CN104395027A - 废气涡轮机的涡轮机转子以及用于制造涡轮机转子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于废气涡轮机的涡轮机转子(1)以及一种用于制造这种涡轮机转子(1)的方法。涡轮机转子(1)具有由耐高温的金属合金构成的涡轮机叶轮(2)和由钢构成的转子轴(4)，叶轮轮毂(3)和转子轴端部(4a)通过钎焊连接(9)而材料配合地相互连接。转子轴端部(4a)或/和叶轮轮毂(3)具有居中布置的用作热量节制件的凹缺，其中，在相应的凹缺中设有封闭堵塞(6)，使得该封闭堵塞与凹缺形成一个封闭的空腔(5a、5b)，并使得该凹缺朝向相应的端面(7、8)封闭。钎焊连接在叶轮轮毂(3)和转子轴(4)的端面(7、8)之间形成，且在封闭堵塞(6)和叶轮轮毂(3)以及转子轴(4)之间形成。

Description

废气涡轮机的涡轮机转子以及用于制造涡轮机转子的方法

本发明涉及一种废气涡轮机的涡轮机转子以及一种用于制造涡轮机转子的方法，该涡轮机转子在从涡轮机叶轮到转子轴的通路上带有热量节制件。

这种涡轮机转子由作为结构单元的涡轮机叶轮和转子轴构成，且例如是汽车内燃机的废气涡轮增压机的工作轮的一部分。涡轮机转子在废气涡轮增压机中用于把在内燃机废气中含有的废气能量转变为工作轮的旋转能量，还把这种旋转能量传递到于涡轮机转子连接的压缩机轮上。又借助于压缩机轮利用旋转能量来使得输送给内燃机的空气产生提高的压力，进而用于提高内燃机的功率和效率。

替代地，例如也可以使得发电机与涡轮机转子耦接，借助于发电机使得旋转能量转变为电能，电能又能在多方面得到利用。

但这种主要应用领域涉及用于汽车中的内燃机的废气涡轮增压机，因此，为便于理解，此后在说明书中参见废气涡轮增压机。

废气涡轮增压机广泛地应用于提高汽车内燃机的功率。此点日益频繁，其目的是，在功率相同或者甚至提高的情况下，减小内燃机的结构尺寸和重量，同时针对日益严格的法律规定在此方面减少消耗，进而减少CO₂排放。工作原理在于，利用废气流中含有的能量来提高内燃机进气道中的压力，从而改善对燃烧室的空气-氧气填充度，进而能在每次燃烧过程中都利用更多的动力燃料即汽油或柴油，因而提高内燃机的功率。

为此，废气涡轮增压机具有设置在内燃机废气道上的涡轮机和设置在进气道上的压缩机，压缩机带有能建立压力的压缩机叶轮。涡轮机叶轮和转子轴材料配合地相互连接，由此形成一个结构单元。压缩机叶轮抗扭地固定在涡轮机转子的转子轴的与涡轮机叶轮相对的端部上，其中，转子轴可转动地支撑在布置于涡轮机与压缩机之间的轴承单元中。由此借助于废气质量流驱动涡轮机转子，而通过转子轴又驱动压缩机叶轮，由此利用废气能量在进气道中建立压力。

涡轮机轮在工作时位于热的废气流中，进而受到很大的温度波动，其中，尖峰温度乃至达到高于1000℃。同时，涡轮机转子以高达300000U/min的很高的转速旋转，因此，由于所出现的大的离心力而使得涡轮机叶轮特别是涡轮机轮叶片遭受很大的机械负荷。此外，特别是涡轮机轮的质量对于涡轮机的动态响应特性意义重大，这与按照大负荷对涡轮机叶轮进行的大质量设计背道而驰。

因此针对涡轮机叶轮采用耐高温的金属合金，以避免在工作中过早地失效。为此广泛地采用钛-铝合金(TiAl合金或铝化钛)或镍基合金(Ni合金)，其特点尤其在于其在高温情况下的高的比强度还有低的比重。此外，这种耐高温的金属合金的热膨胀系数很接近于在涡轮机制造中常用的金属，这有助于避免因热膨胀不同引发的问题。实际上使用内部金属混合物，其主要成分为钛和铝或镍。例如由DE 10 2007 048 789 A1也已知，完全可以改变具体的合金组分，还可以含有其它成分，其通常的特点为，钛含量介于50％和60％之间(重量含量)，而铝含量＞25％(重量含量)。其它成分例如可以为Cr、Nb、B、C或Mo。钛合金形成四方晶系的所谓的γ-TiAl相(伽马-铝化钛)，且根据其它不同相的含量而称为伽马合金、二相合金或片层合金。

Ni基合金例如是Inco 713C、Inco 713LC、MAR-M 246、MAR-M 247、B1964、IN 100或GMR-235。在下面的论述中，所有这些合金组织都统一地称为“耐高温的金属合金”。

