车用涡轮增压器叶片材料的发展概述

徐铭骏，王子扬，高 宇

（沈阳工程学院 能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136）

涡轮增压器技术在汽车工业中的广泛应用已成为提高发动机效率、降低燃油消耗、减少废气排放的有效手段［1-2］。涡轮增压器能够增加空气密度，增加气缸内的进气量，提高发动机热效率，从而提高发动机的输出效率。但是它还有不可忽略的缺点，其中最重要的一点为动力输出反应滞后。特别是，具有不断变化的负载的涡轮增压器响应特性并不令人满意。这是涡轮增压技术中常见的问题［3］。为了提高加速性能并减少涡轮滞后带来的影响，应减少旋转体的惯性矩（转动惯量），最有效的方法是减少旋转体的质量。使用新的涡轮机制造材料，并降低涡轮质量是降低惯性矩并提高涡轮增压器响应特性的重要手段［4］。当涡轮机运转时，涡轮机具有较高的瞬时速度和工作环境温度，因此对涡轮机材料有很高的性能要求［5］。近年来，许多国家正在研究开发新材料。目前，用于制造涡轮增压器的材料主要是镍基超合金、陶瓷材料和钛铝合金。

1 发展历程

1.1 国外研究

早在1905年11月16日，瑞典科学家Alfred Büchi提出的内燃机辅助增压器技术被德国专利局授予了第204630号专利，这标志着涡轮增压技术正式诞生。涡轮增压器的生产在国外已有80多年的历史。1953年，美国Garrett公司研发了T02涡轮增压器，由此开始生产小型径流式涡轮增压器。1956年该公司仅生产两种型号涡轮增压器，到60年代已增加到11种。20世纪90年代，Garrett公司生产的CT15增压器的质量可以达到3.3 kg［6］，其匹配功率为15 kW～110 kW，它是为小排量客车、轻型商品机动车辆和船用柴油（汽油）机设计的。Schwitzer公司于1952年开始生产径流式涡轮增压器，从早期的D系列到90年代的S系列。K.K.K公司在 50至60年代生产3LKY、3LD、3LD2、3HD、4HD、4MF、4LG、5MD等型号涡轮增压器，70年代生产K系列涡轮增压器。日本三菱重工公司于1957年开始研制涡轮增压器，生产TD系列17种基本型增压器，其中TDo2型质量仅2.2 kg。这些增压器的研发、制造与应用，皆伴随着增压器制造材料的改进。

在50年代至90年代这一时期，涡轮叶片材料的发展主要是以在原有成熟材料基础上改进得来。镍基高温合金是一种在具有腐蚀性和氧化性环境中仍有优异的高温强度、韧性和表面稳定性的金属材料［7］。涡轮增压器早期采用的锻造镍基高温合金就是在80%Ni和20%Cr的合金基础上逐步发展得来的。随后，为了顺应高温高转速的使用环境，在该合金中添加少量Ti和Al来提高材料的蠕变断裂强度以及抗高温氧化等性能。例如，英国Mond镍公司在1939年首先研制出了用于Whittle发动机涡轮叶片的Nimonic 75合金。它是一种低C、含Ti的镍基合金，后来通过加入Al，又研制出Nimonic 80合金。其蠕变性能相较Nimoinc 75高出至少几十度，该合金也是最早使用Ni3（Al、Ti）强化的涡轮叶片材料［8-9］。此后，Mond镍公司在合金Nimonic 80A中加入约20%Co制成Nimonic90，其耐温能力则可进一步提高约50℃［10］。若再进一步调整合金成分并改进热处理工艺，可得到各项性能更佳的合金，如Nimonic l15、Nimonic 118等。英国Rolls-Royce公司早期生产的发动机，其涡轮叶片几乎全部采用了Nimonic系列的变形高温合金。

至今，国外涡轮增压技术已趋于成熟，在军事、农业、民用等领域取得了极大进步。国外用于增压涡轮的材料主要包括Inconel713C、GMR235、MARM247、MAR-M246、X40［11-12］等。在过去的20年中，国外汽车制造商不断开发出采用涡轮增压技术的小型汽车，使得涡轮增压技术得到更大范围的普及。

1.2 国内研究

我国在20世纪70年代末开始研究汽油机增压技术，且早期的涡轮材料主要以仿制为主，并在CA-10BDG2和6100-12机型上取得了成功。我国通过引进国外的先进生产线来制造涡轮增压器，国产叶片材料早期也曾采用英国的高温合金，如GH4080A等。在此基础之上，国内的研究人员还对这种高温合金的性能和成分进行了改进，并发展了具有自主产权的高温合金。到2001年，仅有少数车型采用增压技术，还没有国产增压车型。目前，一汽、东风等国内大型柴油机企业正在努力推广涡轮增压技术，不断引进增压柴油机。同样一些公司已经突破技术壁垒，开始将涡轮增压技术应用于汽油发动机，以提高发动机的动力和经济性。国内增压器涡轮毛坯主要是以精密铸造为主的镍基高温合金。我国广泛使用的涡轮材料是自行研制的 K213、K418、K419和 K4002等铸造高温合金［11-12］。铸造高温合金由于其具有足够的热强度、热稳定性、良好的机械抗疲劳性和热疲劳性能而被广泛应用于汽车涡轮增压器的制造。然而，由于涡轮增压器的结构复杂，叶片部分的曲率变化很大，并且有些叶梢最薄处甚至仅为0.3 mm，当铸造高温合金用于制造涡轮机时，叶片容易热裂［11］。因此，科研工作者应长期致力于解决该问题。

