制造排气涡轮增压器的叶轮的方法及用于叶轮的TiAl合金 |
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| 申请号 | CN201480036766.3 | 申请日 | 2014-05-28 | 公开(公告)号 | CN105358272B | 公开(公告)日 | 2017-12-12 |
| 申请人 | 奥迪股份公司; | 发明人 | O·亨克尔; A·施蒂希; G·赫林; W·赫佩尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于由TiAl 合金 (3)制造排气 涡轮 增压 器 的 叶轮 的方法。在此规定，合金(3)具有至少1.9at.‑％的份额的铌，并且叶轮通过合金(3)的 离心 铸造 而形成。本发明还涉及一种TiAl合金(3)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于由TiAl合金(3)制造排气涡轮增压器的叶轮的方法，其特征在于，TiAl合金(3)除了钛之外还具有下列成分： |
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| 说明书全文 | 制造排气涡轮增压器的叶轮的方法及用于叶轮的TiAl合金技术领域背景技术[0002] TiAl合金具有微小的密度，大约为4g/cm3，还具有优秀的特殊的高温性能。该TiAl合金作为排气涡轮增压器的叶轮的材料的应用与已知的镍基合金相比显著提高了排气涡轮增压器的响应性能，并在小型化和降速方面显示出很大潜力。排气涡轮增压器的叶轮在柴油内燃机或汽油内燃机中在最高排气温度达到1050℃及转速达到大约220,000转/分钟时被加载。同时该叶轮还处于高的机械的和热的交变载荷下。由此产生蠕变载荷、TMF载荷、HCF载荷和/或LCF疲劳载荷，而材料、即TiAl合金必须承受住这些载荷。此外即使在上述高的排气温度的情况下，该合金也必须具有足够的抗氧化性能并能够抵抗腐蚀作用。 [0003] 为了能够完全利用通过使用TiAl合金以减小叶轮质量及进而减小转动惯量的潜力，而不允许缩减几何形状的复杂性以及叶轮的叶片数量。必须能够实现与通过已知的方法由镍基合金制造的叶轮相比相同的或较小的叶轮叶片壁厚及相同的或较强的叶轮叶片关联。然而在已知的由镍基合金制成的叶轮中，不能完全利用这种合金的全部潜力，这是由于镍基合金具有较低的流动性能。尤其是只能实现具有叶轮的叶片壁厚为1mm的或更厚的简单几何形状。所使用的TiAl合金还具有相对微小的蠕变强度或寿命，且不能在排气温度为950℃或以上时，尤其是980℃或以上时或1000℃或以上时应用。 [0004] 由现有技术例如已知了：文献WO 2011/048423 A1，US 2004/0040690 A1，WO 2008/049442 A1，EP 0 992 305 A1，DE 10 2010 042 889 A1，DE 10 2004 056 582 A1，源自期刊Intermetallics(金属间化合物)13(2005)1000-1007的、作者为T.Carneiro和Y-W.Kim的出版物，，Evaluation of ingots and alpha-extrusions of gamma alloys based on Ti-45Al-6Nb(基于Ti-45Al-6Nb的铸块评估和伽马合金阿尔法挤压)“，JP H03- 193837 A，DE 40 22 403 A1以及DE 10 2007 020 638 A1。 发明内容[0005] 因此本发明的目的是，提出一种用于由TiAl合金制造排气涡轮增压器的叶轮的方法，通过这种方法可以避免上述缺点。 [0006] 上述目的根据本发明通过一种用于由TiAl合金制造排气涡轮增压器的叶轮的方法实现。在此规定，TiAl合金除了钛之外还具有下列成分：具有43.7at.％至47.5at.％的份额的铝；具有在3at.％和5at.％之间的份额的铌；具有0.3at.％至0.6at.％的份额的碳；和具有最高2.0at.