專利名稱：渦輪增壓器及其壓縮機葉輪的制作方法
渦輪增壓器及其壓縮機葉輪說明書根據權利要求1的前序，本發明涉及一種(特別是在柴油發動機中的)用于渦輪 增壓器的壓縮機葉輪，根據權利要求7的前序涉及一種帶有壓縮機葉輪的排氣渦輪增壓 器，并且根據權利要求12的前序還涉及一種用于生產根據本發明的壓縮機葉輪的方法。排氣渦輪增壓器是用于增加活塞式發動機功率的系統。在一種排氣渦輪增壓器 中，利用這些排氣的能量以增加功率。該功率的增加是由于每個工作沖程該混合物通過量 的上升引起的。一臺渦輪增壓器主要由具有一個軸的排氣渦輪機和一個壓縮機葉輪組成，安排在 發動機的進氣通道中的壓縮機被連接到該軸上、并且位于該排氣渦輪機的殼體中并且在該 壓縮機葉輪中的這些葉片輪是轉動的。已知一些排氣渦輪增壓器允許多級增壓，即至少兩級增壓，這樣使得可以從該排 氣中產生甚至更大的功率。此類多級排氣渦輪增壓器具有一種特殊的設置，該特殊的設置 包括一個用于高動態循環應力的調節構件，該調節構件包括例如一個閥瓣盤、一個杠桿或 者一個轉軸。這種排氣渦輪增壓器中的壓縮機葉輪必須滿足極其嚴格的材料要求。形成該壓縮 機葉輪的材料必須是耐熱的，即甚至在至少高達約觀01的高溫下仍然提供足夠的強度。此 外，該材料在酸性介質中必須是耐晶間腐蝕的并且是耐應力裂紋形成的，并且此外它應該 具有高材料耐受性，連同一個低應力循環系數一起。此外，材料的延展性應該是足夠高的， 這樣在過載的情況下，這些部件可以經歷塑性變形而不斷裂，這樣的結果是由此引起的能 量和損害的突然釋放是可能的。從DE 10 2007 018 617 Al中已知具有雙流排氣入口通道的一種排氣渦輪增壓
ο于是，根據權利要求1的前序所述本發明的目的是提供一種用于渦輪增壓器的壓 縮機葉輪，并且根據權利要求7的前序所述提供一種渦輪增壓器，該渦輪增壓器具有改進 的耐熱性以及溫度耐受性、并且其突出之處為在酸性介質中對腐蝕以及耐應力裂紋形成的 良好的耐受性。此外，該材料應該具有最佳的延展性以及一種改進的振動疲勞強度性能。因 此，一種耐磨損的并且持久穩定的壓縮機葉輪是能夠被生產的。此外，該目的是提供一種用 于生產根據本發明的壓縮機葉輪的方法，生產了一種材料，該材料的突出之處為以上所述 的這些有利的特性。這些目的是通過權利要求1、7、以及13的特征來實現的。由于根據本發明用于渦輪增壓器的壓縮機葉輪的設計(該渦輪增壓器由具有多 個樹枝狀沉淀相的一種鋁基合金組成，該鋁基合金包含元素鑭和鋯的分散體)，所實現的是 最終提供給該排氣渦輪增壓器中的壓縮機葉輪的材料的突出之處為特別良好的耐熱性、溫 度耐受性以及穩定性。實現了根據本發明的材料的穩定性以及溫度耐受性，具體地是因為 由于這些金屬間相的相互作用這些樹枝狀沉淀相在該材料中形成一個高度的分支。該材料 的顯微結構中這些金屬間相的高度分支對于該顯微結構的支撐作用，以及因此還對于對晶
