CN101438063A - 制备涡轮分子泵转子或定子的方法 - Google Patents

制备涡轮分子泵转子或定子的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及制备涡轮分子泵的转子或定子的方法，该转子或定子具有由特定铝合金制成的转子叶片。

Description

制备涡轮分子泵转子或定子的方法
发明领域
本发明涉及一种制备涡轮分子泵转子或定子的方法，该转子或定子具有由特定铝合金制成的转子叶片。
背景技术
对于具有转子叶片的涡轮分子泵转子的构造，铝已经确立为构造材料，因为它是将对于尽可能低的密度以及高强度、易加工性的需求结合起来的最佳途径。因此，根据M.Wutz等人，Theorie und Praxis derVakuumtechnic，2nd  Ed.，1982，Friedr.Vieweg & Sohn，Braunschweig/Wiesbaden，第207/208页，已经知晓由特定选择的铝合金来制备转子或定子。
为了能够构造高性能的泵转子或定子，主要采用了高温强度很高的铝合金。由这些材料制成的转子通常通过机械加工方法制造，例如，如DE 10210404 A1或DE 29715035 U1中所述，二者在此均并入作为参考。特别地，叶片轮廓(contour)的成型是耗时且高成本的。
DE 101 03 230 A1描述了一种转子，其中转子叶片的一部分具有背面，该背面在吸入侧上具有凸面设计、在压力侧上具有凹面设计，或者转子叶片的至少一部分具有正面，该正面在吸入侧上具有凹面设计、在压力侧上具有凸面设计。
当使用高强度合金时，则要考虑它们的再成型性。因此，实心体(solid body)或圆盘的完全成型必须通过机械加工方法来实现，不能使用不太昂贵的通过塑性再成型的成型方法，例如扭曲(twisting)、压印(embossing)或铸压(coining)。
具体地，对于中强度合金，机械加工(车削、切割)和/或热烧蚀方法(侵蚀)与塑性再成型(扭曲)的组合已经确立为更加经济的转子或定子的制备方法。
在该方法中，首先通过机械加工将单个圆盘形片段加工成圆柱实心体，随后通过电火花腐蚀提供轴向槽。这在每个圆盘片段上产生圆盘形结构，其通过随后的围绕叶片纵向轴的塑性扭曲获得规定的迎角(angle of attack)。
DE 100 53 664 A1描述了一种具有由Al合金组成的转子的机械动力真空泵；为了提高高温强度和蠕变强度，提出了转子材料是由粉末冶金制备的轻金属合金，该粉末冶金的主要合金成分除铝之外还有铜，并进一步含有镁、锰、锆和银，并任选含有钛。
通过使用新的高强度、高的高温强度的变形铝合金(该合金在自然时效的状态下具有异常高的断裂延伸率)，现在可以采用上文提到的不太昂贵的成型方法，这些方法之前是用于低强度至中强度铝合金的。
WO 2004/003244 A1描述了一种用于制备具有高静态强度和动态强度性能的半成品构件的Al-Cu-Mg-Mn合金。出人意料地，可以发现，在此描述的合金一方面具有特别高的高温强度，另一方面，在自然时效的状态下，其延展性高到使得通过机械加工或热蚀方法和再成型(例如扭曲或弯曲)来制造低成本转子成为可能。
发明内容
因此，在第一实施方式中，本发明涉及制备涡轮分子泵的转子或定子的方法，该转子或定子具有由Al-Cu-Mg-Mn锻造合金制成的转子叶片，其特征在于，通过对各个圆盘或实心体的机械加工或热蚀方法，随后通过再成型产生所需的迎角，制造转子叶片。
因此，通过本发明可以获得多级整体转子或定子，以及由单级片段组装的转子或定子。转子或定子的密度低，同时具有高强度和易加工性能。
根据本发明，特别优选地使用了具有如下组成的锻造合金：
0.3-0.7wt％的硅(Si)；
至多0.15wt％的铁(Fe)；
3.5-4.5wt％的铜(Cu)；
0.1-0.5wt％的锰(Mn)；
0.3-0.8wt％的镁(Mg)；
0.05-0.15wt％的钛(Ti)；
0.1-0.25wt％的锆(Zr)；
0.3-0.7wt％的银(Ag)；
单独地至多0.05wt％的其它；
共计至多0.15wt％的其它；和
余量wt％的铝(Al)。
与其它在先已知的合金相比，所使用的锻造金属具有更高的动态和静态高温强度以及提高的蠕变强度，同时断裂机械性能非常优异，因此它们特别适合用于根据本发明的涡轮分子泵的转子或定子。特别地，根据本发明使用的锻造合金的断裂延伸率在自然时效的状态下在根据DIN EN 10002的抗拉测试中测定为至少14％，特别是17-20％。
本发明意义上的术语“锻造合金”是指对根据本发明使用的合金的特定处理，其中在高温下通过例如挤压(extrusion)、轧制(rolling)或锻造(forging)将铸造组织转化并“变形(wrought)”。从而使轻金属的延展性变得更好。因此，锻造合金(wrought alloy)还容许进一步进行冷成型操作，例如轧制、拉制(drawing)或锻造(例如，冷锻造)。
根据WO 2004/003244 A1，已知本身以5-9.5、特别是6.3-9.3的铜/镁比实现了这些性能。
铜含量优选在3.8-4.2wt％的范围内，镁含量优选在0.45-0.6wt％的范围内。在所主张的镁含量的存在下，铜的含量明显高于铜的最大溶解度。因此，另外就剩余合金和伴生元素而言，含有不溶性铜的相的比例非常低。这使得由该合金制备的转子的动力学特性和断裂韧性都得以提高。
