CN104379295B - 用于制造构件的方法和设备以及用于涡轮机的相应旋转体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造构件（100）的方法，其中，所述方法具有提供步骤和加热步骤。在提供步骤中提供由第一材料制成的第一部件（102），其中，第二材料（104）布置在所述第一部件（102）的接收部中。在加热步骤中将所述第一部件（102）和所述第二材料（104）至少加热到所述第二材料（104）和/或所述第一材料的反应温度上，以便使所述第二材料（104）和所述第一部件（102）连接。

Description

用于制造构件的方法和设备以及用于涡轮机的相应旋转体

技术领域

本发明涉及一种用于制造构件的方法、一种相应的设备以及一种用于涡轮机的旋转体。

背景技术

在制造废气涡轮增压器时，大多由精细铸造的镍基合金制成的涡轮（TR）被引导到钢轴上。这根据标准利用像钎焊、熔焊或摩擦焊接那样的方法来实现。

DE 10 2008 062 553 A1描述了一种尤其用于机动车的废气涡轮增压器的转子。

发明内容

在该背景下利用本发明提出了一种用于制造构件的方法、一种使用该方法的设备、用于涡轮机的一种旋转体以及最后提出一种相应的计算机程序产品。有利的设计方案下面的描述中获得。

本发明基于这样的认识：在加热阶段中的一热处理过程中可以发生由不同材料制成的两个部件之间的钎焊过程。在接下来的热处理阶段中可以通过热来不可逆地改变这些材料中的至少一种。通过在这里所提出的方式提供了这样的可能性：非常灵活地不同的多个部件利用一连接技术被连接，该连接技术即使在高温下确保了待连接的元件的可靠连接。

本发明提出了一种用于制造构件的方法，其中，所述方法具有下列步骤：

提供由第一材料制成的第一部件，其中，第二材料布置在所述第一部件的接收部中；以及

将所述第一部件和所述第二材料至少加热到所述第二材料和/或所述第一材料的反应温度，以便使所述第二材料和所述第一部件连接。

制造可以被理解为在一接合部位上使由第一材料制成的第一部件与由第二材料制成的第二部件连接。第一材料例如可以是很难能焊接的材料。例如，第一材料可以是耐高温的材料。该第一材料可以是在烧结前具有作为过程温度的预先给定的烧结温度和/或预先给定的颗粒大小和/或预先给定的装入密度的烧结材料。例如，第一材料也可以是高合金金属或各种材料的连接物或混杂物。第二部件例如可以是插入件或中间材料。第二材料可以是具有预先确定的特性的辅助材料。第一材料可以不同于第二材料。中间材料或第二材料可以比另一种材料更好地与第一材料连接。由第一材料和所述另一材料组成的直接材料对可以与由第二材料/中间材料和第一材料组成的第一材料对相比和与由第二材料/中间材料和所述另一材料组成的第二材料对相比更难连接。提供可以包括第二部件/中间材料的接入。所述接收部例如可以构造为缺口并布置在接合部位的区域中。所述接收部可以在加热步骤中水平地取向。反应温度例如可以提供用于第一材料和第二材料之间的连接过程的活化能量。在达到反应温度的情况下可以开始材料之间的扩散过程，这些扩散过程能够实现这些材料的不可松开的连接。第二材料可以材料锁合地与第一材料连接。第二材料可以具有这样的熔融温度，该熔融温度低于第一材料的过程温度，尤其是如果第一材料是在该过程温度下被烧结的烧结材料的话。第二材料可以具有在熔融液态状态下的第一材料的预先确定的润湿行为和/或熔液的预先确定的粘性。

此外，本发明提供了一种用于制造构件的设备，其中，该设备构造用于在相应的装置中执行或转换根据在这里所提出的方式的方法的步骤。通过本发明的以一设备为形式的实施变型也可以快速和高效地解决本发明的任务。设备可以被理解为一种控制设备或一种制造设备，其利用相应的单元以前面提到的步骤制造构件。

本发明还提供了用于涡轮机的旋转体，其中，该旋转体具有下列特征：

由第一材料制成的涡轮，其中，涡轮在涡轮主旋转轴线的延长部中具有一接收部；以及

第二材料，该第二材料布置在所述接收部中，并且与涡轮以材料锁合的方式连接。

旋转体可以是内燃机的能旋转的构件。涡轮机可以构造用于将来自流体的能量转换成机械能。涡轮可以构造用于被流体通流并且在此将来自流体的能量通过功能面导出。接收部例如可以是涡轮中的凹地成形的缺口。第二材料可以具有所述缺口的轮廓。第二材料可以完全填充接收部横向于主旋转轴线的至少一个横截面。沿主旋转轴线，第二材料可以不及涡轮的本体棱边。在涡轮与第二材料的边界面上可以构造第一材料和第二材料之间的混合区域。例如可以使第二材料的一部分扩散到或烧结到涡轮的第一材料中。