另一方面，转子轴是涡轮机转子的支撑系统的一部分，且必须能够承受较大的变化弯曲负载，必须至少在支撑区域具有足够硬的外层，以便避免轴承卡住。

另一方面，转子轴不像涡轮机叶轮那样遭受极高的温度。适合于这种应用的相应材料例如为钢、特别是结构钢、低合金的或高合金的调质钢，比如42CrMo4(1.7225)、X22CrMoV12-1(1.4923)或X19CrMoNbVN11-1(1.4913)，或者还有超合金比如Inconel或Incoloy(也参见DE 10 2007 048 789 A1)。这些材料在下面的论述中简单地统一地称为钢。

为了能够利用相应材料的各自优点，涡轮机转子因而由上述组分制成，涡轮机叶轮由耐高温的金属合金制成，转子轴由钢制成，结果必须有利地借助于材料配合连接而接合成一个结构单元。

材料配合连接的连接各方借助原子力或分子力而接合，是不可松开的连接，只有在损坏的情况下才能再松开。相关地，材料配合连接尤其系指焊接和钎焊连接。

例如由DE 697 24 730 T2已知，相关地结合其它材料组分已知的摩擦焊接法只能有限地使用。其原因是，若采用摩擦焊接法，结构钢在冷却时由奥氏体转变为马氏体，这种转变引起钢的延展，造成剩余应力，即使TiAI具有高硬度，室温下的形变也要大约小于1％，因而TiAI叶轮会出现断裂。此外，TiAI与结构钢中的碳C会发生反应，进而在连接接口处形成碳化钛，接口处的硬度因而急剧下降。

为了避免该问题，在DE 697 24 730 T2中提出了一种钎焊方法，据此，在连接双方即涡轮机叶轮与转子轴之间加入钎焊材料，这种钎焊材料例如具有奥氏体组织。在WO 2008 039216 A2中也公开了这种钎焊方法。

根据DIN 8505，钎焊是一种用来使得材料按材料配合方式接合的热学方法，其中，通过焊料熔化而产生液相，因焊料在边界面扩散而产生连接。与焊接相比，另一主要区别是，这里并未达到连接各方的基本材料的固相线温度。因此，这种过程是在比焊接低的温度下进行的，在接合部位很少产生固有应力。另外，使用相应的焊料作为焊接各方之间的中间材料，这样能防止形成对硬度不利的组织结构。根据DE 697 24 730 T2，作为钎焊材料，有利地主要采用基于镍、铜、银或钛的金属合金。

使用这种涡轮机转子时的一个特殊问题在于，热量由在热的废气环境中运转的涡轮机叶轮通过热量传导经由连接部位传递到转子轴上，转子轴的材料并非被设计用于相同高的温度。也要避免转子轴的靠近轴承的区域过度变热，因为这会对轴承的运转特性产生不利影响。

为了限制热量从涡轮机叶轮传递到转子轴上，由现有技术例如EP 1 507 062B1已知，在涡轮机叶轮和转子轴之间的材料中开设出空腔。导热材料横截面在这个或这些空腔的区域中减小，这在热传导方面用作节制部位。产生这些空腔的通常方式为，在涡轮机叶轮轮毂或转子轴的要连接的端面之一上开设出例如盲孔形式的凹缺。但这又减小了在涡轮机叶轮轮毂与转子轴之间的钎焊连接的承载连接面，消弱了涡轮机转子的在该区域的机械承载性。

另一问题在于，即使钎焊温度较低也会超过转子轴所用的钢的奥氏体温度，致使钢发生软化。这种问题越严重，钎焊连接周围的变热区域就越大，有时甚至蔓延至转子轴的支撑区域。尤其在采用燃烧器、感应线圈或者甚至加热炉进行加热的常用方法中会出现这种情况。因此，不可避免地要事后重新对转子轴进行耗成本又耗时的再加工以及硬化。这对工业大批量生产来说极为不利。

因此，本发明的目的在于，提出一种用于废气涡轮机的涡轮机转子，它由耐高温的涡轮机叶轮和钢质转子轴构成，其中，在涡轮机叶轮和转子轴之间的热传导得到了减小，却使得涡轮机叶轮和转子轴之间的连接产生高的机械承载性，而无需对涡轮机转子进行繁琐的事后处理例如硬化。

目的还在于提出一种用于制造这种涡轮机转子的方法，该方法可成本低廉地在工业上在大批量生产中采用。

所述目的通过一种具有根据权利要求1的特征的涡轮机转子以及一种具有根据权利要求11的特征的用于制造这种涡轮机转子的方法得以实现。从属权项所述为有利的设计和改进，其可单独使用，或者相互组合地使用，只要不是相互抵触的替代式设计。

