管奇賢 董碧瑾 楊亞賓 藺桂成

摘要：渦輪增壓器處在高溫、高壓和高速運(yùn)轉(zhuǎn)的復(fù)雜工作狀態(tài)下，承受著較高的瞬態(tài)熱負(fù)荷，對(duì)制造的材料、零部件的結(jié)構(gòu)及加工技術(shù)等都有較高的要求。由于汽油機(jī)排氣溫度很高，隨著不同工況的變化，渦殼通常在400～900 ℃高溫交變熱負(fù)荷下工作[1]，高溫、快速、大范圍的溫變工況致使熱應(yīng)力引起的渦殼開(kāi)裂成為增壓器常見(jiàn)的失效現(xiàn)象。采用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）分析計(jì)算、材料耐溫分析、微觀組織質(zhì)量評(píng)價(jià)與臺(tái)架試驗(yàn)邊界等方法，對(duì)渦殼開(kāi)裂問(wèn)題進(jìn)行探討，增加在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及試制過(guò)程中處理及改善此類(lèi)問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)，從而減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本，縮短開(kāi)發(fā)周期，對(duì)提升發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性及耐久性具有重要意義。

關(guān)鍵詞：渦輪增壓器;開(kāi)裂;D5S材料

0?前言

渦輪增壓技術(shù)可有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)升功率及燃油經(jīng)濟(jì)性，特別是有助于滿足日益嚴(yán)格的車(chē)輛排放標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，從而成為了汽車(chē)技術(shù)的焦點(diǎn)。本文通過(guò)對(duì)某機(jī)型渦輪增壓器渦殼開(kāi)裂失效案例進(jìn)行研究，對(duì)其失效機(jī)理開(kāi)展分析，從而制定改進(jìn)措施，并進(jìn)行了效果驗(yàn)證。

1?渦輪增壓器渦殼開(kāi)裂失效現(xiàn)象

渦輪增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生渦殼開(kāi)裂現(xiàn)象。在本案例中，發(fā)動(dòng)機(jī)在完成400 h冷熱沖擊試驗(yàn)后，研究人員發(fā)現(xiàn)廢氣閥座附近存在貫穿裂紋，開(kāi)裂情況見(jiàn)圖1。

研究人員通過(guò)對(duì)渦殼開(kāi)裂部位斷面的SEM分析，得出開(kāi)裂主要原因?yàn)闊釕?yīng)力。

2?增壓器渦殼開(kāi)裂失效原因分析

引起汽油機(jī)渦輪增壓器渦殼開(kāi)裂失效的原因一般是各種因素的綜合結(jié)果，但根據(jù)實(shí)際案例經(jīng)驗(yàn)的積累，基本可分為以下4大類(lèi)：

（1） 渦殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷。由于安裝空間和其他連接部件的限制，渦殼外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜而導(dǎo)致渦殼開(kāi)裂[2]。主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，整體壁厚設(shè)計(jì)不均勻，局部倒角、圓角過(guò)小，過(guò)渡突兀等，可結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）仿真分析等手段進(jìn)行分析。

（2） 產(chǎn)品鑄造、熱處理問(wèn)題?？剂课⒂^組織質(zhì)量，主要表現(xiàn)為渦殼熱處理不滿足要求或者無(wú)熱處理，無(wú)法目視的鑄造缺陷（砂眼、氣孔、縮松、缺肉等），金相組織、孔隙率等微觀質(zhì)量問(wèn)題。

（3） 標(biāo)定排溫控制。渦殼在運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)態(tài)最高排溫超過(guò)了材料本身的許用限值導(dǎo)致開(kāi)裂。

（4） 試驗(yàn)邊界，臺(tái)架懸置不合理（帶來(lái)異常振動(dòng)等）。排氣系統(tǒng)未按照設(shè)計(jì)要求布置，未采用柔性懸掛，臺(tái)架散熱不佳或無(wú)散熱等。

