压缩机叶轮的制作方法

专利名称：压缩机叶轮的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于内燃机的涡轮增压器的压缩机叶轮，尤其但不是专用地涉 及一种可变几何形状的几何涡轮增压器。
背景技术：
涡轮增压器是为大家所熟知的设备，其用于为内燃机进口提供高于大气压力(增 压压力)的空气。常规的涡轮增压器主要包括壳体，其中提供安装在可旋转的轴上的排气 驱动涡轮叶轮，该轴连接在发动机排气支管的下游。涡轮叶轮的旋转转动安装在该轴的另 一端上的压缩机叶轮。该压缩机叶轮传送压缩空气到发动机进气支管。涡轮增压器的轴通 常由滑动和止推轴承支撑，包括适当的润滑系统。涡轮可以是固定或可变几何型。可变几何涡轮与固定几何涡轮不同的地方在于涡 轮进气通道的尺寸可以改变，以在一定质量流量范围内优化气体流速，从而使涡轮的动力 输出可以变化以适应变化的发动机需求。在一种已知的可变几何涡轮中，一排轴向延伸的 叶片连接到涡轮进气通道的一个壁上来延伸横跨进气通道。带有叶片的壁和进气通道的端 面壁的分离是确定的。在这种涡轮中，一般称作“回转叶片”涡轮，进气通道的尺寸通过改变 叶片相对于穿过涡轮进气口的气流方向的角度来控制。在另一种已知的可变几何涡轮中， 轴向可移动的壁组件，一般称作“喷嘴环”涡轮，限定进气通道的一个壁。喷嘴环相对于该 进气通道的端面壁的位置是可调整的，来控制进气通道的轴向宽度。这样，例如，因为气流 通过涡轮后减速，所以可以减小进气通道的宽度来保持气体速度和优化涡轮输出。内燃机产生的氮的氧化物(NOx)是氮和氧在很高的温度下反应的产物，该高温典 型的是在发动机燃烧室中产生(大约2500下或以上)。在努力减少NOx排放的过程中，发 展了废气再循环(EGR)系统。在这些系统中，一部分发动机废气再循环回到发动机气缸，在 那里代替预燃烧混合气中的任何过量氧气(典型的在柴油机中)，和/或增加发动机气缸 中的物质的数量，从而允许在较低温度下实现相似的压力(典型的在汽油发动机中)。减 小在燃烧室内达到的温度减少了氮和氧结合产生NOx排放物的可能性。“长路径”或“低压 力” EGR系统通过从涡轮增压器废气排出口传递一部分废气到涡轮增压器压缩机的进气口 来操作，在该进气口气体与进入的环境空气混合。这种系统不好的结果是压缩机叶轮暴露 于引入的废气/空气混合气中夹带的任何腐蚀性物种或颗粒物质，这会降低压缩机叶轮的 疲劳寿命并导致过早失效。过早失效也可能是因为压缩机叶轮暴露于不包括EGR系统的发动机中的潜在有 害物种。举例来说，发动机的曲轴箱有时排放气体到发动机空气进气口来避免将潜在有害 污染物质释放到大气中。但是，结果是安装在这样的发动机上的涡轮增压器的压缩机叶轮 会暴露于这些污染物质，从而使结合有EGR系统的发动机也有相似的结果。

发明内容
本发明的一个目标是避免或减轻上面所列举的一个或多个问题。
根据本发明的第一方面，提供用于涡轮增压器的压缩机叶轮，包括中心中枢和多 个从中枢向外延伸的叶轮叶片，每个所述叶片限定前沿、后沿和根部，该根部将叶片连接到 中枢，其中至少一个叶片具有提供有陶瓷材料的变厚度表层的表面，该叶片的前沿提供有 比叶片后沿和/或根部更厚的陶瓷材料表层。这样，本发明首先解决与压缩机叶轮疲劳寿命和压缩机叶轮腐蚀有关的问题。叶 轮叶片的前沿，其在极高的速度下暴露于大量引入的潜在有害物种和颗粒物质，具有相对 厚的保护性陶瓷涂层，同时后沿和/或叶片根部具有较薄涂层来提供针对腐蚀的足够的保 护，但避免减少叶片的疲劳寿命，这是已知的一个问题，该问题与陶瓷涂层的部件在高压力 工作条件下有关。