CN101639008B - 部件、涡轮增压器和形成该部件的方法 - Google Patents
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Abstract
提供了部件、涡轮增压器和部件形成方法。在一个实施例中，仅为举例说明，提供一种部件形成方法。该方法包括涂覆多个涂敷粒子到基体上，其中每个涂敷粒子包括固体膜润滑粒子和包围固体膜润滑粒子整个表面的层，每个固体膜润滑粒子包括至少一种化合物，该层包括当处于预定处理温度时具有比化合物更强的抗氧化性的涂层材料；和加热基体到达预定处理温度以在基体上形成的一部分涂层。
Description
技术领域
本发明主题大体涉及涡轮增压器，更特别地涉及涡轮增压器中使用的涂层和涂层部件。
背景技术
涡轮增压器通常用于增强设备的可操作性。例如，在涡轮发动机的环境中，涡轮增压器可用来加热发动机排气的容积流，以使进入燃烧室的进气空气流加压或增压。这样，发动机排气可按流动路线进入涡轮增压器涡轮外壳，该涡轮外壳中安装有涡轮。排气气流冲击涡轮使其转动。因为涡轮安装在轴的一端，而轴的另一端安装径向空气压缩器，因此涡轮的转动动作也促使空气压缩器转动。空气压缩器的转动动作使得进气进入压缩器外壳，并在进气与燃料混合而在发动机燃烧室内燃烧之前进行加压或增压。
为了减小涡轮增压器的转动部件之间的摩擦并延长其使用寿命，可以用箔片轴承支撑涡轮发动机、涡轮增压器等的转动部件。一般地，箔片轴承包括安装在转动部件上的轴颈和环绕轴颈设置的圆柱形上箔片。轴颈和上箔片这样构造，使得当转动部件以最佳运行速度转动时，箔片和轴颈相互分开形成空隙。随着箔片和轴颈之间的空隙增大，加压空气被抽入其中以用作负载支承，并作为转动部件和转动部件周围的静止部件的润滑剂。
如果在轴颈和上箔片之间没有加压空气，那么上述两个部件互相接触或与其他周围部件接触。因此，为了避免部件过早磨损，可以在一个或多个部件上设置固体润滑涂层。一些已知的固体润滑剂包括氟化石墨/聚合物和二硫化钼。然而，这些材料对高温机械不是特别有用，因为它们仅仅在低于约250℃时才稳定。其他已知的固体润滑剂包括银、氟化钙和氟化钡，但这些材料在某些情况下的表现不是很好，因为这些材料具有较高的孔隙度因而较难涂敷。三元碳化物和氮化物材料也用作固体润滑剂。然而，在涂覆过程中会将该材料至少部分分解，因此，在用作暴露于涡轮增压器高温运行环境下(例如，高于535℃的温度)部件的涂层时，该材料的性能不会达到最优。
因此，需要提供一种制造和/或涂敷涡轮增压器部件的方法，其中当与超合金材料摩擦耦合(tribocouple)时，得到的涂层中材料的性能(例如涂层的低摩擦系数和低磨损率性能)会最优化。另外，需要提供一种涂层，比普通涂层具有更好的抗氧化性能。除此之外，需要提供制造所述涂层的相对简单和便宜的方法。
发明内容
提供了方法、部件和涡轮增压器。
在一个实施例中，仅为举例说明，提供一种部件形成方法。该方法包括：涂覆多个涂敷粒子到基体上，其中每个涂敷粒子包括固体膜润滑粒子和包围固体膜润滑粒子整个表面的层，每个固体膜润滑粒子包括至少一种化合物，所述层包括当处于预定处理温度时具有比所述化合物更强抗氧化性能的涂层材料；和加热基体到达预定处理温度以在基体上形成涂层的一部分。
