用于制造涡轮叶轮和轴组件的工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开总体上涉及涡轮叶轮的制造，并且更特别地涉及涡轮叶轮的铸造。
【背景技术】
[0002]涡轮机(例如，燃气涡轮发动机、涡轮增压器等)中的涡轮叶轮在极具挑战性的环境中操作。穿过叶轮的气体的高温以及通常经受的高旋转速度导致对涡轮叶轮和轴组件的强度和/或耐疲劳性极限的严峻考验。例如，处于涡轮增压器涡轮叶轮所达到的速度和温度时，通常用于将轴接合至涡轮叶轮的焊接接头可受到严峻的考验。有时可能发生焊接接头失效。本公开涉及一种用于制造不依赖于焊接接头的涡轮转子(即，涡轮叶轮和轴组件)的工艺。
【发明内容】
[0003]本公开描述了一种用于制造涡轮转子的工艺，其包括以下步骤:
[0004]提供由第一金属成分制成的轴，所述轴的一个端部具有由此沿轴向突出的一体化的销；
[0005]提供模具，其限定出型腔，熔融的第二金属成分将被浇注到所述型腔中以熔模铸造涡轮叶轮，所述型腔被构造成限定出所述涡轮叶轮的轮毂部分，并且限定出从所述轮毂部分延伸的叶片；
[0006]将所述销设置在所述模具的型腔内；
[0007]将所述模具和所述销预热至处于预定最小模具温度与预定最大模具温度之间的范围内的模具温度；
[0008]将所述熔融的第二金属成分浇注到被预热的模具的型腔中，使得所述熔融的第二金属成分在所述型腔内包围所述销，其中所述第二金属成分不同于所述第一金属成分；以及
[0009]控制所述工艺，使得所述熔融的第二金属成分在浇注时处于超过最大模具温度的金属温度，所述销因此用作激冷构件，使所述第二金属成分围绕所述激冷构件以比没有所述激冷构件时更细的等轴晶粒结构凝固。
[0010]依据本发明，经由围绕所述销铸造所述涡轮叶轮来将所述涡轮叶轮接合至所述轴。因此不需要通常在叶轮与轴之间使用的焊接接头。
[0011 ] 在一个实施例中，所述销设置在所述型腔的被构造成限定出所述涡轮叶轮的轮毂部分的区域中。
[0012]所述工艺还可包括以下步骤:在设置步骤之前，处理所述销外表面，以移除其上的任何氧化层和异物。
[0013]在一个实施例中，预热步骤包括提供炉子并将所述模具和销设置在所述炉子内，以及操作所述炉子使得所述炉子内的内部温度处于所述范围内。
[0014]优选地，所述预定最大模具温度被选择为低于所述第二金属成分的固相线温度。
[0015]所述工艺可用于用于叶轮的各种金属成分(即，第二金属成分)。在一个实施例中，所述第二金属成分选自由镍基超级合金和钴合金组成的组。
[0016]依据本文描述的一特定实施例，所述第二金属成分被选择为镲基超级合金，其包括(按Wt % ):
[0017]8-15 的铬；
[0018]0-5.5 的钼；
[0019]1-3 的铌 + 钽；
[0020]5.4-6.5 的铝；
[0021]0-1.25 的钛;
[0022]0-0.2 的碳；
[0023]0-0.1 的硼；
[0024]0-0.1 的锆；
[0025]0-1 的硅；
[0026]0-0.1 的锰；
[0027]0-5 的铁；
[0028]不可避免的杂质；和
[0029]其余的镍。
[0030]在另一实施例中，第二金属成分被选择为钴合金，其包括(按wt% ):
[0031]25-30 的铬；
[0032]0-1 的钼；
[0033]2-15 的钨；
[0034]0.25-3.3 的碳；
[0035]0-3 的铁；
[0036]0-3 的镍；
[0037]0-2 的硅；
[0038]0-1 的锰；
