用于制造废气涡轮增压器的涡轮机转子的方法以及涡轮机转子的应用

摘要

本发明涉及一种用于制造废气涡轮增压器的涡轮机转子(1)的方法，其中涡轮机转子(1)包括涡轮(2)以及轴(3)，该涡轮具有轮毂(4)和从轮毂(4)出发的涡轮机轮叶(5)，所述方法具有以下步骤：提供涡轮(2)以及轴(3)；通过在涡轮(2)的表面上涂覆卤素或在涡轮的表面中施加卤素以及随后对涡轮(2)进行热处理来形成保护层；以及把轴(3)和涡轮(2)的轮毂(4)连接在一起。本发明还涉及涡轮机转子(1)的应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于制造废气涡轮增压器的涡轮机转子的方法，其中 涡轮机转子包括涡轮以及轴，该涡轮具有轮毂和从轮毂出发的涡轮机轮叶/ 涡轮机叶片。本发明还涉及涡轮机转子的应用。

背景技术

借助于废气涡轮增压器增压的内燃机的响应特性或转矩形成决定性地 取决于废气涡轮增压器的转子的、尤其是其涡轮机转子的惯性矩。惯性矩 的大部分由于涡轮的质量产生，该质量是涡轮机转子的组成部分。质量越 小，则可以更快地实现转矩形成。相应地，可以通过减小涡轮的质量来改 善内燃机的响应特性。可减小涡轮质量的可能性在于，通过另一种具有更 小密度的材料来替换常用的镍基合金，其具有约8g/cm³的密度。涡轮所用 的材料理想地具有相当的高温特性，尤其在温度高于800℃时，如镍基合 金。然而，具有所述特性的材料，即尤其具有低密度和良好高温特性的材 料通常在废气涡轮增压器中由于流经内燃机的热废气而出现的高于800℃ 的温度下是不抗氧化的。这表示，其在废气涡轮增压器的运行期间要经受 氧化过程，该氧化过程对涡轮的表面产生不利影响。尤其对于涡轮机轮叶 而言是这种情况，其直接被加载热废气，然而原则上对于涡轮机轮叶布置 在其上的轮毂而言也是这种情况。

发明内容

因此，本发明的任务在于，提出一种用于制造废气涡轮增压器的涡轮 机转子的方法，一方面可价廉地实施该方法，且另一方面实现了制造这样 一种涡轮机转子，该涡轮机转子即使在高温下(像其在废气涡轮增压器中 出现的那样)也抗氧化。在此，涡轮机转子例如应该由一种与通常所用的 镍基合金相比具有更小密度的材料制成。

根据本发明，这通过具有权利要求1所述的特征的方法实现。所述方 法具有以下步骤：提供涡轮以及轴；通过在涡轮的表面(优选整个表面) 上涂覆卤素或在涡轮的表面(优选整个表面)中施加卤素以及随后对涡轮 进行热处理来形成保护层；以及把轴和涡轮的轮毂连接在一起。涡轮机转 子作为组合式的涡轮机转子存在。这意味着，该涡轮机转子由涡轮和轴组 装而成，所述涡轮和轴被彼此分开地设计和制造。因此，在制造涡轮机转 子时，连接轴和涡轮，从而随后它们作为形式为涡轮机转子的单元存在。 为此，首先提供涡轮和轴。这种提供也可以包括制造，其中涡轮尤其通过 铸造制成。

在提供涡轮之后，在该涡轮上形成保护层。这通过涂覆或施加卤素实 现，其中对涡轮的(优选整个)表面进行卤素处理。当然，卤素也可以仅 被涂覆在表面的一区域上或施加在其中。尤其在轮毂的区域中可以仅设计 局部的涂覆/施加。卤素的涂覆/施加能以任意方式和方法进行。例如，为此 设计了离子掺杂工艺、浸渍工艺、喷射工艺或刷涂工艺。为了进行离子掺 杂，例如等离子-浸渍-离子掺杂工艺或者光束线-离子掺杂工艺等用作离子 掺杂工艺。例如，氟、氯、溴、碘或这些元素的混合物可用作卤素。卤素 的涂覆或施加应该像前文已经确定的那样，在涡轮的而不是轴的表面上或 表面中进行。