根据本发明的第二方面，提供涡轮增压器，例如可变几何形状涡轮增压器，包括壳体；涡轮叶轮，其支撑在在该壳体内的轴上，以绕涡轮轴线旋转；和压缩机叶轮，其支撑在该壳体中的所述轴上，所述压缩机叶轮包括中心中枢和多 个从该中枢向外延伸的叶轮叶片，每个所述叶片限定前沿、后沿和根部，根部将叶片连接到 中枢，其中至少一个叶轮叶片具有提供有陶瓷材料的变厚度表层的表面，该叶片的前沿 具有比叶片后沿和/或根部更厚的陶瓷材料表层。本发明的第三方面，提供一种制造用于涡轮增压器的压缩机叶轮的方法，该压缩 机叶轮包括中心中枢和多个从中枢向外延伸的叶轮叶片，每个所述叶片限定前沿、后沿和 根部，根部将叶片连接到中枢，其中该方法包括提供至少一个叶片的至少一个叶片的表面， 该表面具有陶瓷材料的变厚度表层，从而使得该叶片的前沿具有比叶片后沿和/或根部更 厚的陶瓷材料表层。优选地，所述至少一个叶片的表面在提供陶瓷材料涂层之前先受到塑性变形。该 压缩机叶轮叶片的塑性变形可以用任何适当的方法实现，例如激光硬化，尽管优选用喷丸 硬化。陶瓷材料的涂层优选通过氧化过程提供在至少一个叶片的表面上，例如下面更充分 讨论的等离子电解氧化或阳极氧化。优选地，陶瓷材料层用密封材料处理，例如合适的含氟 聚合物，溶胶一凝胶或硅酸盐，原因下面会更充分解释。在本发明第四方面，提供用于涡轮增压器的压缩机叶轮，其包括中心中枢和多个 叶轮叶片，所述叶片从中枢向外地延伸，每个叶片限定前沿、后沿和根部，根部将叶片连接 到中枢，其中至少一个叶片具有塑性变形了的表面，该表面提供有陶瓷材料表层。涉及涡轮增压器的第五方面，例如可变几何型涡轮增压器，包括壳体；涡轮叶轮，其支撑在该壳体内的轴上，用于围绕涡轮轴旋转；和压缩机叶轮，其支撑在该壳体内的轴上，该压缩机叶轮包括中心中枢和多个从中 枢向外延伸的叶轮叶片，每一个所述叶片限定前沿、后沿和根部，根部将叶片连接到中枢，其中至少一个叶轮叶片具有塑性变形的表面，该表面提供有陶瓷材料表层。第六方面提供一种制造用于涡轮增压器的压缩机叶轮的方法，该压缩机叶轮包括 中心中枢和多个叶轮叶片，所述叶片从中枢向外地延伸，每一个所述叶片限定前沿、后沿和 根部，根部将叶片连接到中枢，其中该方法包括使至少一个叶片的表面承受塑性变形，并且为该表面提供陶瓷材料的表层。本发明上面限定的几方面的压缩机和涡轮增压器非常适合与任何类型的用涡轮 增压的内燃机一起使用，例如柴油机，汽油直接注入或传统的汽油发动机，其中期望或需要 更持久的压缩机叶轮。这样的要求因为许多不同的原因而提出，包括，但不限制为与废气再 循环(EGR)系统协作的发动机和/或封闭曲轴箱通风(CCV)系统的发动机。本发明第二和/或第五方面的优选实施例提供连接到废气再循环系统的涡轮增 压器，其带走一部分涡轮段排出的废气将其同引入的环境空气一起再循环回压缩机段。本 发明改进的叶轮叶片可以经受供给到压缩机的废气中夹带的更多的腐蚀性物种和更多的 有害颗粒物质。该改进的叶轮叶片在这种环境下因此比常规的叶轮叶片更耐用并且较不容 易失效。关于任何本发明上面限定的方面，优选地所述或每个叶片表面用合适的方法进行 塑性变形，例如喷丸硬化。对压缩机叶轮叶片的表面进行塑性变形包括表面上的残余压应 力，可以减少或防止贯穿叶片结构的裂纹的形成和/或传播。制造同时接受塑性变形和变 厚度陶瓷涂层形成的压缩机叶轮叶片，制成的叶片对腐蚀出乎意料的坚硬和有弹性，同时 展现出极好的长周期疲劳寿命性能。在本发明的压缩机和/或涡轮增压器中，叶轮叶片和压缩机叶轮中枢可以用任 何合适材料制造，最优选铝，使用任何合适的方法，例如铸造，机加工固体(MR5)或半固体 (SSM)铸模。