增压器及该增压器的涡轮转子及其制造方法
阅读：952发布：2020-05-12
专利汇可以提供增压器及该增压器的涡轮转子及其制造方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种 涡轮 转子 ，其利用Ni钎料将TiAl制涡轮 叶轮 和 碳 素 钢 制轴接合，目的在于，使钎焊 位置 为远离涡轮叶轮的背面最适当范围的位置，防止排气 温度 导致的钎焊部分的强度降低，并且，保持 涡轮 增压 器 的小型化，一种 增压器 的涡轮转子，其利用Ni钎料将TiAl制涡轮叶轮和碳素钢制轴接合，其特征在于，设定从所述涡轮叶轮的背面到钎焊部的距离，以使通过“从涡轮叶轮的背面到钎焊部的距离”/“涡轮叶轮的外径”算出的涡轮叶轮的外径比进入7～10％范围内。，下面是增压器及该增压器的涡轮转子及其制造方法专利的具体信息内容。
1.一种增压器，其具备利用Ni钎料将TiAl制涡轮叶轮和碳素钢制轴接合的涡轮转子，其特征在于，
设定从所述涡轮叶轮的背面到钎焊部的距离，以使通过“从涡轮叶轮的背面到钎焊部的距离”/“涡轮叶轮的外径”算出的涡轮叶轮的外径比进入7～10％范围内，并且，在所述涡轮叶轮的背面侧，与该背面之间存在间隙并且沿该背面配设有后面板，在所述涡轮叶轮的背面和所述后面板之间形成有间隙，利用所述涡轮叶轮的背面和形成于轴承壳体的端部上的圆筒凸缘的前端之间的间隙形成有节流孔，遮断从所述涡轮叶轮的入口侧泄露流出到背面侧的排气向所述Ni钎料的所述钎焊部的流动，该钎焊部位置的最高温度成为所述Ni钎料的熔点的50％～60％的温度范围。
2.如权利要求1所述的增压器，其特征在于，
所述涡轮叶轮的外径比被设于大致8％的位置。
3.一种增压器的涡轮转子的制造方法，其是权利要求1或2所述的增压器所具备的涡轮转子，利用Ni钎料将TiAl制涡轮叶轮和碳素钢制轴接合，其特征在于，包括：
测量涡轮叶轮的外径的步骤；
设定从所述涡轮叶轮的背面到钎焊部的距离，以使通过“从涡轮叶轮的背面到钎焊部的距离”/“涡轮叶轮的外径”算出的涡轮叶轮外径比进入与钎焊部位置的最高温度成为Ni钎料的熔点的50％～60％的温度范围对应的7～10％范围内的步骤；
在由该步骤设定的位置，利用Ni钎料将所述TiAl制涡轮叶轮和碳素钢制轴接合的步骤。
增压器及该增压器的涡轮转子及其制造方法
技术领域
背景技术
[0003] 对于这种小型化及性能提高的要求，提出一种通过Ni钎焊将耐热性优良的TiAl制涡轮叶轮和钢材的轴接合而成的涡轮转子，例如，公知的有专利文献1(特开2000－202683号公报)、专利文献2(特开平10－193087号公报)、专利文献3(特开平10－118764号公报)等。
[0004] 在该专利文献1中，公开有由TiAl类金属间化合物基合金构成的涡轮叶轮和由碳素钢构成的轴经由中间材料相接合的构造，且公开有：以涡轮叶轮的凸状连接部和中间材料的凹状连接部嵌合的方式，使涡轮叶轮和中间材料相接合，并且，在其间插入接合有钎料的构造。
[0005] 在专利文献2中，也公开有向TiAl制涡轮叶轮的凸部和轴的凹部间插入钎料(银焊剂、镍焊剂、铜焊剂)，使这些凹部和凸部嵌合而将TiAl制涡轮叶轮和由结构用或马氏体类耐热钢构成的转子轴接合的构造。同样，在专利文献3中，也公开有利用钎料将TiAl制涡轮叶轮和由构造用或马氏体类耐热钢构成的转子轴接合的构造。
[0006] 专利文献
[0007] 专利文献1:(日本)特开2000－202683号公报
[0008] 专利文献2:(日本)特开平10－193087号公报