4格滑動的耐受性都是關鍵性的，其結果是該材料被加固了并且對靜態機械負荷和循環機械 負荷兩者都具有耐受性。此外，由于根據本發明的用于壓縮機葉輪的特殊的材料組合，該材 料基體中粘合力以及附著力增加了。已發現在這些鋁基合金中元素鑭和鋯的一個組合對于 該材料的穩定性是必要的。該合金中的這些元素的組合導致該材料的非常高的穩定性，因 為通過這些樹枝狀的分支形成了一種特別良好的顯微結構。 此外已發現一種鋁基合金中的鑭在室溫下以及在高達280°C的組分溫度下都引起 了一個顯著地提高強度的作用。假定形成了熱穩定的Al3La相，該相對于該材料的抗蠕變 性也發揮了一種正向作用。因此鑭增加了耐熱性以及還有在低應力循環系數的情況下對材 料疲勞的耐受性，以及因此根據本發明用于壓縮機葉輪的材料的穩定性。元素鋯在該合金中還形成了多個相，準確地說AlJr相，其結果是在該顯微結構中 實現了一種稱為鏈接特征的交聯結構。已發現由于鋁和鋯的組合，在該合金材料內形成了 多個沉淀相。由此，該材料的這些機械特性被顯著地改進了。如此形成的一種材料或者僅由 此種材料形成的一個部件的突出之處是非常良好的溫度耐受性以及高達觀01的耐熱性， 對于腐蝕是穩定的并且對于應力裂紋的形成是不敏感的。然而，它準確的是鋁基合金中元素鋯和鑭的組合，該組合對于提供根據本發明的 用于壓縮機葉輪的材料是必要的，由于這些金屬間相的精細的堅固的分支的形成，該材料 在低應力循環系數的情況下具有非常良好的材料耐受性并且顯示出高達280°C的高耐熱性 以及此外對于此種材料足夠的延展性。不涉及理論，假定該鋁基合金中元素鑭和鋯的組合 提供了一種極穩定的高耐熱的材料以及因此部件(準確地是因為在這些顯微結構中形成 的這些Al3La相和AlJi 相，并且因為這些顯微結構的結構彼此類似，這些顯微結構彼此侵 蝕)，在該材料內產生了一種改進的結合。此外，已顯示的是根據本發明由剛剛說明的材料生產的壓縮機葉輪甚至在酸性介 質中對腐蝕以及應力裂紋形成是耐受的。在這種情況下在本發明的背景中酸性介質應理解 為是指一種介質，該介質具有PH值為約3. 5至6、并且特別是約4至5. 5。由于來自該發動 機空間環境的冷凝水和氯化物，在該排氣渦輪增壓器中“酸性”條件也是主要的。根據本發 明的材料對此是耐受的并且因此對于晶間腐蝕也是耐受的。由此，在拉伸應力下應力裂紋 形成的趨勢被顯著地減小了。由于這些出色的材料特性，根據本發明用于排氣渦輪增壓器的壓縮機葉輪也特別 適合用于兩級增壓渦輪增壓器，并且最特別適合于用于載貨汽車中的那些，并且在此特別 適合用于高循環公共汽車的應用，這些應用在場地中具有高達160萬運行公里的高運行性 能。這些從屬權利要求包含有本發明的多個有利的發展。在一個優選的實施方案中，該鋁基合金包含元素鑭和鋯，其中相對于該合金的總 重量，鑭的含量為按重量計0. 08%至1. 0%并且更優選按重量計0. 2%至0. 5%，并且鋯的 含量為按重量計0. 35%至8%并且更優選按重量計1%至5%。鋯對于該鋁基合金中這些 沉淀相的出現和分布是必要的。如已經陳述的，在這種情況下鋁與鋯形成了 AlJi 相，這些 相分別地進行沉淀并且引起該材料的、還有關于該合金的耐熱性和振動疲勞強度的、并且 因此根據本發明的壓縮機葉輪的附加的穩定性。當鋯的定量分數相對于該合金的總重量 是在按重量計至5%的范圍內時，這些重要的材料特性得到特別顯著的集中。大量的鋯(換言之相對于該合金按重量計大于8%的含量)進而導致該材料的耐熱性的降低，連同較 低的長期抗裂強度一起。向該鋁基合金中添加鑭增加了該材料并且因此該部件的強度。如已經陳述的，鑭 也與鋁形成了 Al3La相，這些相分別地進行沉淀并且此外這些相對于該材料的抗蠕變性具 有正向的影響。同時，通過引入這些相，該材料的耐熱性提升了，并且在低應力循環系數的 情況下對材料疲勞的耐受性得到改進。情況就是這樣，特別是當以相對于該鋁基合金的總 重量以按重量計0. 08%至1. 0%的定量的分數使用鑭并且特別優選以按重量計0. 2%至