在另一个实施例中，仅为举例说明，部件包括基体和基体上的涂层。该涂层包括多个固体膜润滑粒子，每个固体膜润滑粒子包括至少一种具有化学式Mn+1AXn的化合物，其中M为至少一种选自族IIIB、IVB、VB和VIB的前过渡金属，A为至少一种选自族IIIA、IVA、VA、VIA和VIIA的元素，X为碳和氮中的一种或两种，n为1到3的整数，所述多个固体膜润滑粒子包括全部包围的固体膜润滑粒子和部分包围的固体膜润滑粒子，每个所述全部包围的固体膜润滑粒子被涂层材料包围，所述涂层材料在处于预定处理温度时具有比所述至少一种化合物更强的抗氧化能力，且涂层表面包括多个所述部分包围的固体膜润滑粒子。
在又一个实施例中，仅为举例说明，提供一种涡轮增压器，包括轴和围绕轴设置的箔片轴承。该箔片轴承包括基体和基体上的涂层，该涂层包括多个固体膜润滑粒子，每个固体膜润滑粒子包括至少一种具有化学式Mn+1AXn的化合物，其中M为至少一种选自族IIIB、IVB、VB和VIB的前过渡金属，A为至少一种选自族IIIA、IVA、VA、VIA和VIIA的元素，X为碳和氮中的一种或两种，n为1到3的整数，所述多个固体膜润滑粒子包括全部包围的固体膜润滑粒子和部分包围的固体膜润滑粒子，每个所述全部包围的固体膜润滑粒子被涂层材料包围，所述涂层材料在处于预定处理温度时具有比所述至少一种化合物更强的抗氧化能力，且涂层表面包括多个所述部分包围的固体膜润滑粒子。
附图说明
本发明的主题将在后面结合下面附图给予描述，其中相同附图标记代表相同部件。
附图1为根据一个实施例的涡轮增压器的剖面侧视图；
附图2为根据一个实施例的部件的一部分的剖面图，该部件可以在附图1中的涡轮增压器中使用；
附图3为根据一个实施例的涡轮增压器部件的制造方法的流程图；和
附图4为根据一个实施例的在附图3中的部件制造方法中使用的材料的处理方法的流程图。
具体实施方式
接下来的介绍本质上仅仅是举例说明，不意味着对本发明主题或对本发明主题的应用和使用的限制。进一步地，也不受到前述背景技术或下述详细描述中的任何理论所限制。
附图1为依照一个实施例的涡轮增压器100的剖面侧视图。涡轮增压器100通常包括外壳112，其中可转动地布置一轴118。涡轮或涡轮叶轮122附接于轴118的一端，压缩机叶轮124附接于轴118的另一端。为了减小轴118和周围部件之间的摩擦，轴承组件120包围轴118。在一个实施例中，轴承组件120包括两个轴承126、128，它们中一个或两个由箔片轴承组成。在另一些实施例中，轴承126、128可以包括不同的轴承或由不同的轴承组成。虽然示出的是两个轴承126、128，但是可以包括更少或更多的轴承。
涡轮增压器组件中的一个或多个可以由一种或多种固体润滑材料制成或涂敷一种或多种固体润滑材料。附图2为根据一个实施例的可以在附图1的涡轮增压器中使用的部件200一部分的剖面图。在一个实施例中，部件200可以为轴承，例如箔片轴承、轴颈轴承、滚柱轴承等。在另一个实施例中，部件200可以为转动或静止的涡轮叶片、翼片、叶轮、罩、外壳、支柱或其他可能承受相对高温(例如超过350℃)的部件。在所有情况下，部件200可由其上具有涂层204的基体202组成。基体202可以由金属制成，例如镍基合金、钴基合金等，或通常用于机械部件的其他材料。虽然附图2中示出的基体202的该部分具有矩形横截面，在其他实施例中基体还可以具有其他几何形状的横截面。
涂层204设置在基体202上。虽然示出的是涂层204直接设置在基体202上，但在其他实施例中可以包括一个或多个中间层(未示出)。在一个实施例中，涂层204的厚度可以在约0.0001cm到约0.01cm之间。在其他一些实施例中，涂层204厚度可以大于或小于上述范围。