在涂覆或施加之后，涡轮、尤其是整个涡轮接受热处理。这种热处理 在至少500℃到900℃下进行，这种热处理也可以称作热激活或预氧化。在 热处理期间，形成耐热的保护层。该保护层保护涡轮在废气涡轮增压器的 运行期间不被不允许的氧化。在形成保护层后，轴与涡轮的轮毂连接且如 此得到了涡轮机转子。此处所述的顺序的优点是：在涡轮的热处理之后， 轴与涡轮连接。在涡轮的热处理期间，轴也就不被加载温度。即在涡轮的 热处理期间不会出现轴的不允许的氧化和/或轴的可能设计的调质处理的 解除。轴和涡轮之间的、通过涡轮的轮毂实现的连接也不会由于热处理而 被损害，因为在热处理之后才建立连接。

在本发明的一个改进方案中设计为，在连接之前，把所述保护层至少 局部地从轮毂去除，尤其仅从涡轮的轮背部去除。在把轴和涡轮的轮毂连 接在一起之前，其中要进行连接或接合的区域必须没有保护层，以便实现 轴与轮毂的可靠和牢固的连接。保护层妨碍连接的建立。相应地，例如通 过对轮毂的至少一个区域的机械加工来去除轮毂的保护层。有利地设计为， 仅在涡轮的轮背部的区域中设计轴在轮毂上的固定。例如，轮毂在那里具 有用于轴的接纳部和/或轴的固定件，该固定件仅穿过轮背部，而不穿过轮 毂的对置的侧面。因此，有利地把保护层仅从涡轮的轮背部去除。通常， 在涡轮的轮背部上温度负荷相对较小。在那里尤其在废气涡轮增压器的运 行期间存在的温度小于涡轮的材料的氧化温度或仅导致可忽略的氧化。相 应地，在此处可以去除保护层，而在废气涡轮增压器的运行期间不必担心 不期望的氧化或不期望地强烈的氧化。

在本发明的一个改进方案中设计为，在连接之后，把所述保护层从涡 轮的轮毂的与轮背部对置的轮毂端侧去除。轮毂端侧在与轮背部对置的侧 面上限制涡轮的轮毂。其——相对于涡轮机转子的旋转轴线——沿径向位 于彼此对置的涡轮机轮叶之间或围绕旋转轴线。在废气涡轮增压器的运行 期间，涡轮机轮叶由于加载热废气承受高的温度负荷，而这通常不适用于 轮背部或仅以减小的程度适用于轮背部。保护层从轮毂端侧的去除在连接 之后进行，即通常在涡轮机转子的最后加工的范围内。

最后加工也可以包括涡轮机转子的平衡。在轮毂的轮毂端侧上去除至 少一部分材料以及进而保护层例如用于涡轮机转子的平衡。在轮毂端侧的 区域中，轮毂通常以多边形或多面形的形状存在，该多边形或多面形尤其 用于借助于与多边形协调的工具在废气涡轮增压器的安装期间保持涡轮机 转子的旋转角度位置。像上文已经描述的，在废气涡轮增压器的运行期间， 在轮毂端侧上的温度通常小于氧化温度。相应地，没有问题地去除保护层。 此外，轮毂端侧上的氧化未导致涡轮机转子的功能损失。相反，不妨碍废 气涡轮增压器的运行。

在本发明的一个改进方案中设计为，在连接之后，把所述保护层从涡 轮的涡轮机轮叶中的至少一个的、与轮毂背离的轮叶端侧去除。例如，这 在涡轮机转子的平衡或最后加工的范围内进行。轮叶端侧存在于涡轮机轮 叶的自由端部上，该端部背离轮毂。在该区域中保护层的去除通常同样通 过机械加工，即例如通过磨削进行。在此，涡轮的材料的一部分在涡轮的 轮叶端侧上被切除。

在本发明的一个改进方案中设计为，通过再次的热处理重新在轮叶端 侧上形成所述保护层。保护层像上文所述的那样通过涂覆或施加卤素以及 随后的涡轮的热处理制造或形成。下面，例如在最后加工的范围内，即在 轴与涡轮的轮毂连接之后，从轮叶端侧至少局部地去除保护层。因为涡轮 机轮叶在废气涡轮增压器的运行期间通常承受高于涡轮材料的氧化温度的 温度，所以在去除保护层之后，可以出现涡轮的材料的氧化。因此设计了， 至少轮叶端侧承受再次的热处理，通过该热处理重新形成保护层。

该热处理也可以设计在原位置，即在废气涡轮增压器中在其运行期间。 在该热处理中出现高的温度，该温度和仍存在于涡轮的表面中或涡轮的表 面上的卤素一起导致再次形成保护层。相应地，仅在废气涡轮增压器的运 行之初出现涡轮的氧化。相反，在重新形成保护层之后，禁止这种形成。 优选在去除轮叶端侧处的保护层时要注意，加工深度不超过卤素至涡轮的 表面中的侵入深度。此外，(第一)热处理——例如通过相应地选择温度 和/或持续时间——如此进行，即施加或涂覆的卤素的总量未用于氧化。通 过这种方式，在涡轮的表面上或涡轮的表面中保留了足够量的卤素。也可 以设计为，去除了保护层的区域再次经历卤素的涂覆或施加。尤其优选的 是，该区域仅被加载卤素。