0.5%的定量的分數使用時。如已經陳述的，它準確的是該鋁基合金中鑭和鋯的組合，該組 合對于實現上述材料的這些穩定性參數是重要的。該合金中按重量計鑭的含量大于導 致耐熱性的減少并且進而減少了長期抗裂強度。該材料以及因此該壓縮機葉輪的物理和機械特性可以被甚至進一步優化。在一個 優選的實施方案中，根據本發明的壓縮機葉輪的突出之處是該鋁基合金包含另外的多種元 素(如鐵和/或錳和/或釩和/或鎳和/或鈮和/或鈧)。對于本領域的普通技術人員，每 種元素的特性資料是基本上已知的。例如，將元素錳和鐵混合到一種合金中由于分散體相的形成(因為它們的鏈接特 性)而促使材料的耐熱性增加。為此目的，如果相對于該合金的總重量鐵的含量是在按重 量計至15%并且優選按重量計3%至11%的范圍內，并且相對于該合金的總重量錳的 含量是按重量計1 %至12 %并且優選按重量計3 %至9. 5 %，是特別有利的。將釩添加到一種合金中通常導致金屬間組合物的晶粒分布方面的改進。同時釩對 在此的該總體的復合的合金結構中的這些分散體沉淀具有一種加固作用。釩增加了該材料 的顯微結構中的粘合力以及附著力，并且因此使所產生的結構穩定。優選地，以相對于該合 金的總重量按重量計0. 5%至8%的含量、并且特別優選以相對于該合金的總重量按重量 計1.5%至6%的含量來使用釩。在這種濃度范圍內，釩在該合金結構中的粘合力和內聚力 方面引起特別顯著的改進并且因此非常有助于使根據本發明的壓縮機葉輪的穩定性優化。元素鎳是一種同樣地對根據本發明的壓縮機葉輪的耐熱性產生相當可觀的影響 的元素。它準確的是鋁和鎳的組合，在這種情況下該組合決定性地增加了該材料的粘合力 和附著力，還特別是在酸性介質中，即在3. 5至6并且優選4至5. 5的pH范圍內。優選地， 以相對于該合金的總重量按重量計至14%的含量、并且特別優選以相對于該合金的總 重量按重量計3%至10%的含量來使用鎳。在酸性pH范圍內提高穩定性的這些特性在此 得到了特別顯著的集中。鈮是一種元素，在鋁基合金中該元素的使用是不平常的。然后，已發現的是鈮，像 鋯一樣，優化了合金中這些沉淀相的出現和分布。作為結果，正向地影響了室溫下以及高達 280°C的溫度范圍內兩者的機械特性。因此根據本發明用于該壓縮機葉輪的材料的突出之 處是高達280°C的耐熱性。此外，該合金的抗蠕變性以及振動疲勞強度也被成倍數地提高。 優選地，以相對于該合金的總重量按重量計0. 5%至8%的含量并且特別優選以按重量計