旋转体可以具有由另一材料制成的轴，其中，轴的主轴线沿主旋转轴线取向并且轴的一个端部布置得相邻于接收部并且与第二材料连接。所述另一材料可以与跟第一材料连接相比较容易和/或较稳定地与第二材料连接。通过使用第二材料或中间材料可以将轴例如一般来说首先与涡轮结合或与技术上和经济上对于大规模生产可接受的耗费相结合。

所述第一材料可以存在于至少两个可能状态中的第一状态中，尤其其中，该第一状态是未烧结状态。第一材料可以是烧结材料。特性可以补充。通过烧结可以连接这些材料，它们可以是很难连接的。在未烧结的状态下，第一部件可以具有最终构件的构型。第一部件可以实施得比最终构件大一个收缩附加部。在未烧结的状态下，第一材料可以具有添加物，这些添加物在烧结期间被挥发。在未烧结状态下，第一材料可以是多孔的。第二材料也可以存在于一初始状态中并且在加热步骤中经历改变。当第一材料存在于第一状态中时，第二材料可以与第一材料连接。如果第一材料存在与第二状态中，那么第二材料可能与第一材料是不能连接的或较难与第一材料连接。

所述第一部件和所述第二材料可以超过所述反应温度被加热到一状态改变温度上，其中，所述第一材料不可逆地从第一状态转变到第二状态中，尤其其中，所述第一材料被烧结。状态改变温度可以比反应温度更高。如果达到所述状态改变温度，可以终止第二材料与第一材料的反应。例如可以在达到所述状态改变温度时关闭第一材料中的孔，从而使得第二材料不能继续进入到第一材料中。在达到状态改变温度时，第一材料的颗粒可以进入彼此不能松开的连接并且添加物可以从第一材料中除去。

所述第一部件和所述第二材料可以在使用预先确定的关于时间的温度曲线的情况下被加热。在预先确定的关于时间的温度曲线上，第一部件和第二材料可以例如被保持在所述反应温度上，直到第二材料的预先确定的份额与第一材料起反应。通过使用预先确定的关于时间的温度曲线可以控制所述连接过程。该连接的预期特性可以因此被调节。

反应温度可以高于中间材料/第二材料的熔融温度。替换地或补充地，所述反应温度可以低于第一材料的熔融温度。第二材料可以熔融液态地进入所述第一材料中，而第一材料保留在固体状态中。第一材料可以保持它的构型，而第二材料的构型可以改变。例如可以使第二材料的一部分渗入到第一材料中。

该方法可以具有使由另一种材料制成的另一部件与所述第二材料/中间材料连接的步骤，以便使所述另一部件与所述第一部件连接，其中，所述另一材料与所述第一材料不同。在该连接中可以将所述另一部件与中间材料或第二材料之间的至少一个接触部位加热到所述第二材料对的反应温度上。

所述另一部件可以与第二材料/中间材料焊接。例如可以使所述另一部件通过摩擦焊接与第二材料/中间材料连接。在焊接过程中可以在没有附加物的情况下连接这些材料。例如在激光焊接的情况下可以在所述另一部件和/或第二材料中很小地保持热影响区域。

第一部件可以是用于旋转体的涡轮。所述另一部件可以替换地或附加地是用于旋转体的轴。因此可以制造一旋转体，它的涡轮可以由一种能在热方面高负载的材料制造，而轴可以由可延展（duktilen）和/或阻尼振动的材料来制造。通过用于根据这里所提出的方式的连接的方法可以制造这样的元件，其中，各个子元件具有这样的各种特性，这些特性由此被有利地组合。

