Mikroturbiinin MIM osat

Tuotteen esittely

Ydinvinkki: Metal Injection Molding (MIM) -teknologialla voidaan valmistaa materiaaleja, joita on vaikea käsitellä muilla perinteisillä prosesseilla monimutkaisiksi rakenteellisiksi osiksi. Tämä ominaisuus tekee siitä ihanteellisen korkean suorituskyvyn turboahtimien valmistukseen
Metal Injection Molding (MIM) -teknologialla voidaan valmistaa materiaaleja, joita on vaikea käsitellä muilla perinteisillä prosesseilla monimutkaisiksi rakenteellisiksi osiksi. Tämä ominaisuus tekee siitä ihanteellisen menetelmän korkean suorituskyvyn turboahtimen osien valmistukseen. BASF:n ainutlaatuinen Catamold-prosessi voi auttaa ratkaisemaan useita keskeisiä ongelmia turboahtimen MIM-osien kehittämisessä.

Turboahtimen MIM osat
Turboahtimen sydän on turbiinikammion sisällä oleva turbiini, jota käyttää kuuman pakokaasun virtaus, ja kylmän ilman puolella oleva puristuspyörä. Puristussiipipyörien tarvitsee kestää vain alhaisempia lämpötiloja, ja alumiinisiipipyörät voivat täyttää vaatimukset täysin. Korkean lämpötilan pakokaasu turbiinikammiossa edellyttää korkeaa lämpötilaa kestävän korkealaatuisen teräksen käyttöä turbiinissa. Turbiini valmistetaan yleensä sijoitusvaluprosessilla. Teoriassa turbiini voidaan valmistaa MIM-prosessilla.
Metal Injection Molding (MIM) -tekniikkaa on käytetty turboahtimen osissa pitkään. MIM:n ilmeisten materiaalivalinnan ja suunnittelun vapauden etujen vuoksi MIM-teknologialla valmistettuja osia on käytetty laajasti viime vuosina ja niiden suorituskyky on todistettu todellisessa käytössä.

Challenges

Vaikka MIM-tekniikka on edistynyt jonkin verran, prosessin optimoinnin, osien rakenteen ja muottien suunnittelun parissa on vielä paljon työtä lähes vaativien osien valmistamiseksi. Kun turbiinin keskialueelle kertyy liikaa materiaalia, se voi aiheuttaa kutistumisontelon ilmiön. Tämä johtuu tilavuuden kutistumisesta, joka tapahtuu jäähdytyksen aikana. Molemmissa prosesseissa tämä vika voi ilmetä, kun muotti täytetään sulalla materiaalilla (sula metalli valussa, sula syöttö MIM:ssä). Nykyaikaisten simulointitekniikoiden käyttöä voidaan käyttää tämän ongelman yksityiskohtaiseen analysointiin. Esimerkiksi MIM-ruiskuvaluprosessien tarkka ennustaminen sopivan ohjelmiston avulla. Kuvassa 1 on esitetty turbo-simuloidun muotin täytön vaikutus. Tässä osassa käytetään kartiomaista porttia, jonka kautta sulaa raaka-ainetta ruiskutetaan osaan.
Muotin ja sulamislämpötilan lisäksi muotin täyttöprosessia voidaan simuloida erittäin realistisesti säätämällä edelleen ruiskutusnopeutta (cm3/s). Kuvat 1 ja 2 esittävät turbiinin muotin täyttöprosessin ajan kuluessa. Asetetuissa olosuhteissa osa täytetään 1,1 sekunnissa. Värilämpötilakäyrä näyttää sulatteen muutoksen ajan kuluessa täyttöprosessin aikana. Siniset alueet täytetään ensin, punaiset viimeisenä. Tarkkailemalla osan jäähtymisprosessia muotissa tai muotista purkamisen jälkeen, on mahdollista havaita sulan jähmettymisen hienovarainen prosessi vika-alueella. Kiinteytyspaineen poikkileikkauskuva turbiinista muotissa 40 sekunnin jäähdytyksen jälkeen. Suurempi sininen alue keskellä osoittaa, että paine oli erittäin alhainen jäähdytyksen lopussa, kun taas viereisellä alueella on jähmettynyt materiaali, joka estää sulatteen pääsyn sisään. Siksi materiaalin jäähtymisestä johtuva tilavuuden kutistuminen sinisellä alueella johtaa kutistumisonteloiden syntymiseen. Kuva 4 osoittaa selvästi tämän ongelman, jossa jähmettyneestä materiaalista syntyy tyhjiöitä jäähtymisajan jälkeen.