1.5%至6%的含量來使用鈮。在這種濃度范圍內，鈮特別高地促使根據本發明的壓縮機葉 輪的耐熱性以及振動疲勞強度的增加。鈧具有與鑭類似的對合金材料的作用。它有助于使該材料的強度增加。已發現的 是鈧也與鋁形成了特殊相，準確的說AlJc沉淀硬化相，這些沉淀硬化相類似地對于該材料的蠕變耐受性或蠕變強度具有正向的影響。此外，該耐熱性也被增加了，并且進而還增加了 在低應力循環系數的情況下材料疲勞的耐受性。當以相對于該鋁基合金的總重量按重量計 0. 05%至1. 0%的定量的分數并且優選以按重量計0. 至0. 4%的定量的分數來使用鑭 時，這些優選的作用得到了特別的集中。在一個特別有利的實施方案中，元素鑭和鈧的組合被用于鋁基合金中，該鋁基合 金含有相對于該合金的總重量按重量計0. 13%至2. 0%并且優選按重量計0. 3%至0. 9% 的總分數的元素鑭和鈧。于是，準確的說該材料的突出之處是特別高的耐熱性以及在低應 力循環系數的情況下對材料疲勞的耐受性。在一個另外的有利的實施方案中，根據本發明的壓縮機葉輪的突出之處是一種鋁 基合金，而且，該鋁基合金以以下的定量分數包含以下元素或組分，在在每種情況下這些定 量分數是相對于該合金的總重量的Fe 按重量計至15%，Mn 按重量計至12%， Nb 按重量計0.5%至8%，V:按重量計0.5%至8%，Ni 按重量計至14%，Zr 按重量 計0. 35%至8%，1^與&之和按重量計0. 13%至2.0%，以及鋁。它精確的是處于給定的 定量分數下的這些元素的組合，該組合產生了一種材料，當被加工成一種用于排氣渦輪增 壓器的壓縮機葉輪時，該材料關于腐蝕給予了這種特別高的穩定性，并且此外，其突出之處 是非常良好的耐熱性以及在低應力循環系數的情況下對材料疲勞的耐受性。該壓縮機葉輪 顯示出改進的蠕變強度以及一種優異的振動疲勞強度性能。當根據本發明的壓縮機葉輪以 給出的定量分數包含以下元素時在每種情況下均相對于該合金的總重量，Fe 按重量計 3%至ll%，Mn 按量計3%至9. 5%, Nb 按重量計1. 5%至6%，V 按重量計1. 5%至6%， Ni 按重量計3%至10%，Zr 按重量計至5%丄￡1與&之和按重量計0. 3%至0. 9%， 以及Al，上述這些特性獲得了特別的集中。由包含上述這些元素的鋁基合金構成的壓縮機葉輪其突出之處是多種特別良好 的特性。因此，根據最后提到的特殊的組合物生產的材料具有以下特性
機械特性數值測量方法拉伸強度Rm> 600 MPaASTM E 8M/EN 10002-1;在增 加的溫度下EN 10002-5屈服點Rpa2> 500 MPa標準方法斷裂伸長率>5%標準方法硬度160-205 HBASTM E 92/ISO 6507-1伸長系數16-19 1/K (20。C 至 900。C)標準方法密度> 2.95 g/cm3標準方法為測定該材料的穩定性，進行了以下測試·戶外暴露測試·加熱至300°C下的拉伸測試
·高達300°C的蠕變強度·在一種酸性介質中氣候變化在pH 4至5. 5下150小時· LCF 測試在 220°C下 2000000 次循環，幅值170MPa。振動疲勞強度測試是在用力調節(R = 0)的單級軸向脈沖負載下專門進行的。環 境介質是空氣。在溫度間隔從室溫(即約20°C )直至220°C下對該材料進行研究(材料溫 度)。一種最特別優選的合金是從以下列舉的這些元素中獲得的在每種情況下均相對 于該合金的總重量，Fe 按重量計3%至5. 3%，Mn 按重量計3. 2%至5. 3%，Nb 按重量計 1.8%至3.2%，V按重量計1.5%至3.3%，Ni 按重量計3. 7%至5. 8%，Zr 按重量計