叶片可以加工或加入钛和/或镁，但是在每种情况，优选叶片表面具有氧化物 或陶瓷材料的涂层，由此叶片在更进一步处理之前先进行加工。举例来说，叶片可以由固体 铝加工，在这种情况下涂层优选氧化铝涂层，最优选是氧化铝转化涂层，其通过对铝叶片的 表面氧化来制成。当叶片是由钛和/或镁，或一个或更多的叶片表面包含钛和/或镁，提供 在钛或镁表面的涂层可以是所用材料的氧化物，例如，等离子电解氧化或阳极氧化。陶瓷材料优选是形成叶片的基底材料的氧化物。变厚度的陶瓷层可以用任何合适 的工艺实现，例如阳极氧化，或更优选等离子电解氧化(PEO)，其鉴于与传统阳极氧化相比 用更高的电压，导致多晶陶瓷材料的更坚硬涂层。本领域技术人员会理解PEO工艺通常被 认为是“等离子电解”，并且有时被称为“微弧氧化”，“微等离子氧化”，“阳极火花电解”，“等 离子电解阳极处理”，和“火花放电阳极氧化”(火花放电阳极氧化)。所有这些工艺实质上 是一样的，因为他们通过组件表面的等离子体放电来产生氧化层。PEO工艺使用一槽的电解液，其通常由弱碱性溶液构成，包括低浓度的混合物，例 如氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)、偏硅酸钠(Na2SiO3)、偏铝酸钠(NaAlO2)、硫酸(H2SO4)、 氟化钠一碳酸钠(NaF-Na2CO3)、焦磷酸钠(Na3P2O7)或类似物。被涂敷的组件，也即该叶轮叶 片，被电力地连接，以便成为电化电池的一个电极，另一电极通常是不锈钢反电极。典型地， 超过200V的电压在两电极间作用，在该组件的表面产生等离子。涂敷工艺可以使用连续的 或脉冲直流电(DC)，交流电(AC)或“脉冲双极”操作。在一个优选的实施例中，陶瓷材料是氧化铝，其由铝质压缩机叶轮的表面氧化制 成，整体铝质叶轮叶片用等离子电解氧化，所以至少部分通常的非晶体氧化铝转化成更坚 硬的晶体形式。具有变厚度陶瓷层的叶片优选包括更厚的陶瓷材料层，该叶片或每个叶片的前沿 达到约40微米厚，并且在该叶片或每个叶片的后沿和/或根部的较薄的陶瓷层达到约10微米厚。该涂层可以应用到一个或多个叶轮叶片的进口导流段部分和出口导流段部分，或 者仅可以仅应用到一个或多个叶片的进口导流段或出口导流段。该前沿陶瓷层可具有约10到40微米的厚度，优选约15到25微米。尤其优选该陶 瓷层具有约10到25微米的厚度，优选被涂敷叶片的前沿Imm内具有约14到20微米。相 对厚的陶瓷层优选设置在或接近叶片进口导流段部分的前沿，因为叶片的这块区域暴露于 大量传入的会腐蚀或冲蚀叶片的物种。所述的涂层可选地或另外地提供到叶片出口导流段 的前沿上，因为叶片的这块区域可能仍暴露于流过压缩机叶轮的腐蚀性或冲蚀性物种。叶片后沿和/或叶片根部提供有涂层，其可具有厚度约1到10微米的陶瓷层，更 优选约2到5微米。在压缩机叶轮出口导流段部分的一个或多个叶片的吸气表面的叶片根 部区域，可以提供不超过约5微米厚的陶瓷层，更优选约1到4微米厚，该涂层所处的位置 距压缩机叶轮外径约压缩机叶轮出口导流段直径的10到15%。在优选的实施例中，压缩机叶轮的至少一个叶片的前沿具有厚度约20微米的陶 瓷层，并且后沿和叶片根部具有约3微米厚的陶瓷涂层。可以理解该叶片或每个叶片的后沿可具有与该叶片或每个叶片的根部基本上相 同厚度的陶瓷涂层，或该叶片或每个叶片的后沿和根部可以具有不同厚度的陶瓷涂层。应 用中优选后沿具有比叶片根部更厚的陶瓷涂层，其中叶片根部比叶片后沿的工作压力大， 所以合乎需要的是减小陶瓷涂层的厚度，这会减少疲劳寿命，在叶片根部同时仍要确保叶 片根部具有陶瓷涂层的足够厚度，来提供抗腐蚀/冲蚀所需的水平。在这种环境下，合乎需 要的是提供叶片，其在前沿的陶瓷厚度约20到40微米，在后沿约15至20微米，和在叶片 根部约1到10微米。本发明其他有益的和优先的特征将从下面的描述中明显看出。