Ydinteknologia hukassa

Catamold-prosessissa, kun ruiskupuristus on valmis, asetaalisideaine poistetaan nopeasti kappaleesta hajoamalla happamassa ympäristössä sidostenpoistouunissa.
Jos ydin ruiskupuristetaan ensin POM:lla ja sitten syötetään ja muovataan ytimen ympärille, voidaan saada monimutkaisia ​​onttoja rakenteita sisältäviä osia, kun POM-ydin poistetaan sitomisen aikana.
Poikkileikkauskuva, joka näyttää kuinka muuten kiinteä osa muodostetaan ontoksi sisäpuolelle työntämällä ydin ruiskuvaluprosessin aikana. Kun ydin poistetaan ruiskupuristuksen jälkeen, muodostuu erityinen ontto rakenne.
Kuvassa 6 on esitetty menetetyn ydinteknologian parantava vaikutus turbiinin vika-alueeseen. Värilliset raidat edustavat kunkin alueen kiinteytymiseen tarvittavaa aikaa. Osan osat muotin ydintä lukuun ottamatta jähmettyvät täysin 27 sekunnin jäähdytyksen jälkeen.
Tavalliseen MIM-prosessiin verrattuna kadonnut ydinmenetelmä voi merkittävästi parantaa osien tuotantotehokkuutta. Tämä johtuu siitä, että teoriassa muotin ydin voidaan tehdä mihin tahansa muotoon ja sisäistä rakennetta voidaan säätää turbiinin todellisen koon ja kuormituksen mukaan. Samalla tämä tekniikka voi myös vähentää turbiinin painoa huomattavasti.

Sintrausprosessi

Metallin ruiskuvalutekniikan viimeinen vaihe on sintraus, jonka aikana jäljelle jäänyt sideaine poistetaan ja osa kutistuu. Sintrauslämpötila on hieman alhaisempi kuin käytetyn lejeeringin sulamispiste ja kokomuutos on suuri prosessin aikana.
MIM-osien kutistumisominaisuuksiin vaikuttavat muotin muoto, pitkän aikavälin tuotannon vakaus, materiaalierän varianssi ja käsittelyikkuna. Vakaan kutistumisnopeuden saavuttamiseksi muottien valmistus, erityisesti monimutkaisille geometrisille osille, vaatii useita optimointikierroksia mittojen korjaamiseksi. Joitakin näistä mittamuutoksista on vaikea ennustaa etukäteen ja ne voivat muodostua ruiskupuristuksen tai sintrauksen aikana.
Ei ole vaikea kuvitella, että niinkin korkeassa sintrauslämpötilassa kuin 1200 °C ~ 1450 °C (erityyppisten materiaalien mukaan) monimutkaisen muotoiset osat deformoituvat helposti. Tämä vääristymä voidaan monissa tapauksissa välttää asianmukaisella komponenttien suunnittelulla ja prosessin ohjauksella.
Tilanne kuitenkin monimutkaistuu, kun seinämän paksuus, ulokerakenne ja kutistumisen aiheuttama kitka yhdessä aiheuttavat muodonmuutoksia.
Paljon syvällistä perustutkimusta on tehty, jotta mahdolliset muodonmuutos- ja kutistumiserot pystytään ennakoimaan etukäteen, jotta ne saadaan mahdollisimman paljon eliminoitua muottiin sopivalla modifikaatiolla.

