專利名稱：用于渦輪增壓系統(tǒng)的壓縮機(jī)葉輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及一種用于渦輪增壓系統(tǒng)的壓縮機(jī)葉輪，更具體地涉及
由鋁金屬基復(fù)合材料和包含至多達(dá)5%重量百分比的鈧的鋁合金中的至少 一種制成的壓縮機(jī)葉輪。
背景技術(shù)：
鋁合金由于質(zhì)輕和易于鑄造而通常用于內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓系統(tǒng)中。更 具體地，鋁合金通常用于形成單級和多級渦輪增壓系統(tǒng)中的壓縮機(jī)葉輪。 但是，鑄造鋁合金具有有限的疲勞性能，這必然限制了渦輪增壓器的耐久 性。因此，在一些情況下，鋁壓縮機(jī)葉輪可以鍛造而不是鑄造。盡管鍛造 導(dǎo)致形成更強(qiáng)且更耐久的壓縮機(jī)葉輪，但是產(chǎn)品的成本非常高。
此外，由于在一些應(yīng)用中，壓縮空氣的溫度可達(dá)到約200攝氏度到250 攝氏度之間，此增高的溫度對后面的壓縮機(jī)級的葉輪具有不利的作用。在 此增高的溫度下，包括鑄造和鍛造合金在內(nèi)的鋁合金不再保持足夠的強(qiáng)度 以滿足渦輪增壓系統(tǒng)的壓縮機(jī)葉輪的材料屬性需求。Shoji等人的U.S.公 開物2005/0167009示出鑄造鋁合金的一種這樣的示例。
存在兩種公認(rèn)的解決這個問題的方法。 一種方法包括根據(jù)授權(quán)于 Decker的U.S.專利6,588,485 Bl或授權(quán)于Decker等人的U.S.專利6，663，347 B2中的教導(dǎo)而使用鈥合金代替鋁合金來制造壓縮機(jī)葉輪。盡管鈦合金通常 在至多達(dá)約500攝氏度的溫度下保持其材料強(qiáng)度，但是鈥合金的密度比鋁 合金大，這將導(dǎo)致渦輪增壓器的靈敏度降低。此外，鈦合金的成本明顯高 于鋁合金，導(dǎo)致生產(chǎn)成本顯著提高。
另一公認(rèn)的方法是如授權(quán)于Crook等人的U.S.專利3,796,047和U.S.
4專利3,870,029、以及授權(quán)于Choi的U.S.專利6,398,517 Bl中描述的，在多級渦輪增壓系統(tǒng)的各級之間使用中間冷卻器。具體地，中間冷卻器可通
發(fā)生的故障。但是，這種方法增加了多級渦輪增壓系統(tǒng)的復(fù)雜性和體積，并極大地提高了總成本。這樣，包括第一級和后面的級的壓縮機(jī)葉輪仍需要由這樣的材料制成，該材料足以滿足所有材料屬性需求，而不會過多地增加渦輪增壓系統(tǒng)的總成本。
本發(fā)明旨在解決上述一個或多個問題。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面中，用于內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓系統(tǒng)包括至少 一個壓縮機(jī)葉輪。該壓縮機(jī)葉輪由鋁金屬基復(fù)合材料和包含至多達(dá)5%重量百分比的鈧的鋁合金中的至少一種制成。
在另 一方面中，用于渦輪增壓系統(tǒng)的壓縮機(jī)葉輪由鋁金屬基復(fù)合材料和包含至多達(dá)5%重量百分比的鈧的鋁合金中的至少一種形成。
在又一方面中， 一種用于渦輪增壓系統(tǒng)的壓縮機(jī)葉輪的制造方法包括由消耗性材料/可熔材料制成壓縮機(jī)葉輪的模型的步驟。圍繞該模型形成殼型鑄模，然后從殼型鑄模中去除模型。隨后將該殼型鑄模定位于一外殼中，使得殼型鑄模的入口與外殼的開口相通。該方法還包括提供將殼型鑄模的外表面和外殼的內(nèi)表面之間的空的體積基本充滿的支承材料的步驟。將包括鋁金屬基復(fù)合材料和包含至多達(dá)5%重量百分比的鈧的鋁合金中的至少一種的熔融物料通過入口壓鑄到鑄模中。


圖l是包括4艮據(jù)本發(fā)明的渦輪增壓系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)的示意圖；和
圖2是用于制造圖1的渦輪增壓系統(tǒng)的壓縮機(jī)葉輪的壓鑄設(shè)備的剖視圖。
具體實施例方式
