Bộ phận MIM tuabin siêu nhỏ

Giơi thiệu sản phẩm

Lời khuyên cốt lõi: Công nghệ Đúc phun kim loại (MIM) có thể sản xuất các vật liệu khó xử lý bằng các quy trình truyền thống khác thành các bộ phận có cấu trúc phức tạp. Tính năng này làm cho nó trở nên lý tưởng để sản xuất bộ tăng áp hiệu suất cao
Công nghệ Đúc phun kim loại (MIM) có thể sản xuất những vật liệu khó xử lý bằng các quy trình truyền thống khác thành các bộ phận có cấu trúc phức tạp. Đặc điểm này làm cho nó trở thành một phương pháp lý tưởng để sản xuất các bộ phận tăng áp hiệu suất cao. Quy trình Catamold độc đáo của BASF có thể giúp giải quyết một loạt các vấn đề chính trong quá trình phát triển các bộ phận MIM của bộ tăng áp.

Bộ phận MIM tăng áp
Trái tim của bộ tăng áp là một tua-bin bên trong buồng tua-bin, được dẫn động bởi luồng khí thải nóng, và một bánh nén ở phía khí lạnh. Cánh quạt nén chỉ cần chịu được nhiệt độ thấp hơn và hiệu suất của cánh quạt nhôm hoàn toàn có thể đáp ứng yêu cầu. Khí thải nhiệt độ cao trong buồng tuabin đòi hỏi phải sử dụng thép chất lượng cao chịu nhiệt độ cao cho tuabin. Tua bin thường được sản xuất bằng quy trình đúc đầu tư. Về lý thuyết, tuabin có thể được sản xuất theo quy trình MIM.
Công nghệ Metal Injection Molding (MIM) đã được sử dụng trong các bộ phận tăng áp từ lâu. Do những ưu điểm rõ ràng của MIM trong việc lựa chọn vật liệu và tự do thiết kế, các bộ phận được sản xuất bằng công nghệ MIM đã được sử dụng rộng rãi trong những năm gần đây và hiệu suất của nó đã được chứng minh trong thực tế sử dụng.

Chành lang

Mặc dù công nghệ MIM đã đạt được một số tiến bộ, nhưng vẫn còn rất nhiều công việc về tối ưu hóa quy trình, cấu trúc bộ phận và thiết kế khuôn để sản xuất những bộ phận gần như đòi hỏi khắt khe. Khi quá nhiều vật liệu tích tụ ở khu vực trung tâm của tuabin, nó có thể gây ra hiện tượng co ngót. Điều này là do sự co rút thể tích xảy ra trong quá trình làm mát. Cả hai quy trình đều có khả năng xảy ra lỗi này khi khuôn được đổ đầy vật liệu nóng chảy (kim loại nóng chảy trong quá trình đúc đầu tư, nguồn cấp dữ liệu nóng chảy trong MIM). Việc sử dụng các kỹ thuật mô phỏng hiện đại có thể được sử dụng để phân tích chi tiết vấn đề này. Ví dụ, dự đoán chính xác quy trình ép phun MIM với sự trợ giúp của phần mềm thích hợp. Hình 1 cho thấy tác dụng của việc làm đầy khuôn mô phỏng turbo. Bộ phận này sử dụng một cổng hình nón mà qua đó nguyên liệu nóng chảy được bơm vào bộ phận.
Ngoài khuôn và nhiệt độ nóng chảy, quá trình điền đầy khuôn có thể được mô phỏng rất chân thực bằng cách điều chỉnh thêm tốc độ phun (cm3/s). Hình 1 và 2 cho thấy quá trình điền đầy khuôn tuabin theo thời gian. Trong các điều kiện đã đặt, phần được lấp đầy trong vòng 1,1 giây. Biểu đồ nhiệt độ màu cho thấy sự thay đổi của chất tan chảy theo thời gian trong quá trình làm đầy. Khu vực màu xanh được lấp đầy đầu tiên, khu vực màu đỏ cuối cùng. Bằng cách quan sát quá trình làm mát của bộ phận trong khuôn hoặc sau khi tháo khuôn, có thể phát hiện quá trình hóa rắn tan chảy tinh tế trong khu vực khuyết tật. Mặt cắt ngang áp suất hóa rắn của tuabin sau khi làm nguội trong khuôn trong 40 giây. Khu vực màu xanh lam lớn hơn ở giữa cho thấy rằng áp suất rất thấp khi kết thúc quá trình làm mát, trong khi khu vực liền kề có vật liệu đông đặc, ngăn không cho sự tan chảy tiếp tục xâm nhập. Do đó, sự co rút thể tích trong vùng màu xanh lam do làm mát vật liệu dẫn đến việc tạo ra các hốc co ngót. Hình 4 thể hiện rõ ràng vấn đề này, trong đó các khoảng trống được gây ra bởi vật liệu không đông cứng sau thời gian làm mát.