本发明具体的实施例现在将被描述，仅仅举例来说，参考附图，其中图1是根据本发明第一方面的包括压缩机叶轮的变几何涡轮增压器的轴向剖面 图；图2是根据本发明第一方面的优选实施例的压缩机叶轮侧视图，标记来说明不同 涂层厚度的区域；和图3是根据本发明第一方面的变化的优选实施例的压缩机叶轮的侧视图，标记来 说明不同涂层厚度的区域。
具体实施例方式图1示出了变几何涡轮增压器，包括壳体，其包括通过中心轴承壳体3连接的变几 何涡轮壳体1和压缩机壳体2。涡轮增压器轴4从涡轮壳体1穿过该轴承壳体3延伸到压 缩机壳体2。涡轮叶轮5安装在轴4的一端，以在涡轮壳体1内旋转，并且压缩机叶轮6安 装在轴4的另一端，以在压缩机壳体2内旋转。该轴4绕涡轮增压器的轴如在位于轴承壳 体3内的轴承组件上旋转。该涡轮壳体1限定进气涡壳7，来自内燃机(未示出)的气体传送到进气涡壳。废 气从进气涡壳7通过环形进气通道9和涡轮叶轮5流到轴向排出通道8。该进气通道9的一侧由可动环形壁元件11的径向壁的端面10限定，通常被称作“喷嘴环”，并且在相对的一 侧由环形罩盖12限定，环形罩盖形成该进气通道9面向喷嘴环11的壁。该罩盖12覆盖在 涡轮壳体1中的环形凹槽13的开口。该喷嘴环11支撑一排沿圆周方向并且等距间隔开的进气叶片14，进气叶片的每 一个延伸横跨该进气通道9。该叶片14定向为偏转向着涡轮叶轮5的旋转方向的流过进气 通道9的气体。当喷嘴环11贴近环形罩盖12时，该叶片14凸出穿过在罩盖12内合适地 配置的槽缝，进入凹槽13中。喷嘴环11的位置由US5868552中公开的那种致动器装置来控制。致动器(未示 出)可运行以通过致动器输出轴(未示出)来调整该喷嘴环11的位置，该输出轴连接到轭 15。该轭15依次接合轴向延伸的驱动棒16，该驱动棒支撑着喷嘴环11。因此，通过致动器 合适的控制(其例如可以是气动的或电动的)，棒16的轴向位置和喷嘴环11的轴向位置可 以被控制。涡轮叶轮5的速度依靠穿过环形进气通道9的气体速度。对流入进气通道9的 固定质量流量的气体，气体速度是进气通道9的宽度的函数，该宽度可通过控制喷嘴环11 的轴向位置来调整。图1示出了环形进气通道9完全打开。该进气通道9可以通过向罩盖 12的方向移动喷嘴环11的端面10来关到最小。喷嘴环11具有轴向延伸的径向内环形弯边17和外环形弯边18，它们延伸进入设 置在涡轮壳体1中的环形空腔19。内密封环20和外密封环21分别用来密封喷嘴环11和 环形空腔19的内外环形表面，同时允许喷嘴环11在环形空腔19内滑动。该内密封环20 支持在形成在空腔19的径向内环形表面内的环形凹槽内，并且支承在喷嘴环11的内环形 弯边17上。该外密封环20支撑在形成在空腔19的径向外环形表面内的环形凹槽内，并且 支承在喷嘴环11的外环形弯边18上。从进气涡壳7流到排出通道8的空气穿过涡轮叶轮5，从而转矩被提供给轴4来驱 动压缩机叶轮6。压缩机叶轮6在压缩机壳体2中的旋转压缩了空气进气口 22提供的环境 空气，并且将压缩的空气传送到空气排气涡壳23，从排气涡壳供给内燃机(未示出)。通过参考附图1和2，该压缩机叶轮6包括中心中枢对，其安装在涡轮轴4上，和 多个叶轮叶片25，其从中枢M径向向外地延伸。每个叶片25在叶片25的根部沈与中枢 M连接。每个叶片25限定前沿27，其在其余的叶片结构之前接触进入的空气，和相对的后 沿观，在排出到排气涡壳23之前空气最后流过这里。