本发明的用于废气涡轮机的涡轮机转子具有涡轮机叶轮和转子轴，涡轮机叶轮带有叶轮轮毂，转子轴带有面向叶轮根部的转子轴端部。涡轮机叶轮由耐高温的金属合金构成，且优选采用常见的精铸方法制得。涡轮机叶轮具有基体以及叶轮轮毂，基体在前侧带有叶片组，叶轮轮毂的形式为同心地设置在基体的背侧的柱形区段。转子轴由钢构成，且优选为了以后的应用而加工好，并至少在以后的轴承部位的区域被硬化。叶轮轮毂和转子轴端部通过钎焊连接而材料配合地相互连接，其中，在叶轮轮毂与转子轴端部的端面之间，与涡轮机转子旋转轴线同心地设置有充有钎焊合金的钎焊缝隙。作为钎焊材料，有利地主要采用基于镍、铜、银或钛的金属合金。本发明的涡轮机转子的特点还有，转子轴端部或叶轮轮毂具有居中布置的凹缺，或者也可以无论转子轴端部还是叶轮轮毂都具有所述凹缺，该凹缺在涡轮机叶轮和转子轴之间的通路上用作热量节制件。本发明的涡轮机转子的特征是，在相应的凹缺中设有封闭堵塞，使得该封闭堵塞与凹缺形成一个封闭的空腔，并使得该凹缺朝向相应的端面封闭。为此，封闭堵塞经过优选设计，从而它与凹缺的轮廓相匹配，但在凹缺壁与封闭堵塞外轮廓之间却形成一个足够的缝隙，在钎焊过程期间可以把焊料引入到所述缝隙中，以便产生连接。钎焊连接在叶轮轮毂和转子轴的端面之间形成，且在封闭堵塞和叶轮轮毂以及转子轴之间形成。换句话说，钎焊连接既在转子轴端部和叶轮轮毂的相对的端面之间形成，又在堵塞的外表面与相应凹缺的内面之间在两个所述面的搭叠区域中形成，必要时还在对相应端面予以补充的封闭堵塞端面和转子轴端部或叶轮轮毂的各相对端面之间形成。

本发明的涡轮机转子的优点主要在于，一方面保证减小涡轮机叶轮与转子轴之间的热传导，另一方面通过借助封闭堵塞增大的连接面来大大地提高连接强度，进而实现涡轮机叶轮与转子轴之间的连接的大的机械承载性。

本发明的涡轮机转子的一种有利设计的特点是，涡轮机叶轮的耐高温的金属合金是TiAl合金或Ni基合金，转子轴的钢是低合金的或高合金的调质钢，或者是奥氏体钢。其优点是，可以由大量已知的材料进行优化的组合，用于实现所要求的特性。

本发明的涡轮机转子的另一种有利设计的特点是，钎焊连接采用电子束钎焊方法来产生。这能实现有针对性地控制钎焊过程，其中，由于在空间上受限地引入热量，转子轴的硬化在轴承部位区域不会受到不利影响，且可以省去额外的硬化过程。这是本发明的涡轮机转子在大批量生产中应用比如在汽车内燃机的涡轮增压器中应用的主要前提条件。

本发明的涡轮机转子的另一种有利设计的特点是，封闭堵塞在面向相应空腔的至少一侧具有凹缺，由此增大了相应的空腔。其优点是，形成热量节制件的空腔不会因塞入封闭堵塞而不利地减小，进而有损于节制效果，但在封闭堵塞的外表面和凹缺内壁之间却有足够大的搭叠面可供使用，用于形成增大的连接面。

在本发明的涡轮机转子的有利改进中，封闭堵塞为柱形，且在其外表面上具有条痕式的、沟槽式的或滚花式的凹坑，这些凹坑至少有一部分沿轴向伸展。这些凹坑在此优选沿着封闭堵塞的整个轴向长度伸展。外表面的如此产生的型廓可以具有或大或小的凹型部分，该凹型部分形成在外表面与相应凹缺内壁之间的相应的钎焊缝隙。通过这种方式优选产生介于0.05mm和0.15mm之间的钎焊缝隙宽度，其中，连接实现了最佳的强度值。封闭堵塞优选由与涡轮机叶轮或转子轴相同的材料制成，这便于选择焊料。如此设计的封闭堵塞的优点是，它能简单地且成本低廉地例如由棒料(Stangenmaterial)制成。即使封闭堵塞通过轻微的压配合塞入到相应的凹缺中，利用所设置的凹坑也能保证形成足够宽的钎焊缝隙，焊料能够在封闭堵塞外表面与凹缺内壁之间挤入到所述钎焊缝隙中，以便形成连接。原则上也可以省去凹坑，但这样一来就要以其它方式来保证产生足够的钎焊缝隙。

在转子轴端部或者在叶轮轮毂上或者既在转子轴端部又在叶轮轮毂上把相应的居中布置的凹缺构造为盲孔，这是本发明的涡轮机转子的另一有利设计。盲孔形式的凹缺可以简单地以所要求的精度在一道工序中制得，还能实现使用同样可简单地制得的柱形的封闭堵塞。

