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外文翻譯
半固態(tài)成型：
競(jìng)爭(zhēng)來(lái)自汽車復(fù)雜零件的鍛造機(jī)
Q. ZHU1, S. P. MIDSON2
1.英國(guó)康明斯渦輪增壓技術(shù)有限公司，圣安得烈路，哈德斯菲爾德，Hd1 6RA S；
2.美國(guó)鋁復(fù)雜組分公司，科羅拉多州丹佛賈森街道2211南，80223， 2010年5月13日收到; 2010年6月25日接受
摘 要
葉輪制造的最新技術(shù)被稱為半固態(tài)成型（SSM）。它是康明斯渦輪增壓技術(shù)有限公司與鋁復(fù)合元件公司一起開發(fā)，SSM壓縮機(jī)輪的一種方式。它能使鑄造和加工固體之間（MFS）鋁合金車輪，實(shí)現(xiàn)成本和耐久性的地方。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SSM材料具有優(yōu)良的顯微組織和力學(xué)性能，這些都高于MFS材料。測(cè)試包括耐久性的組分測(cè)試，使用加速的速度周期測(cè)試，證明SSM壓縮機(jī)輪子比鑄造的等值更耐用和接近MFS葉輪。為了使半固態(tài)處理進(jìn)一步挑戰(zhàn)of other complex components and other materials in automotive industry in terms of both cost and durability are also discussed.，對(duì)汽車行業(yè)中制造成本和其他成分復(fù)雜等材料的耐久性進(jìn)行了討論。
關(guān)鍵詞： 鋁合金; 半固體造型; 耐久性; 汽車復(fù)雜組分; 蒸氣增壓器壓縮機(jī)輪子
1引言
柴油和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)是造成的排放和全球變暖的一個(gè)重要來(lái)源。為了提高燃油效率和減少排放，汽車輕量化是一種有效的方法.。半固態(tài)成型（SSM）已成功幫助，減輕汽車零部件的重量，明顯改善的機(jī)械性能。所以，可以用小或更薄的壁零件。汽車零部件已成功用SSM。達(dá)斯古普塔[ 1 ]總結(jié)了最普遍的應(yīng)用如下： 1) A357-T5,2)自動(dòng)傳輸使換中檔杠桿A357-T5， 3)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配A357-T5， 4)引擎托架1 800 g A357-T5， 5)上部控制臂A356-T6， 6)懸浮A357-T5， 7)引擎托架720 g A357-T5， 8)引擎托架2400 g A357-T5和9)柴油引擎A356- T5泵體加油路軌。
發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的另一種有效的提高燃油效率和減少排放。增加氣壓比率到發(fā)動(dòng)機(jī)方式能夠進(jìn)一步提高燃油效率和減少排放的目的。增加氣壓可以通過(guò)在一個(gè)渦輪增壓器壓縮機(jī)輪來(lái)實(shí)現(xiàn)。壓縮機(jī)輪需要非常復(fù)雜的葉片，幾何實(shí)現(xiàn)高壓力比。應(yīng)付250 °C和重大溫度差時(shí)，壓縮機(jī)輪承受的旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)200 000轉(zhuǎn)/分鐘。除機(jī)械力量和溫度能力的要求之外，由于在速度周期上的刀片的變化和振動(dòng)，疲勞是一種典型的失效模式。
這種組合的復(fù)雜的幾何形狀和堅(jiān)韌操作條件,意味著調(diào)制解調(diào)器壓縮機(jī)輪子要求最佳的物質(zhì)技術(shù)。幾十年來(lái)，壓縮機(jī)的車輪含有鋁，硅和銅的合金。要達(dá)到指定的耐久性目標(biāo)，然而，制約他們的發(fā)行速度，即是必要的。由于鑄造缺陷，在操作過(guò)程中減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。因此，固體(MFS)或鍛件壓縮機(jī)輪子的開發(fā)，克服鑄件瑕疵問(wèn)題。在耐久性的改善也意味MFS輪子可能可靠地跑以更高的速度，增長(zhǎng)的燃料效率和減少排放。缺點(diǎn)是MFS鑄造比較昂貴。
因此，半固態(tài)成形加工（SSM）應(yīng)用開發(fā)的制造過(guò)程中，在鑄造和MFS鋁合金之間車輪，去實(shí)現(xiàn)成本和耐久性能。由于壓縮機(jī)輪幾何形狀復(fù)雜，精度控制的要求和嚴(yán)格的操作條件，制造壓縮機(jī)輪可能是SSM最困難的過(guò)程。在這項(xiàng)工作SSM應(yīng)用的開發(fā)和結(jié)果在制造業(yè)壓縮機(jī)輪子在復(fù)雜幾何學(xué)汽車組分制造被提出，為例SSM應(yīng)用。
2 渦輪增壓
