用于制造渦輪葉輪和軸組件的工藝的制作方法
【技術領域】
[0001]本公開總體上涉及渦輪葉輪的制造，并且更特別地涉及渦輪葉輪的鑄造。
【背景技術】
[0002]渦輪機(例如，燃氣渦輪發動機、渦輪增壓器等)中的渦輪葉輪在極具挑戰性的環境中操作。穿過葉輪的氣體的高溫以及通常經受的高旋轉速度導致對渦輪葉輪和軸組件的強度和/或耐疲勞性極限的嚴峻考驗。例如，處于渦輪增壓器渦輪葉輪所達到的速度和溫度時，通常用于將軸接合至渦輪葉輪的焊接接頭可受到嚴峻的考驗。有時可能發生焊接接頭失效。本公開涉及一種用于制造不依賴于焊接接頭的渦輪轉子(即，渦輪葉輪和軸組件)的工藝。
【發明內容】
[0003]本公開描述了一種用于制造渦輪轉子的工藝，其包括以下步驟:
[0004]提供由第一金屬成分制成的軸，所述軸的一個端部具有由此沿軸向突出的一體化的銷；
[0005]提供模具，其限定出型腔，熔融的第二金屬成分將被澆注到所述型腔中以熔模鑄造渦輪葉輪，所述型腔被構造成限定出所述渦輪葉輪的輪轂部分，并且限定出從所述輪轂部分延伸的葉片；
[0006]將所述銷設置在所述模具的型腔內；
[0007]將所述模具和所述銷預熱至處于預定最小模具溫度與預定最大模具溫度之間的范圍內的模具溫度；
[0008]將所述熔融的第二金屬成分澆注到被預熱的模具的型腔中，使得所述熔融的第二金屬成分在所述型腔內包圍所述銷，其中所述第二金屬成分不同于所述第一金屬成分；以及
[0009]控制所述工藝，使得所述熔融的第二金屬成分在澆注時處于超過最大模具溫度的金屬溫度，所述銷因此用作激冷構件，使所述第二金屬成分圍繞所述激冷構件以比沒有所述激冷構件時更細的等軸晶粒結構凝固。
[0010]依據本發明，經由圍繞所述銷鑄造所述渦輪葉輪來將所述渦輪葉輪接合至所述軸。因此不需要通常在葉輪與軸之間使用的焊接接頭。
[0011 ] 在一個實施例中，所述銷設置在所述型腔的被構造成限定出所述渦輪葉輪的輪轂部分的區域中。
[0012]所述工藝還可包括以下步驟:在設置步驟之前，處理所述銷外表面，以移除其上的任何氧化層和異物。
[0013]在一個實施例中，預熱步驟包括提供爐子并將所述模具和銷設置在所述爐子內，以及操作所述爐子使得所述爐子內的內部溫度處于所述范圍內。
[0014]優選地，所述預定最大模具溫度被選擇為低于所述第二金屬成分的固相線溫度。
[0015]所述工藝可用于用于葉輪的各種金屬成分(即，第二金屬成分)。在一個實施例中，所述第二金屬成分選自由鎳基超級合金和鈷合金組成的組。
[0016]依據本文描述的一特定實施例，所述第二金屬成分被選擇為镲基超級合金，其包括(按Wt % ):
[0017]8-15 的鉻；
[0018]0-5.5 的鉬；
[0019]1-3 的鈮 + 鉭；
[0020]5.4-6.5 的鋁；
[0021]0-1.25 的鈦;
[0022]0-0.2 的碳；
[0023]0-0.1 的硼；
[0024]0-0.1 的鋯；
[0025]0-1 的硅；
[0026]0-0.1 的錳；
[0027]0-5 的鐵；
[0028]不可避免的雜質；和
[0029]其余的鎳。
[0030]在另一實施例中，第二金屬成分被選擇為鈷合金，其包括(按wt% ):
[0031]25-30 的鉻；
[0032]0-1 的鉬；
[0033]2-15 的鎢；
[0034]0.25-3.3 的碳；
[0035]0-3 的鐵；
[0036]0-3 的鎳；
[0037]0-2 的硅；
[0038]0-1 的錳；