前述将相应的凹缺设计成盲孔，在这种设计的改进中可以规定，相应的盲孔具有梯段，该梯段使得盲孔朝向相应的端面扩展，且该梯段用作相应封闭堵塞的止挡。换句话说，这是一种两级的盲孔，它从端面起，直至一定的深度，也就是说，直至所设置的梯段，具有一定的(较大的)直径，而从该深度起又具有较小的直径。在这里，梯段优选为直角构造，从而它能够为封闭堵塞提供一个平面的止挡面。如此设计的凹缺例如可以利用梯级铣刀也在一道工序中制得。与较大的直径匹配的封闭堵塞因而可以简单地塞至止挡，且具有预定的位置。

采用有利的方式把封闭堵塞设置在相应的凹缺中，使得它的相应端面形成平面。由此沿着端面的整个直径在涡轮机轮毂和转子轴端部之间产生平面的连接面。焊料还在叶轮轮毂或转子轴端部上挤入到在封闭堵塞外表面与相应凹缺内壁之间的沿轴向伸展的环形缝隙中，并在那里形成钎焊连接。如此实现的对连接面的增大在整体上提高了涡轮机转子的稳固性。

替代于涡轮机转子的前述设计，另一设计的特点是，无论叶轮轮毂还是转子轴端部都具有居中地布置的凹缺，且共同的封闭堵塞经过适当布置，从而它塞入到两个凹缺中，并使得两个凹缺朝向相应的端面封闭。由此形成了两个前后相继的空腔，且在热量传送方面进一步提高了节制效果。此外，由于凹缺居中地布置，在封闭堵塞的外轮廓适配的情况下，使得两个工件即涡轮机叶轮和转子轴处于一定的位置，且必要时达到相互对中的效果。焊料还在叶轮轮毂和转子轴端部上挤入到在封闭堵塞外表面与两个凹缺的内壁之间的沿轴向伸展的环形缝隙中，并在那里形成钎焊连接，这种钎焊连接在整体上增大了连接面，并实现了已述效果。

涡轮机转子的另一有利设计的特点是，无论叶轮轮毂还是转子轴端部都具有居中地布置的盲孔形式的凹缺，它们分别具有沿轴向延伸一定长度的梯段，其中，该梯段使得相应的盲孔朝向相应的端面扩展，且该梯段用作封闭堵塞的止挡。此外，沿轴向延伸一定长度的共同的封闭堵塞适当地布置，使得它在两个凹缺中顶靠在相应的梯段上。凹缺从相应的端面到相应的梯段沿轴向延伸的长度和封闭堵塞的轴向长度在比例上适当地设计，从而在叶轮轮毂和转子轴的端面之间形成具有规定缝隙宽度的钎焊缝隙。换句话说，封闭堵塞与止挡配合作用地在相对的端面的两个凹缺中用作两个端面之间的间隔件，其中，相应地确定扩展至相应梯段的盲孔的轴向深度和封闭堵塞的轴向长度，这样就能得到优化的钎焊缝隙宽度。优选采用这种方式得到介于0.05mm和0.15mm之间的缝隙宽度。除了针对前述设计已提到的优点外，在钎焊缝隙宽度处于所述范围内的情况下，涡轮机叶轮与转子轴之间的连接部位具有最佳的强度值。

所有前述设计的特征当然可以单独地实现，也可以按任意相互组合的方式来实现，只要它们作为替代方案不相互抵触。

本发明的用于制造前述涡轮机转子的方法的特点在于如下方法步骤：

-首先准备由耐高温的金属合金构成的带叶轮轮毂的涡轮机叶轮、由钢构成的转子轴，并准备封闭堵塞。涡轮机叶轮优选采用常用的精铸方法制得，且具有基体以及叶轮轮毂，基体在前侧带有叶片组，叶轮轮毂的形式为同心地设置在基体的背侧的柱形区段。

-然后在转子轴端部或叶轮轮毂上开设或者既在转子轴端部上又在叶轮轮毂上开设居中布置的凹缺。

-此外，把封闭堵塞塞入到转子轴端部或叶轮轮毂的凹缺中。

-随后在前一步骤之后，在叶轮轮毂或转子轴的端面之一上，并在封闭堵塞的相应区域中涂敷钎焊材料，其中最好使用基于镍、铜、银或钛的金属合金。

-然后把两个工件即涡轮机叶轮和转子轴接合起来，并彼此对中地朝向。这通过工件的夹紧在为此而设计的装置中进行，使得端侧接触面直接贴靠在另一工件的正相对的端面上，并使得钎焊材料位于钎焊缝隙中。

-然后借助于电子束在钎焊缝隙中对钎焊材料和紧接着的叶轮轮毂及转子轴的端面区域进行加热，直至达到预定的高于钎焊材料熔点的钎焊温度。

-在达到钎焊温度之后，利用电子束受控地输送能量，由此在预定的时间内将该钎焊温度尽可能保持恒定。这能实现用焊料把连接面润湿，进而改善使焊料扩散到相对的连接面中的扩展过程。用来执行加热和保温过程的一个可行方案例如在于，使得电子束成点状地聚焦到钎焊缝隙的一个区段上，并使得涡轮机转子即涡轮机叶轮和转子轴共同地以预定的转速围绕其旋转轴线旋转。