最近渦輪增壓技術(shù)廣泛用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，直接噴射技術(shù)也一起發(fā)展。對(duì)于新汽車渦輪增壓器的應(yīng)用量（合適的）。如圖1所示，在過(guò)去10年1999年-2004年穩(wěn)定增長(zhǎng)約10%和2004年-2009年約5%，平均年增長(zhǎng)率約7%。在2004年-2009年較低的增長(zhǎng)率，主要是由經(jīng)濟(jì)衰退引起的。自2008年以來(lái)，未來(lái)10年預(yù)計(jì)年增長(zhǎng)率將有約8%。2007年蒸氣增壓器新車的世界總寬容量大約是20百萬(wàn)個(gè)單位，相當(dāng)于6.8十億USD。
圖1 全球渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)（首次適應(yīng)卷）
渦輪增壓器可以通過(guò)壓縮機(jī)輪子有效地增加氣壓，這是由通過(guò)廢氣渦輪軸排氣。圖2顯示了一個(gè)典型的廢氣旁通增壓器。壓縮機(jī)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度可高達(dá)200 000 r/min。進(jìn)一步增加的速度是提高效率和燃油經(jīng)濟(jì)性。然而，轉(zhuǎn)動(dòng)速度由壓縮機(jī)和渦輪葉輪的材料物產(chǎn)生限制。渦輪增壓器故障主要是由壓縮機(jī)或渦輪機(jī)在高溫條件下引起疲勞。
圖2典型的廢氣旁通增壓器概述
3 SMM制造渦輪增壓器壓縮機(jī)輪的挑戰(zhàn)
渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪幾何的設(shè)計(jì)是非常復(fù)雜，為了滿足特定的效率和耐久性的要求。圖3給出了一個(gè)典型的壓縮機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)。葉片長(zhǎng)度與葉片厚度比約為25，這使得它在SSM難填補(bǔ)的葉片和中央集線器刀片的質(zhì)量比可以達(dá)到80左右，同時(shí)這使得它很難獲得滿意的葉片和輪轂組織。此外，葉片的曲度在處理以后SSM模子難拆卸。因此，模具設(shè)計(jì)，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)及模具溫度控制和流道系統(tǒng)是達(dá)到一個(gè)成功的結(jié)果的關(guān)鍵參量[2]。另外，材料也必須經(jīng)過(guò)仔細(xì)挑選，以滿足在嚴(yán)格操作條件下符合壓縮機(jī)輪子的耐久性的嚴(yán)密要求。
圖3概述（a）、剖面圖（b）典型的壓縮機(jī)w heel砂輪
4 材料的選擇
材料的選擇是決定開始的物理性能如熱導(dǎo)率，熱系數(shù)和合金密度保證當(dāng)前組分設(shè)計(jì)有效性。認(rèn)為3XX鑄造鋁合金可用于目前壓縮機(jī)輪的設(shè)計(jì)?？捎盟衃 3-33 ] 數(shù)據(jù)的SSM的力學(xué)性能和鑄鋁合金比較后，319s合金被選擇制造壓縮機(jī)輪子。圖4顯示319s合金具有合理最好的和一致的拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。從純粹的拉伸性能的觀點(diǎn)，SSM A201也顯示了可喜的成果。因此，SSM A201試驗(yàn)，更好的實(shí)現(xiàn)了文學(xué)強(qiáng)度和延性比。然而，SSM A201沒有市售的。所以用于制造壓縮機(jī)輪仍然是SSM 319s合金。
圖4 SSM鋁合金的拉伸性能比較永久模鑄造的（PM）
5 結(jié)果
在表1中給出了SSM壓縮機(jī)輪選擇合金319s化學(xué)成分。圖5顯示SSM 319s壓縮機(jī)輪有優(yōu)越的抗拉伸強(qiáng)度和延展性。在2618鍛造熱處理T61的條件下用于壓縮機(jī)輪的c355和目前354接近。單軸疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣從一個(gè)平行的方向鍛造2618合金的金屬流動(dòng)具有優(yōu)良的耐疲勞性，而在垂直方向有類似的疲勞性能抵抗熔鑄355（6）。金屬化流程樣品的取向之間這個(gè)區(qū)別主要出現(xiàn)從粗第二個(gè)階段微粒的對(duì)準(zhǔn)線。改善疲勞在圖6小應(yīng)變中可以看到SSM 319s在鑄造355的屬性。如圖7所示，已被證明組件的磁盤疲勞試驗(yàn)，是由單軸的壓縮應(yīng)力與R> O在從壓縮機(jī)輪子的后面面孔用機(jī)器制造的盤樣品進(jìn)行。在渦輪增壓器組件測(cè)試中，檢測(cè)的細(xì)胞受康明斯渦輪增壓技術(shù)的限制，結(jié)果列于圖8。圖8顯示了鑄造c355，2618和SSM 319s相比的耐久性。SSM 319s和偽造2618壓縮機(jī)輪之間，雖然他們都優(yōu)越鑄造c355的耐久性。SSM 319s和偽造的2618的這重大改善主要來(lái)自材料的改善和鑄件瑕疵的排除，例如氧化物。除對(duì)材料的完整性，鍛造和SSM的改進(jìn)清潔。鍛造2618和SSM 319s比鑄造的C355和354.0的晶粒結(jié)構(gòu)細(xì)化和顯微組織是對(duì)壓縮機(jī)輪子的耐久性改善的另一貢獻(xiàn)(圖9)。