涂层204具有的配方(formulation)可以包括一个或多个组分。在一个实施例中，该组分可以包括一种或多种无机材料。该无机材料因为某些期望性能而被选择。例如，根据一个实施例，该无机材料要能够为涂层204提供固体膜润滑性能。具有该性能的合适的材料包括化学式为Mn+1AXn(以后称之为“MAX材料”)的材料，其中M为至少一种选自族IIIB、IVB、VB和VIB的前过渡金属，A为至少一种选自族IIIA、IVA、VA、VIA和VIIA的元素，X为碳和氮中的一种或两种，n为1到3的整数。MAX材料的实例包括但不限于选自包括Cr2AlC、V2AlC、Ti2AlC、Ti3AlC2、Ti4AlN3、Ta2AlC、Ta4AlC3、Ti2AlN的组的铝基化合物。能够提供固体膜润滑性能的合适材料的另一个实例包括但不限于一种或多种金属硫化物、金属氟化物和/或贵金属。在一个实施例中，合适的金属硫化物包括但不限于MoS2。在另一个实施例中，合适的金属氟化物包括但不限于选自包括族IA碱土金属、族IIA碱土金属、稀土金属及其混合物的组的至少一种金属的氟化物。在其他一些实施例中，具有固体膜润滑性能的合适的贵金属包括但不限于银、金、铂、钯、铼、铜和其混合物。
在另一个实施例中，要选择能够用作固体膜润滑剂的结合组分的无机材料。在一个实例中，合适的无机材料为选择能够在低于混合物中每个单独组分的熔点温度下熔化的混合物。基于这一点，该无机材料可以为无机易熔混合物。合适的无机低熔混合物包括但不限于硫化银/硫化铜、硫化银/硫化铅、硫化银/硫化铋、氧化镍/五氧化二钒和氟化钙/氟化镁。在另一个实例中，该无机材料可以为适合用作结合组分的结合金属合金。合适的结合金属合金包括但不限于结合金属氧化铬(Cr2O3)，结合金属可以为包含镍、钴或其混合物中的至少一种和铬的合金。
在又一个实施例中，无机材料要选择能够为固体膜润滑剂提供耐磨性能。基于上述考虑，该无机材料可以是金属氧化物，例如氧化铬、氧化镍、氧化铝、氧化硼或其他金属氧化物。
在另一个实施例中，涂层204的配方可以包括非金属组分。合适的非金属组分包括但不限于陶瓷、硅酸盐和/或粘合剂。陶瓷的合适实例包括但不限于Cr2O3、Al2O3、和TiO2。硅酸盐的合适实例包括但不限于硅酸钠。粘合剂可以为有机粘合剂或无机粘合剂。例如，合适的有机粘合剂包括但不限于有机聚合物粘合剂。例如乙基纤维和硝化纤维。可能包含的无机粘合剂包括但不限于氟化玻璃。
如上所述，涂层204包括一种或多种具有固体膜润滑性能的组分。为了优化这些性能，固体膜润滑剂组分以粒子(本文以后称作“固体膜润滑粒子”)形式沉积在基体202上，粒子被涂层材料210全部包围或部分包围。因此，如附图2所示，涂层204由多个固体膜润滑粒子构成，其中包括全部包围的固体膜润滑粒子206和部分包围的固体膜润滑粒子208。在一个实施例中，大部分(例如，大于50％)固体膜润滑粒子206、208包括MAX材料。在另一个实施例中，基本上所有(例如，大于99％)固体膜润滑粒子206、208包括MAX材料。涂层材料210要选择当处于随处理过程变化而变化的预定处理温度下时抗氧化能力强于所述化合物的材料。例如，在一个实施例中，预定处理温度可为高于固体膜润滑剂组分可氧化的温度。在另一个实施例中，预定处理温度可等于或高于约980℃。
