不銹鋼合金、由所述不銹鋼合金制成的渦輪增壓器渦輪殼體及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開總體上涉及不銹鋼合金。更具體地，本公開涉及在高溫下展現(xiàn)出抗氧化性 的、用于鑄件應(yīng)用（例如渦輪和渦輪增壓器殼體、排氣歧管和燃燒室）的不銹鋼合金及其制 造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在運(yùn)行過程中，汽車或飛機(jī)的渦輪增壓器殼體承受著升高的運(yùn)行溫度。這些殼體 必須能夠容納具有超高旋轉(zhuǎn)速度的渦輪葉輪。從汽車或飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣在高溫下 最先接觸渦輪增壓器的金屬部分，如渦輪增壓器的氣體入口區(qū)域。由于通過提高廢氣溫度 可改善高速性能，因此，已經(jīng)試圖逐漸提高發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣溫度。由于這些高溫，作用于部件 (諸如排氣歧管和渦輪殼體）上的熱載荷變得非產(chǎn)大。
[0003] 這些接觸渦輪增壓器的金屬部分的提高的廢氣溫度帶來了各種問題。例如，由廢 氣溫度升高引起的一個(gè)問題是材料的熱變形，在渦輪殼體和排氣歧管內(nèi)，材料的熱變形在 高溫區(qū)和低溫區(qū)之間交替，伴隨著取決于具體情況的熱膨脹和熱收縮，其通過這樣的熱變 形會(huì)導(dǎo)致表面氧化褶皺，并且可繼續(xù)發(fā)展并形成穿透裂紋。
[0004] 為了克服與更高運(yùn)行溫度相關(guān)的挑戰(zhàn)，用于渦輪增壓器應(yīng)用的現(xiàn)有技術(shù)合金已包 括高鎳含量的合金，如可商購的高鎳球墨鑄鐵合金。這些實(shí)例為由International Nickel Company開發(fā)的NiResist?，或者HK30, 一種鉻-鎳-鐵不銹鋼合金，其包含約25%的鉻和 20%的鎳，余量基本為Fe。HK系列不銹鋼合金一般含有大約18-22%的鎳，并且是完全奧氏 體合金。
[0005] 在蠕變強(qiáng)度方面，HK不銹鋼合金是強(qiáng)大的不銹鋼鑄造合金。然而，當(dāng)面對渦輪增 壓器殼體所要求的高溫性能時(shí)，此類合金由于它們的高鎳含量而特別昂貴。而且，由于最近 Ni的價(jià)格突然上漲，使得具有高鎳含量的材料的成本受到大量關(guān)注。
[0006] 因此，需要可用于渦輪增壓器應(yīng)用的不銹鋼合金，其能夠承受現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生 的較高運(yùn)行溫度，但是使昂貴的鎳的含量減至最低。此外，從隨后的本發(fā)明主題的詳細(xì)描述 和所附權(quán)利要求書，結(jié)合本發(fā)明主題的附圖和該【背景技術(shù)】，本發(fā)明主題的其它所期望的特 征和特性將變得顯而易見。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供不銹鋼合金、渦輪增壓器渦輪殼體、以及制造渦輪增壓器渦輪殼體的 方法。
[0008] 在一個(gè)實(shí)施方案中，僅通過示例的方式，奧氏體不銹鋼合金按重量計(jì)包含，約22% 至約28 %的鉻、約3. 5 %至約6. 5 %的鎳、約1 %至約6 %的錳、約0. 5 %至約2. 5 %的硅、約 0. 3%至約0. 6%的碳、約0. 2%至約0. 8%的鈮、約0. 2%至約0. 8%的氮、和余量的鐵。不 包含鉬和鎢。
[0009] 在另一實(shí)施方案中，僅通過示例的方式，渦輪增壓器渦輪殼體包含奧氏體不銹鋼 合金，該合金按重量計(jì)包含，約22 %至約28 %的鉻、約3. 5 %至約6. 5 %的鎳、約1 %至約 6 %的錳、約0. 5 %至約2. 5 %的硅、約0. 3 %至約0. 6 %的碳、約0. 2 %至約0. 8 %的鈮、約 0. 2 %至約0. 8%的氮、和余量的鐵。不包含鉬和鎢。
[0010] 在又一實(shí)施方案中，制造渦輪增壓器渦輪殼體的方法包括由奧氏體不銹鋼合金制 成渦輪增壓器渦輪殼體，該合金按重量計(jì)包含，約22 %至約28 %的鉻、約3. 5 %至約6. 5% 的鎳、約1 %至約6 %的錳、約0. 5 %至約2. 5 %的硅、約0. 3 %至約0. 6 %的碳、約0. 2 %至約 0. 8 %的鈮、約0. 2 %至約0. 8 %的氮、和余量的鐵。不包含鉬和鎢。
