本发明专利技术涉及一种用于废气涡轮机的涡轮机转子(1)以及一种用于制造这种涡轮机转子(1)的方法。涡轮机转子(1)具有由耐高温的金属合金构成的涡轮机叶轮(2)和由钢构成的转子轴(4)，叶轮轮毂(3)和转子轴端部(4a)通过钎焊连接(9)而材料配合地相互连接。转子轴端部(4a)或/和叶轮轮毂(3)具有居中布置的用作热量节制件的凹缺，其中，在相应的凹缺中设有封闭堵塞(6)，使得该封闭堵塞与凹缺形成一个封闭的空腔(5a、5b)，并使得该凹缺朝向相应的端面(7、8)封闭。钎焊连接在叶轮轮毂(3)和转子轴(4)的端面(7、8)之间形成，且在封闭堵塞(6)和叶轮轮毂(3)以及转子轴(4)之间形成。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及一种废气涡轮机的涡轮机转子以及一种用于制造涡轮机转子的方法，该涡轮机转子在从涡轮机叶轮到转子轴的通路上带有热量节制件。这种涡轮机转子由作为结构单元的涡轮机叶轮和转子轴构成，且例如是汽车内燃机的废气涡轮增压机的工作轮的一部分。涡轮机转子在废气涡轮增压机中用于把在内燃机废气中含有的废气能量转变为工作轮的旋转能量，还把这种旋转能量传递到于涡轮机转子连接的压缩机轮上。又借助于压缩机轮利用旋转能量来使得输送给内燃机的空气产生提高的压力，进而用于提高内燃机的功率和效率。替代地，例如也可以使得发电机与涡轮机转子耦接，借助于发电机使得旋转能量转变为电能，电能又能在多方面得到利用。但这种主要应用领域涉及用于汽车中的内燃机的废气涡轮增压机，因此，为便于理解，此后在说明书中参见废气涡轮增压机。废气涡轮增压机广泛地应用于提高汽车内燃机的功率。此点日益频繁，其目的是，在功率相同或者甚至提高的情况下，减小内燃机的结构尺寸和重量，同时针对日益严格的法律规定在此方面减少消耗，进而减少CO2排放。工作原理在于，利用废气流中含有的能量来提高内燃机进气道中的压力，从而改善对燃烧室的空气-氧气填充度，进而能在每次燃烧过程中都利用更多的动力燃料即汽油或柴油，因而提高内燃机的功率。为此，废气涡轮增压机具有设置在内燃机废气道上的涡轮机和设置在进气道上的压缩机，压缩机带有能建立压力的压缩机叶轮。涡轮机叶轮和转子轴材料配合地相互连接，由此形成一个结构单元。压缩机叶轮抗扭地固定在涡轮机转子的转子轴的与涡轮机叶轮相对的端部上，其中，转子轴可转动地支撑在布置于涡轮机与压缩机之间的轴承单元中。由此借助于废气质量流驱动涡轮机转子，而通过转子轴又驱动压缩机叶轮，由此利用废气能量在进气道中建立压力。涡轮机轮在工作时位于热的废气流中，进而受到很大的温度波动，其中，尖峰温度乃至达到高于1000℃。同时，涡轮机转子以高达300000U/min的很高的转速旋转，因此，由于所出现的大的离心力而使得涡轮机叶轮特别是涡轮机轮叶片遭受很大的机械负荷。此外，特别是涡轮机轮的质量对于涡轮机的动态响应特性意义重大，这与按照大负荷对涡轮机叶轮进行的大质量设计背道而驰。因此针对涡轮机叶轮采用耐高温的金属合金，以避免在工作中过早地失效。为此广泛地采用钛-铝合金(TiAl合金或铝化钛)或镍基合金(Ni合金)，其特点尤其在于其在高温情况下的高的比强度还有低的比重。此外，这种耐高温的金属合金的热膨胀系数很接近于在涡轮机制造中常用的金属，这有助于避免因热膨胀不同引发的问题。实际上使用内部金属混合物，其主要成分为钛和铝或镍。例如由DE 10 2007 048 789 A1也已知，完全可以改变具体的合金组分，还可以含有其它成分，其通常的特点为，钛含量介于50％和60％之间(重量含量)，而铝含量＞25％(重量含量)。其它成分例如可以为Cr、Nb、B、C或Mo。钛合金形成四方晶系的所谓的γ-TiAl相(伽马-铝化钛)，且根据其它不同相的含量而称为伽马合金、二相合金或片层合金。Ni基合金例如是Inco 713C、Inco 713LC、MAR-M 246、MAR-M 247、B 1964、IN 100或GMR-235。在下面的论述中，所有这些合金组织都统一地称为“耐高温的金属合金”。另一方面，转子轴是涡轮机转子的支撑系统的一部分，且必须能够承受较大的变化弯曲负载，必须至少在支撑区域具有足够硬的外层，以便避免轴承卡住。另一方面，转子轴不像涡轮机叶轮那样遭受极高的温度。适合于这种应用的相应材料例如为钢、特别是结构钢、低合金的或高合金的调质钢，比如42CrMo4(1.7225)、X22CrMoV12-1(1.4923)或X19CrMoNbVN11-1(1.4913)，或者还有超合金比如Inconel或Incoloy(也参见DE 10 2007 048 789 A1)。这些材料在下面的论述中简单地统一地称为钢。为了能够利用相应材料的各自优点，涡轮机转子因而由上述组分制成，涡轮机叶轮由耐高温的金属合金制成，转子轴由钢制成，结果必须有利地借助于材料配合连接而接合成一个结构单元。材料配合连接的连接各方借助原子力或分子力而接合，是不可松开的连接，只有在损坏的情况下才能再松开。相关地，材料配合连接尤其系指焊接和钎焊连接。