CN110005639A - 一种复合型涡轮分子泵转子及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合型涡轮分子泵转子及其制备方法，涉及气体流体领域。该涡轮分子泵转子包括至少一组依次层叠设置的第一转子环、第二转子环、第三转子环和叶片；其中，第一转子环和第三转子环为铝或铝合金转子环，第二转子环为钛或钛合金间隔转子环，叶片为钛或钛合金叶片。该涡轮分子泵转子的质量轻、性能良好、高速性优异，其结构兼具了成本低、轻质铝或铝合金转子与中等重量、高强度的钛或钛合金叶片的优点，并且能够有效避免叶片在焊接冷却过程中产生屈曲变形。
Description
技术领域
本发明涉及气体流体领域，具体而言，涉及一种复合型涡轮分子泵转子及其制备方法。
背景技术
众所周知，在核聚变反应堆，激光等离子体装置等中需要高真空室。具有涡轮叶片的转子每分钟旋转几万次，以便在分子流动区域中产生气体分子的排气作用。近年来，随着聚变反应器的性能变得越来越大，真空室所需的真空度也越来越高，研制超高真空涡轮分子泵的市场化需求越来越强烈。同时，为了保证涡轮分子泵的经济性和良好的驱动性能，需要在制造过程中对其成本和重量进行严格控制。
在传统涡轮分子泵的制造过程中，通常分开预先加工多级叶片和转子盘，随后采用螺栓螺母或熔焊的方法将其加工为整体转子结构，但是该方法存在连接强度低、加工成本高、工序复杂和工时数长等缺点。
同时，由于采用铝/铝合金转子环具有轻质、成本低等优点，而钛/钛合金叶片具有中等质量、力学优异性能等优点，因此可以想象，制备铝/铝合金转子环和钛/钛合金叶片复合型涡轮分子泵转子具有无法比拟的技术优势。但是，铝的热膨胀率为24.0×10-6/℃，而钛的热膨胀系数为8.9×10-6/℃，两者热膨胀系数差异使得连接界面存在热应力，进而导致在冷却过程中叶片产生波纹状平面屈曲，最终对转子的整体强度和尺寸精度产生不良影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合型涡轮分子泵转子，该涡轮分子泵转子质量轻、性能良好、高速性优异，其结构兼具了成本低、轻质铝或铝合金转子与中等重量、高强度的钛或钛合金叶片的优点，并且能够有效避免叶片在焊接冷却过程中产生屈曲变形。
本发明的另一目的在于提供一种复合型涡轮分子泵转子的制备方法，该方法可制备得到质量轻、性能好、高速性优异的涡轮分子泵转子。
本发明的实施例是这样实现的：
一种复合型涡轮分子泵转子，包括：
至少一组依次层叠设置的第一转子环、第二转子环、第三转子环和叶片；
其中，第一转子环和第三转子环为铝或铝合金转子环，第二转子环为钛或钛合金间隔转子环，叶片为钛或钛合金叶片。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，第一转子环和第三转子环的厚度为1～80mm。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，第二转子环的厚度为0.1～20mm。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，叶片的厚度为1～50mm。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，第一转子环与第二转子环之间，第二转子环和第三转子环之间，第三转子环和叶片之间设置有增强中间层，以改善连接强度。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，增强中间层为Al-Si中间层。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，增强中间层的厚度为0.01～5mm。
一种上述的复合型涡轮分子泵转子的制备方法，包括：
将第一转子环、第二转子环、第三转子环以及叶片依次层叠设置后形成装配体。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，还包括将装配体进行扩散焊接作业，且在进行扩散焊接作业前，在各层界面交界处设置Al-Si中间层后形成待焊结构。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，扩散焊接作业具体包括：
将待焊结构放入真空扩散焊装备中，并在1e-3～1e-4Pa的真空度下，对其进行加热、加压；
焊接温度为600±10℃，焊接压力为3～5MPa，保温、保压时间为2～3h。
本发明的实施例至少具备以下优点或有益效果：