圖5顯示了SSM 319s鑄造優(yōu)越的抗拉性能C355, 354.0 and 319 while comparable with forged 2618c355，354和319，與鍛造2618
圖6通過(guò)鑄造SSM 319s顯示出c355與鍛造2618優(yōu)越的耐疲勞性
圖7 SSM 319s顯示出在鑄造c355阻力優(yōu)越的單軸疲勞resistance over cast C355
圖8 SSM 319s壓縮機(jī)輪表現(xiàn)出在鑄造c355壓縮機(jī)輪與forged 2618鍛造2618優(yōu)越的耐久性
圖9晶粒結(jié)構(gòu)的鑄造c355（a），2618（b）和鍛造SSM 319s (c), indicating comparable grain size between forgedSSM 319s（c），表明類似的晶粒尺寸之間鍛造and SSM alloys, while both significant finer than cast alloy和SSM合金，而顯著小于鑄造合金。
5 執(zhí)行總結(jié)
1）渦輪增壓是實(shí)現(xiàn)大幅減排和燃油經(jīng)濟(jì)一個(gè)最成功的技術(shù)。渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在過(guò)去10年已經(jīng)取得大約7%的體積增加，并且未來(lái)10年預(yù)測(cè)增長(zhǎng)8%。
2）SSM已被成功地應(yīng)用于生產(chǎn)極其復(fù)雜的幾何渦輪增壓器的壓縮機(jī)車輪。
3）SSM壓縮機(jī)輪取得了拉伸，疲勞性能和部件的耐久性。所以，它接近2618鍛造，優(yōu)于鑄造c355。
6 未來(lái)的挑戰(zhàn)
雖然制造業(yè)的SSM汽車零部件已取得重大進(jìn)展，研究人員努力開發(fā)新的合金和工藝，仍有需要更多的努力來(lái)滿足工業(yè)要求。這些措施包括：
1）更多選擇的合金
有汽車的工業(yè)應(yīng)用不同要求，一些需要高強(qiáng)度，而有些人可能需要高的熱性能，疲勞性，耐腐蝕性和耐磨性。這些都需要不同的合金系統(tǒng)滿足一個(gè)或多個(gè)工業(yè)應(yīng)用的要求。
2）高熔點(diǎn)合金系統(tǒng)
發(fā)展SSM是最大的努力過(guò)程歷史上以相對(duì)較低的熔化點(diǎn)、合金如鋁和鎂合金。一些努力和成功取得了高熔點(diǎn)點(diǎn)合金如鋼[ 34 ]，但進(jìn)一步的研究需要發(fā)展的材料系統(tǒng)的鑄鐵，鋼鎳基合金。這些材料具有顯著的比鋁和鎂合金密度更高，所以有更大的潛在節(jié)省更多的重量汽車零部件，從而更多的燃油經(jīng)濟(jì)性，和提高質(zhì)量和性能，耐久性在SSM過(guò)程改進(jìn)的光比合金。
3）復(fù)雜的幾何部件
一些汽車零部件的復(fù)雜幾何，例如一個(gè)渦輪增壓器壓氣機(jī)輪和發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭，使得它很難實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的性能要求，在鑄造鍛坯加工效率/成本。因此，SSM幾何組成有制造復(fù)雜的巨大潛力。非常低的剪切強(qiáng)度在半固態(tài)狀態(tài)合金使它實(shí)現(xiàn)制造復(fù)雜的幾何部件時(shí)澆注系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)與模具結(jié)構(gòu)在低剪切強(qiáng)度達(dá)到可容納相對(duì)較高的抗壓強(qiáng)度。
4）還原電流SSM元件成本
在使用SSM加工過(guò)程中減少零件的制造成本實(shí)現(xiàn)鍛坯。然而，由于成本高制造原料棒料，復(fù)雜性澆注系統(tǒng)和模具結(jié)構(gòu)以及相對(duì)高成本，SSM組件的成本仍然顯著高于鑄造。因此，應(yīng)作出努力，進(jìn)一步達(dá)到降低成本棒料的原材料，設(shè)計(jì)和制造澆注系統(tǒng)和模具結(jié)構(gòu)和工藝。
致謝
作者想表達(dá)他們的感謝，在康明斯渦輪增壓邁克爾鳳博士對(duì)批判性閱讀和科技有限公司本文的評(píng)論。多虧了安得烈.杰克遜的鋁成分復(fù)雜，開發(fā)工具和一般支持successfully manufacturing the SSM impelle成功地生產(chǎn)的SSM葉輪。
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