与现有技术中进一步已知的铝合金相比，要求保护的锻造合金的银含量相当高，其含量为0.3-0.7wt％，优选0.45-0.6wt％。由于与硅(0.3-0.7wt％，优选0.4-0.6wt％)之间的相互作用，通过与不含银的Al-Cu-Mg合金相同的机制发生硬化(curing)。但是，对于更低的硅含量，由于银的添加，偏析过程变得不同。尽管由该合金制备的转子在较冷条件下具有优良的高温强度和蠕变强度，但其不能满足所需的要求。仅仅从0.3wt％的硅含量抑制了Al-Cu-Mg-Ag合金偏析行为的其它典型变化，使得对于该Cu和Mg含量可以在不损失高温强度和蠕变强度的情况下能够获得更高的强度值。
合金所使用的锰含量为0.1-0.5wt％，优选0.2-0.4wt％。对于锰含量更高的合金来说，在长期高温曝露测试中发现有导致强度降低的不希望的偏析发生。出于该原因，锰含量被限制在0.5wt％。但原则上，锰是对结构控制所必需的合金组分。
就结构控制而言，为了抵消减少的锰的空位(vacancy)，合金含有比例为0.10-0.25wt％、特别是0.14-0.2wt％的锆。偏析的铝化锆通常比铝化锰更为均匀地分散。而且，已经发现铝化锆有助于合金的热稳定性。
为了得到更为精细的晶粒组织，向合金中添加0.05-0.15wt％、优选0.10-0.15wt％的钛。便利地，以Al-5Ti-1B中间合金的形式向合金中添加钛，因此合金自动地含有硼。由其形成均匀分散的不溶性二硼化钛。这些均有助于合金的热稳定性。
作为不可避免的杂质，合金可以含有最多0.15wt％、优选0.10wt％的铁。
本发明意义下的“再成型”包括，例如，扭曲、弯曲、压制和锻造，以产生所需的迎角。所需迎角的制备任选地还包括制备规定的叶片轮廓(contour)。
另外可选地，分离和再成型的步骤也可以在一次操作中进行，例如通过铸压(coining)。
该方法的操作本身是已知的，但一直局限于低强度和中强度铝合金，因为这些是具有所需再成型性的仅有合金。但通过本发明，该方法也可以应用于限定的高强度铝合金。
通常，再成型开始于圆盘形叶片阶段，其中各个叶片片段之前通过径向分离制造。本发明意义下的分离方法包括切割方法，例如激光和水喷射切割，以及腐蚀、机械加工、压印或铸压。
通过机械加工与塑性再成型方法的组合，可以降低转子或定子的制造成本。
实施例
实施例1
通过再成型制备TMP泵转子中叶片的迎角
从由合金AA2016(参见WO 2004/003244)制成的圆柱实心体，根据所需的泵级数，通过机械加工制备同心叠加的圆盘形片段。这制成了由在轮毂区域(hub region)互连的叠加的圆盘形肋组成的旋转对称体。肋的厚度对应于后来的叶片厚度。现在，将每个肋盘在轴向上开槽，以在圆周之上以规则的间隔靠近轮毂，以形成单个叶片片段。
在此期间，材料处于“固溶-退火、淬火和自然时效”的状态。在该状态下，其具有很高的再成型性。
现在，在同样的状态下，将叶片片段围绕其纵向轴扭曲。扭曲用叉形握持臂(grip arm)进行，该握持臂包围相应的叶片片段，以靠近叶片刃脚(blade foot)，然后围绕叶片的纵轴进行扭曲移动以形成所需的迎角。这导致叶片片段在靠近叶片刃脚的区域经历了塑性再成型。这样，很容易获得相对于起始位置为大约45°的扭曲角度或迎角，而在叶片刃脚区没有观察到初始的裂纹。
对于高温强度高的常规Al合金来说，不能获得这样的角度。
为了实现后续操作中所需的强度，进行人工时效，以获得根据状态T6的最大强度。
实施例2
定子圆盘的铸压
从由实施例1提及的材料制成的Al板，通过如下铸压制备定子圆盘：
由厚度为0.5-1.0mm的Al板冲压半圆环片段。板材的状态：“固溶-退火、淬火和自然时效”。
现在将这些环片段插入铸压模具中，其通过将底模压到该铸压模具上，切开成刀片的轮廓。
径向对称排列的叶片片段的前缘由此冲压出，而叶片的迎角通过铸压模具内的塑性再成型产生。最大再成型在从叶片的自由前缘到非变形板的转化区中发生。
为了实现后续操作中所需的强度，进行人工时效，以获得根据状态T6的最大强度。

Claims (3)

1.一种制备涡轮分子泵的转子或定子的方法，所述转子或定子具有由Al-Cu-Mg-Mn锻造合金制成的转子叶片，其特征在于，通过对各个圆盘或实心体的机械加工或热蚀方法，随后通过再成型产生所需的迎角，制造转子叶片。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用具有如下组成的锻造合金：
3-0.7wt％的硅 (Si)；
至多0.15wt％的铁 (Fe)；
3.5-4.5wt％的铜 (Cu)；
1-0.5wt％的锰 (Mn)；
3-0.8wt％的镁 (Mg)；
05-0.15wt％的钛 (Ti)；
1-0.25wt％的锆 (Zr)；
3-0.7wt％的银 (Ag)；
单独地至多0.05wt％的其它杂质；
共计至多0.15wt％的其它杂质；和
余量wt％的铝 (Al)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述转子或定子通过压印、铸压或扭曲制备。
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