Turboahtimen ohjaussiipien mallinnus

Kuvassa on sintraussimulaatiossa käytetyn turboahtimen ohjaussiivet. Simulaatioohjelmiston avulla voidaan tunnistaa muodonmuutoksille alttiimmat alueet. Tässä käytettiin Barrieren kuvaamaa sintrausmallia. Tässä mallissa MIM-osien näkyvää kutistumista pidetään virumisena ja kuvataan viskoelastisten materiaalien ominaisuuksien mukaan. Kaavio näyttää Catamold 310N -materiaalin kutistumisen ajan myötä (oikea asteikko) kahdella kuumennusnopeudella (vasen asteikko). On selvää, että erilaiset kuumennusnopeudet johtavat erilaiseen kutistumiseen, mikä yhdessä muiden sintrauksen aikana tapahtuvien reaktioiden kanssa voi johtaa osan muodonmuutokseen.
Vasemmalla näkyvät ristisilloitetut ohjaussiivet, joiden viivat osoittavat missä ne olivat sintrattaessa. Oikeanpuoleisessa vertailussa näkyy kappale ennen ja jälkeen sintraamisen, jossa osan muodon ja sijainnin muutos näkyy selvästi.
Sintrausmallin ja materiaalin kutistumisominaisuuksien perusteella voidaan laskea osan kutistuminen tilasuunnassa. Siksi sintrauksen aikana tapahtuva kutistuminen on esitetty. Värilämpötilakäyrä osoittaa selvästi alueiden taipumuksen kutistua ja pienentyä. Kun otetaan huomioon kutistuminen aksiaalisuunnassa, tummansininen edustaa aluetta, jolla on suurin kutistumisaste, ja keltainen osa siirtymistä tapista ohjaussiivekeen edustaa aluetta, jolla on vähiten kutistuminen.
Vertailun vuoksi simuloitiin myös ohjaussiiven lay-flat-sintrausprosessia. Simulaatiosta saadut tulokset mahdollistavat asianmukaisten toimenpiteiden tarkastelun ja toteuttamisen anisotrooppisen kutistumisen eliminoimiseksi osan kehittämisen aikana.
raaka materiaali
Toinen keskeinen ongelma MIM-turbiinien valmistuksessa on sopivien materiaalien saatavuus. Näiden materiaalien on kestettävä korkeita jopa 1080 asteen lämpötiloja suurilla kuormituksilla. MIM:n tärkein etu on, että sillä voidaan valmistaa osia materiaaleista, joita on vaikea työstää investointivalulla.
Superseoksia on käytetty MIM-teknologiassa vuodesta 2003 ja ne ovat laajalti tunnettuja. Turboahtimen juoksupyörän materiaalin valinnassa perusvaatimuksena on lujuus korkeassa lämpötilassa. Kuvassa 11 on esitetty eri materiaalien murtolujuusarvot korkean lämpötilan vaikutuksen jälkeen 1000 tunnin ajan.
Ultrahienon jauheen valmistuksen ansiosta MIM-superseososien mikrorakenne on hyvin yhtenäinen, mikä on aivan erilainen kuin tarkkuusvalettujen osien. MIM-materiaaliksi on kehitetty myös turboahtimen osien valmistukseen usein käytetty superseos Inconel 713 C.
Suhteellisen korkean alumiini- ja titaanipitoisuuden vuoksi tämän materiaalin sintraus ei ole ollenkaan mahdollista tavallisissa sintrausilmakehissä (vety, typpi). Kuitenkin havaittiin, että argonin käyttö suojakaasuna estää näiden alkuaineiden hapettumisen sintrauksen aikana ja saavuttaa tehokkaan kutistumisen hallinnan.
MIM-osien mekaanisen lujuuden ja sijoitusvalunäytteiden suora vertailu huoneenlämpötilassa (liitteenä oleva taulukko) osoittaa, että Catamold-prosessilla voidaan saavuttaa erinomaiset materiaaliominaisuudet.

Tee yhteenveto

Turboahdinmarkkinoiden vahva kasvu jatkuu lähivuosina, yksi syy on bensiinimoottorien turboahdinsovellusten asteittainen lisääntyminen.
Metallin ruiskuvalutekniikka on osoittautunut yhdeksi tehokkaista tavoista tuottaa monimutkaisia ​​osia turboahtimiin, mutta MIM-tekniikan potentiaalia muovaukseen ei ole vielä löydetty.
Ruiskuvalu- ja sintrausprosessin simulointiteknologian avulla on mahdollista edelleen vähentää tuotteen optimointivaiheita osien kehitysprosessissa. MIM-tekniikka antaa riittävän takuun erittäin lämmönkestävien materiaalien käytölle. Kuumuutta kestävistä materiaaleista, kuten MIM-superseoksista, valmistetuilla osilla on erittäin tasainen mikrorakenne, ja niiden mekaaniset ominaisuudet huoneenlämmössä jopa ylittävät investointivaluosien.

Havaintojärjestelmät

Metallin ruiskupuristusprosessi