經過激光表面織構的渦輪增壓器密封環及加工方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及機械密封技術領域，特別是涉及一種經過激光表面織構的渦輪增壓器密封環及加工方法。
【背景技術】
[0002]渦輪增壓器密封環是防止軸承系統的潤滑油進入增壓器的通流部分，并阻止壓氣機的空氣以及渦輪端的廢氣進入增壓器的潤滑腔，是保證渦輪增壓器正常工作的關鍵零部件之一。
[0003]現有的渦輪增壓器密封環如附圖7、8所示，渦輪增壓器密封環1的左、右端面及內圓為光滑面。渦輪增壓器密封環不僅與高速旋轉的渦輪轉子或密封套處的環槽構成摩擦副，還受到環槽軸向串動的作用。渦輪增壓器密封環除了承受機械載荷、熱負荷外，還承受酸性物質的腐蝕，其主要失效形式是磨損，包括左、右端面的磨損。由于渦輪增壓器密封環左、右端面與高速轉速渦輪轉子或密封套處環槽的摩擦會對渦輪增壓器密封環產生附加應力，再加上環槽軸向串動的作用，致使渦輪增壓器密封環產生磨粒磨損、粘著磨損和疲勞失效；此外，渦輪增壓器密封環與環槽間存在著積碳顆粒及硬質沉積物，這些將加速渦輪增壓器密封環的磨粒磨損和炭化膠結，甚至將渦輪增壓器密封環卡死在渦輪轉子處的環槽內，渦輪增壓器密封環的過度磨損致其密封性能降低，甚至喪失。
[0004]渦輪增壓器密封環的密封性能降低，會使渦輪增壓器出現大面積的漏油和因高溫高壓氣體串入軸承體后，導致發動機曲軸箱壓力過大；同時燃氣的串入，使得潤滑油變臟，使得軸承及發動機潤滑條件惡化，降低軸承的可靠性。因此渦輪增壓器密封環在環槽中的磨損狀況在很大程度上影響著渦輪增壓器密封環的使用耐久性和渦輪增壓器的密封性能、工作可靠性與使用壽命。特別是脈沖增壓以及排氣制動閥置于渦輪箱后的渦輪增壓器，其渦輪增壓器密封環的質量極為關鍵，因此要求其渦輪增壓器密封環工作表面具有良好的抗磨性能。
[0005]隨著現代發動機強化程度不斷提高以及向小尺寸、輕量化方向發展，特別對環境法規要求越來越嚴格，推動渦輪增壓器技術的不斷向前發展，導致渦輪增壓器不斷小型化、結構愈加緊湊，所以增壓器工作轉速不斷提高，工況愈加嚴峻以及潤滑、冷卻條件更為惡劣。目前為了改善渦輪增壓器密封環在環槽中的摩擦磨損狀況，人們常采用新材料制作的渦輪增壓器密封環以及采用表面精加工技術來減小摩擦表面的粗糙度，往往很少采用給渦輪增壓器密封環工作表面帶來適量的潤滑來提高減摩耐磨性能。傳統意義上要求摩擦副表面盡可能光滑，隨著微觀粗糙表面摩擦學研究的深入和工程實際應用發現，傳統的高精度加工不僅會提高其加工成本，且光滑表面因無存油區域而無法形成有效潤滑，易產生粘著磨損與磨粒磨損，易擦傷。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是克服現有技術的上述不足而提供一種經過激光表面織構的渦輪增壓器密封環及加工方法。
[0007]本發明的技術方案是:一種經過激光表面織構的渦輪增壓器密封環，經過激光表面織構后，在渦輪增壓器密封環的左、右端面及內圓表面形成直徑大小不一、深淺不一的弧形微凹腔，弧形微凹腔呈疏密錯落有致分布，所形成的微凹腔幾何形貌參數為:
左、右端面形成的弧形微凹腔的直徑dl分別為60-400um，深度hi分別為3-30um，弧形微凹腔在左、右端面的面積占有率分別為3%-20% ;
內圓表面形成的弧形微凹腔的直徑dl為100-400um，深度h2為3-30um，弧形微凹腔在內圓表面的面積占有率為3%-20%。
[0008]本發明還提供了一種對渦輪增壓器密封環表面進行激光織構處理的方法，其工藝過程如下:
A、首先根據渦輪增壓器密封環的使用工況要求、可靠性要求，初步選擇激光表面織構弧形微凹腔形貌參數；
B、然后通過建立渦輪增壓器密封環表面流體潤滑理論模型數值計算確定具有最佳潤滑減摩效果的左、右端面弧形微凹腔的直徑、深度以及弧形微凹腔在左、右端面的面積占有率，內圓表面弧形微凹腔的直徑、深度以及弧形微凹腔在內圓表面的面積占有率；
C、選用二極管栗浦Nd:YAG激光器，其基本參數為:激光模式ΤΕΜ00，激光功率為3W，采用聲光調Q控制產生激光脈沖，調Q重復頻率1?50kHz ;栗浦源輸出激光波長為1064nm，經腔內倍頻加工，使得1064nm的基頻光轉化為532nm的倍頻光，光束質量系數M2〈2，發散角Θ小于3mrad，功率不穩定度< ±3%;
采用單脈沖同點間隔多次加工工藝，對渦輪增壓器密封環的左、右端面及內圓表面進行激光表面織構加工:其中激光功率密度為105-107W/cm2，激光脈沖寬度為25-50ns，波長為532nm，栗浦電流17-21A，離焦量0-0.5mm，脈沖頻率為1.2-6.5KHz ;在激光加工圖形軟件界面下，輸入弧形微凹腔幾何參數與分布狀態，調整激光脈沖重復次數為2-15次，并輸入輔助氣體氬氣或氮氣，來實現激光表面織構加工。
[0009]本發明與現有技術相比具有如下特點:
1、由于激光表面織構加工是一種激冷激熱的加工過程，對渦輪增壓器密封環表層的金相組織起到強化硬化作用，大幅度提高渦輪增壓器密封環的表層組織的硬度，且硬化的金相組織可以較好保護弧形微凹腔幾何形貌組織。
[0010]2、渦輪增壓器處于低速潛在漏油時，密封環表面的弧形微凹腔在摩擦副旋轉運動中能形成具有一定剛度的油膜，顯著改善渦輪增壓器密封環與環槽摩擦副的摩擦磨損特性，且剛性油膜可在渦輪增壓器密封環與環槽間隙處形成一道屏障，有效阻止了自壓氣機端、渦輪端氣體向軸承體內的串入以及潤滑油向兩端的泄露；渦輪增壓器處于中高速正常運行時，密封環表面的弧形微凹腔可以作為儲存磨損顆粒的儲存器，減少在干摩擦條件下摩擦表面的磨粒磨損和犁溝，從而降低磨損率，同時密封環表面的弧形微凹腔可以通過減小摩擦表面的接觸面積，從而降低粘著效應的作用。
[0011]3、同時渦輪增壓器處于低速潛在漏油時，弧形微凹腔內存儲的