-随后冷却工件，熔融的焊料因而发生凝固，由此在涡轮机叶轮和转子轴之间产生钎焊连接。

-在钎焊部位硬化之后，把涡轮机转子从装置中取出。

根据本发明的用于制造本发明的涡轮机转子的方法的优点主要在于，在任何情况下都能产生具有恒定质量的钎焊连接，且能实现提高涡轮机叶轮与转子轴之间的连接强度。在空间上受限地快速引入能量，这样就能实现短暂的处理时间，而无需转子轴的事后硬化过程。这是本发明的方法在大批量生产中应用比如在汽车内燃机的涡轮增压器中应用的主要前提条件。

简短地再总结一下，本发明涉及一种废气涡轮机的涡轮机转子以及一种用于制造这种涡轮机转子的方法，其中，涡轮机转子具有由耐高温的金属合金构成的涡轮机叶轮和由钢构成的转子轴，叶轮轮毂和转子轴端部通过钎焊连接而材料配合地相互连接。转子轴端部或/和叶轮轮毂具有居中布置的用作热量节制件的凹缺，其中，在相应的凹缺中适当地设置封闭堵塞，从而该封闭堵塞与凹缺形成封闭的空腔，并使得凹缺朝向相应的端面封闭，且在叶轮轮毂和转子轴的端面之间并在封闭堵塞和叶轮轮毂以及转子轴之间形成钎焊连接。

下面参照附图详述本发明的具体实施例。

其中：

图1为本发明的涡轮机转子的一个实施方式的并非尺寸精准的简化的示意图，其在转子轴端部带有被封闭堵塞封闭的热量节制孔；

图2为本发明的涡轮机转子的另一实施方式的并非尺寸精准的简化的示意图，其在转子轴端部和涡轮机轮毂上带有每一个都被共同的封闭堵塞封闭的热量节制孔；

图3示出本发明的如图1中的涡轮机转子的另一实施方式，但在封闭堵塞上带有凹缺，且在热量节制孔中带有止挡梯段；

图4示出本发明的如图2中的涡轮机转子的另一实施方式，但在相应的热量节制孔中分别带有止挡梯段，且钎焊缝隙具有规定的缝隙宽度；

图5示出本发明的如图4中的涡轮机转子的另一实施方式，但在封闭堵塞的两个端面上分别带有凹缺；

图6为根据图5的封闭堵塞的并非尺寸精准的简化图，其在外表面上带有滚花式的凹坑；

图7为转子轴端部的端面的俯视图，其带有热量节制孔和压入的封闭堵塞；

图8非常简化地示出用于实施本发明的方法的至少一部分的装置。

在这些附图中，相同功能和相同名称的部分标有相同的附图标记。

图1中所示为本发明的涡轮机转子1的简化图。该涡轮机转子具有涡轮机叶轮2和转子轴4，涡轮机叶轮带有叶轮轮毂3。涡轮机叶轮优选采用常见的精铸方法由TiAl合金制得，且具有基体以及叶轮轮毂3，基体在前侧(该图的左侧)带有叶片组，叶轮轮毂的形式为同心地设置在基体的背侧(该图的右侧)的柱形区段。转子轴4在此也被简化地示出，且在具体情况下可以具有台阶、梯段、缩窄部和类似的特征。涡轮机叶轮2与转子轴4之间的连接部位在“断裂的”视图中示出。在转子轴4的面向叶轮轮毂3的端部开设出盲孔5a形式的凹缺，其沿着涡轮机转子旋转轴线100延伸。盲孔5a用柱形的封闭堵塞6朝向转子轴端部4a的端面7封闭。封闭堵塞6在此恰好塞入到盲孔5a中一段距离，使得转子轴端部4a的端面7与封闭堵塞的位于外部的端面形成一个平面。钎焊连接在叶轮轮毂3与转子轴4的端面7、8之间形成，且在封闭堵塞6与叶轮轮毂3以及转子轴4之间形成。即换句话说，钎焊连接在钎焊缝隙9中在叶轮轮毂3的相对的端面7、8和由转子轴端部4a和封闭堵塞6共同形成的平面的端面7之间延伸，以及在柱形的封闭堵塞6的外表面6a和盲孔5a的正相对的内壁区域之间延伸。封闭堵塞6的轴向长度小于盲孔5a的轴向长度，从而在转子轴端部4a中形成一个空腔，该空腔使得转子轴4的导热横截面在该区域减小，因而用作热量节制件。为了保证能够把用于形成钎焊连接的焊料引入到在柱形的封闭堵塞6的外表面6a和盲孔5a的正相对的内壁区域之间的钎焊缝隙9中，封闭堵塞6的外表面6a可以具有条痕式的、沟槽式的或滚花式的凹坑，这些凹坑至少有一部分(在涡轮机转子旋转轴线100的方向上)沿轴向伸展。这相当于封闭堵塞6的外表面6a的型廓，其中，该型廓具有或大或小的带一定深度的凹型部分，由此形成带有相应规定的优选0.05mm-0.15mm的缝隙宽度的钎焊缝隙9，在钎焊过程期间基于毛细作用把焊料引入到所述钎焊缝隙中。为了保证此点，型廓至少有一部分朝向轴向，也就是说，相应的“型廓缝隙”有一部分在涡轮机转子旋转轴线100的方向上伸展。