[0011] 提供本
【發(fā)明內(nèi)容】
以簡化的方式介紹概念的選擇，其將在下文的【具體實(shí)施方式】中得 到進(jìn)一步描述。本
【發(fā)明內(nèi)容】
并不意在限定所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或必要特征，也不 意在用于輔助確定所要求保護(hù)主題的范圍。
【附圖說明】
[0012] 接下來將結(jié)合下面的附圖來描述本發(fā)明的主題，其中相同的數(shù)字表示相同的要 素，并且其中：
[0013] 圖1是根據(jù)本公開的渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)實(shí)施方案的系統(tǒng)示意圖。
[0014] 圖2是示出某些不銹鋼合金的熱膨脹系數(shù)的比較圖；
[0015] 圖3是示出某些不銹鋼合金的熱導(dǎo)率的比較圖；
[0016] 圖4是示出某些不銹鋼合金的比熱的比較圖；
[0017] 圖5是示出某些不銹鋼合金在室溫下的極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的比較圖；
[0018] 圖6是示出某些不銹鋼合金的高溫屈服強(qiáng)度的比較圖；和
[0019] 圖7是示出某些不銹鋼合金的楊氏模量的比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 接下來的具體實(shí)施方案本質(zhì)上僅僅是示例性的，并不意在限制本發(fā)明或本發(fā)明的 應(yīng)用和使用。如本文中所使用的"示例性的"表示"作為一個(gè)實(shí)例、例子、或者例證"。因此， 本文所描述的任何作為"示例性的"的實(shí)施方案不一定被理解為比其它實(shí)施方案更優(yōu)選或 更有利。此外，除非在所附權(quán)利要求中通過語言進(jìn)行了具體限定，否則本文中所用的數(shù)字序 號，如"第一"、"第二"、"第三"等，例如第一、第二、和第三組分，僅代表多數(shù)中的不同個(gè)體。 所述不銹鋼合金、渦輪增壓器渦輪殼體及其制造方法的所有實(shí)施方案和實(shí)施方式均為示例 性的實(shí)施方案，其旨在使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造或運(yùn)用本發(fā)明，而不是限制本發(fā)明的范 圍，其通過權(quán)利要求來限定。再者，無意于受到呈現(xiàn)在前述技術(shù)領(lǐng)域、【背景技術(shù)】、
【發(fā)明內(nèi)容】
和 下面的具體實(shí)施方案中明示或暗示的理論所束縛。
[0021] 渦輪增壓器渦輪殼體，通常為鑄造不銹鋼或者鑄鐵，是渦輪增壓器中最昂貴的組 件。降低殼體的成本將直接影響渦輪增壓器的成本。為了經(jīng)受通常由沖擊到渦輪殼體上 的廢氣所帶來的高運(yùn)行溫度，渦輪殼體材料通常與除了其它的碳化物形成元素之外的元素 (例如鉻和鎳）形成合金，導(dǎo)致成本增加。減少這些昂貴合金元素的含量和/或排除這些昂 貴的合金元素將直接影響禍輪殼體的成本。
[0022] 本公開的典型實(shí)施方案置于裝配有汽油動(dòng)力內(nèi)燃機(jī)（"ICE"）和渦輪增壓器的機(jī) 動(dòng)車中。該渦輪增壓器具有獨(dú)特的特征組合，與可比較的未改進(jìn)系統(tǒng)相比，該特征組合在各 種實(shí)施方案中可以通過相對地限制渦輪和/或壓氣機(jī)中二次流的總量（和動(dòng)能）來提供效 率益處。
[0023] 參見圖1-2,具有徑流式渦輪和離心式壓氣機(jī)的渦輪增壓器101的一個(gè)示例性實(shí) 施方案包括渦輪增壓器殼體和轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子配置在渦輪增壓器殼體內(nèi)，在渦輪增壓器運(yùn) 行時(shí)繞推力軸承和兩組軸頸軸承（每個(gè)轉(zhuǎn)子葉輪上各一組），或可替代地，其它類似支撐軸 承上的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線103旋轉(zhuǎn)。渦輪增壓器殼體包括渦輪殼體105、壓氣機(jī)殼體107、和連 接渦輪殼體和壓氣機(jī)殼體的軸承殼體109 (即，含有軸承的中間殼體）。轉(zhuǎn)子包括基本位于 渦輪殼體105內(nèi)的徑流式渦輪葉輪111、基本位于壓氣機(jī)殼體107內(nèi)的離心式壓氣機(jī)葉輪 113、和沿著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線103延伸的轉(zhuǎn)軸115,該轉(zhuǎn)軸穿過軸承殼體109,以連接渦輪葉輪 111與壓氣機(jī)輪113。