附图说明

下面参照附图举例详细阐释本发明。其中：

图1a至图1c示出了根据本发明的一实施例的旋转体的制作过程的步骤的视图；

图2示出了根据本发明的一实施例的用于在一接合部位上使由第一材料制成的第一部件与由第二材料制成的第二部件连接的方法的流程图；

图3示出了根据本发明的一实施例的用于在一接合部位上使由第一材料制成的第一部件与由第二材料制成的第二部件连接的设备的方块图；

图4a至图4c示出了根据本发明的一实施例的用于在一接合部位上使由第一材料制成的第一部件与由第二材料制成的第二部件连接的方法的步骤的视图。

具体实施方式

在下面的本发明的优选实施例的描述中，针对在不同的附图中展示的并且相似作用的元件采用相同的或者相似的附图标记，其中，舍弃了所述元件的重复描述。

图1a、1b和图1c示出了根据本发明的一实施例的旋转体100的制作过程的步骤的视图。所述旋转体100具有一涡轮102、一中间材料104和一轴106。所述涡轮102具有多个涡轮叶片108。所述涡轮叶片108构造为能沿径向入流的轮廓，其中，在运行中，沿径向在涡轮102的周边上进入的流体流在涡轮102通流时被侧向偏转，并且沿轴向在涡轮102的主旋转轴线附近的流出侧上流出所述涡轮102。与流出侧相对地，涡轮102具有一居中的缺口。该缺口作为接收部构造用于接收由中间材料制成的本体104。该本体104完全填充所述缺口。穿过所述缺口的截面的面重心可以与穿过该截面的主旋转轴线的冲击点（Durchstoßpunkt）取得一致，其中，截面垂直于主旋转轴线取向。所述涡轮102在该实施例中实施为烧结件。

换句话说，图1a、1b和1c示出了用于使涡轮102连接到一个轴106上的组合钎焊-熔焊过程。在这里所提出的方式描述了一种组合的钎焊-熔焊过程，以便使涡轮102简单和成本低廉地与轴106连接。所提出的方法特别有利于涡轮106，这些涡轮通过金属粉末注塑来制造，但是不限制于这些。

为了绕开很难能焊接的材料的焊接，在涡轮102的制造过程中（在金属粉末注塑下的烧结过程、在精细铸造下的热处理）在与轴106的连接部位上置入一种能焊接的中间材料104。接下来，涡轮102以常规方法（例如激光焊接、摩擦焊接）与轴106连接。这在高的能负载的高温材料，例如具有γ’-沉淀的镍基合金或铝化钛合金下特别有利，因为这些材料在轴106的材料上的直接焊接很难或甚至是不可能的。

在图1a中，涡轮102在烧结过程之前是坯件，也就是说，涡轮102已经基本上具有它的最终形状，涡轮的材料但是是未烧结的。涡轮102的原材料是金属粉末，该金属粉末能够借助于接合介质固化。所述金属粉末例如在金属粉末注塑用于成形时在压力下置入阴模中并且在此形成阴模的轮廓。在该阴模中，该金属粉末利用接合介质固化成涡轮102的轮廓。该材料在烧结前大于烧结后。在未烧结状态下，该材料是多孔的。在烧结期间例如在烧结炉中，材料缩小，这是因为接合介质分解并且金属粉末的颗粒在它们的接触点上构成结合物。在此也减少了孔隙率。这些孔可以完全关闭。在烧结状态下，涡轮102具有它的完成尺寸。在图1a中，涡轮102是未烧结的并且中间材料106布置在接收部中。所述涡轮102在烧结位置中成形。在此，主旋转轴线垂直延伸。缺口向上指向，从而使得该缺口形成一个盆。

图1b示出了在烧结之后的涡轮102。所述涡轮102现在具有它的完成尺寸。具有高的公差要求的功能面、例如密封面和/或轴承座还可以后加工。在烧结过程期间，中间材料104在缺口中熔融。熔融液态的中间材料104进入烧结材料的孔中并且构成反应区域，在这些孔关闭前。由此，中间材料104在缺口中的水平下降。留下的剩余中间材料104直接牢固地与涡轮102的材料连接。

通过金属粉末注塑制造的构件在烧结过程中从多孔的坯体被压缩成紧密的构件。在烧结前可以将材料104给送到涡轮102的一留空部中，该材料刚好在涡轮102的烧结温度下面一点熔融并且产生与涡轮材料的牢固连接。