图2示出涡轮机转子1的另一种设计，其与图1中所示的变型设计的区别在于，无论叶轮轮毂3还是转子轴端部4a都各有居中布置的盲孔5a、5b形式的凹缺，且设置了一个共同的封闭堵塞6，从而该封闭堵塞伸入两个盲孔5a、5b中，并使得两个盲孔5a、5b朝向相应的端面7、8封闭。钎焊连接在此也在叶轮轮毂3和转子轴端部4a的端面7、8之间且在封闭堵塞6和叶轮轮毂3以及转子轴端部4a之间形成。也就是说，但在这种情况下，钎焊连接在钎焊缝隙9中在叶轮轮毂3和转子轴端部4a的相对的端面7、8之间延伸，以及在在叶轮轮毂3和转子轴端部4a中在柱形的封闭堵塞6的外表面6a和盲孔5a、5b的分别正相对的内壁区域之间延伸。节制热量的区域由此明显增大。

图3示出涡轮机转子1的另一种设计，其与图1中所示的变型设计的区别在于，封闭堵塞6本身在面向由盲孔5a形成的空腔的一侧具有凹缺10，由此增大了相应的空腔，盲孔5a具有梯段，该梯段使得盲孔朝向转子轴端部4a的端面7扩展，且该梯段用作相应封闭堵塞6的止挡。换句话说，盲孔5a从转子轴端部4a的端面7起，在涡轮机转子旋转轴线100的方向上直到一定的深度，具有一定的(较大的)直径。在该一定的深度，盲孔5a的内壁具有直角的梯段，从该梯段起，盲孔5a以较小的直径进一步沿着涡轮机转子旋转轴线100延伸至盲孔5a的一定的总深度。封闭堵塞6的直径基本上等于盲孔5a的较大的直径，且插入到盲孔中一段距离，使得它顶靠在或靠置在盲孔5a中形成的梯段上。在这里，封闭堵塞6的轴向长度等于盲孔5a的直至止挡梯段的深度，从而封闭堵塞6的端面与转子轴端部4a的端面7形成一个平面。

图4示出涡轮机转子1的另一种设计，其与图2中所示的变型设计的区别在于，盲孔5a、5b分别具有梯段，所述梯段具有一定的轴向长度，并使得相应的盲孔5a、5b朝向相应的端面7、8扩展，且用作封闭堵塞6的止挡，如同针对图3所述一样。这种设计因而是图2和图3的特征的组合。在这里，具有一定轴向长度的整个封闭堵塞6适当地布置，从而它在两个盲孔5a、5b中顶靠在或靠置在相应的梯段上。此外，从相应的端面7、8起在涡轮机转子旋转轴线100的方向上直到梯段的梯段轴向长度即盲孔5a、5b的深度和封闭堵塞6的轴向长度在比例上适当地设计，从而在叶轮轮毂3和转子轴4的端面7、8之间形成具有规定缝隙宽度B的钎焊缝隙9。为明了起见，在图4中在钎焊缝隙中无焊料的情况下示出了该钎焊缝隙。要如此优选地得到的优化的缝隙宽度B介于0.05mm和0.15mm之间。

图5示出涡轮机转子1的另一种设计，其与图4中所示的变型设计在很大程度上是相同的，但区别在于，封闭堵塞6在面向相应空腔的两侧具有凹缺10，这些凹缺增大了相应的空腔，因而进一步提高了节制热量的效果，而不会由此减小钎焊连接的连接面。

图6放大很多地示出比如在涡轮机转子1的根据图5的设计中使用的封闭堵塞6。该封闭堵塞6具有柱形的基本形状，且在两个端侧面上具有凹缺10。封闭堵塞6的外表面6a具有相向延伸的斜滚花形式的滚花部6b。在这里，滚花槽相对于封闭堵塞6的纵轴线或者相对于涡轮机转子旋转轴线100以大约45°的角度延伸，因而有些部分沿轴向伸展。封闭堵塞6的外直径在此经过有利设计，从而与盲孔5a、5b形成轻微的压配合。通过这种方式来保证封闭堵塞事先预固定地居中地布置在相应的盲孔5a、5b中，且在根据图2、4和5的设计情况下也使得涡轮机叶轮2和转子轴4在制造/装配过程中在产生钎焊连接之前彼此对中地朝向，而与夹紧装置无关。另一方面，滚花的凹坑(凹型型廓部分)形成了沟槽，焊料可以在钎焊过程中在盲孔5a、5b的外表面与内面之间穿过所述沟槽，并形成钎焊连接。