[0039]不可避免的雜質；和
[0040]其余的鈷。
[0041]軸的第一金屬成分可為鋼。優選地，所述銷包括鎳的外部涂層。
【附圖說明】
[0042]在已經如此概括地描述了本公開的情況下，現在將參考附圖，所述附圖并不一定按比例進行繪制，并且附圖中:
[0043]圖1是依據本發明一實施例的軸的透視圖，所述軸具有由此沿軸向突出的一體化的銷；
[0044]圖2A示出了在已經附接在由低熔點聚合物成分比如蠟或熱塑塑料形成的后盤內之后的圖1的軸；
[0045]圖2B示出了將圖2A的組件附接到正葉輪模型中并且將供給構件附接到葉輪模型上的步驟，所述葉輪模型和供給構件構成低熔點聚合物成分；
[0046]圖2C示出了圖2B的完成組件；
[0047]圖3A示出了用于圍繞圖2C的組件的葉輪部分形成陶瓷模具的一系列步驟；
[0048]圖3B示出了從模具熔化掉葉輪模型和供給構件的工藝，以便留下內部腔體被構造為負葉輪模型的陶瓷模具；
[0049]圖3C示出了以下工藝:將成分與晶種構件的成分相同的熔融金屬成分澆注到模具的型腔中，接著進行冷卻以凝固葉輪，并且最后移除陶瓷模具以留下附接至軸的葉輪鑄件；并且
[0050]圖4示出了移除金屬的與供給構件相對應的部分。
【具體實施方式】
[0051]現在將在以下參考附圖更全面地描述本發明，在附圖中示出了某些但非全部的可能實施例。實際上，本發明可以以許多不同的形式來體現，并且不應該被解釋為局限于本文所給出的實施例；相反，這些實施例被提供來使得本公開將滿足可適用的法律要求。全文中相似的附圖標記表示相似的元件。
[0052]如已指出的，依據本發明的用于制造渦輪轉子的工藝通常涉及使用銷，其沿軸向從渦輪軸突出以在葉輪的熔模鑄造期間用作激冷銷，以便在葉輪輪轂中生成比沒有激冷銷時更細的等軸晶粒結構。圖1示出了依據本發明一個實施例的這種軸10，其中軸包括與軸一體地形成并且從軸沿軸向突出的銷12。圖1的銷12的特定構造僅僅是示例性的，并且而本發明并不局限于任何特定構造。依據本公開的熔模鑄造工藝通常涉及圍繞銷12鑄造葉輪以及將工藝控制成使得銷作為激冷銷發揮作用。隨著金屬凝固，由于存在激冷銷，而使葉輪的金屬中的等軸晶粒結構更細。
[0053]圖2A?2C示出了葉輪模型組件50的構造，所述葉輪模型組件50將用于形成用于待鑄造葉輪的陶瓷模具。葉輪模型組件50包括后盤20，其由低熔點聚合物材料比如蠟或熱塑塑料形成。葉輪模型組件進一步包括構造與待鑄造的葉輪相對應的正葉輪模型30、以及供給構件40，其各自由低熔點聚合物材料形成。葉輪模型30包括用于在其中接收銷12的中心孔。供給構件40附接至葉輪模型30的與后盤20相反的端部，并且被提供來用于形成模具中的供給部分(本質上為漏斗)，穿過它熔融金屬成分將被澆注到模具型腔中。
[0054]圖2C的葉輪模型組件50然后用于形成陶瓷模具。圖3A示出了用于構建陶瓷模具的工藝。葉輪模型組件50被浸漬到陶瓷漿料中多次，并且在每次浸漬之后干燥組件上的漿料層。這樣，多層陶瓷材料被相繼地沉積，直到取得所需厚度的模具。通常，采用5到10個層。
[0055]接下來，低熔點后盤20、葉輪模型30和供給構件40被熔化流出陶瓷模具，如圖3B中所示，從而留下已準備好鑄造的陶瓷模具60。如所示，銷12設置在模具60的型腔內。
[0056]為了鑄造渦輪葉輪，通過適當的加熱裝置70預熱嵌入有銷12的模具60，如圖3C中左側所示，使得模具60和銷12處于落入最小模具溫度與最大模具溫度之間的預定范圍內的模具溫度