圖1總體示出內(nèi)燃機(jī)10的示例性實施例。為了進(jìn)行說明而不是加以限 制，發(fā)動機(jī)10是四沖程、壓燃式發(fā)動機(jī)，且包括限定多個燃燒室或汽缸 14的發(fā)動機(jī)組12。在示例性發(fā)動機(jī)10中，示出六個燃燒室14;但是，本 領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，可使用任意數(shù)量的燃燒室14。發(fā)動機(jī)10還包括 進(jìn)氣歧管16，該進(jìn)氣歧管和燃燒室14連通，并能夠通過進(jìn)氣管道18向發(fā) 動機(jī)10提供空氣。排氣歧管20也和燃燒室14連通并能夠通過排氣管道 22將來自發(fā)動機(jī)組12的排氣排出。
發(fā)動機(jī)10還包括標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的渦輪增壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)總體用24表示。 如圖所示，渦輪增壓系統(tǒng)24可包括單級渦輪增壓系統(tǒng)或多級渦輪增壓系 統(tǒng)。根據(jù)一個實施例，渦輪增壓系統(tǒng)24可包括第一渦輪增壓器26和第二 渦輪增壓器28。盡管示出兩個渦輪增壓器26和28，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā) 明可應(yīng)用于使用一個或多個渦輪增壓器的發(fā)動機(jī)IO。應(yīng)當(dāng)理解，第一渦輪 增壓器26通常包括通過軸34連接到渦輪機(jī)32的壓縮機(jī)30。類似地，第 二渦輪增壓器28包括通過軸40連接到渦輪機(jī)38的壓縮機(jī)36。
在運行期間，離開排氣歧管20的排氣通過排氣管道22并分別通到渦 輪機(jī)32和38的葉輪42和44處以使得它們旋轉(zhuǎn)。葉輪42和44的旋轉(zhuǎn)使 軸34和40轉(zhuǎn)動，該軸34和40又分別S走轉(zhuǎn)壓縮才幾30和36的葉輪46和 48。壓縮機(jī)葉輪46和48的旋轉(zhuǎn)將周圍空氣通過進(jìn)氣導(dǎo)管18吸入并將其壓 縮。應(yīng)當(dāng)意識到，多級渦輪增壓系統(tǒng)可包括如圖所示的串聯(lián)運行的壓縮機(jī) 葉輪，或可選地，包括并聯(lián)地定位在共用軸上的多個壓縮機(jī)葉輪。
根據(jù)本發(fā)明，壓縮機(jī)葉輪46和48中的一個或兩個可由鋁金屬基復(fù)合 材料制成。根據(jù)一個實施例，鋁金屬基復(fù)合材料可基于設(shè)計成具有例如增 強(qiáng)的抗疲勞性、可在較高溫度下運行的特性、增加的耐久性或本領(lǐng)域技術(shù) 人員已知的其它特性的鋁合金。這種鋁合金例如可包括A206、 A224和 A354,但是也可使用很多其它合金。此外可利用加強(qiáng)材料來加強(qiáng)鋁金屬基 復(fù)合材料。
根據(jù)一個實施例，可使用不連續(xù)的加強(qiáng)材料，例如陶資顆粒、陶資纖維和陶瓷晶須。更具體地，合適的加強(qiáng)材料可包括SiC、 A1203、 SK)2、A1N、 BN、 TiC、 TiB2、 B4C、 W2C、 Zr02或金屬間化合物，例如Al3Sc或Al込r、 AbTi或Al3(Sc，X)，這里X表示Zr、 Ti、 Y、 Hf等。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員意識到，可使用其它不連續(xù)或連續(xù)的加強(qiáng)材料。根據(jù)一個實施例，加強(qiáng)材料^皮混合到鋁金屬基復(fù)合材料中、預(yù)成型且然后浸滲、從基體合金溶液中沉淀或在混合或浸滲期間進(jìn)行現(xiàn)場反應(yīng)。此外，適于使用體積百分比在約10%到約20%之間的加強(qiáng)材料。但是，可選擇或改變使用的加強(qiáng)材料，包括用量、制造方法以及加強(qiáng)的位置及形狀，以達(dá)到期望的機(jī)械屬性。