[0009] 专利文献3:(日本)特开平10－118764号公报
发明内容
[0010] 发明所要解决的课题
[0011] 如前述，伴随着排气温度的高温化，例如在乘用车的汽油发动机中，有时排气温度达到接近1000℃，当TiAl制涡轮叶轮机转子暴露在这种高温度的排气中时，如图6所示，在TiAl制的涡轮叶轮 焊剂相互间，或Ni焊剂 碳素钢制的轴相互间，扩散现象发展。
[0012] 该扩散现象是指为了使材料间的组成分布平缓，涡轮叶轮的Ti成分、Al成分向钎料侧移动，另外，Ni焊剂的Ni成分向涡轮叶轮侧或轴侧移动。还称为轴侧的C成分及N成分向钎料侧移动的现象。
[0013] 由于轴侧的C成分及N成分的移动，在Ni焊剂和碳素钢制轴的边界部分，结合从涡轮叶轮移动过来的Ti而生成TiC(碳化钛)、TiN(氮化钛)这样的碳化物、氮化物或碳氮化物。而且，在轴侧，在因移动而遗失掉C成分及N成分的部分产生空洞(空穴)。
[0014] 由于这种在Ni焊剂和碳素钢制轴的边界部分产生的碳化物、氮化物或碳氮化物空洞(空穴)，钎焊强度显著降低，根据情况不同有可能折断。因此，由于扩散现象越是高温时越显著，所以对于高温化的排气而言，产生钎焊部的强度降低的问题成为严重问题，希望有解决的对策。
[0015] 但是，虽然在专利文献1～3中，公开有利用钎料将TiAl制涡轮叶轮和碳素钢制轴接合的技术，但至今未公开防止在钎料和碳素钢制轴的边界部分产生的Ti的碳化物、氮化物或碳氮化物及空洞(空穴)的发生，防止钎焊部的接合强度降低的对策。
[0016] 另一方面，在机动车用涡轮增压器中，从对车载性的要求方面，小型化成为重要的技术要素。为了使钎焊位置远离涡轮叶轮，防止从涡轮叶轮传递到钎焊部的传递热导致的热影响、及从涡轮叶轮的入口侧漏出的泄漏排气流到钎焊部产生的热影响导致的钎焊部的强度降低，需要加长涡轮转子的轴长，并且使涡轮叶轮形成为大直径，导致涡轮增压器的大型化。即，钎焊部的热影响导致的强度降低和小型化为相反的关系，对这些问题采取怎样的对策成为大的问题。
[0017] 于是，鉴于上述现有技术的问题，本发明的目的在于，提供一种利用Ni钎料将TiAl制涡轮叶轮和碳素钢制轴接合而成的涡轮转子，使钎焊位置为远离涡轮叶轮的背面的最适当范围的位置，防止排气温度导致的钎焊部分的强度降低，并且，保持涡轮增压器的小型化。
[0018] 用于解决课题的技术方案
[0019] 为解决上述课题，本发明提供一种增压器的涡轮转子，其利用Ni钎料将TiAl制涡轮叶轮和碳素钢制轴接合，其特征在于，设定从所述涡轮叶轮的背面到钎焊部的距离，以使通过“从涡轮叶轮的背面到钎焊部的距离”/“涡轮叶轮的外径”而算出的涡轮叶轮的外径比进入7～10％范围内。
[0020] 根据上述发明，通过设定从所述涡轮叶轮的背面到钎焊部的距离，以使通过“从涡轮叶轮的背面到钎焊部的距离”/“涡轮叶轮的外径”而算出的涡轮叶轮的外径比进入7～10％范围内，不进行转子轴长的增大化、及转子轴的轴承位置的改变，能够维持增压器的小型化，同时能够防止排气温度导致的钎焊部分的强度降低。
[0021] 即，在进行了涡轮叶轮被长时间暴露在高温的排气中的情况下的钎焊部的强度降低试验，结果如图4所示，可知钎焊部的接合强度在其钎焊部的温度为钎料的熔点的约60％以上的温度状态下长时间(800小时)暴露时显著降低。(用通过Ni钎料将TiAl制涡轮叶轮及碳素钢的转子轴接合的试验片进行了试验。)