若干种材料可适于作为涂层材料210。在一个实施例中，涂层材料210可包括合适的金属，如镍、金、银、铂、钯和/或贵金属。在另一些实施例中，涂层材料可包括无机材料、陶瓷和玻璃或硅酸盐。合适的无机材料的实例包括但不限于二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)和氧化锆(ZrO2)。合适的陶瓷可包括但不限于二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)和氧化锆(ZrO2)。合适的玻璃包括但不限于硅酸盐和硼酸盐。还在另一些实施例中，涂层材料210可包括或可不包括一种或多种上述用作涂层204配方组分的材料。在所有情况下，涂层材料210可构成少于约5％的涂层204。
如附图2所示，涂层204可包母体212，全部包围的固体膜润滑粒子206和部分包围的固体膜润滑粒子208嵌在母体中。在一个实施例中，母体212可包括一种或多种上述包括在涂层204配方中的组分，包括其他具有固体润滑性能的组分。在另一个实施例中，母体212可包括涂层材料210。
可以使用图3所示的方法300在基体202上形成涂层204。实施例中，方法300包括步骤302，准备待涂敷的基体表面。在一个实例中，表面准备包括化学处理过程。例如，基体表面可经过化学蚀刻，以提供适于供涂敷粒子结合于其上的微粗糙表面。在一个实施例中，该基体表面可以通过将化学蚀刻剂涂覆于其上来进行化学蚀刻。合适的化学蚀刻剂包括但不限于氯化铁溶液(例如，水中有40％重量的氯化铁)和稀矿物酸。在另一个实例中，表面准备可包括使基体表面氧化从而在其上形成氧化膜。在一个实施例中，基体表面可在存在有空气的条件下加热的方式被氧化。例如，基体和空气被加热到约500℃至约1000℃的温度范围或适于促进氧化的任何其他温度。在又一个实施例中，基体表面可被清洁。在一个实施例中，基体表面通过去离子水清洗，以去除化学蚀刻剂的任何痕迹(如果用了的话)，或去除灰尘或其他不需要的颗粒。
步骤302之前、之后或大体同时，进行步骤304，获得多个涂敷粒子。在一个实施例中，可形成涂敷粒子。附图4为根据一个实施例的形成涂敷粒子的方法400的流程图。首先，步骤402，提供具有所期望的固体膜润滑性能的固体膜润滑粒子。在一个实施例中，固体膜润滑粒子可包括MAX材料。例如，MAX材料可为成品粉末。在另一些实施例中，MAX材料通过组合并混合粉末形成大体均质的混合物来制造。在一个实施例中，获得MAX材料中的每个元素的粉末。例如，在其中MAX材料包括Cr2AlC的实施例中，获得元素铬粉、元素铝粉和元素碳粉。在一个实施例中，该粉末通过磨、粉碎或其他方式转换成粒子而制成，其中粒子直径在约1nm到约25μm的范围内。在其他实施例中，直径可以大于或小于这个范围。
接下来，所述粉末按合适的化学计量比来组合。例如，当准备Cr2AlC时，其为2-1-1化合物，1摩尔当量(1x)的铝和碳与2摩尔当量(2x)的铬组合。所述粉末能够通过球磨或其他合适的混合手段均匀组合。在其中具有固体膜润滑性能的粒子包括其他材料的实施例中，可以执行前述配方过程，或可以替代地执行其他配方过程。例如，虽然下面的描述涉及MAX材料用作固体膜润滑粒子的使用，但也可如前所述附加地或者替代地使用其他无机材料。
步骤404，该固体膜润滑粒子然后变换为多个涂敷粒子。例如，围绕每个固体膜润滑粒子的整个表面可形成一层，该层包括涂层材料，当处于高于预定处理温度的温度时，该涂层材料具有比MAX材料更强的抗氧化能力。在一个实施例中，该预定处理温度可为约980℃。在其他一些实施例中，该预定处理温度可以小于或大于980℃。在所有情况下，该层可用作粒子的保护涂层，因此MAX材料可以用在其中发生暴露于预定处理温度情况的处理过程中。