可選地，且又根據(jù)本發(fā)明，壓縮機(jī)葉輪46和48中的一個或兩個可由包含至多達(dá)5%重量百分比的鈧的鋁合金制成。特別是在增高的溫度下，通過例如Al3Sc、 Al3(Sc， Zr)等的金屬間化合物的共格沉淀可極大地增強(qiáng)這種合金的屬性。為便于加強(qiáng)和/或可鑄造性，可根據(jù)需要改變包含至多達(dá)5。/。重量百分比的鈧的鋁合金以及鋁金屬基復(fù)合材料。應(yīng)當(dāng)理解，如上所述，鋁金屬基復(fù)合材料可以基于包含至多達(dá)5%重量百分比的鈧的鋁合金。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可使用鑄造、粉末冶金或噴射成形方法，然后使用任何所需的成形過程來制造上述的壓縮機(jī)葉輪46和48。用于壓縮機(jī)葉輪46和48的優(yōu)選的鑄造方法可包括各種鑄造工藝中的任一種，這些鑄造工藝包括但不限于璇渦鑄造(vortex casting)、真空澆鑄、離心鑄造、加壓鑄造和壓力鑄造。但是，應(yīng)當(dāng)理解可使用任何已知的方法形成壓縮才幾葉輪46和48。
根據(jù)一個實施例，可使用圖2所示的壓鑄設(shè)備60形成壓縮機(jī)葉輪46和48。根據(jù)此實施例，壓縮機(jī)葉輪46和48之一的模型(未示出)可由消耗性材料形成，該消耗性材料例如蠟、蠟混合物、聚苯乙烯、塑料、蒸發(fā)性泡沫材料(evaporativefoam)或其它合適的材料。應(yīng)當(dāng)理解，壓縮機(jī)葉輪模型的尺寸可比壓縮機(jī)葉輪46、 48稍大，以解決鑄造材料在凝固時的收縮(問題)。
一旦壓縮機(jī)葉輪的模型已經(jīng)形成，具有合適厚度的殼型鑄模62包圍該模型而形成。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這種方法可包括制備漿體和重復(fù)
地將壓縮機(jī)葉輪^^莫型浸入漿體中以形成多層殼型鑄模62。根據(jù)一個實施 例，該漿體可包括耐火性的、基于陶瓷的氧化鋁或氧化鋯的粉末，但是也 可考慮各種混合物。在形成殼型鑄模62的過程中，殼型鑄模62的入口部 分64可不涂覆，以保留通向鑄模的入口通道。
一旦得到殼型鑄模62的合適的厚度，允許干燥該殼型鑄模62。然后， 例如通過加熱將壓縮機(jī)葉輪模型從殼型鑄模62去除。加熱可使得壓縮機(jī)葉 輪模型的消耗性材料熔化或蒸發(fā)，并還可燒結(jié)殼型鑄模62的耐火性的、基 于陶瓷的材料。殼型鑄模62以及如下所述的任何需要的鑄造部件在外殼 68中定位成使得入口孔64與外殼68中的開口 70連通。外殼68可由各種 高強(qiáng)度材料，例如鋼制成。 一旦殼型鑄模62和其它鑄造部件定位于外殼 68中，在殼型鑄模62和其它鑄造部件的外表面72與外殼68的內(nèi)表面74 之間會存在空的體積。
支承材料76基本充滿空的體積，使得殼型鑄模62的所有表面都被支 承材料76覆蓋和支承。應(yīng)當(dāng)理解，支承材料76可向殼型鑄模62提供結(jié)構(gòu) 性支承，并促進(jìn)熱量從殼型鑄模62傳導(dǎo)出去。支承材料76可包括低熔點 金屬合金，例如鉛、鉍和銻的合金，該合金以熔融的形式澆注到空的體積 內(nèi)并允許圍繞殼型鑄模62而凝固?？蛇x地，支承材料76可包括顆粒狀材 料，例如碳顆粒、天然或合成的基于氧化鋁的沙、基于氧化鋯的沙和金屬 顆粒。也可將附加部件，例如那些用于真空抽吸支承材料76的部件結(jié)合到 壓鑄設(shè)備60中。
然后，將外殼68設(shè)置在壓鑄設(shè)備60的模塊78、 80和82之間。本領(lǐng) 域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，模塊78、 80和82為外殼68以及最終殼型鑄模62 提供支承。此外，模塊78、 80和82可包括必要的例如用于將鑄造材料引 入殼型鑄模62中的開口。然后，將熔融形式的鋁金屬基復(fù)合材料和包含至 多達(dá)5%重量百分比的鈧的鋁合金中的至少一種壓鑄到殼型鑄模62中。具 體地，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，熔融物料被施壓并通過澆注口 84、免道 86和內(nèi)澆口 88澆注到殼型鑄模62中。此外，可設(shè)置冒口 90,以對熔融物料凝固時的內(nèi)部收縮進(jìn)行補(bǔ)償。具體地，根據(jù)一個實施例，可向冒口卯內(nèi)插入陶瓷插桿(未示出)以向鑄造材料施加壓力。也可設(shè)置例如過濾器和絕緣材料的附加部件，以進(jìn)一步促進(jìn)和/或改進(jìn)鑄造工藝。例如，且根據(jù)