[0022] 另外，图3中，采用温度相对于钎料的熔点的比率为纵轴，采用轴的轴向距离相对于涡轮叶轮的外径的比率为横轴，表示轴的轴向位置的温度比率的特性图表。从该图3的关系可以看出，钎焊部的位置离开涡轮叶轮的距离越远温度越降低，因此，防止了接合强度的降低，但这样的话转子轴变长，因此存在导致涡轮增压器的大型化的问题。
[0023] 因此，本发明将强度降低显著的钎料的熔点的约60％的温度作为边界，在超过该温度之前的附近，即，通过将钎焊部的位置设定在钎焊部位置的最高温度为所述Ni钎料的熔点的50％～60％的温度范围的位置，不必增大转子轴长，不改变轴承的位置，能够维持增压器的小型化，并且，能够防止排气温度导致的钎焊部分的强度降低。
[0024] 而且，基于以上的见解，使用图3的关系特性，求取与Ni钎料的熔点的50％～60％的温度范围对应的通过“从涡轮叶轮的背面到钎焊部的距离”/“涡轮叶轮的外径”算出的涡轮叶轮的外径比时，通过将该涡轮叶轮比设定在7～10％范围内，如前述能够维持增压器的小型化，并且能够防止排气温度导致的钎焊部的强度降低。
[0025] 另外，作为与即将超过Ni钎料的熔点的60％之前的55％～60％温度范围相对应的涡轮叶轮的外径比，设定为大致8％也是最适合的。
[0026] 涡轮叶轮入口侧的温度因排气温度而大致为固定温度，向轴心侧的传递热的热影响也是如果涡轮叶轮的外径大，与此相应地到达钎焊部的传递热也降低，因此，涡轮叶轮的外径在评价钎焊部的接合强度方面是重要的要素。
[0027] 因此，本发明不仅只计算从涡轮叶轮的背面到钎焊部的距离，而且计算与涡轮叶轮的外径之比即涡轮叶轮的外径比，通过用该比值设定接合位置，能够提高所设定的接合位置的可靠性。
[0028] 另外，本发明中，优选在所述涡轮叶轮的背面侧，与该背面之间存在间隙并且沿该背面配设有后面板，以防止从所述涡轮叶轮的入口侧向背面侧漏出的排气向所述Ni钎料的接合部流动。
[0029] 这样，设置后面板即隔热板，防止泄漏排气流直接作用到钎焊的接合部，因此，能够防止泄漏排气流导致的钎焊部的强度降低。
[0030] 另外，由于抑制了泄漏排气流流到接合部，因此提高了以图3的特性图表为基础所算出的钎焊部的位置的精度。即，用于计算图3的特性图表的轴向位置的温度，以涡轮叶轮的入口侧的排气温度为基础通过热传导计算而算出，不包括泄漏排气导致的温度上升。
[0031] 另外，本发明提供一种增压器的涡轮转子的制造方法，其利用Ni钎料将TiAl制涡轮叶轮和碳素钢制轴接合，其特征在于，包括：测量涡轮叶轮的外径的步骤；设定从所述涡轮叶轮的背面到钎焊部的距离，以使通过“从涡轮叶轮的背面到钎焊部的距离”/“涡轮叶轮的外径”算出的涡轮叶轮的外径比进入7～10％范围内的步骤；在通过该步骤设定的位置，利用Ni钎料将所述TiAl制涡轮叶轮和碳素钢制轴接合的步骤。
[0032] 根据上述发明，测量涡轮叶轮的外径D，使用该值设定从涡轮叶轮的背面到钎焊部的距离L，以使通过“从涡轮叶轮的背面到钎焊部的距离L”/“涡轮叶轮的外径D”算出的涡轮叶轮的外径比H进入7～10％范围内，在该距离L，使用Ni钎料实行钎焊。
[0033] 因此，能够以其距离L的位置为基础，设置在最大限度扩展了轴承跨距的位置，因此能够防止轴振动，并且，能够防止增压器的大型化，同时能够防止排气温度导致的钎焊部分的强度降低。
[0034] 发明效果
[0035] 如以上记载，根据本发明，在利用Ni钎料将TiAl制涡轮叶轮和碳素钢制轴接合的涡轮转子中，设定从所述涡轮叶轮的背面到钎焊部的距离，以使 通过“从涡轮叶轮的背面到钎焊部的距离”/“涡轮叶轮的外径”算出的涡轮叶轮的外径比进入7～10％范围内，由此，即使在流过涡轮叶轮的排气温度达到大致950～1000℃的情况下，也可防止钎焊部的接合强度的降低，并且，能够维持增压器的小型化。附图说明