至3. 1%，1^:按重量計0. 至0. 4%，和& 按重量計0.05%至0.3% (，以及Al。根據本發明的這種鋁基合金在以上測試中顯示出最好的結果。根據本發明，該鋁基合金(根據本發明用于渦輪增壓器的壓縮機葉輪是基于該鋁 基合金的)可以通過適合的方法，并且具體地通過一種仍然有待實現的噴射壓實的方法來 生產。通過常規的WIG等離子體法以及還有EB法可以焊接這些對應的材料。通過在約 640°C下固溶退火2小時并且通過隨后的空氣冷卻來進行熱處理。在一個箱式加熱爐中在 約250°C下持續2小時，用空氣進行冷卻，來進行沉淀硬化。根據常規方法通過基礎合金的熔化、RS噴霧、預壓實(densal HIP處理)、擠出、成 型加工以及進一步的機加工(例如，研磨)來進行鋁基合金的加工。權利要求7將一種獨立地可處理的物品定義為一種排氣渦輪增壓器，如已經說明 的該排氣渦輪增壓器包括一種壓縮機葉輪，該壓縮機葉輪由一種具有多個樹枝狀的沉淀相 的鋁基合金構成，并且該鋁基合金包含元素鑭和鋯的分散體。根據本發明的壓縮機葉輪是通過一種特殊的方法來生產的，這種特殊的方法包括 以下步驟-如權利要求1至6中一項所述將一種由鋁基合金構成的熔融的材料引入到一個 特殊的坩堝中，-將該熔融的材料轉移到具有以下“噴霧器”的一個接受容器中，并且-在一種保護性氣體氣氛下將該熔融的材料細致地噴涂在一個旋轉盤上。只有用這種方式獲得了一種合金材料，在進一步的機加工之后該合金材料提供了 一種壓縮機葉輪，該壓縮機葉輪的突出之處是極其良好的對腐蝕和應力裂紋形成的耐受 性，該合金材料具有高達280°C的耐熱性，并且在低應力循環系數的情況下呈現出一種顯著 減小的材料疲勞頻率以及一種非常良好的振動疲勞強度性能。已發現，通過根據本發明的 方法，在運行(rim-up)中可以處理出一種非常細顆粒的、均勻分散體的粉末構形。在此情 況下，可以定義這些單獨的元素的不同粒徑，并且此外這可以引起高度改進的蠕變強度以 及良好的振動疲勞性能。

圖1示出了根據本發明的渦輪增壓器1的一個實施方案的部分圖解，關于壓縮機、 壓縮機殼體、壓縮機軸、軸承殼體和軸承安排以及還有所有其他常規的部件，該圖解不需要 任何更詳細地說明。排氣入口管道在此不能被看到的。該排氣入口管道配備有一個雙流式 旁路管道4，該雙流式旁路管道從該排氣入口管道中分支，并且這致使了渦輪機殼體2的一 個排氣出口 5。旁路管道4具有一個用于打開和關閉的調節閥瓣6。
參考符號清單
1渦輪增壓器2渦輪機殼體4旁路管道5排氣出口6調節閥瓣/廢氣門閥瓣
權利要求
1.一種特別是用于柴油發動機的用于渦輪增壓器的壓縮機葉輪，該壓縮機葉輪由具有 多個樹枝狀的沉淀相的一種鋁基合金構成，該鋁基合金包括元素鑭和鋯的分散體。
2.如權利要求1所述的壓縮機葉輪，其中該鋁基合金包含相對于該合金總重量以按重 量計0. 08%至1. 0%并且優選按重量計0. 2%至0. 5%的一個定量分數的元素鑭以及以按 重量計0. 35%至8%并且優選按重量計至5%的一個定量分數的元素鋯。
3.如權利要求1或2所述的壓縮機葉輪，其中該鋁基合金包含另外的多種元素，如鐵和 /或錳和/或釩和/或鎳和/或鈮和/或鈧。
