Deli mikro turbine MIM

Predstavitev izdelka

Osnovni nasvet: Tehnologija brizganja kovin (MIM) lahko proizvede materiale, ki jih je težko obdelati z drugimi tradicionalnimi postopki, v dele s kompleksno strukturo. Zaradi te lastnosti je idealen za proizvodnjo visokozmogljivih turbopolnilnikov
Tehnologija brizganja kovin (MIM) lahko izdeluje tiste materiale, ki jih je težko obdelati z drugimi tradicionalnimi postopki, v dele s kompleksno strukturo. Zaradi te lastnosti je idealna metoda za proizvodnjo visoko zmogljivih delov turbopolnilnika. BASF-ov edinstveni postopek Catamold lahko pomaga rešiti vrsto ključnih problemov pri razvoju delov turbopolnilnika MIM.

Deli turbopolnilnika MIM
Srce turbopolnilnika je turbina v turbinski komori, ki jo poganja tok vročih izpušnih plinov, in kompresijsko kolo na strani hladnega zraka. Kompresijski tekači morajo prenesti le nižje temperature, zmogljivost aluminijastih tekačev pa lahko v celoti izpolnjuje zahteve. Visokotemperaturni izpušni plini v turbinski komori zahtevajo uporabo visokotemperaturno odpornega visokokakovostnega jekla za turbino. Turbina je običajno izdelana s postopkom investicijskega litja. Teoretično je turbino mogoče izdelati po postopku MIM.
Tehnologija brizganja kovin (MIM) se že dolgo uporablja v delih turbopolnilnikov. Zaradi očitnih prednosti MIM pri izbiri materiala in svobodi oblikovanja so se deli, izdelani s tehnologijo MIM, v zadnjih letih pogosto uporabljali, njena učinkovitost pa se je izkazala v dejanski uporabi.

Challenges

Čeprav je tehnologija MIM nekoliko napredovala, je še vedno veliko dela na optimizaciji procesa, strukturi delov in načrtovanju kalupov za izdelavo tistih delov, ki so skoraj zahtevni. Ko se v osrednjem delu turbine nabere preveč materiala, lahko povzroči pojav krčne votline. To je posledica krčenja prostornine, ki se pojavi med ohlajanjem. Oba postopka imata možnost, da se ta napaka pojavi, ko je kalup napolnjen s staljenim materialom (staljena kovina pri vlitju, staljena dovodna masa pri MIM). Za podrobno analizo tega vprašanja je mogoče uporabiti sodobne simulacijske tehnike. Na primer natančno predvidevanje procesov brizganja MIM s pomočjo ustrezne programske opreme. Slika 1 prikazuje učinek turbo simuliranega polnjenja kalupa. Ta del uporablja stožčasta vrata, skozi katera se v del vbrizga staljena surovina.
Poleg temperature kalupa in taline je mogoče zelo realistično simulirati proces polnjenja kalupa z nadaljnjim prilagajanjem hitrosti vbrizga (cm3/s). Sliki 1 in 2 prikazujeta proces polnjenja kalupa turbine skozi čas. Pod nastavljenimi pogoji se del napolni v 1,1 s. Graf barvne temperature prikazuje spremembo taline skozi čas med postopkom polnjenja. Najprej se zapolnijo modra območja, nazadnje rdeča. Z opazovanjem procesa ohlajanja dela v kalupu ali po razkalupljenju je mogoče zaznati subtilen proces strjevanja taline v območju napake. Prerez tlaka strjevanja turbine po ohlajanju v kalupu 40 s. Večje modro območje na sredini kaže, da je bil tlak ob koncu ohlajanja zelo nizek, medtem ko ima sosednje območje strjen material, ki preprečuje nadaljnji vstop taline. Zato krčenje prostornine v modrem območju zaradi ohlajanja materiala povzroči nastanek krčnih votlin. Slika 4 jasno prikazuje ta problem, kjer praznine povzroči nestrjen material po času ohlajanja.

Izgubljena osnovna tehnologija

V procesu Catamold se po končanem brizganju acetalno vezivo hitro odstrani iz dela z razgradnjo v kislem okolju v peči za odstranjevanje veziva.
Če se jedro najprej brizga s POM in se nato dovaja in preoblikuje okoli jedra, je mogoče dobiti dele s kompleksno votlo strukturo, saj se jedro iz POM med odstranjevanjem veziva odstrani.
Pogled v prerezu, ki prikazuje, kako se sicer trden del oblikuje v votlo notranjost z vstavljanjem jedra med postopkom brizganja. Ko se jedro po brizganju odstrani, se oblikuje specifična votla struktura.
Slika 6 prikazuje učinek izboljšanja tehnologije izgubljenega jedra na območje napake turbine. Barvne črte predstavljajo čas, potreben za strjevanje posamezne regije. Deli dela, razen jedra kalupa, so po ohlajanju 27 s popolnoma strjeni.
V primerjavi z običajnim postopkom MIM lahko metoda izgubljenega jedra bistveno izboljša proizvodno učinkovitost delov. To je zato, ker je v teoriji jedro kalupa mogoče oblikovati v poljubno obliko, notranjo strukturo pa je mogoče prilagoditi glede na dejansko velikost in obremenitev turbine. Hkrati lahko ta tehnologija močno zmanjša težo turbine.