一個實施例，可將殼型鑄模62預(yù)熱以改進(jìn)鑄造工藝。
應(yīng)當(dāng)理解，不論使用何種鑄造材料，使用上述壓鑄方法制造的壓縮機(jī)葉輪比使用其它已知方法制造的壓縮機(jī)葉輪更具優(yōu)點。具體地，本發(fā)明的
性的壓縮機(jī)葉輪。例如，盡管描述了具體的鑄造材料，但是使用所描述的壓鑄方法由例如鍛造鋁合金的鋁合金制成的壓縮機(jī)葉輪和使用其它已知的方法制成的鋁合金壓縮機(jī)葉輪相比具有改進(jìn)的機(jī)械屬性。
此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，渦輪機(jī)葉輪42和44可由與鋁金屬基復(fù)合材料和包含至多達(dá)5%重量百分比的鈧的鋁合金不同的材料制成。具體地，且因為渦輪機(jī)葉輪42和44受到溫度遠(yuǎn)高于壓縮機(jī)葉輪46和48的排氣的作用，渦輪機(jī)葉輪42和44可例如由超級合金或金屬間化合物制成。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，上述用于壓縮機(jī)葉輪46和48的合金、加強(qiáng)材料以及制造方法的示例僅僅作為示例，并不意在限制本發(fā)明的精神和范圍。
工業(yè)實用性
本發(fā)明的壓縮機(jī)葉輪可用于各種渦輪增壓系統(tǒng)。盡管描述的是多級渦輪增壓系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)理解，單級渦輪增壓系統(tǒng)也可從本發(fā)明的壓縮機(jī)葉輪獲益。此外，所述壓縮機(jī)葉輪可具體地應(yīng)用于第一級壓縮機(jī)葉輪和一個或多個后面的壓縮才幾級的葉輪。
結(jié)合圖1和圖2，且在內(nèi)燃機(jī)10的常規(guī)運行中，離開發(fā)動機(jī)10的排氣歧管20的排氣通過排氣導(dǎo)管22并分別通到渦輪機(jī)32和38的葉輪42和44以便使它們旋轉(zhuǎn)。葉輪42和44的旋轉(zhuǎn)使得軸34和40轉(zhuǎn)動，該軸34和40又分別旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)30和36的葉輪46和48。壓縮機(jī)葉輪46和48的旋轉(zhuǎn)將周圍的空氣通過進(jìn)氣導(dǎo)管18吸入并將該空氣壓縮。由于壓縮空氣的溫度可達(dá)到約200和250才聶氏度之間，此增高的溫度對后面的壓縮才幾級的葉輪具有不利的作用。
和常規(guī)壓縮才幾葉輪相比，由鋁金屬基復(fù)合材料或包含至多達(dá)5%重量百分比的鈧的鋁合金制成的例如壓縮機(jī)葉輪46和48之一的壓縮機(jī)葉輪具有改進(jìn)的耐久性、改進(jìn)的抗疲勞性和可在較高溫度下運行的特性。具體地，在約200攝氏度到250攝氏度之間，鋁金屬基復(fù)合材料或包含至多達(dá)5%重量百分比的鈧的鋁合金的強(qiáng)度幾乎是其它鋁合金的強(qiáng)度的兩倍。此外，和鈦合金相比，鋁金屬基復(fù)合材料或包含至多達(dá)5%重量百分比的鈧的鋁合金在增高的溫度下可具有改進(jìn)的瞬時響應(yīng)，而不會增加生產(chǎn)成本。此夕卜，由本發(fā)明的復(fù)合材料或合金制成的后面的壓縮機(jī)級的葉輪可避免在多級渦輪增壓器的級間-使用中間冷卻器的費用和復(fù)雜性。因此，應(yīng)當(dāng)理解，和單級渦輪增壓系統(tǒng)以及多級渦輪增壓系統(tǒng)的常規(guī)壓縮機(jī)葉輪相比，本發(fā)明的
壓縮機(jī)葉輪提供了顯著的優(yōu)點。
應(yīng)當(dāng)理解，以上描述僅用于說明的目的，且并不意在限制本發(fā)明的范圍。從而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可從附圖、說明書和所附權(quán)利要求的研究中獲得本發(fā)明的其它方面。
權(quán)利要求