例如由DE 697 24 730 T2已知，相关地结合其它材料组分已知的摩擦焊接法只能有限地使用。其原因是，若采用摩擦焊接法，结构钢在冷却时由奥氏体转变为马氏体，这种转变引起钢的延展，造成剩余应力，即使TiAI具有高硬度，室温下的形变也要大约小于1％，因而TiAI叶轮会出现断裂。此外，TiAI与结构钢中的碳C会发生反应，进而在连接接口处形成碳化钛，接口处的硬度因而急剧下降。为了避免该问题，在DE 697 24 730 T2中提出了一种钎焊方法，据此，在连接双方即涡轮机叶轮与转子轴之间加入钎焊材料，这种钎焊材料例如具有奥氏体组织。在WO 2008 039216 A2中也公开了这种钎焊方法。根据DIN 8505，钎焊是一种用来使得材料按材料配合方式接合的热学方法，其中，通过焊料熔化而产生液相，因焊料在边界面扩散而产生连接。与焊接相比，另一主要区别是，这里并未达到连接各方的基本材料的固相线温度。因此，这种过程是在比焊接低的温度下进行的，在接合部位很少产生固有应力。另外，使用相应的焊料作为焊接各方之间的中间材料，这样能防止形成对硬度不利的组织结构。根据DE 697 24 730 T2，作为钎焊材料，有利地主要采用基于镍、铜、银或钛的金属合金。使用这种涡轮机转子时的一个特殊问题在于，热量由在热的废气环境中运转的涡轮机叶轮通过热量传导经由连接部位传递到转子轴上，转子轴的材料并非被设计用于相同高的温度。也要避免转子轴的靠近轴承的区域过度变热，因为这会对轴承的运转特性产生不利影响。为了限制热量从涡轮机叶轮传递到转子轴上，由现有技术例如EP 1 507 062 B1已知，在涡轮机叶轮和转子轴之间的材料中开设出空腔。导热材料横截面在这个或这些空腔的区域中减小，这在热传导方面用作节制部位。产生这些空腔的通常方式为，在涡轮机叶轮轮毂或转子轴的要连接的端面之一上开设出例如盲孔形式的凹缺。但这又减小了在涡轮机叶轮轮毂与转子轴之间的钎焊连接的承载连接面，消弱了涡轮机转子的在该区域的机械承载性。另一问题在于，即使钎焊温度较低也会超过转子轴所用的钢的奥氏体温度，...
【技术保护点】
一种用于废气涡轮机的涡轮机转子，具有涡轮机叶轮和转子轴，涡轮机叶轮带有叶轮轮毂，转子轴带有面向叶轮根部的转子轴端部，涡轮机叶轮由耐高温的金属合金构成，转子轴由钢构成，其中，叶轮轮毂和转子轴端部通过钎焊连接而材料配合地相互连接，其中，转子轴端部或/和叶轮轮毂具有居中布置的凹缺，该凹缺在涡轮机叶轮和转子轴之间的通路上用作热量节制件，其特征在于，在相应的凹缺中设有封闭堵塞，使得该封闭堵塞与凹缺形成一个封闭的空腔，并使得该凹缺朝向相应的端面封闭，其中，钎焊连接在叶轮轮毂的端面和转子轴的端面之间形成，且在封闭堵塞和叶轮轮毂以及转子轴之间形成。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.03.29 DE 102012205042.61.一种用于废气涡轮机的涡轮机转子，具有涡轮机叶轮和转子轴，涡轮机
叶轮带有叶轮轮毂，转子轴带有面向叶轮根部的转子轴端部，涡轮机叶轮由耐
高温的金属合金构成，转子轴由钢构成，其中，叶轮轮毂和转子轴端部通过钎
焊连接而材料配合地相互连接，其中，转子轴端部或/和叶轮轮毂具有居中布置
的凹缺，该凹缺在涡轮机叶轮和转子轴之间的通路上用作热量节制件，
其特征在于，
在相应的凹缺中设有封闭堵塞，使得该封闭堵塞与凹缺形成一个封闭的空
腔，并使得该凹缺朝向相应的端面封闭，其中，钎焊连接在叶轮轮毂的端面和
转子轴的端面之间形成，且在封闭堵塞和叶轮轮毂以及转子轴之间形成。
2.如权利要求1所述的涡轮机转子，其特征在于，涡轮机叶轮的耐高温的
金属合金是TiAl合金或Ni基合金，转子轴的钢是低合金的或高合金的调质钢，
或者是奥氏体钢。
3.如权利要求1所述的涡轮机转子，其特征在于，钎焊连接采用电子束钎
焊方法来产生。
4.如权利要求1所述的涡轮机转子，其特征在于，封闭堵塞在面向相应空
腔的至少一侧具有凹缺，由此增大了相应的空腔。
5.如权利要求1所述的涡轮机转子，其特征在于，封闭堵塞为柱形，且在
其外表面上具有条痕式的、沟槽式的或滚花式的凹坑，所述凹坑至少有一部分
沿轴向伸展。
6.如权利要求1所述的涡轮机转子，其特征在于，相应的居中布置的凹缺
在转子轴端部或/和在叶轮轮毂上被构造为盲孔。
7.如权利要求6所述的涡轮机转子，其特征在于，相应的盲孔具有梯段，
该梯段使得盲孔朝向相应的端面扩展，且该梯段用作相应的封闭堵塞的止挡。
8.如权利要求1-7中至少一项所述的涡轮机转子，其特征在于，封闭堵塞
适当地设置在相应的凹缺中，使得它的相应端面形成平面。
9.如权利要求1-7...
【专利技术属性】
技术研发人员：U·阿尔布萨特，G·明希，
申请(专利权)人：大陆汽车有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE
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