[0024] 渦輪殼體105和渦輪葉輪111形成渦輪，其經(jīng)配置以周向接收來自發(fā)動(dòng)機(jī)（例如 來自內(nèi)燃機(jī)125的排氣歧管123)的高壓和高溫廢氣流121。渦輪葉輪111 (以及由此所述 轉(zhuǎn)子）被高壓和高溫廢氣流驅(qū)動(dòng)而繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線103旋轉(zhuǎn)，所述高壓和高溫廢氣流變成 低壓和低溫廢氣流127并軸向釋放到廢氣系統(tǒng)（未示出）。
[0025] 壓氣機(jī)殼體107和壓氣機(jī)葉輪113形成壓氣機(jī)級。壓氣機(jī)葉輪被廢氣驅(qū)動(dòng)的渦輪 葉輪111驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，其經(jīng)配置以壓縮軸向接收的輸入空氣（例如，環(huán)境空氣131，或來自多級 壓氣機(jī)中上一級的已經(jīng)過壓縮的空氣）形成壓縮空氣流133,壓縮空氣流133被周向地從壓 氣機(jī)中排出。由于所述壓縮過程，壓縮空氣流的特征在于比輸入空氣更高的溫度。
[0026] 任選地，壓縮空氣流可被引導(dǎo)通過對流冷卻的增壓空氣冷卻器135,其經(jīng)配置以使 來自壓縮空氣流的熱量消散，增加其密度。將所得的經(jīng)冷卻和加壓的輸出空氣流137導(dǎo)入 到內(nèi)燃機(jī)上的進(jìn)氣歧管139,或者可替代地，導(dǎo)入到串聯(lián)壓氣機(jī)的下一級。系統(tǒng)的運(yùn)行由 E⑶151 (發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元）來控制，E⑶151經(jīng)由通訊連接件153與系統(tǒng)的其它部分連接。
[0027] 根據(jù)渦輪增壓器的配置和所期望的輸出功率，渦輪增壓器可以設(shè)計(jì)為在多種溫度 下運(yùn)行。如本文所用的，術(shù)語運(yùn)行溫度是指被設(shè)計(jì)為由渦輪增壓器的渦輪殼體和葉片組件 所經(jīng)受的廢氣的最高溫度。本領(lǐng)域所熟知的不銹鋼1. 4826是用于高達(dá)約980°C的渦輪殼體 應(yīng)用的一種示例性現(xiàn)有技術(shù)材料，其中鎳的規(guī)格為8%至12%。除Ni以外，昂貴的碳化物 形成元素（例如鈮（Nb)、鎢（W)和鉬（Mo))的存在增加了材料的成本。因此，所期望的是具 有較少的昂貴材料，但保持相同的有益性能的材料。如下給出的表1提供了不銹鋼1. 4826 的規(guī)格。
[0028] 表1.不銹鋼1. 4826的組成

[0031] 因此，本公開的實(shí)施方案涉及對用于具有高達(dá)約980°C的運(yùn)行溫度的渦輪增壓器 的目前可用的不銹鋼合金的改進(jìn)。特別地，本公開的實(shí)施方案涉及具有比不銹鋼1. 4826更 少的鎳含量（出于成本考量），并消除對其它昂貴材料（例如W和Mo)的需求的不銹鋼合 金。本文中描述的不銹鋼合金包含與多種合金元素形成合金的鐵，如在基于合金總重量的 重量百分?jǐn)?shù)方面在下文中更詳細(xì)描述的那樣。
[0032] 在一個(gè)實(shí)施方案中，本公開的不銹鋼合金包含約0.3 %至約0.6 %的碳（C)，例如 約0. 4%至約0. 5%的C。C具有改善熔體的流動(dòng)性和可鑄性的作用。C還具有通過與鈮（如 下文中更詳細(xì)討論的那樣，合金中包含鈮）形成共晶碳化物來提高可鑄性的作用。為了有 效地實(shí)現(xiàn)這樣的作用，C的量應(yīng)為0.3%或更高。再者，C可以通過固溶強(qiáng)化來有效強(qiáng)化材 料。為了使耐腐蝕性最大化，將C的含量降低至約0. 6%及以下。
[0033] 在一個(gè)實(shí)施方案中，本公開的不銹鋼合金包含約0. 5%至約2. 5%的硅（Si)，例如 約1.0%至約2.0%的Si。Si具有提高其金屬結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和其抗氧化性的作用。此外， 其具有作為脫氧劑的功能，并且當(dāng)