如上所述，若干个涂层材料可合适地包括层；因此，形成层的特定方式可变化。步骤406，在一个实施例中，其中涂层材料包括金属，如镍、金、银、铂、钯和/或其他贵金属，涂层材料可以化学镀到每个固体膜润滑粒子上。特别地，MAX材料可以置于一槽中，该槽包括电镀或化学镀溶液，例如化学镀镍-磷溶液(例如，MacDermid的MacDermid Niklad 724，Denver公司)化学镀镍一硼溶液(例如，MacDermid的MacDermid Niklad 752，Denver公司)或用于二氧化硅(SiO2)、氧化铝(A12O3)和/或氧化锆(ZrO2)溶胶凝胶涂层的前体，且一种或多种溶液(其中至少一个包括涂层材料)可以在槽中混合。因此，涂层材料可粘结在每个固体膜润滑粒子的表面。步骤408，在另一个实施例中，涂层材料可电解法镀在固体膜润滑粒子上。在这种情况下，MAX材料可以放置在电解槽中，涂层材料可在电解槽中混合。在槽通电后，涂层材料就粘结在每个固体膜润滑粒子的表面上。
步骤410，在又一个实施例中，涂层材料选自陶瓷或硅酸盐，MAX材料可以通过溶胶-凝胶过程涂敷有涂层材料。根据溶胶-凝胶过程的一个实施例，可获得液相的涂层材料。在一个实施例中，MAX材料然后可混入该液体形成胶质。在另一个实施例中，MAX材料可分散在液体中形成悬浮液。接下来，胶质或悬浮液可以经干燥或热处理得到多个涂敷粒子。
由于上述涂敷过程，基本上所有(例如，至少约99％)的固体膜润滑粒子涂敷了一层涂层材料。在一个实施例中，每层具有约0.05微米到约5.0微米范围内的厚度。根据其他实施例，该层还可以更厚或更薄。
回到附图3，步骤306，将多个涂敷粒子涂覆到基体上。在一个实施例中，多个涂敷粒子可以与附加组分混合以形成涂层粉末混合物。例如，附加组分可以为一种或多种上述关于涂层204的配方的组分(附图2)。在另一个实施例中，多个涂敷粒子可以与液体混合以形成糊。该液体可以是去离子水、酒精或其他合适溶剂。在一个实施例中，在所有情况下，该糊具有约50,000到300,000厘泊范围内的粘度。在另一个实施例中，该糊的粘度可在约100,000到300,000厘泊范围内，但在其他一些实施例中，可在约100,000到250,000厘泊范围内。在另一个实施例中，可以添加粘结剂到糊中。例如，合适的粘结剂包括有机粘结剂，例如乙基纤维素、硝化纤维素和丙烯酸。
然后，糊可被涂覆到基体上。在一个实例中，该糊可以通过厚膜丝网印刷过程涂覆到基体上。在一个实施例中，丝网布置在基体待涂敷的部分之上，糊通过丝网压制在基体上。丝网留在基体上的任何印记可在后续打磨过程中去除。在另一个实施例中，糊可形成为带，而带可被传送到基体上。在另一些实施例中，可采用替代的涂覆处理工艺。例如，糊可以涂在或刷在基体上，或糊被喷涂、印刷、浇铸或刮浆到基体上。
在一个实施例中，糊在置于基体上之后，可以进行空气干燥。在另一个实施例中，糊可以通过加热到足够从其去除基本上所有液体的第一温度来干燥。在一个实施例中，该第一温度可以在约85℃到150℃之间。在另一个实施例中，该第一温度可以在约95℃到150℃之间。在又一个实施例中，该第一温度可以在约100℃到150℃之间。在一个实施例中，该第一温度可以保持一段时间，在约5分钟到60分钟之内。
步骤308，该基体可以进行热处理以形成热处理涂层。在一个实施例中，该热处理在第二温度下进行以使得最终产生的涂层具有所需性能。例如，第二温度可以大于第一温度，且可以足以熔化糊中的组分而不熔化基体。在一个实例中，该第二温度可在约600℃到1200℃之间。在这些温度下，在涂敷粒子周围的涂层材料包括二氧化硅和/或陶瓷的实施例中，涂层材料可熔化或至少部分软化以用作粒子和/或涂层配方组分之间的粘合剂。结果，热处理涂层的表面可包括多个粒子，大多数粒子或是涂敷粒子或全部被涂层材料包围。