％的份额的其它成分，并且叶轮通过合金的离心铸造而形成，其中，在将合金引入到用于离心铸造的铸模中之前把铸模加热到500℃至800℃的温度，和其中，一旦合金达到铸造温度时，在围绕与铸模间隔开的旋转轴的离心铸造期间，将铸模以一角加速度在一加速时间段内加速到一转速，其中，所制造的叶轮的转轴垂直于旋转轴，其中，铸模在引入合金之前被抽真空，铸模中的绝对压力为最大1mbar。 [0007] 原则上，合金具有至少1.9at.％的份额的铌，并且叶轮通过合金的离心铸造而形成。混合入具有规定的物质量份额的铌导致高的蠕变强度，尤其在至少为950℃、至少为980℃或至少为1000℃的高温的情况下。但是这同时使铸造性能变差，尤其导致进一步变差的流动性能，从而TiAl合金的加工不能通过传统的压差铸造实现。铌份额优选为至少2at.％、至少2.5at.％、至少3at.％、至少3.5at.％、至少4at.％、至少5at.％、至少6at.％、至少7at.％或至少8at.％。另外，铌份额优选为最高8.7at.％。铌份额尤其优选地是在3at.％和 5at.％之间、尤其在3.5at.％和4.5at.％之间、进一步优选地是正好4at.％。 [0008] 但是令人惊奇地确定了，通过使用离心铸造在尽管混入了铌的情况下也能够实现精细的以及复杂的叶轮结构，例如很薄的叶片壁厚。在离心铸造中，使得为此所使用的铸模处于旋转运动中并同时将合金引入到铸模中。由于因为旋转运动而作用在合金上的惯性力，所以凝固的合金可以实现尤其优选的结构，尤其是在所形成的叶轮的背向铸模旋转轴的一侧上。这个结构被理解为尤其是微观结构和叶轮的表面。所制造的叶轮尤其在上述位置上具有高的纯度、少量气孔、少量收缩凹穴、少量铸瘤和少量不期望的与模型外壳或铸模的表面反应。这使叶轮表面实现很小的粗糙度和/或显著增大了强度、尤其是蠕变强度。由旋转运动决定，基于惯性力而产生高的铸造压力，通过该铸造压力将合金挤压到铸模中。相应地可以容易地实现复杂的结构及薄的叶片壁厚。所述的惯性力例如是离心力和/或科里奥利力。 [0009] 离心铸造尤其按如下方式实现，铸模与旋转轴沿径向方向(相对于旋转轴)间隔开。就是说，铸模不是围绕所制造的叶轮的后来的转轴旋转，而是该转轴例如垂直竖立在旋转轴上。通过相应地选择旋转轴与铸模之间的距离可以进而影响作用在合金或待形成的叶轮上的惯性力。借助于这种方法可以制造叶轮，该叶轮至少局部地——尤其在叶片区域中——具有非常薄的壁厚，例如最大为0.5mm。 [0010] 本发明的改进方案规定，在将合金引入到用于离心铸造的铸模中之前把铸模加热到400℃至900℃的温度。在这个400℃至900℃(这两个值对应包含其中)的温度范围内，对于所选择的凝固的TiAl合金，层片距离和群落尺寸几乎恒定。在这个范围中实现了具有几乎相同特性的几乎恒定的组织结构。该温度——其也可以被称之为铸模温度——尤其优选地在500℃至800℃的范围中选择，尤其是在600℃至700℃之间选择。在将合金引入到铸模中之前，铸模应该完全地被加热至所选择的温度。 [0011] 在引入合金时，合金通常具有如下的温度或铸造温度，即该温度高于铸模的温度。因此合金的温度和铸模的温度之间存在大的差别，即在与合金接触的铸模内壁的区域中存在大的温度梯度。这种大的差别是必要的，以便在叶轮的薄壁元件中，尤其是叶轮的叶片中，实现合金的定向凝固。对此的前提是，除了完全填满铸模外，还有以低包晶方式凝固的TiAl合金。如果在满足了这些前提条件的情况下，层片群落或层片在凝固期间明显沿着温度梯度及叶片壁厚的方向定向，即沿着叶片表面的法线方向。 [0012] 因为在叶轮的运行中同时产生的惯性力同样垂直于叶片壁厚和层片群落而起作用，所述群落定向造成附加地改善了蠕变强度。通过大的温度差造成的快速凝固还引起优选在TiAl合金中所含有的碳明显地被强制性溶解。这种溶解的碳在载荷情况下，尤其是在排气涡轮增压器运行期间，以碳化物的形式被分离出，这种碳化物对位错运动起障碍物的作用，并使出现的蠕变变形降到最低限度。因此实现了叶轮结构的显著改善。所以合金可以具有大量的碳，而这种情况通常是不利的。碳在合金中的份额尤其为0.2at.％至0.6at.％、尤其至少为0.3at.％、至少为0.4at.％或至少为0.5at.