该叶轮叶片25包括第一套轴向较长 主叶片四和第二套轴向较短叶片30(为清楚起见，图2中只示出一对长叶片29)。该主叶 片四从压缩机叶轮6的径向内进口导流段部分地向压缩机叶轮的径向外出口导流段部分 径向延伸，同时该较短叶片30基本上正位于压缩机叶轮6的出口导流段部分。附图1所示的涡轮增压器连接到废气再循环(EGR)系统(未示出)，所以一部分从 涡轮增压器的涡轮级排出的废气通过排出通道8被循环回到EGR混合器单元(未示出)，在 这里废气与进入的环境空气在供应到压缩机空气进气口 22之前混合。废气可能包括大范 围的不同化学物种和/或颗粒，其对压缩机叶轮叶片25的结构的完整性有潜在危害。化学 腐蚀物种包括PH值小于大约3或4的酸性混合物。气态污染物包括不完全燃烧的碳氢化 合物，氮氧化合物和一氧化碳。可能夹带在废气中的颗粒物质不仅包括来自燃料中未燃的 含碳物质，还包括来自发动机流体(油、冷冻液等等)且磨损发动机或排气部件的金属或陶 瓷颗粒。因此可以理解，由于采用EGR系统，与空气单独流入压缩机2相比，压缩机叶轮叶片25暴露于更大范围的潜在有害物质下。在附图1所示的压缩机叶轮中，压缩机叶轮6的叶片25进行了表面处理，使每个 叶片25的表面可以抵抗由流过叶片25的废气中腐蚀性物种和颗粒物质带来的腐蚀和冲 蚀。还可以抵抗横跨叶片表面的裂纹的产生和扩展，并且在叶片结构内部提供给叶片25好 的低循环疲劳寿命性能。参照附图2，位于和靠近每个叶片25的前沿27的区域31，具有相对厚的防腐蚀材 料层，例如形成叶片的材料的氧化物(例如在铝质压缩机叶轮的情况下的氧化铝涂层)。位 于和靠近每个叶片25的根部沈和后沿观的另一区域32，具有相对薄的相同涂层材料的 层。叶片表面在区域31和32之间的区域33具有相同涂层材料的层，但是厚度介于其他两 个区域31，32的厚度之间。前沿区域31附近的涂层横跨区域31具有基本上相同的厚度， 约14到20微米。后沿和叶片根部区域32附近的涂层具有不超过约4微米的厚度。中间 区域33具有的涂层厚度从较厚区域31到较薄区域32以一致的方式减少。现在参照附图3，附图3示出了附图2所示的被涂敷叶片的可选择的的实施例。在 图3中，与附图2所示的实施例的相应区域相比，每个叶片25更大的表面区域提供有更厚 和更薄的涂层。从而，涂层的中间区域减小了。同附图2中一样的编号方式在附图3中使 用，除了涂敷的区域增加了 10。每个叶片25具有相对厚的抗腐蚀材料层包围前沿27的区 域，是区域41 ；每个叶片25具有较薄的抗腐蚀材料层包围叶片根部沈和后沿观的区域，是 区域42 ；并且每个叶片25在区域41和42之间的区域是区域43。在附图3所示的实施例 中，三个区域41、42、43中的每一个具有基本上均勻的涂层厚度，所以每个区域间的边界， 以虚线示出的，是分段的。也就是说，涂层的厚度在从每个叶片的前沿27朝着后沿观和叶 片根部沈贯穿区域41的范围内是均勻的，然后涂层的厚度在边界减少到横穿中间区域43 的较薄的涂层，边界在附图3中以虚线示出，贯穿区域43本身是均勻的，直到达到它与较薄 区域42的边界，在这端涂层厚度又减小，接着均勻的薄层贯穿区域42。可以理解上面描述的涉及附图2的分级的中间涂层可以在这样的叶片上应用，其 具有相对大面积的很厚和很薄的涂层区域，如附图3所描述的，反之亦然。此外，在某些应 用中很方便将如附图2中的邻近前沿相对小的很厚的涂层区域与如附图3中的邻近后沿和 叶片根部的相对大的很薄的涂层区域结合起来，反之依然。叶片表面处理工艺优选分两步进行，如下面更充分的解释。第一，叶轮叶片进行这样的步骤，为了增加疲劳寿命，塑性变形叶片的表面以在叶 片表面引起残余压应力。