[0039]不可避免的杂质；和
[0040]其余的钴。
[0041]轴的第一金属成分可为钢。优选地，所述销包括镍的外部涂层。
【附图说明】
[0042]在已经如此概括地描述了本公开的情况下，现在将参考附图，所述附图并不一定按比例进行绘制，并且附图中:
[0043]图1是依据本发明一实施例的轴的透视图，所述轴具有由此沿轴向突出的一体化的销；
[0044]图2A示出了在已经附接在由低熔点聚合物成分比如蜡或热塑塑料形成的后盘内之后的图1的轴；
[0045]图2B示出了将图2A的组件附接到正叶轮模型中并且将供给构件附接到叶轮模型上的步骤，所述叶轮模型和供给构件构成低熔点聚合物成分；
[0046]图2C示出了图2B的完成组件；
[0047]图3A示出了用于围绕图2C的组件的叶轮部分形成陶瓷模具的一系列步骤；
[0048]图3B示出了从模具熔化掉叶轮模型和供给构件的工艺，以便留下内部腔体被构造为负叶轮模型的陶瓷模具；
[0049]图3C示出了以下工艺:将成分与晶种构件的成分相同的熔融金属成分浇注到模具的型腔中，接着进行冷却以凝固叶轮，并且最后移除陶瓷模具以留下附接至轴的叶轮铸件；并且
[0050]图4示出了移除金属的与供给构件相对应的部分。
【具体实施方式】
[0051]现在将在以下参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了某些但非全部的可能实施例。实际上，本发明可以以许多不同的形式来体现，并且不应该被解释为局限于本文所给出的实施例；相反，这些实施例被提供来使得本公开将满足可适用的法律要求。全文中相似的附图标记表示相似的元件。
[0052]如已指出的，依据本发明的用于制造涡轮转子的工艺通常涉及使用销，其沿轴向从涡轮轴突出以在叶轮的熔模铸造期间用作激冷销，以便在叶轮轮毂中生成比没有激冷销时更细的等轴晶粒结构。图1示出了依据本发明一个实施例的这种轴10，其中轴包括与轴一体地形成并且从轴沿轴向突出的销12。图1的销12的特定构造仅仅是示例性的，并且而本发明并不局限于任何特定构造。依据本公开的熔模铸造工艺通常涉及围绕销12铸造叶轮以及将工艺控制成使得销作为激冷销发挥作用。随着金属凝固，由于存在激冷销，而使叶轮的金属中的等轴晶粒结构更细。
[0053]图2A?2C示出了叶轮模型组件50的构造，所述叶轮模型组件50将用于形成用于待铸造叶轮的陶瓷模具。叶轮模型组件50包括后盘20，其由低熔点聚合物材料比如蜡或热塑塑料形成。叶轮模型组件进一步包括构造与待铸造的叶轮相对应的正叶轮模型30、以及供给构件40，其各自由低熔点聚合物材料形成。叶轮模型30包括用于在其中接收销12的中心孔。供给构件40附接至叶轮模型30的与后盘20相反的端部，并且被提供来用于形成模具中的供给部分(本质上为漏斗)，穿过它熔融金属成分将被浇注到模具型腔中。
[0054]图2C的叶轮模型组件50然后用于形成陶瓷模具。图3A示出了用于构建陶瓷模具的工艺。叶轮模型组件50被浸渍到陶瓷浆料中多次，并且在每次浸渍之后干燥组件上的浆料层。这样，多层陶瓷材料被相继地沉积，直到取得所需厚度的模具。通常，采用5到10个层。
[0055]接下来，低熔点后盘20、叶轮模型30和供给构件40被熔化流出陶瓷模具，如图3B中所示，从而留下已准备好铸造的陶瓷模具60。如所示，销12设置在模具60的型腔内。
[0056]为了铸造涡轮叶轮，通过适当的加热装置70预热嵌入有销12的模具60，如图3C中左侧所示，使得模具60和销12处于落入最小模具温度与最大模具温度之间的预定范围内的模具温度