1.一種用于內(nèi)燃機(jī)(10)的渦輪增壓系統(tǒng)(24)，包括至少一個壓縮機(jī)葉輪(46，48)；且其中至少一個壓縮機(jī)葉輪(46，48)由鋁金屬基復(fù)合材料和包含至多達(dá)5％重量百分比的鈧的鋁合金中的至少一種形成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪增壓系統(tǒng)(24)，其特征在于，所述 鋁金屬基復(fù)合材料包括選自包括A206、 A224和A354的組的鋁合金。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所迷的渦輪增壓系統(tǒng)(24)，其特征在于，所述 鋁金屬基復(fù)合材料還包括加強(qiáng)材料，其中加強(qiáng)材料包括陶瓷顆粒、陶資纖 維和陶資晶須中的
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的渦輪增壓系統(tǒng)(24)，其特征在于，所述 加強(qiáng)材料選自包括SiC、 A1203、 Si02、 A1N、 BN、 TiC、 TiB2、 B4C、 W2C、 Zr02、 AbSc和Al3Zr、 Al3Ti的組。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪增壓系統(tǒng)(24),其特征在于，使用 漩渦鑄造、真空澆鑄、離心鑄造、加壓鑄造和壓力鑄造中的至少一種形成 壓縮才幾葉輪(46, 48)。
6. —種用于渦輪增壓系統(tǒng)(24)的壓縮才幾葉輪(46, 48)，包括 由鋁金屬基復(fù)合材料和包含至多達(dá)5%重量百分比的鈧的鋁合金中的至少一種形成的壓縮機(jī)葉輪(46, 48)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓縮機(jī)葉輪(46， 48)，其特征在于，所述 鋁金屬基復(fù)合材料包括選自包括A206、 A224和A354的組的鋁合金。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓縮機(jī)葉輪(46， 48)，其特征在于，鋁金 屬基復(fù)合材料還包括加強(qiáng)材料，其中加強(qiáng)材料包括陶瓷顆粒、陶瓷纖維和 陶瓷晶須中的至少一種。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的壓縮機(jī)葉輪(46, 48)，其特征在于，所述 加強(qiáng)材料選自包才舌SiC、 A1203、 Si02、 A1N、 BN、 TiC、 TiB2、 B4C、 W2C、 Zr02、 Al3Sc和AbZr、 Al3Ti的組。
10. —種用于渦輪增壓系統(tǒng)(24 )的壓縮機(jī)葉輪(46， 48 )的制造方法， 包括由消耗性材料制成壓縮機(jī)葉輪(46, 48)的模型； 圍繞模型形成殼型鑄模(62); 從殼型鑄模(62)中去除模型；將殼型鑄模(62)定位于一外殼(68)中，使得殼型鑄模(62)的入 口 (64)與外殼(68)中的開口 (70)連通；提供基本充滿殼型鑄模(62)的外表面(72)和外殼(68)的內(nèi)表面 (74)之間的空的體積的支承材料(76);和將包括鋁金屬基復(fù)合材料和包含至多達(dá)5%重量百分比的鈧的鋁合金 中的至少一種的熔融物料壓鑄通過入口 (64)并進(jìn)入殼型鑄模(62)中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃機(jī)(10)的渦輪增壓系統(tǒng)(24)，包括至少一個壓縮機(jī)葉輪(46，48)。單級或多級渦輪增壓系統(tǒng)(24)的至少一個壓縮機(jī)葉輪(46，48)由鋁金屬基復(fù)合材料和包含至多達(dá)5％重量百分比的鈧的鋁合金中的至少一種例如通過壓鑄而形成。
文檔編號F04D29/02GK101595308SQ200880003354
公開日2009年12月2日 申請日期2008年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月31日
發(fā)明者J·A·詹森, 楠 楊 申請人:卡特彼勒公司