喷丸硬化对典型的铝质压缩机叶轮叶片是优选的，尽管任何合适 的表面处理工艺可以使用，如激光硬化，假定其提供所需的残余压应力水平，并且不会阻碍 下面描述的第二和第三步骤。示范的喷丸硬化参数在下面列出弹丸类型玻璃珠弹丸尺寸尺寸“C” (0. 250mm 到 0. 425mm)强度0.203 到 0. 305mm(试拍 N)第二，喷丸硬化过的叶轮叶片的表面被提供抗腐蚀陶瓷材料表层，表层的厚度横 跨叶片表面在预先确定的范围内变化。优选这样实现，让叶片受等离子电解氧化(PEO)使 叶片表面的铝转化为氧化铝，并且因此提供陶瓷的转化涂层。可以使用其他工艺，如传统的 阳极电镀，但是优选ΡΕ0，因为一般使用较高的电压通常产生多晶的和因此更坚硬的涂层。PEO工艺建立了氧化铝陶瓷的表层，其在原先的铝表面的上方和下方延伸，并且非常强有力 的粘合到叶片下面的铝质本体。氧化铝表层或在氧化工艺后留下的接近的铝表面的任何细 微的气孔被相容的密封剂填充，例如合适的含氟聚合物，溶胶一凝胶或硅酸盐。密封剂可以 任何合适的方式实施，包括但不局限为浸渍、喷雾或喷涂。该工艺需要实施来制造叶片，其沿每个叶片的前沿具有较厚的陶瓷转化涂层，并 且沿后沿和/或叶片根部具有较薄的涂层，即，叶片连接叶轮中心中枢的高压区。优选每个 叶片具有表面陶瓷层，其在叶片前沿达到约40微米厚，并且在后沿和叶片根部不超过约1 到10微米厚。不同厚度区域的分界面可以分段、分级或连续。就是说，该叶片表面可以实质 上具有两个不同厚度的不连续的区域，在邻近前沿的第一区域，在那里陶瓷层达到约40微 米厚，和第二区域，其覆盖叶片的其余部分，包括后沿和叶片根部，在此处陶瓷层约1到10 微米厚。作为选择，在不同厚度两个区域的分界面上的一小块区域可以被分级以消除两区 域间其他不合理的台阶。作为另一个变化，陶瓷涂层的厚度从前沿到后沿和叶片根部可以 基本上连续的或线性的方式减小，忽视陶瓷层厚度中不重要的和不可避免的由涂敷工艺引 起的细微不规则。在优选的实施例中，被涂敷叶片的前沿Imm内的陶瓷涂层具有约14到20微米的 厚度。更优选的是，陶瓷涂层在被涂敷叶片的出口导流段吸入表面叶片根部区域具有最大 约4微米的厚度，所在的位置是距被涂敷叶片的压缩机叶轮外径的距离为出口导流段直径 的10到15%。举例来说，压缩机叶轮具有85mm的外径，需要的是，被涂敷叶片的出口导流 段吸入表面叶片根部区域上的陶瓷涂层不超过约4微米厚，所在的位置离压缩机叶轮的外 径约 8. 5mm 到 12. 75mm。陶瓷转化涂层厚度的改变可以通过许多不同方式实现，这些方式部分依靠被选中 的特别的形成表面层的工艺。举例来说，当PEO或更传统的阳极氧化被使用时，叶轮叶片的 不同部分可以浸入电解液中到变化的范围和/或经过变化的时间周期。叶片的不同部分在 单步执行工艺中可以逐渐差动置于单种类型的电解液中经过一段时间，或在多步工艺中逐 步进行。另外，叶片的不同部分可以以逐步或多步方式置于不同种类的电解液。要涂覆的 叶片的不同部分可以从特别的处理步骤中交替地遮盖或掩护，例如通过使用涂蜡或一些其 他形式的材料，该材料针对当前进行的处理步骤的阻力在整个处理步骤中保持或在处理过 程中降低，因此遮盖区域被遮盖仅仅在处理的初始阶段。该表面处理工艺的其他参数也可 能改变，来提供贯穿叶片表面的陶瓷涂层的合意的变化。例如，叶片可以使用在叶片周围不 同的电机排列，或者通过排列电机使他们靠近叶片的前沿，在这里与叶片后沿和/或叶片 根部相比需要较厚的涂层，叶片后沿和/或叶片根部需要较薄的涂层。作为结果的在喷丸硬化表面上的氧化铝陶瓷层对腐蚀显著地更有弹性，并且比原 来的铝质表面更坚硬。