在本发明的一个改进方案中设计为，所述涡轮由钛-铝合金、尤其是铝 化钛制成。在已知的实施方案中，涡轮由镍基合金制成，镍基合金具有约 8g/cm³的密度。像开头所述，有意义的是，涡轮机转子的质量、尤其是涡 轮的质量尽可能地减小，以便减小惯性。为此，钛-铝合金尤其是适合的， 因为该钛-铝合金具有明显较小的密度。尤其优选的是，钛-铝合金作为铝 化钛(TiAl)存在。钛-铝合金具有约4g/cm³的密度。通过在由钛-铝合金 制成的涡轮的表面上涂覆卤素，在随后的热处理中形成了耐热的Al₂O₃层。 其保护了钛-铝合金——尤其即铝化钛——在废气涡轮增压器的运行期间 不被不允许的氧化。

在本发明的一个改进方案中设计为，所述轴由钢制成。轴尤其由与涡 轮材料不同的材料制成。例如，为了达到涡轮机转子的良好的持续运转强 度，使用了钢。钢优选被硬化或调质处理。为了保护轴不受不期望地温度 加载以及相应地不解除调质处理，在形成保护层之后，轴才与涡轮的轮毂 连接。在此，特殊情况在于再次的热处理，该热处理例如在废气涡轮增压 器的运行期间进行。在热处理期间，在轴的区域中通常仅出现不妨碍轴的 调质处理的温度。

在本发明的一个改进方案中设计为，所述热处理在至少500℃到至少 900℃的温度下进行。热处理优选以相当于在废气涡轮增压器的运行期间期 望的最高温度的温度进行。通过这种方式避免了在废气涡轮增压器开始运 行之后马上发生的另一种——即使是很小程度的——氧化。

在本发明的一个改进方案中设计为，在连接之后，硬化所述轴的至少 一个支承位置。轴或支承位置的硬化通常在连接之后进行，然而在涡轮机 转子的最后加工或平衡之前进行。

本发明还涉及涡轮机转子的应用，该涡轮机转子按照前述实施方案制 造。所述应用设计在用废气加载的废气涡轮增压器中，其中在所述废气涡 轮增压器中至少局部地出现一高于涡轮机转子的涡轮的材料的氧化温度的 温度。例如，在废气涡轮增压器中至少局部地出现高于800℃的温度。通 过这种方式尤其可以进行用于在轮叶端侧处重新形成保护层的再次的热处 理。废气涡轮增压器当然可以根据上述实施方案改进设计。

附图说明

下面根据在附图中示出的实施例进一步描述本发明，这在不对本发明 形成局限的情况下进行。附图示出：

图1示意性示出废气涡轮增压器的涡轮机转子，该涡轮机转子具有涡 轮以及轴，该涡轮具有轮毂和从轮毂出发的涡轮机轮叶，以及

图2示出涡轮机转子的纵剖视图。

具体实施方式

图1示出了未详细示出的废气涡轮增压器的涡轮机转子1。涡轮机转 子1包括涡轮2以及轴3。涡轮机转子1是废气涡轮增压器的组成部分， 该废气涡轮增压器配属于内燃机。涡轮机转子1通常可旋转地支承在涡轮 机壳体中，其中压缩机的压缩机轮通过轴3与涡轮2作用连接。涡轮2由 一个轮毂4和多个涡轮机轮叶5组成，其中仅示例性以附图标记标明其中 一些涡轮机轮叶。涡轮机轮叶5相对于涡轮机转子1的旋转轴线6从轮毂 4出发沿径向向外延伸。涡轮2例如由铝合金制成，例如由钛-铝合金、尤 其是铝化钛制成。相反，轴3由钢制成，例如由低合金钢、尤其是34CrMo4 制成。轴3与涡轮2的轮毂4牢固连接。轮毂在轮毂端侧7的区域中设计 为多边形或多面形9，该轮毂端侧与此处不可见的涡轮2轮背部8沿轴向 对置。该多边形9尤其用于在废气涡轮增压器的安装期间保持涡轮2或涡 轮机转子1。