％。 [0013] 本发明的另一个有利的设计方案规定，将合金以一铸造温度引入到铸模中，该铸造温度相对于合金的液相温度高40K至150K。就是说，铸造温度比液相温度高出过热温度值。该铸造温度尤其应该如此选择，即该铸造温度具有42K和142K(这两个值对应包含其中)之间的范围中的一个过热温度。过热优选至少为92K、尤其正好为92K。当过热在上述的从40K至150K的范围中变化时，只引起通过叶轮的表面输出的热流的微弱的改变。因此铸模的温度的影响超过在由合金输出到铸模的热流方面的铸造温度的影响。 [0014] 因此在所述范围中的温度总体上只造成合金的凝固时间的微小的变化。在所述温度范围内，凝固时间位于最佳的凝固时间范围内。对此上述说明中所考虑的具有这种铸造温度的特性得以实现。为了即使在具有最大为0.5mm的壁厚的叶轮的情况下，尤其是在叶轮的叶片尖端上也能实现借助于合金完全填充铸模，优选应用至少为92K的过热。 [0015] 本发明的另一个实施方式规定，一旦合金达到铸造温度时，在围绕与铸模间隔开的旋转轴的离心铸造期间，将铸模以限定的角加速度在限定的加速时间段内加速到限定的转速。为了完成离心铸造，铸模被置入围绕旋转轴的旋转运动中。如上所述，铸模在此与旋转轴间隔开。加速通过限定的角加速度实现，其中铸模在限定的加速时间段内达到限定的转速。优选地只在合金达到其铸造温度时才开始加速。在这之前可以规定，铸模处于静止状态中。例如规定，合金通过旋转运动的作用被挤压进铸模中。尤其规定，惯性力的影响足够使得合金从储存容器中输出——之前合金在该储存容器中被加热到铸造温度——并以限定的铸造压力被输送进铸模中。 [0016] 同时还规定，角加速度的大小在1s-2至100s-2之间，尤其是在1s-2至10s-2之间或10s-2至100s-2之间。对于完全填充铸模有利的是，填充过程在加速过程结束之前完成或在加速过程终止时同时完成。出于这个原因应尤其优选地选择角加速度，该角加速度导致尽可能短的填充持续时间。但是大的角加速度同时导致快速达到指定的转速或最终转速，从这个转速开始起铸模将不再被加速。例如角加速度大于1s-2而小于100s-2，尤其是大于1s-2而小于10s-2或大于10s-2而小于100s-2。然而所述值也可以被包括在由该值所限定的值范围内。 [0017] 从达到最终转速开始起，引入到铸模中的合金的质量流显著减少，并且进而导致填充压力减小，尤其当填充在这个时刻还未完成时。这种情况可以导致铸造缺陷的数量增加。当填充在达到指定的转速之前已经完成时，最终转速的提高对于质量流或所实现的填充只有微小的影响。然而，最终转速与铸模相对于旋转轴的距离共同决定铸造压力。因为太小的最终转速是不利的，所以优选地根据下述实施方式选择相对高的最终转速。填充的意思尤其理解为，铸模的已经被填充有合金的部分。 [0018] 本发明的一个优选的设计方案规定，加速时间段具有在0.05s和2.0s之间的长度，尤其是从0.5s至2.0s的长度。加速时间段尤其如此地选择，即在应用所选择的角加速度的情况下达到所选择的转速。如上所述，如果由这些参数得到的加速时间段是如下的长度，即铸造过程与加速时间段的终止一起完全结束，则铸模被完全填满。 [0019] 本发明的另外的设计方案规定，转速的大小在100转/分钟和500转/分钟之间。如上所述，太微小的转速对于铸造压力是不利的，这是因为转速与旋转轴和铸模之间的距离共同对于铸造压力是重要的。基于这个原因，转速应该在100转/分钟和500转/分钟(这两个值对应包含其中)之间的所述范围中旋转。 [0020] 可以尤其优选地规定，在铸模、尤其是铸模的几何重心与旋转轴之间的距离在200mm和1500mm之间。通过这种距离，尤其在使用源于上述转速范围中的转速的情况下，达到一个铸造压力，该铸造压力导致铸模被完全地填满，和/或导致所制造的叶轮的尤其有利的组织结构，和/或可以达到尤其薄的、1mm或更小的叶片壁厚，尤其是0.5mm或更小的叶片壁厚。铸模之间的距离可以理解为，一方面沿径向方向位于铸模内部最远的点或沿径向方向位于铸模外部最远的点和另一方面旋转轴之间的距离。然而尤其优选地是指铸模的几何重心和旋转轴之间的距离。