中间材料104的熔融温度在涡轮材料的烧结温度之下离得越远，熔融液态的中间材料104可以越深地进入涡轮材料的已有的孔隙中，这导致两种材料的更好连接。中间材料104的进入深度不仅与它的熔点相关，也与熔液的粘性、润湿行为以及涡轮粉末材料的颗粒大小和装入密度相关。中间材料104由此可以适配各种涡轮材料。Ni基的中间材料104适用于由镍基合金制成的涡轮102，它的熔点可以通过添加作为辅助组份的主要是Fe、Cr、Zr、Sn、Cu和Mo、V、Ti和Mn来适配涡轮102的烧结温度。对于由铝化钛合金制成的涡轮102，中间材料104可以基于Ni基，伴随添加Fe、W、Mo、Cr、Ta、Hf、Nb、V或基于Ti基，伴随添加Ni、V、Mn、Cu、Si、Zr。对于由Ti基或TiAl合金制成的涡轮102已证实特别有利的是含钒的材料。

图1c完全地示出了所述旋转体100。所述轴106与所述中间材料104连接。由此，轴106抗相对转动地与涡轮102耦接。轴106沿旋转体的主旋转轴线取向并且与所述中间材料104焊接。

图2示出了根据本发明的一个实施例的用于制造像图1中示出的构件的方法200的流程图。所述方法具有一提供步骤202和一加热步骤204。在提供步骤202中提供由第一材料制成的第一部件。在第一部件的接收部中布置第二材料。在加热步骤204中，第一部件和第二材料至少被加热到第二材料的反应温度上，以便使第二材料与第一部件连接。第一部件和第二材料可以替换地被加热到第一材料以及第二材料的共同的反应温度上。

图3示出了根据本发明的一实施例的用于在一接合部位上使由第一材料制成的第一部件与由第二材料制成的第二部件连接的设备300的方块图。设备300具有用于提供的装置302和用于加热的装置304。用于提供的装置302构造用于提供由第一材料制成的第一部件。第一部件具有一接收部。在该接收部中布置有由第二材料制成的第二部件。例如，用于提供的装置可以由一运输容器接收具有第二部件的第一部件并且将它们引入用于加热的装置304。同样地，用于提供的装置302可以构造用于：在一变形过程中制造第一部件并且将第二部件布置在接收部中。接下来，用于提供的装置302可以将具有插入的第二部件的第一部件置入用于加热的装置。用于加热的装置304构造用于：将第一部件和第二部件至少加热到第二部件的反应温度上。用于加热的装置可以构造用于：将第一和第二部件加热到第一和第二部件的共同的反应温度上，以便使第二部件与第一部件连接。

图4a至图4c示出了根据本发明的一实施例的用于在一接合部位上使由第一材料制成的第一部件102与由第二材料制成的第二部件104连接的方法的步骤的视图。这些步骤在来自一较大的构件的细节截段中示出。第一部件102具有一凹的留空部，该留空部构造为用于第二部件104的接收部。该留空部向上打开地示出。

在图4a中，第二部件104布置在第一部件102的留空部中并且完全填充该留空部。留空部的边缘与第二部件104的上棱边对齐。第一部件未烧结并且是多孔的。

在图4b中，第一部件102和第二部件104至少加热直到第二材料的反应温度上。接下来，第一部件102和第二部件104加热直到第一材料的一状态改变温度上。在达到反应温度的情况下，第二部件104熔融并且进入到第一部件102的多孔结构中。在此，反应区域400这样构造，在该反应区域中，第二材料直接与第一材料连接。在达到状态改变温度时，第一材料呈现第二状态。在该实施例中，烧结过程已开始并且孔已关闭。熔液到第一材料中的进入在此停止。第一材料在该状态改变时经历体积改变。用于制造坯件的辅助材料在烧结时大部分被气体析出。第一材料收缩。因此，第一部件102的几何尺寸变得较小。第二材料部分地在第一材料中渗透。由此，第二部件不再完全填充留空部。留空部的边缘在所述加热后突出。

在图4c中，另一部件106借助于材料锁合连接方法与第二部件连接。所述另一部件106是另一种材料。该另一种材料与跟第二部件104的第二材料相比与第一部件102的第一材料困难得多地能连接。在该实施例中，所述另一部件是用于旋转体的轴106，该旋转体像在图1中示出的那样。所述另一材料是金属性材料、例如钢。第二部件是中间材料104。所述轴106与所述中间材料104焊接。在轴106与中间材料之间的边界面上有一焊接部位402。第一部件是涡轮102。涡轮102在焊接前被加工。留空部的突出的边缘已除去。这些边缘在加工后布置在具有中间材料104的表面的一平面中。在加工时也可以除去中间材料104的一部分，以便获得中间材料的预期的层厚。焊接部位402面式地在轴106和中间材料104的共同的边界面上延伸。在轴106和涡轮102之间的边界面上没有构造焊接部位，这是因为涡轮102的烧结材料不能在经济的条件下与轴106的钢焊接。如果轴106例如通过摩擦焊接与中间材料106连接，那么在轴106和涡轮102的边界面上可以进行两种材料的啮合。通过适当的过程控制可以在摩擦焊接时取消涡轮102的加工，因为突出的材料可以挤入在这里未示出的焊接隆起部中。

