先进粉末高温合金的研制及制备技术

采用注射成形工艺实现复杂形状增压涡轮的近终成形，并满足高性能和低

成本的要求。根据注射成形涡轮对零件壁厚的要求，选择 ø52mm 涡轮作为研制

对象，并完成了中空蜗轮的结构设计及可靠性校验，中空孔径确定为 ø5mm，孔

深 25mm，如图 1 所示。对比分析实芯涡轮和中空涡轮的离心应力分布可知，采

用中空结构的涡轮，其应力分布较原始涡轮应力分布一致，但涡轮离心应力有所

增大，中空结构涡轮的最大离心应力为 626MPa，较原始涡轮增加了 20.4%。涡

轮采用中空设计后，自振频率变化很小，频率平均变小 0.167%，可近似认为没

有变化。中空结构增压涡轮不仅达到了减轻重量的目的，而且大幅度减小了烧结

变形。设计了侧向抽芯模具结构（如图 2 所示），实现了复杂形状增压涡轮的近

终成形。采用数值模拟方法对注射成形充模过程进行了模拟，得出了喂料的充模

过程（如图 3 所示），并阐明了涡轮在注射成形过程中产生的缺陷与机理。优化

了注射成形工艺参数，得出最佳的注射成形工艺参数为：注射温度为 160℃，注

射压力为 60MPa，模温为 80℃，最终制备出了无缺陷的注射成形坯。以平均粒

度 15μm 的惰性气体雾化的 K418 镍基高温合金为原料，选用 67%装载量，将粉

末与粘结剂（60%石蜡+15%高密度聚乙烯+15%聚丙烯+10%硬脂酸）于 140℃在

开放式混炼机中混炼 30min，制备出适合镍基高温合金粉末注射成形的高效粘结

剂，制备出了流变性能良好的注射喂料。分析了脱脂方法、脱脂制度和脱脂温度

对致密度和最终高温合金性能的影响，掌握了碳、氧含量的精确控制技术。通过

烧结+热等静压工艺获得高致密度的粉末高温合金，具有晶粒细小、显微组织均

匀、综合力学性能优异等优点。MIM418 合金 1230℃真空烧结相对密度为 97%，

热等静压后的样品接近全致密。

图 1 实芯涡轮和中空结构涡轮

图 2 侧向抽芯模具结构

图 3 涡轮注射填充过程模拟

经过 1200℃固溶/空冷、750℃时效，MIM418 抗拉强度达到 1425MPa，屈服

强度为1004MPa，延伸率达到19.4%，与铸造合金性能相比分别提高了70%，30%，

120%。图 4 为烧结态的注射成形涡轮。涡轮表面光洁，尺寸精度高，如图 4 所

示。

图 4 注射成形涡轮

制备出满足涡轮使用性能测试要求的涡轮，涡轮尺寸与内部质量良好，达到

装机测试要求。涡轮样品在无锡威孚英特迈涡轮增压器公司进行了台架实验，图

5 所示为涡轮样品焊接及部分工装的照片。钢轴焊接后接头抗拉破断力达到 18

吨，远高于铸造涡轮与钢轴的焊接强度。转速相同时，粉末注射成形涡轮部件测

频一致性和气动性能涡端一致性均优于铸造性能，超速飞裂试验停止在 225000

转/分与 225000 转/分，增压器拆检的结果可知，超速飞裂试验涡轮表现良好，两

套增压器的失效皆由涡轮轴断裂造成。粉末注射成形涡轮样件测频一致性优于铸

造涡轮，粉末注射成形涡轮与钢轴联结强度也明显高于铸造涡轮。粉末注射成形

MIM418 涡轮在超速飞裂试验中表现不俗，在钢轴断裂 21.5/22.5 万转的状态下，

涡轮仍保持完好。粉末注射成形涡轮的涡端试验表明，涡轮部件涡端性能一致性

较好，3 组样品涡端的效率曲线基本重合，均在±0.5%的偏差内。