铸模被理解为例如部件空腔，所述叶轮在该部件空腔中形成。 [0021] 可以规定，角加速度如此选择，即该角加速度大于100mm2/s2和300,000mm2/s2之间2 2 2 2 的数值，尤其是100mm /s 和1000mm/s 之间的数值，与由叶轮的叶片壁厚和铸模与旋转轴的距离的乘积做除法的结果。叶轮的叶片壁厚在此理解为，例如叶轮的最小的叶片壁厚或另选地理解为叶轮的最大的或平均的叶片壁厚。角加速度的单位以rad/s2表示。该角加速度优选地被选择为大于100和300,000之间的数值(这两个值对应包含其中)，尤其是100到 1000之间的数值与由以毫米为单位的叶片壁厚和铸模与旋转轴之间的以毫米为单位的距离的乘积做除法的结果。 [0022] 此外可以规定，转速如此选择，即该转速大于由0.04 1/min和50 1/min之间的数值与铸模与旋转轴的距离和叶轮的叶片壁厚的商之间的乘积。上述最后提到的两个数值优选地根据之前的实施方式定义。转速或最终转速——以每分钟的转数为单位——例如大于0.4和500(这两个值对应包含其中)之间的数值与铸模与旋转轴的以厘米为单位的距离和以毫米为单位的叶轮叶片壁厚、尤其是叶轮平均叶片壁厚的商之间的乘积。 [0023] 还可以规定，加速时间段的长度如此选择，即该长度最大相当于0.1s/mm和20s/mm之间的数值与叶轮叶片壁厚的乘积。加速理论时间段的长度应该以秒为单位，并最大相当于0.1至20之间的数值与以毫米为单位的叶片壁厚之间的乘积。加速时间段的长度尤其优选地相当于铸模的填充时长。总之，加速时间段的长度应该至少相当于填充时长。 [0024] 最后可以规定，铸模与旋转轴之间的距离如此选择，即该距离大于或等于100至5000之间的数值与叶轮的叶片壁厚的乘积。铸模与旋转轴之间的以厘米为单位的距离大于或等于10至500(这两个值对应包含其中)之间的数值与以毫米为单位的叶轮叶片壁厚的乘积。 [0025] 铸模在引入合金之前优选地被抽真空。相应地在铸模中存在相对于环境压力的负压。铸模中的绝对压力例如为最大1mbar、尤其为最大0.1mbar、尤其优选地为最大0.05mbar或最大0.01mbar。通过抽真空来对抗叶轮的脆化现象，该脆化现象可能由于合金对于氧气具有高的亲和性而出现。 [0026] 此外描述了一种用于排气涡轮增压器的叶轮的TiAl合金，该合金除了钛之外还具有下列成分： [0027] -具有43.7at.％至47.5at.％的份额的铝， [0028] -具有1.9at.％至8.7at.％的份额的铌， [0029] -具有0.3at.％至0.6at.％的份额的碳， [0030] -具有最高2.0at.％的份额的其它成分。 [0031] TiAl合金以及所述方法的优点已经表明。TiAl合金可以根据上述实施方式进行改进，从而就此参考这些实施方式。所述合金当然也可以应用于上述方法。这也同样适用于下列描述的合金。 [0032] 为了找出用于叶轮的最佳的合金组成成分，测试大量的合金。铝的最佳份额在43.7at.％至47.5at.％的范围中。在铝含量低于44.8at.％时，凝固路径经过beta相。铝含量至少为从44.8at.％到小于47.3at.％时导致低包晶的凝固路径，而在铝含量为 47.3at.％时产生包晶的凝固路径。铝含量高于47.3at.％时，导致高包晶的凝固路径。位于 43.7at.％至47.5at.％(这两个值对应包含其中)的根据本发明的铝含量范围内的合金——该合金以低包晶的方式凝固——在此与通过beta相方式凝固的合金相比显示出更好的蠕变特性。因此以低包晶方式凝固的合金是尤其优选的。铝含量尤其正好是 45.8at.％。 [0033] 纯示例性地给出下列组成成分： [0034] -合金1：原子百分比含量为45at.％的铝、原子百分比含量为3.7at.％的铌、原子百分比含量为0.25at.％的铬和原子百分比含量为0.5at.％的碳； [0035] -合金2：原子百分比含量为45.8at.％的铝、原子百分比含量为3.9at.％的铌和原子百分比含量为0.3at.％的碳； [0036] -合金3：原子百分比含量为45.8at.％的铝、原子百分比含量为3.9at.％的铌和原子百分比含量为0.6at.