外文翻譯 半固態成型 ： 競爭 來自 汽車復雜零件的鍛造機 Q. ZHU1, S. P. MIDSON2 1.英國康明斯渦輪增壓技術有限公司，圣安得烈路，哈德斯菲爾德， Hd1 6RA S； 2.美國鋁復雜組分公司，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被稱為半固態成型（ SSM） 。它是 康明斯渦輪增壓技術有限公司與鋁復合元件公司 一起 開發 ， SSM 壓縮機輪的一種方式 。它能使 鑄造和加工固體之間（ MFS）鋁合金車輪 ， 實現成本和耐久性的地 方 。 實驗結果 表明， SSM 材料具有優良的顯微組織和力學性能 ，這些都 高于 MFS 材料。 測試包括耐久性的組分測試，使用加速的速度周期測試，證明 SSM 壓縮機輪子比 鑄造 的等值 更耐用和接近 MFS 葉輪 。為了使 半固態處理 進一步挑戰 ，對 汽車行業中 制造 成本和其他成分復雜等材料的耐 久性進行了討論。 關鍵詞 ： 鋁合金 ； 半固體造型 ； 耐久性 ； 汽車復雜組分 ； 蒸氣增壓器壓縮機輪子 1 引言 柴油和汽油發動機是造成的排放和全球變暖的 一個 重要來源。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 .。 半固態成型（ SSM）已成功幫助 ，減輕 汽車零部件 的 重量 ，明顯 改善的機械性能 。 所以，可以用小或更薄的壁 零件 。汽車零部件已成功 用 SSM。達斯古普塔 1 總結了最普遍的應用如下： 1) A357-T5,2)自動傳輸使換中檔杠桿 A357-T5， 3)發動機裝配 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。 發動機技術發展的另一種有效的提高 燃油效率和減少 排放。 加 氣壓比率到 發動機方式 能夠 進一步提高燃油效率 和 減少 排放的目的。增加 氣壓 可以通過在一個渦輪增壓器壓縮機輪 來 實現。壓縮機輪需要非常復雜的葉片 ， 幾何實現高壓力比。 應付 250 C 和重大溫度差時， 壓縮機輪承受的旋轉速度高達 200 000 轉 /分鐘。 除 機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， 疲勞是一種典型的失效模式 。 這種組合 的復雜的幾何形狀和 堅韌操作條件 ,意味著調制解調器壓縮機輪子要求最佳的物質技術。 幾十年來，壓縮機的車輪含有鋁，硅和銅 的合金 。 要達到指定的耐久性目標，然而，制約他們的發行速度，即是必要的。 由于鑄 造 缺陷 ， 在操作過程中減少 了發動機的效率 。 因此 ，固體 (MFS)或鍛件壓縮機輪子的 開發 ，克服鑄件瑕疵問題。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，增長的燃料效率和減少 排放 。缺點是 MFS 鑄造 比較 昂貴。 因此，半 固態成形加工（ SSM）應用開發的 制造過程中， 在鑄造和 MFS 鋁合金之間車輪 ， 去實現成本和耐久性能。由于壓縮機輪幾何形狀復雜，精度控制的要求和嚴格的操作條件，制造壓縮機輪可能是 SSM 最困難的過程。在這項工作 2 渦輪增壓 最近 渦輪增壓 技術廣泛用于柴油發動機和汽油發動機 ， 直接噴射技術也一起發展。對于新汽車渦輪增壓器的應用量（合適的） 。如圖 1 所示，在過去 10 年 1999 年 -2004年 穩定增長約 10%和 2004 年 -2009 年約 5%， 平均年增長率約 7%。在 2004 年 -2009 年 較低的增長率 ， 主要是由經濟衰退引起的 。 自 2008 年 以來，未來 10 年預計年增長率將有約 8%。 2007 年蒸氣增壓器新車的世界總寬容量大約是 20 百萬個單位，相當于 6.8 十億USD。 圖 1 全球 渦輪增壓發動機 市場（首次適應卷 ） 渦輪增壓器 可以通過壓縮機輪 子 有效地增加氣壓，這是由通過廢氣渦輪軸 排氣 。圖2 顯示了一個典型的廢氣旁通增壓器。 壓縮機輪子的轉動 速度可高達 200 000 r/min。進一步增加的速度是提高效率和燃油經濟性。 然而，轉動速度由壓縮機和渦輪葉輪的材料 物產生限制。 渦輪增壓器故障主要是由壓縮機或渦輪機在 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輪的挑戰 渦輪增壓器壓氣機葉輪幾何的設計是非常復 雜，為了滿足特定的效率和耐久性的要求。圖 3 給出了一個典型的壓縮機葉輪的設計。葉片 長度與葉片厚度比約為 25， 這使得它在 SSM 難填補的葉片和中央集線器刀片的質量比可以達到 80 左右，同時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，模具設計，澆注系統設計及模具溫度控制和流道系統 是達到一個成功的結果的關鍵參量2。另外 ，材料也必須 經過仔細挑選，以滿足 在嚴格操作條件下符合壓縮機輪子的耐久性的嚴密要求。 圖 3 概述（ a）、剖面圖（ b）典型的壓縮機 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率，熱系數和 合金密度保證當前組分設計有效性 。