[0036] 图1是本发明实施方式的增压器的剖面图；
[0037] 图2是涡轮转子的放大剖面图；
[0038] 图3是表示轴向距离/涡轮叶轮的外径之比和熔点温度比的关系的特性图；
[0039] 图4是表示长时间高温保持后的钎焊部强度的特性图；
[0040] 图5是表示转子轴的长度、轴承间距离、钎焊部的位置的关系的说明图。
[0041] 图6是在TiAl制涡轮叶轮、Ni焊剂和碳素钢制轴相互间的扩散现象的说明图。
具体实施方式
[0042] 下面，利用图示的实施方式详细地说明本发明。但是，该实施方式中记载的构成零件的尺寸、形状、其相对配置等，只要没有特别特定的记载，就不是将该发明的范围限定于此的意思，只不过是说明例。
[0043] 图1是沿增压器1的轴心K的剖面图。
[0044] 首先，对增压器1的构成的概要进行说明。该增压器1为乘用车用的汽油发动机的增压器，其中，在轴心K方向邻接地配置有收容涡轮叶轮5的涡轮壳体3、具有旋转支承转子轴(以下称为轴)7的轴承9的轴承壳体10、收容压缩器的叶轮13的压缩器壳体15。
[0045] 在涡轮壳体3的外周部，螺旋状地形成有涡卷17，在该螺旋状的中心部分配设有涡轮叶轮5，涡轮叶轮5和轴7的一端部通过钎料在接合部B的部分被接合为一体，形成涡轮转子19。
[0046] 另外，在轴承壳体10上设有支承轴7的左右一对轴承9、9，使轴7可绕轴心K进行旋转。而且，在该轴承9、9中分别经由润滑油路21供给润滑油。
[0047] 形成在该轴承壳体10和上述涡轮壳体3的各自端部的突出凸缘10a、3a被对接设置，在其外周通过嵌合而结合有截面形状具有大致コ字形的环状的弹性挡环23。在该结合部，挟持后述的后面板11的外周部的外凸缘部11a而固定有后面板11。
[0048] 该后面板11为大致有底圆筒形状，具有底部11b和从该底部的外周缘朝向轴心K这一方向立起的大致圆筒形状的圆筒部11c，圆筒部的前端部进一步与轴心K的方向折弯成直角而设有外凸缘部11a。该外凸缘部11a通过被夹入轴承壳体10和涡轮壳体3之间来定位并固定。
[0050] 由上述构成组成的涡轮增压器1动作时，来自发动机(图示省略)的排气进入上述涡卷17，从该涡卷17的外周侧流入涡轮叶轮5的涡轮翼根，朝向中心侧沿半径方向流动，在该涡轮叶轮5中进行了膨胀做功后，沿轴向流出并被导向气体出口33送出机外。
[0051] 另一方面，涡轮叶轮5的旋转经由轴7使离心压缩机31的叶轮13旋转，通过压缩器壳体15的空气入口通道27，由该叶轮13对所吸入的空气加压后，通过空气通道29供给至发动机(图示省略)。
[0052] 另外，如图1所示，涡轮叶轮5和轴7在接合部B被接合，在接合部B的轴承9侧设有设于轴7上的密封凸缘或金属制的密封环，以使排气不会流向轴承9侧。
[0053] 而且，从发动机向涡轮壳体3内的涡卷17流过来的排气G的大部分从涡轮叶轮5的入口侧沿径向流入，但一部分泄漏流出到涡轮叶轮5的背面侧。即使产生该泄漏流出，也可以利用在涡轮叶轮5的背面和后面板11的底部11b之间形成的间隙，对沿轴心K方向的流动进行节流，再通过由涡轮叶轮5的背面和形成于轴承壳体10的端部的圆筒凸缘12的前端的间隙形成的节流孔，遮断向轴7的钎焊部B的流动。
[0054] 通过这种节流作用，防止泄漏的排气对接合部B的影响，由此，能够防止泄漏的排气流动的热影响导致的强度降低。
[0055] 下面，参照图2对涡轮转子19进行说明。