本发明的实施例提供了一种复合型涡轮分子泵转子，其包括至少一组依次层叠设置的第一转子环、第二转子环、第三转子环和叶片；其中，第一转子环和第三转子环为铝或铝合金转子环，第二转子环为钛或钛合金间隔转子环，叶片为钛或钛合金叶片。通过依次层叠设置的第一转子环、第二转子环、第三转子环和叶片，使得该涡轮分子泵转子可兼顾铝或铝合金的低成本、轻质优点和钛或钛合金的中等重量、高强度优点。同时，通过采用具有高温刚性的钛合金间隔转子环，并将其设置在一组铝合金转子环之间，使得钛或钛合金叶片和铝或铝合金转子环连接界面热应力大大降低，避免了叶片在焊接冷却过程中产生屈曲变形，从而使得该涡轮分子泵转子具有质量轻、性能良好、高速性优异的特性。
本发明的实施例提供了一种复合型涡轮分子泵转子的制备方法，该方法可制备得到质量轻、性能好、高速性优异的涡轮分子泵转子。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的实施例提供的复合型涡轮分子泵转子的结构示意图。
图标：100-复合型涡轮分子泵转子；101-第一转子环；103-第二转子环；105-第三转子环；107-叶片；109-Al-Si中间层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例1
图1为本实施例提供的复合型涡轮分子泵转子100。请参阅图1，本实施例提供了一种复合型涡轮分子泵转子100，包括：至少一组依次层叠设置的第一转子环101、第二转子环103、第三转子环105和叶片107。
详细地，第一转子环101和第三转子环105为铝或铝合金转子环，第二转子环103为钛或钛合金间隔转子环，叶片107为钛或钛合金叶片107。通过依次层叠设置的第一转子环101、第二转子环103、第三转子环105和叶片107，使得该涡轮分子泵转子100可兼顾铝或铝合金的低成本、轻质优点和钛或钛合金的中等重量、高强度优点。同时，通过采用具有高温刚性的钛合金间隔转子环，并将其设置在一组铝合金转子环之间，使得钛或钛合金叶片107和铝或铝合金转子环连接界面热应力大大降低，避免了叶片107在焊接冷却过程中产生屈曲变形，从而使得该复合型涡轮分子泵转子100具有质量轻、性能良好、高速性优异的特性。
具体地，在本实施例中，第一转子环101和第三转子环105的厚度为1～80mm。第二转子环103的厚度为0.1～20mm。叶片107的厚度为1～50mm。通过合理配置后的各转子环和叶片107的厚度，可有效地缓解钛或钛合金叶片107和铝或铝合金转子环连接界面热应力，同时可兼顾铝或铝合金的低成本、轻质优点和钛或钛合金的中等重量、高强度优点，从而使得该复合型涡轮分子泵转子100具有质量轻、性能良好、高速性优异的特性。当然，在本发明的其他实施例中，第一转子环101、第二转子环103、第三转子环105以及叶片107的厚度还可以根据需求进行选择，本发明的实施例不做限定。
请再次参阅图1，在本实施例中，第一转子环101与第二转子环103之间，第二转子环103和第三转子环105之间，第三转子环105和叶片107之间设置有增强中间层，以改善连接强度。
详细地，在本实施例中，增强中间层为Al-Si中间层109。在各连接界面处预制了Al-Si中间层109，可显著改善接头强度，同时提高尺寸精度。能够实现在低温、小焊接压力的工艺条件进行焊接，从而实现接头的高强、精度成型。当然，在本发明的其他实施例中，增强中间层还可以选择其他能提供相同作用的中间层，本发明的实施例不做限定。
作为优选的方案，增强中间层的厚度为0.01～5mm。此厚度的增强中间层可有效地改善接头强度，提高尺寸精度。在具体实施过程中也可以根据不同的工艺特色选择具体的厚度，本发明的实施例不做限定。
本发明的实施例还提供了一种复合型涡轮分子泵转子100的制备方法，该方法主要将第一转子环101、第二转子环103、第三转子环105以及叶片107依次层叠设置后进行扩散焊接作业。过真空扩散焊方法将其高强、高尺寸精度连接为整体结构可提高整个我来分子泵转子的性能，使得该复合型涡轮分子泵转子100具有质量轻、性能良好、高速性优异的特性。
详细地，为了提高整体的连接强度，还包括在进行扩散焊接作业前，在各层界面交界处设置Al-Si中间层109后形成待焊结构。通过各连接界面处添加Al-Si中间层109，能够实现在低温、小焊接压力的工艺条件进行焊接，从而实现接头的高强、精度成型。
具体地，在本实施例中，扩散焊接作业具体包括：