步骤310，为了提高热处理涂层的固体膜润滑性能，可进行打磨以行车成品部件。在一个实施例中，热处理涂层的表面被打磨以从位于表面的涂敷粒子去除至少一部分涂层材料。结果，至少一部分固体膜润滑粒子可以暴露，在部件使用过程中能够展现固体膜润滑性能。在一个实施例中，可以使用研磨糊、纸和/或垫进行打磨。涂敷基体可以在成品部件上进行进一步处理和/或用到其他更大的部件中和/或用到发动机、涡轮增压器等中以供使用。例如，在箔片轴承情况下，该涂敷基体可以形成为合适形状的圆柱体，用到发动机轴上。
通过利用上述方法加工涂敷基体，在特定处理温度下会氧化的固体膜润滑剂可以使用在采用较高处理温度的处理过程中。特别地，通过用能在较高的处理温度下抗氧化的涂层材料涂覆固体膜润滑粒子，可以避免固体膜润滑粒子在处理过程中氧化。另外，固体膜润滑粒子上的涂层材料在粒子涂覆到基体上之后的后续打磨增强了粒子的固体膜润滑性能。
至少一个示例性实施例已在前面对本发明的主题的详细描述中给出，可以理解的是存在大量的变形。示例性实施例或多个示例性实施例均为举例说明，不是用来以任何形式限制本发明主题的范围、用途和构造。前述详细描述为本领域技术人员实施本发明主题的示例性实施例提供了便捷的方式。可以理解的是在不脱离权利要求的本发明的主题的范围内，示例性实施例中描述的部件的功能和设计具有多种变化方式。
Claims (5)
1.一种涡轮增压器，包括：
轴；和
箔片轴承，围绕所述轴设置，该箔片轴承包括：
基体；和
基体上的涂层，该涂层包括多个固体膜润滑粒子，每个固体膜润滑粒子包括至少一种具有化学式Mn+1AXn的化合物，其中M为至少一种选自族IIIB、IVB、VB和VIB的前过渡金属，A为至少一种选自族IIIA、IVA、VA、VIA和VIIA的元素，X为碳和氮中的一种或两种，n为1到3的整数，多个固体膜润滑粒子包括全部包围的固体膜润滑粒子和部分包围的固体膜润滑粒子，每个所述全部包围的固体膜润滑粒子被涂层材料包围，所述涂层材料在处于预定处理温度时具有比所述至少一种化合物更强的抗氧化性；
其中，所述涂层还包括根据受控打磨过程产生的经打磨的接触表面，部分包围的固体膜润滑粒子沿着经打磨的接触表面布置，并且其中，部分包围的固体膜润滑粒子的每一个包括一全部包围的固体膜润滑粒子，涂层材料的一部分已经在所述受控打磨过程期间被从该全部包围的固体膜润滑粒子去除，以通过所述涂层的经打磨的接触表面暴露部分包围的固体膜润滑粒子并且提高其润滑性。
2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述涂层包括至少一种金属，其选自包括镍、金、银、铂、钯和其他贵金属的组。
3.如权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述涂层包括选自包括无机金属、陶瓷和硅酸盐的组的材料。
4.如权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述化合物包括至少一种铝基化合物，其选自包括Cr2AlC、V2AlC、Ti2AlC、Ti3AlC2、Ti4AlN3、Ta2AlC、Ta4AlC3、Ti2AlN的组。
5.如权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述基体包括镍基超合金。
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