認為 3XX 鑄造鋁合金可用于目前壓縮機輪的設計。可用所有 3-33 數據的SSM 的力學性能 和 鑄鋁合金比較后， 319s 合金被選擇制造壓縮機輪子 。圖 4 顯示 319s合金具有合理最好的和一致的拉伸強度和伸長率。從純粹的拉伸性能 的觀點， SSM A201也顯示了可喜的成果 。 因此， SSM A201 試驗 ， 更好的實現了文學強度和延性比。然而，SSM A201 沒有 市售的 。 所以用于制造壓縮機輪仍然是 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 結果 在 表 1 中給出 了 SSM 壓縮機輪 選 擇 合金 319s 化學成分。圖 5 顯示 SSM 319s 壓縮機輪有 優越 的 抗 拉伸強度和延 展 性 。在 2618鍛造熱處理 T61的條件下用于壓縮機輪 的 c355和目前 354 接近。單軸疲勞試驗結果表明，試樣從一個平行的方向鍛造 2618 合金的金屬流動具有優良的耐疲勞性 ， 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區別主要出現從粗第二個階段微粒的對準線。 改善疲勞在圖6 小應變 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， 是由單軸的壓縮應力與 R O 在從壓縮機輪子的后面面孔用機器制造的盤樣品進行 。在渦輪增壓器組件測試 中， 檢測 的 細胞 受 康明斯渦輪增壓技術的限制，結果列于圖 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壓縮機輪之間，雖然他們都 優越 鑄造 c355 的耐久性。 SSM 319s 和偽造的 2618 的這重大改善主要 來自材料 的改善和鑄件瑕疵的排除，例如氧化物。 除對材料的完整性 ， 鍛造和SSM 的改進清潔 。 鍛造 2618 和 SSM 319s 比鑄造的 C355 和 354.0 的 晶粒結構細化 和 顯微組織 是對壓縮機輪子的耐久性改善的另一貢獻 (圖 9)。 圖 5 顯示了 SSM 319s 鑄造 優越的抗拉性能 c355， 354 和 319，與 鍛造 2618 圖 6 通過鑄造 SSM 319s 顯示出 c355 與 鍛造 2618 優越的 耐疲勞性 圖 7 SSM 319s 顯示出在鑄造 c355 阻力優越的單軸疲勞 圖 8 SSM 319s 壓縮機輪表現出在鑄造 c355 壓縮機輪與 鍛造 2618 優越的耐久性 圖 9 晶粒 結構的鑄造 c355（ a）， 2618（ b）和 鍛造 SSM 319s（ c） ，表明類似的 晶粒尺寸之間鍛造 和 SSM 合金，而顯著 小于 鑄造合金 。 5 執行總結 1）渦輪增壓是實現大幅減排 和 燃油經濟一個最成功的技術。渦輪增壓發動機在過去 10 年 已經取得 大 約 7%的體積增加 ，并且 未來 10 年預測增長 8%。 2） SSM 已被成功地應用于生產極其復雜的幾何渦輪增壓器的壓縮機車輪。 3） SSM 壓縮機輪取得了拉伸 ， 疲勞性能 和部件的耐久性 。 所以， 它 接近 2618 鍛造 ，優于鑄造 c355。 6 未來的挑戰 雖然 制造業的 SSM汽車零部件已取得重大進展 ， 研究人員努力開發新的合金和工藝，仍有需要更多的努力來滿足工業要求。這些措施包括： 1） 更多選擇的 合金 有汽車的工業應用不同要求，一些需要高 強度，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滿足一個或多個工業應用的要求。 2） 高熔點合金系統 發展 SSM 是 最大的努力過程歷史上以相對較低的熔化點、合金如鋁和鎂合金。一些努力和成功取得了高熔點點合金如鋼 34 ，但進一步的研究需要發展的材料系統的鑄鐵，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省更多的重量汽車零部件，從而更多的燃油經濟性，和提高質量和性能，耐久性在 SSM 過程改進的光比合金。 3） 復雜的幾何 部件 一些汽車零部件的復雜幾何， 例如一個渦輪增壓器壓氣機輪和發動機缸頭，使得它很難實現嚴格的性能要求，在鑄造鍛坯加工效率 /成本。因此 ， SSM 幾何組成有制造復雜的巨大潛力。非常低的剪切強度在半固態狀態合金使它實現制造復雜的幾何部件時澆注系統的合理設計與模具結構在低剪切強度達到可容納相對較高的抗壓強度。 4） 還原電流 SSM 元件成本 在使用 SSM 加工過程中減少零件的制造成本實現鍛坯。然而，由于成本高制造原料棒料，復雜性澆注系統和模具結構以及相對高成本， SSM 組件的成本仍然顯著高于鑄造。因此，應作出努力，進一步達到降低成本棒料的原材料，設計和制造 澆注系統和模具結構和工藝 。 致謝 作者想 表達他們的 感謝 ， 在康明斯渦輪增壓邁克爾鳳博士對批判性閱讀和科技有限公司本文的評論。多虧了安得烈 .杰克遜的鋁成分復雜，開發工具和一般支持 成功地生產的 SSM 葉輪。 參考文獻 1 達斯古普塔 R. 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