将待焊结构放入真空扩散焊装备中，并在1e-3～1e-4Pa的真空度下，对其进行加热、加压；焊接温度为600±10℃，焊接压力为3～5MPa，保温、保压时间为2～3h。在焊接过程中，插入材料Al-Si箔材在约580℃开始融化，在600℃时完全转变为液相，从而促进了各连接界面的原子扩散和接头形成。之后，随着焊接压力的施加，液相的插入材料被挤出，在界面处仅有非常少的残留，插入材料Al-Si箔材能够提高转子的尺寸精度并且不存在任何强度下降的问题，在完成扩散焊后，被挤出的插入材料在转子环侧表面形成薄的合金层。
此外，在焊接后的冷却过程中，尽管钛合金和铝合金的热膨胀系数存在差异，但是通过在一组铝或铝合金转子环之间插入钛或钛合金间隔转子环，对转子环的收缩产生了约束，同时由于间隔转子的分隔使得转子环的厚度减少、刚性减弱，使得转子环和叶片107的接合界面处的内应力减少，进而使得叶片107不会发生平面屈曲和变形，继而保证了叶片107的尺寸精度。
下面对本实施例所具体采用的方法和参数进行详细地说明：
本实施例具体提供了一种复合型涡轮分子泵转子100，其通过以下方法制备得到：
设定6061Al第一转子环101的厚度为20mm，Ti6Al4V叶片107厚度为10mm，并进行焊前精密机加工。
设定Ti6Al4V间隔第二转子环103的厚度为1mm，并进行焊前精密机加工。
预先制备厚度为0.16mm的Al-Si箔材。
对6061Al第一转子环101、Ti6Al4V叶片107、Ti6Al4V第二间隔转子环和插入材料Al-Si箔材进行焊前顺序层叠，装配为如图1所示的结构。
将上述装配体放置入真空扩散焊设备中，真空度为1e-3Pa，焊接温度600℃，并施加3MPa的轴向焊接压力，随后保温保压2h。
综上所述，本发明的实施例提供了一种涡轮分子泵转子100，其包括至少一组依次层叠设置的第一转子环101、第二转子环103、第三转子环105和叶片107；其中，第一转子环101和第三转子环105为铝或铝合金转子环，第二转子环103为钛或钛合金间隔转子环，叶片107为钛或钛合金叶片107。通过依次层叠设置的第一转子环101、第二转子环103、第三转子环105和叶片107，使得该复合型涡轮分子泵转子100可兼顾铝或铝合金的低成本、轻质优点和钛或钛合金的中等重量、高强度优点。同时，通过采用具有高温刚性的钛合金间隔转子环，并将其设置在一组铝合金转子环之间，使得钛或钛合金叶片107和铝或铝合金转子环连接界面热应力大大降低，避免了叶片107在焊接冷却过程产生屈曲变形，从而使得该复合型涡轮分子泵转子100具有质量轻、性能良好、高速性优异的特性。
本发明的实施例提供了一种复合型涡轮分子泵转子100的制备方法，该方法可制备得到质量轻、性能好、高速性优异的复合型涡轮分子泵转子100。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种复合型涡轮分子泵转子，其特征在于，包括：
至少一组依次层叠设置的第一转子环、第二转子环、第三转子环和叶片；
其中，所述第一转子环和所述第三转子环为铝或铝合金转子环，所述第二转子环为钛或钛合金间隔转子环，所述叶片为钛或钛合金叶片。
2.根据权利要求1所述的复合型涡轮分子泵转子，其特征在于：
所述第一转子环和所述第三转子环的厚度为1～80mm。
3.根据权利要求1所述的复合型涡轮分子泵转子，其特征在于：
所述第二转子环的厚度为0.1～20mm。
4.根据权利要求1所述的复合型涡轮分子泵转子，其特征在于：
所述叶片的厚度为1～50mm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的复合型涡轮分子泵转子，其特征在于：
所述第一转子环与所述第二转子环之间，所述第二转子环和所述第三转子环之间，以及所述第三转子环和所述叶片之间均设置有增强中间层。
6.根据权利要求5所述的复合型涡轮分子泵转子，其特征在于：
所述增强中间层为Al-Si中间层。
7.根据权利要求5所述的复合型涡轮分子泵转子，其特征在于：
所述增强中间层的厚度为0.01～5mm。
8.一种权利要求1至7中任一项所述的复合型涡轮分子泵转子的制备方法，其特征在于，包括：
将所述第一转子环、所述第二转子环、所述第三转子环以及所述叶片依次层叠设置形成装配体。
9.根据权利要求8所述的复合型涡轮分子泵转子的制备方法，其特征在于：
还包括将所述装配体进行扩散焊接作业，且在进行所述扩散焊接作业前，在各层界面交界处设置Al-Si中间层后形成待焊结构。
10.根据权利要求9所述的复合型涡轮分子泵转子的制备方法，其特征在于，所述扩散焊接作业具体包括：
将所述待焊结构放入真空扩散焊装备中，并在1e-3～1e-4Pa的真空度下，对其进行加热、加压；
焊接温度为600±10℃，焊接压力为3～5MPa，保温、保压时间为2～3h。
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