渦輪毛坯主要是以精密鑄造為主的鎳基高溫合金。我國廣泛使用的渦輪材料是自行研制的 K213、K418、K419和 K4002等鑄造高溫合金［11-12］。鑄造高溫合金由于其具有足夠的熱強度、熱穩(wěn)定性、良好的機械抗疲勞性和熱疲勞性能而被廣泛應用于汽車渦輪增壓器的制造。然而，由于渦輪增壓器的結構復雜，葉片部分的曲率變化很大，并且有些葉梢最薄處甚至僅為0.3 mm，當鑄造高溫合金用于制造渦輪機時，葉片容易熱裂［11］。因此，科研工作者應長期致力于解決該問題。

就我國常見的制造渦輪增壓器所使用的材料而 言 ，K213、K418、K419、K4002、Inconel713C、GMR235、MAR-M247、MAR-M246、X40等鑄造高溫合金在物理、化學及力學性能上是有一定差異的。例如，K419與國外同類型的合金相比較，工作溫度比MAR-M246合金高約10℃，比IN100合金高25～30℃，該合金不含昂貴的金屬元素［13］。表1［14］列舉了國內(nèi)渦輪增壓器所使用的鑄造高溫合金的主要用途。

表1中的合金雖能在高溫下工作，但在鑄造過程中形成的缺陷仍對渦輪增壓器的工作安全性影響很大。防治高溫鑄造過程中熱裂對渦輪葉片造成的影響是國內(nèi)外專家致力于解決的問題。目前，國內(nèi)較為統(tǒng)一和認同的方法是控制材料在高溫鑄造中的熱變形量和預熱溫度［15］。迄今為止，有關熱裂形成原因尚未研究透徹，在實際高溫鑄造過程 中，熱裂所造成的問題還未完全解決。

表1 國內(nèi)增壓器渦輪用鑄造高溫合金的主要用途

1.3 新材料

1.3.1 鈦鋁合金

鈦鋁合金是一種銀白色金屬，具有許多優(yōu)異的性能。鈦的密度為4.54 g/cm3，比鋼的密度小43%，機械強度卻與鋼相差不多。高溫鈦鋁合金是我國自主創(chuàng)新研發(fā)的新材料，密度低（約3.7～3.9 g/cm3），僅為鎳基高溫合金密度的一半左右，相比于K418鎳基高溫鑄造合金，在轉動慣量和瞬態(tài)響應性能方面有較大改善，并具有高溫強度和抗氧化性，用于渦輪增壓的壓力裝置可以大大減少其慣性矩，改善其瞬態(tài)響應［16］。由陳國梁院士領導的研究小組，經(jīng)過20多年的研究工作，開發(fā)出高溫、高性能、高品位的鈦鋁合金，這意味著中國在鈦鋁金屬間化合物研究領域處于國際領先地位［17］。

目前，正在開發(fā)新的高性能鈦鋁合金和渦輪增壓器技術［18］，國內(nèi)針對高性能鈦鋁合金已有研究，因此后續(xù)研究工作的重點主要集中在鈦鋁合金的鑄造、強度、可靠性等方面。日本三菱重工正在生產(chǎn)高響應鈦鋁基合金，將運用在三菱汽車上，其他國家也較為重視鈦鋁合金的相關性能，主要研究鈦鋁合金渦輪增壓器的超速破壞斷裂機及用于柴油機渦輪增壓器的耐久性等問題［19］。就成品方面來看，霍爾塞特已有鈦合金葉輪鑄造產(chǎn)品。因此，對鈦鋁合金增壓器渦輪的研究主要集中在鈦鋁合金的制備與鈦鋁合金渦輪的成型工藝方面。

1.3.2 陶瓷材料

陶瓷材料重量輕、耐熱，但卻有脆性的缺點。研究發(fā)現(xiàn)，Si3N4陶瓷具有重量輕、強度高、抗熱震、韌性好的優(yōu)點，是生產(chǎn)陶瓷渦輪轉子的理想材料［20］。通過使用Si3N4代替鎳基高溫合金來制造渦輪轉子，可以使慣性力矩減小約50%，并且旋轉體的慣性矩可以減小約70%。由此制造的渦輪機能承受高溫，慣性小、易于加速，從而提高了發(fā)動機的加速性能，減少了有害氣體和粉塵的排放，對環(huán)保具有積極意義。日產(chǎn)公司是第一家使用陶瓷渦輪增壓器的公司，早在六缸發(fā)動機驅(qū)動的日產(chǎn)200ZR汽車上，就安裝了Si3N4增壓器渦輪轉子［21］。日本IHI于20世紀80年代在其RHB5增壓器上使用了陶瓷渦輪機，而Mitsubishi Heavy Industries也在TD02-TD06系列增壓器上使用了陶瓷渦輪機［22］。國內(nèi)對陶瓷材料的研究起步較晚，但陶瓷渦輪機已經(jīng)被引入。同時，陶瓷渦輪增壓器的開發(fā)和應用也在全國范圍內(nèi)積極開展，這些工作都促進了渦輪增壓器新材料新技術的開發(fā)和應用［16］。

使用陶瓷渦輪增壓器的技術難點主要在于葉輪和旋轉軸之間的連接。在日本，陶瓷渦輪轉軸中間部位與轉軸之間采取靜壓連接方式。在國內(nèi)，開發(fā)金屬間化合物以代替?zhèn)鹘y(tǒng)渦輪增壓器材料的困難仍然是渦輪機和軸之間的連接，一旦流程成熟，將得到推廣［22］。

2 材料特性

汽車渦輪增壓器運行時渦輪瞬間轉速高、工作環(huán)境溫度高，所以對渦輪材料的性能要求很高［22］。目前，車用渦輪轉子的轉速通?？梢赃_到7 500 r/min，甚至更高，排氣溫度高達900℃以上。隨著材料技術的發(fā)展，對渦輪增壓器材料特性也有了更高的要求：

1）轉子選用的材料必須在高溫條件下具有更高的強度、斷裂韌性、抗沖擊性和較低的熱膨脹系數(shù)。

2）為了使渦輪小型化、輕量化，需降低材料密度，以獲得更小轉動慣量和良好的瞬態(tài)響應性能。

3）為了批量化生產(chǎn)，需降低生產(chǎn)及制造工藝的難度，降低原材料的成本。

4）使材料具有良好的耐久性和可維修性，以保證在整個壽命周期具有更低的運行成本。

3 結語

渦輪增壓技術發(fā)展至今，技術理論已趨于成熟。渦輪材料應當具有較好的耐熱性和高溫力學性能［23-24］，并在材料選擇、優(yōu)化和制造工藝等方面進行提高。隨著材料連接方式和零件設計水平等相關技術的發(fā)展，輕質(zhì)材料將廣泛應用于汽車領域。

考慮到材料的輕量化、承熱性、抗熱裂性、鑄造、鍛造的效率、能源利用、資金問題和對環(huán)境的影響，與傳統(tǒng)鎳基材料和鋁鈦材料相比，陶瓷材料在關鍵參數(shù)方面有著不可比擬的優(yōu)勢。目前，亟待解決的問題是陶瓷材料的批量燒制、與金屬材料的聯(lián)接和保證材料的剛度等問題。要達到批量生產(chǎn)和應用的標準，綜合相關仿真軟件進行階段擬合試驗和少量實驗生產(chǎn)已成為迫切需求。