图7根据涡轮机转子的在图1中示出的设计示出了转子轴端部4a的端面7的俯视图，其带有塞入的封闭堵塞6。在此塞入封闭堵塞，其带有纵向槽形式的粗糙型廓，这些纵向槽在外表面上沿着涡轮机转子旋转轴线100的方向(即100％地沿轴向)伸展。在这里，沿着外表面6a的圆周均匀分布地设置有凹坑6d(型廓的凹型部分)和接条6c。凹坑6d在此形成钎焊缝隙，钎焊缝隙宽度B等于凹坑的深度。要如此产生的优化的钎焊缝隙宽度B在此也介于0.05mm-0.15mm之间。在这里，凹型部分越大，即凹坑在外表面6a上的延展距离越大，钎焊连接的连接面就越大。

封闭堵塞6的在图6和7中示出的型廓设计以及还有用于形成压配合的直径大小当然也可以转用至封闭堵塞6的在图1-5中示出的其它设计。所示的型廓设计即在封闭堵塞外表面上的凹坑布局设计并非穷尽地示出。原则上可以采用任何形式的型廓，其至少有一部分沿着轴向伸展，并保证在钎焊过程中引入焊料。

图8非常简化地示出用于实施本发明的方法的不同的方法步骤的装置。所示装置尤其用来实施钎焊过程，以便在叶轮轮毂3与转子轴4之间进行材料配合的连接。在分开地实施第一方法步骤之后：

-提供涡轮机叶轮、转子轴和封闭堵塞；

-在叶轮轮毂或/和转子轴的端面之一上分别制造居中布置的凹缺；

-把封闭堵塞插入到转子轴端部或/和叶轮轮毂的至少一个凹缺中；

-在端面之一上敷设钎焊材料，在使用如图8中所示的装置的情况下至少执行如下方法步骤。

该装置具有夹紧装置20和带有聚焦机构18的电子束源17。夹紧装置20具有下述功能单元：

-装置床11，作为其它功能单元的基座；

-叶轮夹盘12，它由至少两个夹板构成，用于在中央夹持涡轮机叶轮2，其中，叶轮夹盘12借助旋转轴承16可围绕涡轮机转子旋转轴线10转动地支撑在装置床11上，且可通过驱动轴15来驱动；

-夹紧滑板14，它可沿涡轮机转子旋转轴线10的方向轴向移动地支撑在装置床11中；

-转子轴夹盘13，它由至少两个夹板构成，用于在中央夹持转子轴4，该转子轴借助旋转轴承16可围绕涡轮机转子旋转轴线10转动地支撑在夹紧滑板14上。

所提供的按照第一方法步骤准备的涡轮机叶轮2在叶轮夹盘12中居中地被夹紧，箭头22表示各个夹板的为此所需要的夹紧运动。同样，所提供的按照第一方法步骤准备的转子轴在转子轴夹盘13中居中地被夹紧，箭头23表示各个夹板的为此所需要的夹紧运动。然后，通过夹紧滑板14的在图8中用箭头24示出的直线运动，使得涡轮机叶轮2和转子轴4彼此相向地在中间接合，从而相应的端侧的接触面直接贴靠在相应的另一工件的相对的端侧接触面上，并将钎焊材料布置在钎焊缝隙9中。必要时，这里也把共同的封闭堵塞6插入到相对地布置的工件的正相对的盲孔5a、5b中。然后，夹紧滑板14施加预定的夹紧力，利用该夹紧力使得两个工件相互压紧。结果，在驱动轴15的驱动下，涡轮机叶轮2与借助力配合与其耦接的转子轴4一起以预定的受控的转速围绕涡轮机转子旋转轴线100旋转，这在图8中用箭头21示出。于是，借助于电子束源17和聚焦机构18产生电子束19，该电子束从外面指向钎焊缝隙9。于是，通过涡轮机转子1的均匀的转动，在电子束19的配合作用下，在钎焊缝隙9中对钎焊材料进行加热，并对叶轮轮毂3和转子轴4的直接的端面区域7、8进行加热，直至达到预定的高于钎焊材料熔化温度的钎焊温度。在此，通过涡轮机转子1的转速和电子束19的强度对加热速度和要达到的温度水平施加影响。现在，为了保证焊料良好地润湿相对的端面7、8，在涡轮机转子1转速保持恒定的情况下，利用电子束19受控地输送能量，由此把钎焊温度保持预定的时间。接下来，对工件进行冷却，由此在涡轮机叶轮2与转子轴4之间产生钎焊连接。在这里，由夹紧滑板14产生的夹紧力至少保持一段时间，直到焊料凝固、连接稳固。然后才从装置松开涡轮机转子。