[0056] 涡轮转子19由上述的涡轮叶轮5和转子轴(轴)7构成，涡轮叶轮5和轴7通过钎焊而接合。在涡轮叶轮5的端部，在旋转中心部形成有凸状钎焊部35，另外，在轴7上形成有凹状钎焊部37，该凸状钎焊部35和凹状钎焊部37成为嵌合状态，且涡轮叶轮5的端面和轴7的端面利用Ni钎料39接合。
[0057] 涡轮叶轮5和轴7的接合例如如下实行，即，通过在涡轮叶轮5和轴7之间插入Ni钎料39并在轴向上施加压力对该Ni钎料39进行加压，再用惰性氛围气的气体覆盖并利用例如高频感应加热装置进行加热。予以说明，作为Ni钎料39，使用了JIS标准的BNi－1、BNi－2等Ni钎料。
[0058] 涡轮叶轮5由TiAl基合金构成。TiAl基合金是以Ti为主要的构成元素，含有28～35重量％的Al，除此之外也可以含有Nb、Cr、Mn、Si、W、C、B等添加元素的合金。在本实施方式中，TiAl基合金使用含有31.3重量％的Ti、7.0重量％的Al、1.3重量％的Nb、0.03重量％的C，在精密铸造及烧结后，实施用于消除缺陷的1200℃以上的温度、一定时间HIP(Hot－Isostatic－Pressing、热静水压成形)的处理。
[0059] 另外，轴7由结构用钢材构成。结构用钢材以Fe为主要构成元素，含有0.30～0.45重量％的C、0.85～1.25重量％的Cr、0.30～1.65重量％的Mn、0.030重量％以下的P、0.030重量％以下的S。除此之外也可以含有Ni、Mo等添加元素及不可避免的杂质水平的N。所谓不可避免的杂质，是指在结构用钢材中，在原料中存在的，在制造工序中不可避免的混入的元素，是微量地含有的元素。另外，所谓不可避免的杂质水平是指不可避免的杂质对结构用钢材的特性不产生影响的程度的量。
[0060] 作为结构用钢材，可以使用锰钢、锰铬钢、铬钢、铬钼钢、镍铬钢、镍铬钼钢等。
[0061] 在本实施方式中，作为结构用钢材，使用了含有C为0.33重量％、Cr为0.90重量％的铬钼钢SCM435。
[0062] 将如上所述的，在发动机上搭载利用Ni钎料39将TiAl制的涡轮叶轮5和碳素钢制的轴7接合的涡轮转子19，使增压器1运转，在排气温度接近950℃～1000℃的状态下，将图2所示的涡轮叶轮5的背面作为基准位置(0)，利用热传导计算算出距该位置的轴向距离L处的轴7的表面温度T，再以涡轮叶轮5的外径D和轴向的距离L为基础，算出涡轮叶轮的外径比H＝L/D。
[0063] 然后，以距离L处的轴7的温度T为基础，算出该温度T和Ni钎料的熔化温度的比率，以该比率为纵轴，以上述涡轮叶轮的外径比H＝L/D为横轴，制成涡轮转子19的轴向位置的温度分布特性图表。图3表示其温度分布特性图表。
[0064] 由图3看出，随着从基准位置(涡轮叶轮5的背面的位置)向负数侧(图2中左侧)离开，温度降低。
[0065] 另一方面，图4是表示上述涡轮转子19在高温长时间例如800小时保持后的钎焊部的抗拉强度试验结果的图。以将室温状态(约20℃)的强度设为基准100时的钎焊强度比为纵轴，横轴表示相对于Ni钎料的熔点的温度比率。
[0066] 发现相对于钎料的熔点的温度比率(称为熔点温度比)从60％到65％，接合强度发生急剧降低，之后随着温度上升而强度降低的倾向。即，若发现长时间暴露在熔点温度比为60％以上的温度，则钎焊部的接合强度显著降低。
[0067] 即，通过将若长时间暴露在上述熔点温度比为60％以上的温度时，接合强度则显著地降低这一发现，应用于图3的涡轮转子19的温度分布特性图表中，不增大转子轴长或改变轴承位置，要维持增压器1的小型化，防止强度降低，就需要设定为以强度降低显著的钎料的熔点的约60％的温度为界限，在超过这界限之前的狭窄范围，即设定为Ni钎料的熔点的50％～60％的温度范围。
