Części MIM mikroturbiny

Wprowadzenie produktów

Podstawowa wskazówka: technologia formowania wtryskowego metali (MIM) umożliwia wytwarzanie materiałów trudnych do przetworzenia w innych tradycyjnych procesach na części o złożonej strukturze. Ta cecha sprawia, że ​​idealnie nadaje się do produkcji wysokowydajnych turbosprężarek
Technologia formowania wtryskowego metali (MIM) umożliwia wytwarzanie materiałów trudnych do przetworzenia innymi tradycyjnymi procesami na części o złożonej strukturze. Ta cecha sprawia, że ​​jest to idealna metoda produkcji wysokowydajnych części do turbosprężarek. Unikalny proces firmy BASF Catamold może pomóc w rozwiązaniu szeregu kluczowych problemów związanych z rozwojem części MIM turbosprężarki.

Części MIM turbosprężarki
Sercem turbosprężarki jest turbina wewnątrz komory turbiny, napędzana przepływem gorących spalin, oraz koło kompresyjne po stronie zimnego powietrza. Wirniki sprężające muszą wytrzymać tylko niższe temperatury, a wydajność wirników aluminiowych może w pełni sprostać wymaganiom. Gazy spalinowe o wysokiej temperaturze w komorze turbiny wymagają zastosowania do turbiny wysokogatunkowej stali odpornej na wysokie temperatury. Turbina jest zwykle wytwarzana w procesie odlewania inwestycyjnego. Teoretycznie turbina może być wytwarzana w procesie MIM.
Technologia formowania wtryskowego metali (MIM) jest stosowana w częściach turbosprężarek od dawna. Ze względu na oczywiste zalety MIM w doborze materiałów i swobodzie projektowania, części wytwarzane w technologii MIM były szeroko stosowane w ostatnich latach, a jej wydajność została potwierdzona w praktyce.

Challenges

Chociaż technologia MIM poczyniła pewne postępy, wciąż pozostaje wiele pracy nad optymalizacją procesu, strukturą części i projektowaniem form, aby wyprodukować te części, które są prawie wymagające. Gdy w centralnej części turbiny gromadzi się zbyt dużo materiału, może dojść do zjawiska wnęki skurczowej. Wynika to ze skurczu objętości, który występuje podczas chłodzenia. W obu procesach istnieje możliwość wystąpienia tej wady, gdy forma jest wypełniona stopionym materiałem (stopiony metal w odlewaniu precyzyjnym, stopiony wsad w MIM). Do szczegółowej analizy tego zagadnienia można wykorzystać nowoczesne techniki symulacyjne. Na przykład dokładne przewidywanie procesów formowania wtryskowego MIM za pomocą odpowiedniego oprogramowania. Rysunek 1 przedstawia efekt wypełnienia formy w trybie turbosymulowanym. Ta część wykorzystuje stożkową bramę, przez którą stopiony surowiec jest wtryskiwany do części.
Oprócz temperatury formy i stopu, proces napełniania formy można symulować bardzo realistycznie poprzez dalszą regulację prędkości wtrysku (cm3/s). Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono przebieg procesu napełniania formy turbiny w czasie. W ustalonych warunkach część jest wypełniana w ciągu 1,1 s. Wykres temperatury barwowej pokazuje zmianę stopu w czasie podczas procesu napełniania. Niebieskie obszary są wypełniane jako pierwsze, a czerwone jako ostatnie. Obserwując proces stygnięcia części w formie lub po wyjęciu z formy, można wykryć subtelny proces krzepnięcia roztopionego materiału w obszarze defektu. Przekrój poprzeczny ciśnienia krzepnięcia turbiny po chłodzeniu w formie przez 40 s. Większy niebieski obszar pośrodku wskazuje, że ciśnienie było bardzo niskie pod koniec chłodzenia, podczas gdy sąsiedni obszar zawiera zestalony materiał, zapobiegając dalszemu przedostawaniu się stopionego materiału. Dlatego skurcz objętościowy w niebieskim obszarze spowodowany schładzaniem materiału powoduje powstawanie wnęk skurczowych. Rysunek 4 wyraźnie pokazuje ten problem, gdzie puste przestrzenie są spowodowane przez nie zestalony materiał po czasie chłodzenia.