％的碳； [0037] -合金4：原子百分比含量为47.0at.％的铝、原子百分比含量为8.7at.％的铌和原子百分比含量为0.3at.％的碳； [0038] 所述合金的其余的成分表示为钛以及具有份额最高为2at.％的其它成分、例如杂质。 [0039] 铝的份额也可以另选地借助于铝的等价物规定。在二元的TiAl合金相图中，铝含量的上边界和下边界对应于在44.8at.％和47.3at.％的情况下的低包晶方式凝固。通过将铌和/或碳加入合金，这两个边界被移动并且可以借助于铝等价物相应地详细说明。铌使边界向更高的值移动，而碳使边界向更低的值移动。因此对应的元素含量与计算系数相乘并相应地被边界值加上或减去。用于铌的计算系数是0.3，而用于碳的计算系数是-4.2。 [0040] 最小的铝含量Almin为44.8at.％，最大的铝含量Almax为47.3at.％。对于设定的最小的1.9at.％的铌含量及设定的最大的0.6at.％的碳含量得到对应该铝等价物的下边界。由此得到对应该铝等价物的下边界为44.8at.％+1.9at.％〃0.3-0.6at.％〃4.2＝ 42.85at.％。而从8.7at.％的最大铌含量及0.0at.％的最小碳含量得到对应该铝等价物的上边界，即47.3at.％+8.7at.％〃0.3-0.0at.％〃4.2＝48.8at.％。TiAl合金的特征另选地在于，该TiAl合金具有包含42.85at.％至48.8at.％的铝等价物的铝、铌和碳。另外可以包含具有最高2.0at.％的份额的其它组成部分。 [0042] 下面根据在附图中示出的实施例详细说明本发明，而不产生限制。在此示出唯一的附图 [0043] 附图示意性示出用于由TiAl合金制造排气涡轮增压器的叶轮的铸造装置。 具体实施方式[0044] 附图示出装置1，尤其是离心铸造装置，其用于制造排气涡轮增压器的未详细示出的叶轮。装置1具有用于TiAl合金3的储存容器2以及铸模4。储存容器2和铸模4都布置在铸模支座6的腔室5中。铸模支座6紧固在臂部7上并借助于该臂部围绕旋转轴8可旋转地支承。在此，旋转例如沿箭头9的方向进行。平衡配重10优选地紧固在臂部7上相对于旋转轴8背向铸模支座6的一侧上。装置1另外具有可沿双向箭头11移动的加热线圈12。代替平衡配重10当然也可以设置另外的铸模支座，该铸模支座优选地设计为与铸模支座6相同。因此可以实现并行的铸造过程。 [0045] 为了准备铸造过程，腔室5优选地尤其通过接口13被抽真空，其中，存在于腔室5中的空气沿着箭头14被导出。铸模4也优选地被加热到400℃和900℃之间的限定温度。另外，包含在储存容器2中的合金3借助于尤其设计为高频线圈的加热线圈12加热至铸造温度。如果达到了铸造温度，则加热线圈12如此布置，即该加热线圈不再围绕储存容器2，尤其通过向下移动。然后使铸模支座6开始围绕旋转轴8旋转。在离心铸造期间，一旦合金达到其铸造温度时，铸模4进而围绕与该铸模间隔开的旋转轴8以限定的角加速度在限定的加速时间段内被加速到限定的转速。 [0046] 取决于由于旋转产生的惯性力，熔化的合金3沿径向方向(相对于旋转轴8)向外部被挤压。就是说，熔化的合金沿箭头15的方向被挤压出储存容器2并被挤压进铸模4中。在此借助于铸造压力实现挤压进铸模4中，该铸造压力主要受到旋转轴8与铸模4之间的距离的影响以及受到铸模支座6的当前转速的影响。通过铸模4与旋转轴8间隔开的布置，可以借助于这种离心铸造或离心精铸实现非常高的铸造压力。这产生了特别优秀的铸造结果，也同样适用于TiAl合金的情况，该合金通过其它的铸造方法不能或仅以高的成本才能加工。这尤其适用于如下的TiAl合金，该合金具有至少1.9at.％的份额的铌。 [0047] 借助于离心铸造可以制造出与压差铸造相比更小层片距离的形式的明显更精细的结构。这不受TiAl合金中的铝含量和铌含量的影响。与通过压差铸造的产品相比，结构的较高精细度使得由所述合金制造的叶轮具有更好的蠕变特性。特别地，通过离心铸造制造的叶轮比借助于压差铸造制造的叶轮具有高50K的使用温度。 |
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