4.如權利要求1至3中的一項所述的壓縮機葉輪，其中該鋁基合金包含元素鑭和鈧，它 們的總分數相對于該合金的總重量達到按重量計0. 13%至2. 0%。
5.如權利要求1至4中的一項所述的壓縮機葉輪，其中該鋁基合金包含以下組分在 每種情況下均相對于該合金的總重量，Fe 按重量計至15%，Mn 按重量計至12%， Nb 按重量計0.5%至8%，V:按重量計0.5%至8%，Ni 按重量計至14%，Zr 按重量 計0. 至8%，1^與&之和按重量計0. 13%至2. 0%，以及Al。
6.如以上權利要求1至5中的一項所述的壓縮機葉輪，其中該鋁基合金包含以下組 分在每種情況下均相對于該合金的總重量，狗按重量計3%至11%，Mn 按重量計3%至 9. 5%, Nb 按重量計1. 5%至6%，V 按重量計1. 5%至6%，Ni 按重量計3%至10%，Zr 按重量計至5%，1^與&之和按重量計0.3%至0.9%，以及Al。
7.一種特別是用于柴油發動機的排氣渦輪增壓器，該排氣渦輪增壓器包括一種壓縮機 葉輪，該壓縮機葉輪由具有多個樹枝狀的沉淀相的一種鋁基合金構成，該鋁基合金包括元 素鑭和鋯的分散體。
8.如權利要求7所述的排氣渦輪增壓器，其中該鋁基合金包含相對于該合金的總重量 以按重量計0. 08%至1. 0%的并且優選按重量計0. 2%至0. 5%的一個定量分數的元素鑭 以及以按重量計0. 35%至8%的并且優選按重量計至5%的一個定量分數的元素鋯。
9.如權利要求7或8所述的排氣渦輪增壓器，其中該鋁基合金包含另外的多種元素，如 鐵和/或錳和/或釩和/或鎳和/或鈮和/或鈧。
10.如權利要求7至9中的一項所述的排氣渦輪增壓器，其中該鋁基合金包含元素鑭和 鈧，它們的總分數相對于該合金的總重量達到按重量計0. 13%至2. 0%。
11.如權利要求7至10中的一項所述的排氣渦輪增壓器，其中該鋁基合金包含以下組 分Fe 按重量計至15%，Mn 按重量計至12%，Nb 按重量計0. 5%至8%，V 按重 量計0.5%至8%，Ni 按重量計至14%，Zr 按重量計0. 35%至8%，1^與&之和按 重量計0. 13%至2.0%，以及Al。
12.如以上權利要求7至11中的一項所述的排氣渦輪增壓器，其中該鋁基合金包含以 下組分Fe 按重量計3%至11%，Μη 按重量計3%至9. 5%，Nb 按重量計1. 5%至6%，V 按重量計1.5%至6%，Ni 按重量計3%至10%，Zr 按重量計1%至5%，La與&之和 按重量計0. 3%至0. 9%，以及Al。
13.一種用于生產一種壓縮機葉輪的方法，包括以下步驟-如權利要求1至6中的一項所述將由一種鋁基合金構成的一種熔融的材料引入到一 個特殊的坩堝中，-將該熔融的材料轉移到具有以下一個“噴霧器”的一個接受容器中，并且-在一種保護性氣體氣氛下將該熔融的材料細致地噴涂在一個旋轉盤上。
全文摘要
本發明涉及一種(特別是在柴油發動機中的)用于渦輪增壓器的壓縮機葉輪，并且涉及一種包含此種壓縮機葉輪的排氣渦輪增壓器。
文檔編號F04D29/02GK102149909SQ200980135414
公開日2011年8月10日 申請日期2009年9月21日 優先權日2008年9月25日
發明者G·沙爾, M·加貝爾 申請人:博格華納公司