Mất công nghệ cốt lõi

Trong quy trình Catamold, sau khi quá trình ép phun hoàn tất, chất kết dính acetal nhanh chóng được loại bỏ khỏi bộ phận bằng cách phân hủy trong môi trường axit trong lò gỡ chất kết dính.
Nếu lần đầu tiên một lõi được đúc phun bằng POM, sau đó được nạp và ép xung quanh lõi, thì có thể thu được các bộ phận có cấu trúc rỗng phức tạp khi lõi POM được loại bỏ trong quá trình gỡ rối.
Chế độ xem mặt cắt ngang cho thấy cách một bộ phận đặc khác được tạo thành phần bên trong rỗng bằng cách chèn lõi trong quá trình ép phun. Khi lõi được loại bỏ sau khi ép phun, một cấu trúc rỗng cụ thể sẽ được hình thành.
Hình 6 cho thấy hiệu quả cải thiện của công nghệ lõi bị mất đối với khu vực khiếm khuyết của tuabin. Các sọc màu biểu thị thời gian cần thiết để mỗi vùng đông đặc lại. Các bộ phận của bộ phận ngoại trừ lõi khuôn được đông đặc hoàn toàn sau khi làm mát trong 27 giây.
So với quy trình MIM thông thường, phương pháp cốt lõi bị mất có thể cải thiện đáng kể hiệu quả sản xuất của các bộ phận. Điều này là do, về lý thuyết, lõi khuôn có thể được tạo thành bất kỳ hình dạng nào và cấu trúc bên trong có thể được điều chỉnh theo kích thước và tải trọng thực tế của tuabin. Đồng thời, công nghệ này cũng có thể giảm đáng kể trọng lượng của tuabin.

quá trình thiêu kết

Bước cuối cùng trong công nghệ ép phun kim loại là thiêu kết, trong đó chất kết dính còn lại được loại bỏ và bộ phận thu nhỏ kích thước. Nhiệt độ thiêu kết thấp hơn một chút so với nhiệt độ nóng chảy của hợp kim được sử dụng và sự thay đổi kích thước sẽ lớn trong quá trình này.
Các đặc tính co ngót của các bộ phận MIM bị ảnh hưởng bởi hình dạng khuôn, độ ổn định sản xuất lâu dài, phương sai lô vật liệu và cửa sổ xử lý. Để có được tốc độ co ngót ổn định, việc sản xuất khuôn, đặc biệt là đối với các bộ phận có cấu trúc hình học phức tạp, cần có nhiều vòng tối ưu hóa để điều chỉnh kích thước. Một số thay đổi về kích thước này rất khó dự đoán trước và có thể được hình thành trong quá trình ép phun hoặc thiêu kết.
Không khó để tưởng tượng rằng ở nhiệt độ thiêu kết cao tới 1200 độ C ~ 1450 độ C (theo các loại vật liệu khác nhau), các bộ phận có hình dạng phức tạp rất dễ bị biến dạng. Trong nhiều trường hợp, sự biến dạng này có thể tránh được thông qua thiết kế thành phần phù hợp và kiểm soát quy trình.
Tuy nhiên, tình hình trở nên phức tạp hơn khi độ dày của tường, cấu trúc đúc hẫng và ma sát do co ngót kết hợp với nhau gây ra biến dạng.
Nhiều nghiên cứu cơ bản chuyên sâu đã được thực hiện để có thể dự đoán trước sự khác biệt về biến dạng và co ngót có thể xảy ra, để có thể loại bỏ chúng càng nhiều càng tốt bằng cách sửa đổi khuôn thích hợp.