Zagubiona podstawowa technologia

W procesie Catamold, po zakończeniu formowania wtryskowego, spoiwo acetalowe jest szybko usuwane z części poprzez rozkład w kwaśnym środowisku w piecu do usuwania lepiszcza.
Jeśli rdzeń jest najpierw formowany wtryskowo z POM, a następnie podawany i obtryskiwany wokół rdzenia, można uzyskać części o złożonej pustej strukturze, ponieważ rdzeń POM jest usuwany podczas usuwania spoiwa.
Przekrój poprzeczny pokazujący, w jaki sposób solidna część jest formowana w wydrążone wnętrze przez włożenie rdzenia podczas procesu formowania wtryskowego. Gdy rdzeń zostanie usunięty po formowaniu wtryskowym, powstanie specyficzna pusta struktura.
Rysunek 6 przedstawia efekt ulepszenia technologii utraconego rdzenia w obszarze defektu turbiny. Kolorowe paski przedstawiają czas potrzebny do zestalenia każdego regionu. Części części z wyjątkiem rdzenia formy są całkowicie zestalone po schłodzeniu przez 27 sekund.
W porównaniu ze zwykłym procesem MIM, metoda utraconego rdzenia może znacznie poprawić wydajność produkcji części. Wynika to z faktu, że teoretycznie rdzeń formy może mieć dowolny kształt, a struktura wewnętrzna może być dostosowana do rzeczywistych rozmiarów i obciążenia turbiny. Jednocześnie technologia ta może również znacznie zmniejszyć wagę turbiny.

Proces spiekania

Ostatnim etapem technologii formowania wtryskowego metali jest spiekanie, podczas którego usuwane jest pozostałe spoiwo, a część kurczy się. Temperatura spiekania jest nieco niższa niż temperatura topnienia użytego stopu, a zmiana rozmiaru będzie duża podczas procesu.
Charakterystyka skurczu części MIM zależy od kształtu formy, długoterminowej stabilności produkcji, zmienności partii materiału i okna przetwarzania. Aby uzyskać stabilną szybkość skurczu, produkcja form, zwłaszcza części o skomplikowanych strukturach geometrycznych, wymaga kilku rund optymalizacji w celu skorygowania wymiarów. Niektóre z tych zmian wymiarowych są trudne do przewidzenia z góry i mogą powstać podczas formowania wtryskowego lub spiekania.
Nietrudno sobie wyobrazić, że w temperaturze spiekania sięgającej 1200°C ~ 1450°C (w zależności od rodzaju materiałów), części o skomplikowanych kształtach łatwo ulegają deformacji. Tego zniekształcenia można w wielu przypadkach uniknąć poprzez odpowiednią konstrukcję komponentów i kontrolę procesu.
Jednak sytuacja staje się bardziej skomplikowana, gdy grubość ścianki, konstrukcja wspornika i tarcie spowodowane skurczem łączą się, powodując deformację.
Przeprowadzono wiele dogłębnych badań podstawowych, aby móc z wyprzedzeniem przewidzieć możliwe różnice w odkształceniach i skurczach, tak aby w miarę możliwości można je było wyeliminować poprzez odpowiednią modyfikację formy.