图2示出涡轮机转子1的纵剖视图。仍可见涡轮2和轴3。明确的是， 涡轮2和轴3借助于作为定心销10存在的固定件彼此连接，其中定心销 10沿轴向接合在涡轮2的凹部11中和轴3的凹部12中。凹部11至少局 部地存在于涡轮2的固定凸起13中，该固定凸起沿轴向(关于旋转轴线6) 从轮背部8出发朝向轴3的方向延伸。固定凸起具有端侧14，该端侧基本 上平行于位于轴3的朝向涡轮2的侧面上的端侧15。在端侧14和15的区 域中，涡轮2的固定凸起13和轴3基本上具有相同或至少类似的直径。在 端侧14和15之间可以设置焊膜16，借助于该焊膜建立涡轮2和轴之间的 牢固的连接。

在制造涡轮机转子1时，通常涡轮2和轴3被彼此分开地制造。涡轮 2尤其通过浇铸制造。通常在制造涡轮机转子1时，在浇铸了涡轮2之后， 涡轮2的接合位置(随后在该接合位置处建立至轴3的连接)以及轮背部 8被机械加工。随后，涡轮2和之前经过调质处理的轴3被组装成涡轮机 转子1，其中轴3与涡轮2连接。随后，可以硬化轴3的至少一个此处未 示出的支承位置。然而这是可选的。接着，涡轮机转子1被最后加工并平 衡。对最后加工和平衡来说，机械材料被从涡轮机转子1切除，例如通过 磨削等方式。尤其在此进行多边形9的以及涡轮机轮叶5中的至少一个的 轮叶端侧17的精磨。轮叶端侧17形成在涡轮机轮叶5的自由端部上，该 自由端部存在于涡轮机轮叶5的背离轮毂4的侧面上。

因为在废气涡轮增压器的运行期间涡轮机转子1被高温加载，即承受 高温负荷，所以涡轮2应该设有此处未详细示出的保护层。尤其在涡轮2 由钛-铝合金、例如铝化钛制成时如此设计。在这种情况下具有特殊意义的 是，保护涡轮2不发生(由于高温负荷导致的)不期望的氧化。为了制造 涂层，首先应该把卤素涂覆或施加在涡轮2的表面的至少一部分——尤其 是整个表面——之上或之中。随后涡轮2被热处理以便形成保护层。

如果在轴3与涡轮2连接之后进行该热处理，则轴3承受不期望的温 度负荷，由于该温度负荷例如导致轴3的可能设计的调质处理的解除和/ 或不期望的氧化。因此，在制造涡轮机转子1时，应该采取如下的做法： 首先提供涡轮2和轴3，其中涡轮和轴被彼此分开地形成或制造。随后， 把卤素施加在涡轮2的表面上或涡轮的表面中以及随后仅涡轮2被热处理。 在热处理之后才使轴3与涡轮2或其轮毂4连接。为了建立连接，在连接 之前，把保护层至少局部地从轮毂4去除，尤其从轮背部8去除。尤其设 计为，把保护层仅从(为轮毂4的组成部分的)固定凸起13去除以及尤其 仅从其端侧14去除，以便实现至轴3的可靠的连接。轴3与轮毂4的连接 尤其借助于焊膜16设计，其中当然也可以使用其它固定类型。

在轴3与涡轮2连接之后——就期望而言——至少局部地硬化轴3或 轴3的至少一个支承位置。随后，进行涡轮机转子1的最后加工或平衡。 为此，把材料从制成的涡轮机转子1切除——尤其在轮毂端侧7或多边形 9的区域中。通常也把材料从轮叶端侧17切除。相应地，在这些区域中再 次去除保护层。因此设计为，通过再次的热处理重新在轮叶端侧17上形成 保护层。该重新的热处理尤其可以通过废气涡轮增压器的运行进行。在该 热处理中，通过仍包含在涡轮2中的卤素制造形式特别为Al₂O₃-保护层的 保护层。相应地，尤其优选设计为，如此把保护层从轮叶端侧17去除，即 加工深度小于卤素至涡轮2的材料中的侵入深度。

卤素原则上可以任意选择。然而尤其优选的是，使用氟、氯、溴、碘 或这些元素的混合物。卤素的涂覆或施加可以通过离子掺杂工艺、浸渍工 艺、喷射工艺、刷涂工艺等进行。

附图标记列表：

1 涡轮机转子

2 涡轮

3 轴

4 轮毂

5 涡轮机轮叶

6 旋转轴线

7 轮毂端侧

8 轮背部

9 多边形

10 定心销

11 凹部

12 凹部

13 固定凸起

14 端侧

15 端侧

16 焊膜

17 轮叶端侧