在此，借助于相应的驱动装置和可编程的中央控制/调节机构，可以自动地执行所述的全部过程。通过设置其它功能单元，先前的方法步骤比如产生居中布置的盲孔、插入封闭堵塞、敷设钎焊材料，至少部分地也可以在所述装置中实施。

Claims (12)

1.一种用于废气涡轮机的涡轮机转子，具有涡轮机叶轮和转子轴，涡轮机叶轮带有叶轮轮毂，转子轴带有面向叶轮根部的转子轴端部，涡轮机叶轮由耐高温的金属合金构成，转子轴由钢构成，其中，叶轮轮毂和转子轴端部通过钎焊连接而材料配合地相互连接，其中，转子轴端部或/和叶轮轮毂具有居中布置的凹缺，该凹缺在涡轮机叶轮和转子轴之间的通路上用作热量节制件，

其特征在于，

在相应的凹缺中设有封闭堵塞，使得该封闭堵塞与凹缺形成一个封闭的空腔，并使得该凹缺朝向相应的端面封闭，其中，钎焊连接在叶轮轮毂的端面和转子轴的端面之间形成，且在封闭堵塞和叶轮轮毂以及转子轴之间形成。

2.如权利要求1所述的涡轮机转子，其特征在于，涡轮机叶轮的耐高温的金属合金是TiAl合金或Ni基合金，转子轴的钢是低合金的或高合金的调质钢，或者是奥氏体钢。

3.如权利要求1所述的涡轮机转子，其特征在于，钎焊连接采用电子束钎焊方法来产生。

4.如权利要求1所述的涡轮机转子，其特征在于，封闭堵塞在面向相应空腔的至少一侧具有凹缺，由此增大了相应的空腔。

5.如权利要求1所述的涡轮机转子，其特征在于，封闭堵塞为柱形，且在其外表面上具有条痕式的、沟槽式的或滚花式的凹坑，所述凹坑至少有一部分沿轴向伸展。

6.如权利要求1所述的涡轮机转子，其特征在于，相应的居中布置的凹缺在转子轴端部或/和在叶轮轮毂上被构造为盲孔。

7.如权利要求6所述的涡轮机转子，其特征在于，相应的盲孔具有梯段，该梯段使得盲孔朝向相应的端面扩展，且该梯段用作相应的封闭堵塞的止挡。

8.如权利要求1-7中至少一项所述的涡轮机转子，其特征在于，封闭堵塞适当地设置在相应的凹缺中，使得它的相应端面形成平面。

9.如权利要求1-7中至少一项所述的涡轮机转子，其特征在于，无论叶轮轮毂还是转子轴端部都具有居中地布置的凹缺，且共同的封闭堵塞经过适当布置，从而它塞入到两个凹缺中，并使得两个凹缺朝向相应的端面封闭。

10.如权利要求1-5中至少一项所述的涡轮机转子，其特征在于，无论叶轮轮毂还是转子轴端部都具有居中地布置的盲孔形式的凹缺，它们具有沿轴向延伸一定长度的梯段，该梯段使得相应的盲孔朝向相应的端面扩展，且该梯段用作封闭堵塞的止挡，

其中，沿轴向延伸一定长度的共同的封闭堵塞适当地布置，使得它在两个凹缺中顶靠在相应的梯段上，梯段和封闭堵塞的轴向长度比例适当地设计，从而在叶轮轮毂和转子轴的端面之间形成具有规定缝隙宽度的钎焊缝隙。

11.一种用于制造根据权利要求1的涡轮机转子的方法，其特征在于如下方法步骤：

-准备由耐高温的金属合金构成的带叶轮轮毂的涡轮机叶轮、由钢构成的转子轴，并准备封闭堵塞；

-在转子轴端部或/或叶轮轮毂上开设居中布置的凹缺；

-把封闭堵塞塞入到转子轴端部或叶轮轮毂的凹缺中；

-在叶轮轮毂或转子轴的端面之一上涂敷钎焊材料；

-通过工件的夹紧在为此而设计的装置中把涡轮机叶轮和转子轴接合起来，并彼此对中地朝向，使得叶轮轮毂和转子轴的端面直接正相对，并使得钎焊材料在它们之间位于钎焊缝隙中；

-借助于电子束在钎焊缝隙中对钎焊材料和紧接着的叶轮轮毂及转子轴的端面区域进行加热，直至达到预定的高于钎焊材料熔点的钎焊温度；

-利用电子束受控地输送能量，由此在预定的时间内保持该钎焊温度；

-冷却工件，由此在涡轮机叶轮和转子轴之间产生钎焊连接；

-把涡轮机转子从装置中取出。

12.如权利要求10所述的用于制造涡轮机转子的方法，其特征在于如下附加的方法步骤：

-在塞入封闭堵塞之后，在叶轮轮毂及转子轴的两个要连接的端面上和封闭堵塞上敷设流动剂。