Postopek sintranja

Zadnji korak v tehnologiji brizganja kovin je sintranje, pri katerem se odstrani preostalo vezivo in se del skrči. Temperatura sintranja je nekoliko nižja od tališča uporabljene zlitine in sprememba velikosti bo med postopkom velika.
Na značilnosti krčenja delov MIM vplivajo oblika kalupa, dolgoročna stabilnost proizvodnje, varianca serije materiala in okno obdelave. Da bi dosegli stabilno stopnjo krčenja, zahteva proizvodnja kalupov, zlasti za dele s kompleksno geometrijsko strukturo, več krogov optimizacije za korekcijo dimenzij. Nekatere od teh dimenzijskih sprememb je težko predvideti vnaprej in lahko nastanejo med brizganjem ali sintranjem.
Ni si težko predstavljati, da se pri temperaturi sintranja do 1200 stopinj C ~ 1450 stopinj C (glede na različne vrste materialov) deli s kompleksnimi oblikami zlahka deformirajo. Temu popačenju se je v mnogih primerih mogoče izogniti z ustrezno zasnovo komponent in nadzorom procesa.
Vendar postane situacija bolj zapletena, ko debelina stene, konzolna konstrukcija in trenje zaradi krčenja skupaj povzročijo deformacijo.
Opravljenih je bilo veliko poglobljenih temeljnih raziskav, da bi lahko vnaprej predvideli morebitne razlike v deformacijah in krčenju, da bi jih v največji možni meri odpravili z ustrezno modifikacijo kalupa.

Modeliranje vodilnih lopatic turbopolnilnika

Prikazane so vodilne lopatice turbopolnilnika, uporabljene med simulacijo sintranja. S pomočjo simulacijske programske opreme je mogoče identificirati področja, ki so najbolj nagnjena k deformacijam. Tu je bil uporabljen model sintranja, ki ga je opisal Barriere. V tem modelu je vidno krčenje delov MIM obravnavano kot lezenje in opisano glede na značilnosti viskoelastičnih materialov. Graf prikazuje krčenje materiala Catamold 310N skozi čas (desna skala) pri dveh stopnjah segrevanja (leva lestvica). Očitno različne stopnje segrevanja povzročijo različno krčenje, kar lahko v kombinaciji z drugimi reakcijami, ki se pojavijo med sintranjem, povzroči deformacijo dela.
Na levi so prikazane premrežene vodilne lopatice, s črtami, ki kažejo, kje so bile med sintranjem. Desna primerjava prikazuje del pred in po sintranju, kjer je jasno vidna sprememba oblike in položaja dela.
Na podlagi modela sintranja in lastnosti krčenja materiala je mogoče izračunati krčenje dela v prostorski smeri. Zato je prikazano krčenje, ki nastane med sintranjem. Graf barvne temperature jasno kaže težnjo, da se regije krčijo in postajajo manjše. Če upoštevamo krčenje vzdolž aksialne smeri, temno modra barva predstavlja območje z največjo stopnjo krčenja, rumeni del prehoda od ležaja do vodilne lopatice pa predstavlja območje z najmanjšim krčenjem.
Za primerjavo je bil simuliran tudi postopek sintranja vodilne lopatice. Rezultati, pridobljeni s simulacijo, omogočajo upoštevanje in sprejetje ustreznih ukrepov za odpravo anizotropnega krčenja med razvojem dela.
surovina
Drugo ključno vprašanje pri izdelavi turbin MIM je razpoložljivost ustreznih materialov. Ti materiali morajo vzdržati visoke temperature do 1080 stopinj pri visokih obremenitvah. Ključna prednost MIM je, da lahko izdeluje dele iz materialov, ki jih je težko obdelovati z investicijskim litjem.
Superzlitine se v tehnologiji MIM uporabljajo od leta 2003 in so splošno znane. Pri izbiri materiala rotorja turbopolnilnika je osnovna zahteva visoka trdnost pri visoki temperaturi. Slika 11 prikazuje vrednosti lomne trdnosti različnih materialov po delovanju visoke temperature 1000 ur.
Zaradi izdelave ultrafinega prahu je mikrostruktura delov iz superzlitin MIM zelo enakomerna, kar se precej razlikuje od strukture preciznih litih delov. Inconel 713 C, superzlitina, ki se pogosto uporablja za izdelavo delov turbopolnilnikov, je bila prav tako razvita kot material MIM.
Zaradi relativno visoke vsebnosti aluminija in titana sintranje tega materiala pod običajnimi sintralnimi atmosferami (vodik, dušik) sploh ni mogoče. Ugotovljeno pa je bilo, da uporaba argona kot zaščitnega plina preprečuje oksidacijo teh elementov med sintranjem in dosega učinkovit nadzor nad krčenjem.
Neposredna primerjava mehanske trdnosti delov MIM in vzorcev vložnega litja pri sobni temperaturi (priložena tabela) dokazuje, da je s postopkom Catamold mogoče doseči odlične lastnosti materiala.

Povzemite

Trg turbopolnilnikov bo v naslednjih nekaj letih še naprej močno rasel, eden od razlogov je postopno povečanje uporabe turbopolnilnikov bencinskih motorjev.
Tehnologija brizganja kovin se je izkazala za enega od učinkovitih načinov za proizvodnjo kompleksnih delov za turbopolnilnike, vendar je treba potencial tehnologije MIM pri oblikovanju še odkriti.
Z uporabo tehnologije simulacije procesa brizganja in sintranja je mogoče dodatno zmanjšati korake optimizacije izdelka v procesu razvoja delov. Tehnologija MIM zagotavlja zadostno jamstvo za uporabo visoko toplotno odpornih materialov. Deli iz toplotno odpornih materialov, kot so superzlitine MIM, imajo zelo enakomerno mikrostrukturo, njihove mehanske lastnosti pri sobni temperaturi celo presegajo lastnosti delov za vlivanje.

Sistemi za odkrivanje

Postopek brizganja kovin