Modelowanie łopatek prowadzących turbosprężarki

Pokazano łopatki kierujące turbosprężarki użyte podczas symulacji spiekania. Za pomocą oprogramowania symulacyjnego można zidentyfikować obszary najbardziej podatne na odkształcenia. Zastosowano tu model spiekania opisany przez Barriere'a. W tym modelu widoczny skurcz części MIM jest uważany za pełzanie i opisany zgodnie z charakterystyką materiałów lepkosprężystych. Wykres przedstawia skurcz materiału Catamold 310N w czasie (prawa skala) przy dwóch szybkościach ogrzewania (lewa skala). Oczywiście różne szybkości ogrzewania prowadzą do różnych skurczów, co w połączeniu z innymi reakcjami zachodzącymi podczas spiekania może prowadzić do deformacji części.
Po lewej stronie pokazano usieciowane łopatki kierujące, z liniami wskazującymi, gdzie znajdowały się podczas spiekania. Porównanie po prawej stronie pokazuje część przed i po spiekaniu, gdzie wyraźnie widać zmianę kształtu i położenia części.
Na podstawie modelu spiekania i właściwości skurczowych materiału można obliczyć skurcz części w kierunku przestrzennym. Dlatego pokazano skurcz, który występuje podczas spiekania. Wykres temperatury barwowej wyraźnie pokazuje tendencję do kurczenia się i zmniejszania obszarów. Biorąc pod uwagę skurcz wzdłuż kierunku osiowego, kolor ciemnoniebieski reprezentuje obszar o największym stopniu skurczu, a żółta część przejścia od czopu do łopatki kierującej reprezentuje obszar o najmniejszym skurczu.
Dla porównania przeprowadzono również symulację procesu spiekania łopatki kierującej w pozycji leżącej. Wyniki uzyskane z symulacji pozwalają rozważyć i podjąć odpowiednie działania w celu wyeliminowania skurczu anizotropowego podczas opracowywania części.
surowiec
Inną podstawową kwestią związaną z produkcją turbin MIM jest dostępność odpowiednich materiałów. Materiały te muszą być w stanie wytrzymać wysokie temperatury do 1080 stopni przy dużych obciążeniach. Kluczową zaletą MIM jest to, że może wytwarzać części z materiałów trudnych do obróbki metodą odlewania precyzyjnego.
Superstopy są stosowane w technologii MIM od 2003 roku i są powszechnie znane. Podstawowym wymaganiem przy doborze materiału wirnika turbosprężarki jest wysoka wytrzymałość w wysokiej temperaturze. Rysunek 11 przedstawia wartości wytrzymałości na pękanie różnych materiałów po działaniu wysokiej temperatury przez 1000 godzin.
Ze względu na wytwarzanie ultradrobnego proszku mikrostruktura części z nadstopów MIM jest bardzo jednolita, co znacznie różni się od mikrostruktury precyzyjnych części odlewanych. Inconel 713 C, nadstop często używany do produkcji części turbosprężarek, został również opracowany jako materiał MIM.
Ze względu na stosunkowo wysoką zawartość aluminium i tytanu spiekanie tego materiału nie jest w ogóle możliwe w zwykłych atmosferach spiekania (wodór, azot). Stwierdzono jednak, że zastosowanie argonu jako gazu osłonowego zapobiega utlenianiu tych pierwiastków podczas spiekania i pozwala na skuteczną kontrolę skurczu.
Bezpośrednie porównanie wytrzymałości mechanicznej części MIM i próbek odlewów inwestycyjnych w temperaturze pokojowej (załączona tabela) dowodzi, że w procesie Catamold można uzyskać doskonałe właściwości materiałowe.

Podsumować

Rynek turbosprężarek będzie nadal wykazywać silny wzrost w ciągu najbliższych kilku lat, jednym z powodów jest stopniowy wzrost zastosowań turbosprężarek do silników benzynowych.
Technologia formowania wtryskowego metali okazała się jednym ze skutecznych sposobów wytwarzania złożonych części do turbosprężarek, ale potencjał technologii MIM w formowaniu nie został jeszcze odkryty.
Dzięki zastosowaniu technologii symulacji procesu formowania wtryskowego i spiekania możliwe jest dalsze ograniczenie etapów optymalizacji produktu w procesie opracowywania części. Technologia MIM zapewnia wystarczającą gwarancję na zastosowanie materiałów o wysokiej żaroodporności. Części wykonane z materiałów żaroodpornych, takich jak superstopy MIM, mają bardzo jednorodną mikrostrukturę, a ich właściwości mechaniczne w temperaturze pokojowej nawet przewyższają właściwości części odlewanych metodą precyzyjnego odlewania.

Systemy wykrywania

Proces formowania wtryskowego metali