已经注意到用这种方式处理的叶轮叶片展示出大约800到1200HK， 或800到1200kgf/mm2的努普(Knoop)硬度，这相当于大约800到1600HV的维式(Vickers) 硬度。叶轮叶片的喷丸硬化有助于提高被涂覆的压缩机叶轮的疲劳寿命。同时发明者不 希望被任何特殊的理论限制，相信这是可以至少部分由于塑性变形过程中减少疲劳裂缝的 产生和/或传播。这对叶片高应力区域尤其重要。此外，陶瓷涂层抵抗腐蚀和冲蚀。设置 该涂层以使在腐蚀/冲蚀最重要的地方最厚但是在操作地引起的应力最高的地方最薄，为叶片提供腐蚀/气蚀抵抗力的最适宜平衡和提高的疲劳寿命，因而使叶片比现有叶片更持 久。
权利要求
1.用于涡轮增压器的压缩机叶轮，包括中心中枢和多个从中枢向外延伸的叶轮叶片， 每一个所述叶片限定前沿、后沿和根部，根部将叶片连接到中枢，其中至少一个叶片具有设 置有陶瓷材料的变厚度表层的表面，叶片的前沿设置有比叶片的后沿和/或根部更厚的陶 瓷材料表层。
2.根据权利要求1所述的压缩机叶轮，其中至少一个叶片的所述表面是塑性变形的表
3.根据权利要求1或2所述的压缩机叶轮，其中所述表面是或者包括至少一个叶片的 吸气表面。
4.根据任何一个前述权利要求所述的压缩机叶轮，其中该陶瓷层包括材料的氧化物， 该材料包含在至少一个叶片的所述表面中。
5.根据任何一个前述权利要求所述的压缩机叶轮，其中该陶瓷层包括材料的氧化物， 所述至少一个叶片是由该材料制造。
6.根据任何一个前述权利要求所述的压缩机叶轮，其中该陶瓷层是转化涂层，该转化 涂层通过氧化至少一个叶片的所述表面制得。
7.根据任何一个前述权利要求所述的压缩机叶轮，其中变厚度陶瓷层在该至少一个叶 片的前沿达到大约40微米厚，或者大约10微米到40微米厚，或大约10微米到25微米厚。
8.根据任何一个前述权利要求所述的压缩机叶轮，其中变厚度陶瓷层在该至少一个叶 片的后沿达到大约10微米厚，或者大约1微米到10微米厚，或大约2微米到5微米厚。
9.根据任何一个前述权利要求所述的压缩机叶轮，其中变厚度陶瓷层在该至少一个叶 片的根部达到大约10微米厚，或者大约1微米到10微米厚，或大约2微米到5微米厚。
10.根据权利要求1至6中任一个所述的压缩机叶轮，其中至少一个叶片的前沿设置有 具有厚度约20微米的陶瓷层，并且后沿和根部具有厚度约为3微米的陶瓷层。
11.根据权利要求1至6中任一个所述的压缩机叶轮，其中至少一个叶片上的陶瓷涂层 在从该叶片前沿的Imm之内是大约10微米到20微米厚。
12.根据权利要求1至6和11中任一个所述的压缩机叶轮，其中在至少一个叶片的根 部上的陶瓷涂层在距压缩机叶轮外径约为压缩机叶轮出口导流段直径的10%到15%的位 置处不超过约4微米厚。
13.根据任何一个前述权利要求所述的压缩机叶轮，其中该陶瓷层从在至少一个叶片 的前沿处的较厚层到至少一个叶片的后沿和/或根部处的较薄层厚度线性减少。
14.根据权利要求1至12中任一个所述的压缩机叶轮，其中该陶瓷层包括第一较厚部 分和第二较薄部分，所述第一较厚部分包括至少一个叶片的前沿，所述第二较薄部分包括 至少一个叶片的后沿和/或根部。
15.涡轮增压器，包括壳体；涡轮叶轮，支撑在所述壳体中的轴上，以围绕涡轮轴线旋转；和压缩机叶轮，支撑在所述壳体中的所述轴上，所述压缩机叶轮包括中心中枢和多个从 中枢向外延伸的叶轮叶片，每一个所述叶片限定前沿、后沿和根部，根部将叶片连接到中 枢，其中至少一个叶轮叶片具有设置有陶瓷材料的变厚度表层的表面，叶片的前沿设置有比叶片的后沿和/或根部更厚的陶瓷材料表层。
16.根据权利要求15所述的涡轮增压器，其中至少一个叶片的所述表面是塑性变形的表面。