[0068] 发现若考虑这些方面而设定钎焊部的位置，使用图3的关系特性，与Ni钎料的熔点的50％～60％的温度范围对应的涡轮叶轮的外径比为H＝L/D7～10％的范围适合。而且，作为与即将超过Ni钎料的熔点的60％之前的55％～60％的温度范围对应的涡轮叶轮的外径比，最适合设定为大致8％。
[0069] 另外，在本实施方式中，不是仅以距涡轮叶轮5的背面的距离为参数设定钎焊部的位置，还要采用与涡轮叶轮5的外径D之比算出涡轮叶轮的外径比H而设定。
[0070] 如果涡轮叶轮的外径大，则相应地到达钎焊部的泄漏排气量也降低，所以减小了钎焊部在该部分变为更高温的危险性。因此，涡轮叶轮的外径大大影响泄漏排气到达钎焊部的量。
[0071] 另外，涡轮叶轮的入口侧的温度因排气温度而为大致固定温度，向轴心侧的传递热导致的热影响也是只要涡轮叶轮的外径大，相应地到达钎焊部的传递热也降低，所以涡轮叶轮的外径在评价钎焊部的接合强度方面是重要的要素。
[0072] 因此，不仅算出从涡轮叶轮的背面到钎焊部的距离，还要算出与涡轮叶轮的外径的比即涡轮叶轮的外径比H，按该比值设定接合位置，因此，在设定参数中能够反映涡轮叶轮的外径的大小。因此，能够设定正确且具有可靠 性的钎焊部的位置。
[0073] 接着，对利用Ni钎料39接合TiAl制的涡轮叶轮5和碳素钢制的轴7的接合方法进行说明。
[0074] 对涡轮转子19的制造方法，尤其是钎焊部位置的设定方法进行说明。
[0075] 首先，测量涡轮叶轮5的外径D，其次，算出从涡轮叶轮5的背面到钎焊部的距离L，以使通过“从涡轮叶轮的背面到钎焊部的距离L”/“涡轮叶轮的外径D”算出的涡轮叶轮的外径比H进入7～10％范围内。而且，在算出的距离L的位置实施TiAl制的涡轮叶轮和碳素钢制的轴的钎焊作业。
[0076] 测量涡轮叶轮的外径D，使用该值算出从涡轮叶轮的背面到钎焊部的距离L，以使通过“从涡轮叶轮的背面到钎焊部的距离L”/“涡轮叶轮的外径D”算出的涡轮叶轮的外径比H进入7～10％范围内，由于在其算出值的距离L的位置使用Ni钎料进行钎焊，因此以该距离L的位置为基础，将轴承跨距设定于最大限度地扩展的位置，能够防止轴振动，并且，将钎焊位置设为距离涡轮叶轮必要以上，使转子轴长增大，能够防止增压器1大型化。
[0077] 在重新设定钎料的接合位置的情况下，或对于已经利用钎料接合在一起的涡轮转子19，为了防止钎焊部分的强度降低而改变钎焊部的位置的情况下，只要设定在所算出的位置以使涡轮叶轮的外径比H进入7～10％范围即可，因此，能够防止：改变轴承跨距，或加长轴7的长度，而设定使接合位置距涡轮叶轮5的背面为必要以上距离。
[0078] 即，图5(B)表示将钎焊部的位置设定为距涡轮叶轮5的背面必要以上的情况、为了将增压器1的大小维持在小型而使轴承跨距S'比图5(A)中所示的现有轴承跨距S更短的情况，这样一来，不改变涡轮转子19的轴7的长，但轴承跨距变短，因此轴7的轴振动的危险性增大。
[0079] 另外，图5(C)表示将钎焊部的位置设定为距涡轮叶轮5的背面必要以上的情况、为了防止轴7的轴振动的危险性而需要的轴承跨距S设定为与现有轴承跨距相同的情况，这样一来，涡轮转子19的轴7的全长变长，增压器1的大小大型化。
[0080] 工业上的可利用性
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