中间材料104进入所述涡轮材料的孔中是有利的，但是不是强制的。熔液的太深的进入可能导致烧结时的涡轮材料的收缩阻碍并且由此导致烧结后的涡轮102的尺寸偏离。

该进入可以以金相法和化学分析（SEM-EDX）良好地检查。

在这里所提出的方式也可以使用在精细铸造的涡轮102中。在这里，该过程同样可以与涡轮102的热处理组合。中间材料104的熔融温度可以被相应适配。在该情况下不出现熔液进入涡轮材料中。

在这里所提出的过程之后可以将中间材料104在涡轮102的连接区域中利用常规的焊接方法与轴106连接。

在这里所提出的方式可以在这样的任何领域中使用，在那里，涡轮106应当与一个轴连接，例如在废气涡轮增压器中、在通流测量装置中、在驱动机构中或在变矩器中。

所描述的并且在附图中所示的实施例仅是示例性地选择的。不同的实施例可以完全地或者关于单个的特征相互组合。一个实施例也可以通过其他实施例的特征来补充。

此外，可以重复根据本发明的方法步骤以及以不同于所描述的顺序进行实施。

如果一实施例包含在第一特征和第二特征之间的“和/或”关联，则应该理解为，所述实施例根据一种实施方式不仅具有第一特征而且具有第二特征，并且根据另一种实施方式要么仅具有第一特征要么仅具有第二特征。

Claims (7)

1.用于制造构件的方法（200），其中，所述方法（200）具有下列步骤：

提供（202）由第一材料制成的第一部件（102），其中，第二材料（104）布置在所述第一部件（102）的接收部中；

将所述第一部件（102）和所述第二材料（104）至少加热（204）到所述第二材料（104）和/或所述第一材料的反应温度，以便使所述第二材料（104）和所述第一部件（102）连接；

将由另一材料制成的另一部件（106）与所述第二材料（104）连接，以便使所述另一部件（106）与所述第一部件（102）连接，其中所述另一材料与所述第一材料不同，其中所述另一部件（106）与所述第二材料（104）焊接，

其中，在所述加热（204）的步骤中，所述第一部件（102）和所述第二材料（104）超过所述反应温度被加热到一状态改变温度上，其中，所述第一材料不可逆地从第一状态转变到第二状态中，其中在所述第二状态中所述第一材料被烧结，

其中，在所述加热（204）的步骤中，所述反应温度高于所述第二材料（104）的熔融温度。

2.根据权利要求1所述的方法（200），其中，在所述提供（202）的步骤中，所述第一材料存在于至少两个可能状态中的第一状态中，其中所述第一状态是未烧结状态。

3.根据权利要求1或2所述的方法（200），其中，在所述加热（204）的步骤中，所述第一部件（102）和所述第二材料（104）在使用预先确定的关于时间的温度曲线的情况下被加热。

4.根据权利要求1或2所述的方法（200），其中，所述反应温度低于所述第一材料的熔融温度。

5.根据权利要求1或2所述的方法（200），其中，在所述提供（202）的步骤中，所述第一部件（102）是用于旋转体（100）的涡轮和/或所述另一部件（106）是用于所述旋转体（100）的轴。

6.用于制造构件的设备（300），其中，所述设备（300）具有这样的装置（302、304），这些装置构造用于执行根据权利要求1至5之一所述的方法（200）的步骤。

7.用于涡轮机的旋转体（100），其中，所述旋转体（100）具有下列特征：

由第一材料制成的涡轮（102），其中，所述涡轮（102）在所述涡轮（102）的主旋转轴线的延长部中具有一接收部；

第二材料（104），所述第二材料布置在所述接收部中，并且与所述涡轮（102）材料锁合地连接；并且

由另一种材料制成的轴，所述轴与所述第二材料焊接，

其中，所述涡轮（102）和所述第二材料（104）超过反应温度被加热到一状态改变温度上，其中，所述第一材料不可逆地从第一状态转变到第二状态中，其中在所述第二状态中所述第一材料被烧结，

其中，所述反应温度高于所述第二材料（104）的熔融温度。