就我国常见的制造涡轮增压器所使用的材料而 言 ，K213、K418、K419、K4002、Inconel713C、GMR235、MAR-M247、MAR-M246、X40等铸造高温合金在物理、化学及力学性能上是有一定差异的。例如，K419与国外同类型的合金相比较，工作温度比MAR-M246合金高约10℃，比IN100合金高25～30℃，该合金不含昂贵的金属元素［13］。表1［14］列举了国内涡轮增压器所使用的铸造高温合金的主要用途。

表1中的合金虽能在高温下工作，但在铸造过程中形成的缺陷仍对涡轮增压器的工作安全性影响很大。防治高温铸造过程中热裂对涡轮叶片造成的影响是国内外专家致力于解决的问题。目前，国内较为统一和认同的方法是控制材料在高温铸造中的热变形量和预热温度［15］。迄今为止，有关热裂形成原因尚未研究透彻，在实际高温铸造过程 中，热裂所造成的问题还未完全解决。

表1 国内增压器涡轮用铸造高温合金的主要用途

1.3 新材料

1.3.1 钛铝合金

钛铝合金是一种银白色金属，具有许多优异的性能。钛的密度为4.54 g/cm3，比钢的密度小43%，机械强度却与钢相差不多。高温钛铝合金是我国自主创新研发的新材料，密度低（约3.7～3.9 g/cm3），仅为镍基高温合金密度的一半左右，相比于K418镍基高温铸造合金，在转动惯量和瞬态响应性能方面有较大改善，并具有高温强度和抗氧化性，用于涡轮增压的压力装置可以大大减少其惯性矩，改善其瞬态响应［16］。由陈国梁院士领导的研究小组，经过20多年的研究工作，开发出高温、高性能、高品位的钛铝合金，这意味着中国在钛铝金属间化合物研究领域处于国际领先地位［17］。

目前，正在开发新的高性能钛铝合金和涡轮增压器技术［18］，国内针对高性能钛铝合金已有研究，因此后续研究工作的重点主要集中在钛铝合金的铸造、强度、可靠性等方面。日本三菱重工正在生产高响应钛铝基合金，将运用在三菱汽车上，其他国家也较为重视钛铝合金的相关性能，主要研究钛铝合金涡轮增压器的超速破坏断裂机及用于柴油机涡轮增压器的耐久性等问题［19］。就成品方面来看，霍尔塞特已有钛合金叶轮铸造产品。因此，对钛铝合金增压器涡轮的研究主要集中在钛铝合金的制备与钛铝合金涡轮的成型工艺方面。

1.3.2 陶瓷材料

陶瓷材料重量轻、耐热，但却有脆性的缺点。研究发现，Si3N4陶瓷具有重量轻、强度高、抗热震、韧性好的优点，是生产陶瓷涡轮转子的理想材料［20］。通过使用Si3N4代替镍基高温合金来制造涡轮转子，可以使惯性力矩减小约50%，并且旋转体的惯性矩可以减小约70%。由此制造的涡轮机能承受高温，惯性小、易于加速，从而提高了发动机的加速性能，减少了有害气体和粉尘的排放，对环保具有积极意义。日产公司是第一家使用陶瓷涡轮增压器的公司，早在六缸发动机驱动的日产200ZR汽车上，就安装了Si3N4增压器涡轮转子［21］。日本IHI于20世纪80年代在其RHB5增压器上使用了陶瓷涡轮机，而Mitsubishi Heavy Industries也在TD02-TD06系列增压器上使用了陶瓷涡轮机［22］。国内对陶瓷材料的研究起步较晚，但陶瓷涡轮机已经被引入。同时，陶瓷涡轮增压器的开发和应用也在全国范围内积极开展，这些工作都促进了涡轮增压器新材料新技术的开发和应用［16］。

使用陶瓷涡轮增压器的技术难点主要在于叶轮和旋转轴之间的连接。在日本，陶瓷涡轮转轴中间部位与转轴之间采取静压连接方式。在国内，开发金属间化合物以代替传统涡轮增压器材料的困难仍然是涡轮机和轴之间的连接，一旦流程成熟，将得到推广［22］。

2 材料特性

汽车涡轮增压器运行时涡轮瞬间转速高、工作环境温度高，所以对涡轮材料的性能要求很高［22］。目前，车用涡轮转子的转速通常可以达到7 500 r/min，甚至更高，排气温度高达900℃以上。随着材料技术的发展，对涡轮增压器材料特性也有了更高的要求：

1）转子选用的材料必须在高温条件下具有更高的强度、断裂韧性、抗冲击性和较低的热膨胀系数。

2）为了使涡轮小型化、轻量化，需降低材料密度，以获得更小转动惯量和良好的瞬态响应性能。

3）为了批量化生产，需降低生产及制造工艺的难度，降低原材料的成本。

4）使材料具有良好的耐久性和可维修性，以保证在整个寿命周期具有更低的运行成本。

3 结语

涡轮增压技术发展至今，技术理论已趋于成熟。涡轮材料应当具有较好的耐热性和高温力学性能［23-24］，并在材料选择、优化和制造工艺等方面进行提高。随着材料连接方式和零件设计水平等相关技术的发展，轻质材料将广泛应用于汽车领域。

考虑到材料的轻量化、承热性、抗热裂性、铸造、锻造的效率、能源利用、资金问题和对环境的影响，与传统镍基材料和铝钛材料相比，陶瓷材料在关键参数方面有着不可比拟的优势。目前，亟待解决的问题是陶瓷材料的批量烧制、与金属材料的联接和保证材料的刚度等问题。要达到批量生产和应用的标准，综合相关仿真软件进行阶段拟合试验和少量实验生产已成为迫切需求。