Mô hình hóa các cánh dẫn hướng của bộ tăng áp

Hiển thị là các cánh dẫn hướng của bộ tăng áp được sử dụng trong quá trình mô phỏng thiêu kết. Với sự trợ giúp của phần mềm mô phỏng, các khu vực dễ bị biến dạng nhất có thể được xác định. Mô hình thiêu kết được mô tả bởi Barriere đã được sử dụng ở đây. Trong mô hình này, sự co ngót có thể nhìn thấy của các bộ phận MIM được coi là rão và được mô tả theo các đặc tính của vật liệu đàn nhớt. Biểu đồ thể hiện độ co ngót của vật liệu Catamold 310N theo thời gian (thang bên phải) ở hai tốc độ gia nhiệt (thang bên trái). Rõ ràng, tốc độ gia nhiệt khác nhau dẫn đến sự co ngót khác nhau, kết hợp với các phản ứng khác xảy ra trong quá trình thiêu kết, có thể dẫn đến biến dạng của bộ phận.
Hình bên trái là các cánh hướng dẫn được liên kết ngang, với các đường chỉ ra vị trí của chúng khi thiêu kết. Hình so sánh bên phải cho thấy phần trước và sau khi thiêu kết, nơi có thể thấy rõ sự thay đổi về hình dạng và vị trí của phần.
Dựa trên mô hình thiêu kết và tính chất co ngót của vật liệu, có thể tính toán độ co ngót của bộ phận theo hướng không gian. Do đó, sự co rút xảy ra trong quá trình thiêu kết được hiển thị. Biểu đồ nhiệt độ màu cho thấy rõ xu hướng các vùng co lại và ngày càng nhỏ hơn. Xem xét độ co rút dọc theo hướng trục, màu xanh đậm biểu thị khu vực có mức độ co ngót lớn nhất và phần màu vàng của quá trình chuyển đổi từ ổ trục sang cánh dẫn hướng biểu thị khu vực có độ co ngót ít nhất.
Để so sánh, quá trình thiêu kết nằm phẳng của cánh dẫn hướng cũng được mô phỏng. Các kết quả thu được từ mô phỏng cho phép xem xét và thực hiện các biện pháp thích hợp để loại bỏ sự co ngót bất đẳng hướng trong quá trình phát triển bộ phận.
nguyên liệu thô
Một vấn đề cốt lõi khác liên quan đến việc sản xuất tua-bin MIM là sự sẵn có của các vật liệu phù hợp. Những vật liệu này được yêu cầu phải có khả năng chịu được nhiệt độ cao lên tới 1080 độ dưới tải trọng cao. Ưu điểm chính của MIM là nó có thể chế tạo các bộ phận từ các vật liệu khó gia công bằng máy bằng phương pháp đúc đầu tư.
Các siêu hợp kim đã được sử dụng trong công nghệ MIM từ năm 2003 và được biết đến rộng rãi. Khi lựa chọn vật liệu cánh quạt tăng áp, yêu cầu cơ bản là phải có độ bền cao ở nhiệt độ cao. Hình 11 cho thấy các giá trị độ bền đứt gãy của các vật liệu khác nhau sau khi tác động ở nhiệt độ cao trong 1000 giờ.
Do được sản xuất bằng bột siêu mịn, vi cấu trúc của các bộ phận siêu hợp kim MIM rất đồng nhất, khác hoàn toàn so với cấu trúc của các bộ phận đúc chính xác. Inconel 713 C, một siêu hợp kim thường được sử dụng để chế tạo các bộ phận của bộ tăng áp, cũng đã được phát triển làm vật liệu MIM.
Do hàm lượng nhôm và titan tương đối cao, hoàn toàn không thể thiêu kết vật liệu này trong môi trường thiêu kết thông thường (hydro, nitơ). Tuy nhiên, người ta thấy rằng việc sử dụng argon làm khí che chắn sẽ ngăn chặn quá trình oxy hóa của các nguyên tố này trong quá trình thiêu kết và đạt được sự kiểm soát hiệu quả đối với sự co ngót.
So sánh trực tiếp độ bền cơ học của các bộ phận MIM và các mẫu đúc đầu tư ở nhiệt độ phòng (bảng đính kèm) chứng tỏ rằng quy trình Catamold có thể thu được các đặc tính vật liệu tuyệt vời.

tóm tắt

Thị trường tăng áp sẽ tiếp tục cho thấy sự tăng trưởng mạnh mẽ trong vài năm tới, một trong những lý do là sự gia tăng dần dần các ứng dụng tăng áp động cơ xăng.
Công nghệ ép phun kim loại đã được chứng minh là một trong những cách hiệu quả để sản xuất các bộ phận phức tạp cho bộ tăng áp, nhưng tiềm năng của công nghệ MIM trong lĩnh vực đúc vẫn chưa được khám phá.
Với việc áp dụng công nghệ mô phỏng quy trình ép phun và thiêu kết, có thể giảm hơn nữa các bước tối ưu hóa sản phẩm trong quy trình phát triển bộ phận. Công nghệ MIM cung cấp đủ đảm bảo cho việc sử dụng vật liệu chịu nhiệt cao. Các bộ phận làm bằng vật liệu chịu nhiệt như siêu hợp kim MIM có cấu trúc vi mô rất đồng nhất và tính chất cơ học của chúng ở nhiệt độ phòng thậm chí còn vượt trội so với các bộ phận đúc đầu tư.

Hệ thống phát hiện

Quy trình ép phun kim loại