[發明專利]排氣渦輪增壓器的渦輪以及相關生產方法

在審

• 申請號: 201510341238.5
• 申請日: 2015-06-18
• 公開（公告）號: CN105298547A
• 公開（公告）日: 2016-02-03
• 發明（設計）人: 托馬斯·施特里德爾邁爾;約亨·施拉耶;安東·安格盧什;安德烈亞斯·施特倫佩爾;京特·溫克勒;謝諾爾·瑟于特
• 申請（專利權）人: 博世馬勒渦輪系統有限兩合公司
• 主分類號: F01D5/28
• 分類號: F01D5/28;B23P15/02;F02C6/12;F01D5/04
• 代理公司: 北京匯信合知識產權代理有限公司 11335
• 代理人: 翟國明

技術領域

本發明涉及一種排氣渦輪增壓器的渦輪。此外本發明涉及一種具有這種渦輪的排氣渦輪增壓器以及用于生產這種渦輪的方法。

背景技術

除了已經證明的由鎳基合金制成的渦輪之外，近年來已經逐漸考慮重量優化的渦輪，這種渦輪尤其利用輕金屬合金和陶瓷材料。在該情況下重量優化的渦輪的優勢是，降低質量慣性矩，因為裝備有這種重量優化的渦輪，所以改善了排氣渦輪增壓器的瞬態特性。為了該目的，使用鈦鋁合金(γ-TiAl)，因為鈦鋁合金比通常使用的鎳基合金密度約低50％。

現在，這些Ti-Al渦輪主要是通過鑄造處理生產的。當鑄造鎳基合金和TiAl時，現在渦輪初始從前面即從渦輪突出部開始澆鑄，其中，鑄造處理受到一些限制。鑄造處理期間的一個挑戰尤其還在于，澆鑄點處的渦輪突出部或者徑向最窄截面的直徑。在鑄造處理的過程期間，最小渦輪轂直徑或者渦輪突出部直徑存在限制，這種限制直接影響了鑄造處理期間的流動速度或者鑄造期間的凝固行為。該最小可實現轂直徑反過來對渦輪總體直徑產生了限制。

發明內容

本發明因此解決的問題是，提供用于排氣渦輪增壓器或者一般增壓設備的渦輪的改進或者至少可替換的實施例，這不僅確保了高的生產質量而且還額外地增加了渦輪的效率。

根據本發明，該問題通過獨立權利要求的主題解決。有利實施例是從屬權利要求的主題。

本發明是基于這樣的總體構思：依靠特定生產方法利用TiAl合金來生產排氣渦輪增壓器的渦輪或者徑向渦輪，同時能夠降低渦輪出口葉片根部處(即在轂的區域中)的直徑。根據本發明，這通過金屬注射成型(MIM)、選擇性激光熔煉(SLM)或者電子束熔煉(EBM)而實現的，此外，渦輪出口葉片末端處的直徑與渦輪出口葉片根部處的直徑之商大于3.85。該值是從測試得來的，并且被證明是特別有效的，使得在當前情形下，術語限制值已經能夠最廣義的使用。在金屬注射成型期間，TiAl合金與粘合劑混合，作為粉末被注射到注射模具中，其中，隨后渦輪從工具脫模。這之后是分離，最后是燒結。在該情況下MIM方法不同于鑄造方法，在MIM方法中，渦輪形式是依靠蠟/陶瓷生產的。在由鈦鋁合金依靠MIM方法生產渦輪期間，渦輪從后面即從輪背側/帽狀件(calotte)被“注射成型”，而不是像在鑄造期間那樣從前面成型。這使得能夠保持渦輪突出部或者轂的直徑比鑄造處理期間的直徑小，因為不存在這樣的鑄造功能，由此使得在鑄造期間通常需要考慮的一些參數(諸如，鑄造處理期間的流動速度，以及鑄造處理期間的凝固行為)不再起任何作用。在電子束熔煉(EBM)期間，鈦鋁合金同樣呈現為粉末，同時自由可控制的電子束用作能量源以選擇性地熔煉粉末。所生成的部件因而是以層的方式在真空或者在惰性氣體氣氛下生產的。在該處理中，粉末逐層沉積在粉末床中，并且限定了暴露的區域。在該情況下，選擇性激光熔煉類似于EBM方法起作用，但是，同時激光用于選擇性地構建層。與純激光燒結相比，在SLM方法期間材料完全熔煉。使用EBM/SLM方法，渦輪突出部或者渦輪轂不具有鑄造功能，基于該原因能夠降低其直徑。

因而本發明的核心是通過依靠提到的方法生產鈦鋁合金渦輪使渦輪出口上的突出部/轂變細，即依靠金屬注射成型(MIM)、電子束熔煉(EBM)或者選擇性激光熔煉(SLM)，因而其重量可降低。

在渦輪突出部的變細方面，明顯地需要考慮一些關于磨光期間渦輪處理的限制，例如渦輪在渦輪突出部上仍必須是可抓握的；關于可能的平衡性方面，仍需存在足夠材料以用于在渦輪突出部平面的區域中移除。根據本發明所采用及描述的生產方法額外地允許生產具有較大幾何精度的渦輪，結果是，失衡本身趨向于更低，由于此，為了能夠抵消此失衡在渦輪突出部上要求平衡質量較小。

通過將渦輪突出部或者渦輪轂變細，在設計渦輪的流量以及實現更小、更輕、慣性優化的渦輪方面通常能夠獲得主要的自由度。通過在葉片根部的區域中降低渦輪出口處渦輪的直徑，渦輪的葉片本身能夠設計得較長，結果是，能夠對流量產生積極影響。相反，即使當葉片具有與先前渦輪相同的長度時也甚至能夠實現相同流量，但是因為渦輪轂直徑降低，所以已經開始進一步向內，由此能夠降低該渦輪的總直徑。通過降低渦輪轂的區域中的直徑，能夠明顯節約材料，結果是，能夠積極地影響尤其渦輪的質量慣性，從而間接影響排氣渦輪增壓器的響應行為。

一般來說，根據本發明的渦輪能夠獲得以下基本優勢：

-降低重量和/或降低尺寸，

-降低材料費用，降低成本并且改善生態平衡，

-降低質量慣性矩，

-設計流量具有新的自由度，