綜上，本文將重點(diǎn)圍繞這4類(lèi)導(dǎo)致渦殼開(kāi)裂的典型原因進(jìn)行分析論述。

2.1?渦殼介紹

渦殼的流道曲面形狀和外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響渦殼開(kāi)裂的因素較多，諸如流道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、流道整體壁厚、渦輪外殼（W/G）凸臺(tái)、渦殼材料等。本文所述增壓器渦殼結(jié)構(gòu)與排氣歧管集成，材料采用高鎳鑄鐵材料GGG.NiSiCr35.5.2 （以下簡(jiǎn)稱D5S）。安全使用溫度約為920 ℃，實(shí)際應(yīng)用瞬態(tài)工況可以允許達(dá)到950 ℃，持續(xù)時(shí)間一般應(yīng)小于5 s。材料的低熱膨脹系數(shù)和穩(wěn)定的金相組織有著較高重要性，它決定著渦殼在使用過(guò)程中的伸長(zhǎng)、收縮和彎曲變形，材料具有較高的相變溫度才能獲得穩(wěn)定的基體組織，以減小相變引起的熱裂和變形[3]。該材料的力學(xué)性能見(jiàn)表1。

2.2?熱應(yīng)力分析.校核渦殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1?裂紋原因分析

在試驗(yàn)冷熱過(guò)程中，由于受到材料熱脹冷縮、壁厚不均、高溫蠕變、振動(dòng)及渦殼結(jié)構(gòu)等因素的影響，會(huì)形成應(yīng)力集中區(qū)，隨著耐久試驗(yàn)的推進(jìn)，應(yīng)力集中區(qū)會(huì)產(chǎn)生裂紋。對(duì)于渦殼鑄件來(lái)說(shuō)，其壁厚一般為4～5 mm。均勻的壁厚將有利于渦殼的良好散熱，也不容易產(chǎn)生熱應(yīng)力集中的情況。

2.2.2?分析模型圖

通過(guò)模擬計(jì)算，評(píng)估渦殼熱應(yīng)力開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)并給出相應(yīng)改進(jìn)方案，分析流程按下文所述4點(diǎn)開(kāi)展進(jìn)行[4]，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。

（1） 設(shè)定邊界條件（基于有限元模型）。

渦殼溫度場(chǎng)負(fù)荷：氣體換熱系數(shù)和氣體溫度、環(huán)境熱對(duì)流與輻射、模擬中間體冷卻。

渦殼熱應(yīng)力負(fù)荷：溫度場(chǎng)、位移約束渦殼進(jìn)氣法蘭[5];其中氣體換熱系數(shù)和氣體溫度通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）計(jì)算求得。

（2） 試驗(yàn)工況。模擬計(jì)算需加入臺(tái)架試驗(yàn)的循環(huán)工況（冷熱沖擊），其示意圖如圖2所示。

根據(jù)試驗(yàn)循環(huán)工況，排溫最高出現(xiàn)在全速全負(fù)荷時(shí)候，模擬計(jì)算渦殼前廢氣排溫怠速425 ℃，額定功率點(diǎn)950 ℃（實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)）進(jìn)行。

（3） 溫度場(chǎng)分布。根據(jù)試驗(yàn)工況，得出各工況點(diǎn)下的渦殼溫度場(chǎng)分布，可得出高溫區(qū)域范圍。渦殼溫度場(chǎng)分布如圖3所示。

塑性應(yīng)變分布：得出應(yīng)變分布，業(yè)內(nèi)考核通常采用等效塑性應(yīng)變幅值（ΔPEEQ）來(lái)評(píng)價(jià)，渦殼內(nèi)外部的考核標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)實(shí)際有所差異，一般要求外部ΔPEEQ<01%。

2.3?鑄件微觀組織質(zhì)量對(duì)開(kāi)裂的影響

本試驗(yàn)采用高鎳球墨鑄鐵（奧氏體鎳抗球墨鑄鐵），高鎳球鐵一般含鎳量為13%～36%。鎳是強(qiáng)力的奧氏體穩(wěn)定化學(xué)元素，可擴(kuò)大奧氏體的存在區(qū)間，可以使基體在室溫下獲得穩(wěn)定奧氏體組織[6.7]。高鎳球鐵具有優(yōu)異的高溫組織穩(wěn)定性和抗氧化能力，下文從如下幾個(gè)微觀組織方面進(jìn)行論述。