17.根据权利要求15或16所述的涡轮增压器，还包括废气再循环系统，以传送已接触 涡轮叶轮的排出壳体的废气的部分回到壳体，以接触压缩机叶轮。
18.—种制造用于涡轮增压器的压缩机叶轮的方法，压缩机叶轮包括中心中枢和多个 从中枢向外延伸的叶轮叶片，每一个叶片限定前沿、后沿和根部，根部将叶片连接到中枢， 其中该方法包括为至少一个叶片的表面设置陶瓷材料的变厚表面层，从而使得该叶片的前 沿设置有比该叶片的后沿和/或根部更厚的陶瓷材料表面层。
19.根据权利要求18所述的方法，其中至少一个叶片的所述表面在陶瓷材料层的设置 以前承受塑性变形。
20.根据权利要求19所述的方法，其中塑性变形使用喷丸硬化或激光硬化实现。
21.根据权利要求18至20中任一个所述的方法，其中陶瓷材料层通过氧化过程设置在 至少一个叶片的表面上，例如等离子电解氧化或阳极氧化。
22.根据权利要求18至21中任一个所述的方法，其中陶瓷材料层用诸如合适的含氟聚 合物、溶胶一凝胶或硅酸盐的密封剂处理。
23.一种用于涡轮增压器的压缩机叶轮，包括中心中枢和多个从中枢向外延伸的叶轮 叶片，每一个叶片限定前沿、后沿和根部，根部将叶片连接到中枢，其中至少一个叶片具有 设置有陶瓷材料表层的塑性变形表面。
24.根据权利要求23所述的压缩机叶轮，其中所述表面是或包括至少一个叶片的吸气 表面。
25.根据权利要求23或M所述的压缩机叶轮，其中该陶瓷层包括材料的氧化物，该材 料包含在至少一个叶片的所述表面中。
26.根据权利要求23、对或25所述的压缩机叶轮，其中该陶瓷层包括材料的氧化物，所 述至少一个叶片由该材料制造。
27.根据权利要求23至沈中任一个所述的压缩机叶轮，其中该陶瓷层是通过氧化至少 一个叶片的所述表面制成的转化涂层。
28.一种涡轮增压器，诸如可变几何形状涡轮增压器，包括壳体；涡轮叶轮，支撑在所述壳体中的轴上，以围绕涡轮轴线旋转；和压缩机叶轮，支撑在所述壳体中的轴上，所述压缩机叶轮包括中心中枢和多个从中枢 向外延伸的叶轮叶片，每一个叶片限定前沿、后沿和根部，根部将叶片连接到中枢，其中至少一个叶轮叶片具有设置有陶瓷材料表层的塑性变形表面。
29.一种制造用于涡轮增压器的压缩机叶轮的方法，压缩机叶轮包括中心中枢和多个 从中枢向外延伸的叶轮叶片，每一个叶片限定前沿、后沿和根部，根部将叶片连接到中枢， 其中该方法包括使至少一个叶片的表面承受塑性变形并且为所述表面设置陶瓷材料表层 的步骤。
30.根据权利要求四所述的方法，其中塑性变形使用喷丸硬化或激光硬化实现。
31.根据权利要求四或30所述的方法，其中陶瓷材料层通过诸如等离子电解氧化或阳极氧化的氧化过程设置在至少一个叶片的表面上。
32.根据权利要求四至31中任一个所述的方法，其中陶瓷材料层使用诸如合适的含氟 聚合物、溶胶一凝胶或硅酸盐的密封剂处理。
33.一种参照附图中图1、2或3的大致如上所述的用于涡轮增压器的压缩机叶轮。
34.一种参照附图中图1的大致如上所述的涡轮增压器。
全文摘要
本发明公开一种用于涡轮增压器的压缩机叶轮，包括中心中枢和多个从中枢向外延伸的叶轮叶片。每一个叶片限定前沿、后沿和根部，根部将叶片连接到中枢。至少一个叶片具有设置有陶瓷材料的变厚度表层的表面。叶片的前沿设置有比叶片的后沿和/或根部更厚的陶瓷材料表层。
文档编号F02B37/00GK102072193SQ201010624490
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月22日 优先权日2009年11月21日
发明者卡蒂·罗兹, 卢克·汉金, 汤姆·J·罗伯茨, 迈克尔·翁 申请人:康明斯涡轮增压技术有限公司