CN1068269C - 一种钛铝合金涡轮转子与结构钢轴的连接方法 - Google Patents

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一种钛铝合金涡轮转子与结构轴的连接方法，属于金属焊接领域。它的特点是钛铝合金涡轮转子与结构钢轴之间通过镍基高温合金中间过渡来实现有机的结合，首先以镍基高温合金与钛铝合金进行热锻过盈配合装配，再用镍基高温合金与钛铝合金的组合件通过镍基高温合金一头与结构钢轴采用常规摩擦焊工艺焊接，该方法工艺简单、实用，能够把性能差异较大的钛铝合金转子与结构钢轴牢固的连接在一起。

Description

一种钛铝合金涡轮转子与结构钢轴的连接方法
本发明属金属焊接领域，主要适用于车用发动机增压器中钛铝金属间化合物合金(简称钛铝合金)增压涡轮转子与结构钢轴的连接。
钛铝合金比重低，高温强度和抗氧化性能优异，是理想的新型高温结构材料。随着一些性能优异的钛铝合金研制成功(如日本专利平1-259139，美国专利US4879092和中国专利92110539.8等)，钛铝合金的工程应用日趋受到广泛重视。另一方面，废气涡轮增压是现代柴油发动机提高功率的主要技术之一，增压涡轮在发动机燃油废气驱动下高速旋转工作(接触温度600-900℃，额定转速5-20×104转/分)，增压涡轮通过结构钢轴与铝制压气轮连接带动压气轮工作，增压涡轮转子与结构钢轴连接处工作温度300-500℃，要求传递转矩100-200N.m。应用钛铝合金取代现用K418类高温合金精铸制作增压涡轮转子由于自重减少50％以上，可以大大减小增压涡轮转子系统的转动惯量，显著提高车用增压发动机的加速瞬态响应性，缩短车辆起动和加速响应时间并减少起动和加速时发动机废气的粉尘排量，是改善增压发动机技术性能水平的重要技术途径。但是，由于结构上长程有序具有金属键和共价键双重键合特性，钛铝合金在物理性能(如热传导，热膨胀)及力学性能(如高温强度等)方面与结构钢差异较大，使钛铝合金与结构钢的连接相当困难，严重制约了钛铝合金在车用发动机这一关键部件上工程实用化。现国外有钛铝合金之间采用摩擦焊，扩散焊等工艺连接成功的报导，但尚无钛铝合金与结构钢连接成功的专利报导。
EP0368642A2公开了一种Ti-Al合金涡轮转子与结构钢轴之间通过镍基高温合金作中间过渡连接，它采用过盈配合通用办法，将膨胀系数较大的高温合金嵌入钛铝合金涡轮转子，可以较容易地装配并在使用中随着温度的升高不断增加配合力。但这样做一方面减小了钛铝合金涡轮转子轮辐部分的有效厚度，另一方面增加了钛铝合金涡轮转子工作时所承受的张应力，因而对钛铝合金涡轮转子工作的安全性和稳定性不利。
本发明的目的在于提供一种钛铝合金涡轮转子与结构钢轴的连接方法，该方法简单、实用，使性能差异较大的钛铝合金涡轮转子与结构轴能够牢固地连接以满足车用发动机增压转子系统的工况要求。
基于上述发明目的，本发明的特点是：钛铝合金涡轮转子与结构钢轴之间通过镍基高温合金中间过渡来实现有机的连接，首先以镍基高温合金为包容件，以钛铝合金为被包容件，进行热锻过盈配合装配，再用钛铝合金与镍基高温合金的组合件通过镍基高温合金头与结构钢轴采用常规摩擦焊工艺焊接，上述镍基高温合金与钛铝合金热锻过盈配合装配中，过盈量根据轴的公称尺寸取0.10-0.15mm，包容件镍基高温合金加热温度至900-1100℃，室温下的被包容件钛铝合金涡轮转子在300-1000N顶锻压力下压入包容件内。
本发明适用的钛铝合金转子成分(重量百分比)为：Al 30-35％,Cr、V、Nd中一种或二种以上之和为：1.5-6.5％,Ni、B、Nd中一种或二种以上之和为：0.2-1.2％，余为Ti；结构钢为40-42 Cr/CrMo；中间过渡合金采用镍基高温合金，是因其组织稳定性和抗氧化性能优于结构钢，可以在较高温度下装配，同时其与结构钢之间摩擦焊已有成熟的工艺规范可用。
与现在研究开发中的钛铝合金与结构钢间其它连接方法(如直接摩擦焊，扩散焊等)相比，本发明方法不存在钛铝合金与普通金属材料焊接界面强度不高且较脆的问题，使用中无因此而产生折断等严重失效的危险；且工艺简单，实用，与现有增压器生产技术适应性能，可利用现有的工艺设备条件。
附图1为本发明方法的装配流程图。
图1中1为钛铝合金涡轮转子，2为镍基高温合金包容件，3为结构钢轴，4为摩擦焊接口。
实施例
根据本发明中钛铝合金转子成分范围，在冷坩埚真空感应炉上熔炼了三种成分的钛铝合金(具体成分见表1)，铸成棒材后每种成分合金均车削成公称尺寸为Φ15mm和Φ18mm，长度均为50mm的两组被包容件试样；包容件选用K418高温合金，在真空感应炉熔炼(具体成分见表2)，铸成棒材后车削成公称尺寸为内径Φ15mm/外径23mm和内径18mm/外径26mm，内孔和试样长度均为12和30mm的二种包容件试样；结构钢选用调质态42CrMo，结构钢轴尺寸对应为Φ23和Φ26毫米。按本发明方法对上述试样进行了连接试验并对连接组件做了500℃高温承载和传递转矩检验，试验方法和结果列在表3。
表1实施例钛铝合金转子成分(Wt％)
    元素炉号 Al  Cr  V  Nb   (B+Nd)   Ti
  1   32.77   1.36   3.32   余
  2   32.50   1.35   3.31    0.48   余
  3   32.35   2.66   4.75   余
表2实施例K418高温合金成分(Wt％)
  元素炉号  Ni  Cr  Al  Mo  Nb  Ti  Zr  Mn  Si  C  B  Fe+S+P+Bi
 1  72.84   12.1  6.0  4.3  2.2  0.7  0.11   0.38  0.35  0.09  0.009   余
表3  实施例试验及结果
编号 钛铝合金炉号 过盈配合公称尺寸(mm) 过  盈  量(mm) 装配温度(℃) 500℃拉伸承载(KN) 最大传递转矩N.m
 1  1  15  0.11 980  51  194
 2  1  18  0.14 1020  57  205
 3  2  15  0.10 960  50  192
 4  2  18  0.13 1000  54  201
 5  3  15  0.12 1000  52  201
 6  3  18  0.14 1030  55  204

Claims (1)

1、一种钛铝合金涡轮转子与结构钢轴的连接方法，钛铝合金涡轮转子与结构钢轴之间通过镍基高温合金中间过渡来实现有机的连接，其特征在于：首先以镍基高温合金为包容件，以钛铝合金为被包容件，进行热锻过盈配合装配，再用钛铝合金与镍基高温合金的组合件通过镍基高温合金头与结构钢采用常规摩擦焊工艺焊接，上述镍基高温合金与钛铝合金热锻过盈配合装配中，过盈量取0.10-0.15mm，包容件镍基高温合金加热温度至900-1100℃，室温下的被包容件在300-1000N顶锻压力下压入包容件内。
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