2.3.1?碳化物

金相組織中碳化物一般以粒狀或網(wǎng)狀分布較多，粒狀要優(yōu)于網(wǎng)狀。如果碳化物呈網(wǎng)狀分布的話，會(huì)降低材料的塑性。一旦出現(xiàn)了裂紋，則會(huì)大幅降低其抑制裂紋擴(kuò)展的能力[8]。同時(shí)，鑄件如果未采用熱處理工藝，則其碳化物分布均勻性會(huì)相對(duì)較差。

2.3.2?顯微縮松（孔隙率）

一般而言，顯微縮松越嚴(yán)重，說(shuō)明鑄造質(zhì)量越差，其機(jī)械性能也就越差。根據(jù)渦殼具體部位的不同，對(duì)于孔隙率的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)也不大相同，關(guān)鍵放氣閥座、渦殼舌口等功能部位要求嚴(yán)格，縮松目標(biāo)為不大于2%，非功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)控制在5%以下。

2.3.3?球化率

球化率指標(biāo)有著較高重要性，詳見(jiàn)表2標(biāo)準(zhǔn)。在排氣系統(tǒng)特別是在渦輪增壓器渦殼的應(yīng)用上建議為2級(jí)或者更高，即球化率大于90%。球化率級(jí)別越高，其機(jī)械性能越好，反之越差。另外，對(duì)石墨的大小也有要求，一般為6～7級(jí)。

2.4?標(biāo)定排溫控制對(duì)開(kāi)裂的影響

根據(jù)表2可知，D5S排溫最高應(yīng)不超過(guò)920 ℃，可允許瞬時(shí)最高排溫至950 ℃。

對(duì)于大負(fù)荷工況下的汽油機(jī)排溫控制而言，通常的手段是采用加濃燃油噴射。因此在標(biāo)定策略上必須以增壓器渦殼材料耐溫限值來(lái)約束標(biāo)定的最高排溫，以本研究的高鎳球墨鑄鐵D5S為例，最高標(biāo)定穩(wěn)態(tài)排溫必須限制在920 ℃，此時(shí)過(guò)量空氣系數(shù)λ≈0.79～080。

2.5?試驗(yàn)邊界條件的控制

對(duì)于試驗(yàn)邊界條件的控制（臺(tái)架布置的合理性），主要是通過(guò)散熱及振動(dòng)來(lái)關(guān)注。

2.5.1?振動(dòng)加速度、振幅

試驗(yàn)人員對(duì)臺(tái)架耐久發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)振動(dòng)加速度及振動(dòng)幅值進(jìn)行測(cè)試，在所有工況下的最大振動(dòng)加速度最高可達(dá)12.5 G，見(jiàn)圖4。相比振動(dòng)加速度，其振動(dòng)幅值相對(duì)較小，其幅值為0.45 mm，見(jiàn)圖5。

由此可以判斷，過(guò)大的振動(dòng)加速度將加劇渦殼開(kāi)裂失效的風(fēng)險(xiǎn)。在可控范圍內(nèi)，加速度以及振幅均是越小越好[9]。

2.5.2?散熱條件

臺(tái)架耐久試驗(yàn)不同于整車(chē)道路耐久試驗(yàn)，其全速全負(fù)荷工況惡劣，必須在排氣側(cè)加裝額外的大功率散熱風(fēng)扇。

綜上分析，需要對(duì)此渦殼開(kāi)裂案例進(jìn)行整改，以達(dá)到規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的目標(biāo)要求。

3?鎖定本案例失效的主因

根據(jù)上文可知，其熱應(yīng)力區(qū)域與本文故障增壓器渦殼開(kāi)裂區(qū)域相吻合，熱應(yīng)力是其開(kāi)裂的主要原因之一，詳見(jiàn)圖6塑性應(yīng)變分布。

D5S材料的耐溫上限為920 ℃，此故障件耐久試驗(yàn)并未對(duì)排溫進(jìn)行嚴(yán)格控制，詳見(jiàn)圖7。最高溫度情況達(dá)到了950 ℃，這是導(dǎo)致渦殼開(kāi)裂的重要原因之一。

隨著，研究人員對(duì)失效故障件切片進(jìn)行微觀組件檢測(cè)，其孔隙率、碳化物含量偏高，可知微觀質(zhì)量缺陷為開(kāi)裂主因之一，詳見(jiàn)圖8。

顯微縮松顯示，碳化物含量偏高，且局部成網(wǎng)狀分布，對(duì)機(jī)械性能產(chǎn)生影響，抑制裂紋擴(kuò)展的能力大幅下降[8]，詳見(jiàn)圖9。

在試驗(yàn)室臺(tái)架布置中，所有緊固支架、支撐點(diǎn)、散熱風(fēng)扇均已按照設(shè)計(jì)及試驗(yàn)要求安裝，但是根據(jù)上述振動(dòng)加速度的測(cè)量，振動(dòng)加速度偏高。鑒于試驗(yàn)臺(tái)架無(wú)法完全與整車(chē)布置一致，且臺(tái)架懸置也已經(jīng)按整車(chē)要求加裝橡膠墊，因此振動(dòng)加速度偏大不被納入主因。失效故障增壓器廠家設(shè)定的振動(dòng)加速度標(biāo)準(zhǔn)為小于15 G，但針對(duì)非旋轉(zhuǎn)部件（渦殼、中間殼等）的振動(dòng)限值須根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用情況測(cè)試，結(jié)果以滿足使用要求、無(wú)共振為導(dǎo)向。

4?改進(jìn)措施及效果驗(yàn)證

研究人員在偏薄區(qū)域增加壁厚，按5 mm的厚度考量，加大根部圓角，局部增設(shè)加強(qiáng)筋，優(yōu)化渦殼三維（3D）造型，緩解熱應(yīng)力，詳見(jiàn)圖10。

研究人員考慮優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)，減少孔隙率、顯微縮松，弱化碳化物。圖11示出了改善后的結(jié)果，其已經(jīng)滿足功能區(qū)不大于2%，非功能區(qū)小于5%的目標(biāo)要求。

在失效案例整改的過(guò)程中，試驗(yàn)人員與鑄造廠家交流了鑄造工藝方面的幾個(gè)要點(diǎn)：

（1） 爐料要求干凈、無(wú)油污，雜質(zhì)含量嚴(yán)格控制，澆冒口要拋丸處理;

（2） 嚴(yán)格控制開(kāi)澆溫度;

（3） 增加脫氧次數(shù)，提高抗氧化性[10];

臺(tái)架耐久排溫監(jiān)測(cè)，嚴(yán)格控制渦輪前廢氣溫度，溫度如達(dá)到920 ℃會(huì)報(bào)警，溫度如達(dá)到950 ℃則會(huì)自動(dòng)停機(jī)。

通過(guò)上述整改措施，在后續(xù)的400 h冷熱沖擊耐久試驗(yàn)中，開(kāi)裂問(wèn)題得到有效解決。

5?結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)渦輪增壓汽油機(jī)渦殼臺(tái)架耐久后開(kāi)裂（貫穿裂紋）問(wèn)題進(jìn)行分析，圍繞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、渦殼材料、材料微觀組織、排溫、試驗(yàn)邊界等方面開(kāi)展詳細(xì)的驗(yàn)證工作，最終開(kāi)裂問(wèn)題得到有效解決，從中得到如下結(jié)論。

（1） 渦殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須通過(guò)有限元分析研究，優(yōu)化熱應(yīng)力集中部位結(jié)構(gòu)，緩解熱應(yīng)力。

（2） 渦殼微觀組織必須得到監(jiān)控，根據(jù)不同材料制定相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，同一批次保留樣件，供后續(xù)分析、對(duì)比檢測(cè)使用。

（3） 排溫必須在渦殼材料許用溫度限制以內(nèi)，如采用果不能滿足，則需要更換耐溫更高的材料，如采用鑄鋼DIN1.4837材料。

（4） 臺(tái)架振動(dòng)帶來(lái)的影響不可避免，盡可能通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及布置方式來(lái)減緩臺(tái)架振動(dòng)對(duì)排氣側(cè)的影響。

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