CN110225998B - 叶轮、压缩机以及发动机 - Google Patents

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Abstract

一种耐环境性构件，具备：Al合金基材(41)；非电解镀层(42)，其在Al合金基材(41)的表面形成；Si层(43)或耐腐蚀性金属层(53)，它们在非电解镀层(42)的表面形成；以及类金刚石碳层(44)或陶瓷层(54)，它们在Si层(43)或耐腐蚀性金属层(53)的表面形成，通过该耐环境性构件形成压缩机的叶轮，从而能够使该叶轮兼备耐磨损性以及耐侵蚀性。

Description

叶轮、压缩机以及发动机
技术领域
本发明涉及耐环境性构件和使用该耐环境性构件的叶轮、压缩机以及发动机。
背景技术
例如，如专利文献1所示，在船舶用发动机中，具有一种低压废气再循环(EGR：Exhaust Gas Recirculation)系统来作为降低废气中的NOx的系统。该低压EGR系统将从主机的增压机出口向排气用配管排出的低压废气的一部分作为再循环气体并将其返回到增压机入口。由此，燃烧用气体的氧浓度降低，作为燃料与氧的反应的燃烧的速度变慢，燃烧温度降低，从而能够减少NOx的产生量。
另外，在船舶用发动机中使用S成分较多的燃料，因此在废气中包含有成为增压机的压缩机的叶轮的腐蚀成分的S成分以及Cl成分。因此，在EGR系统中设置有使用清洗水去除再循环气体中的S成分的洗涤器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5916772号公报
专利文献2：日本专利第5883001号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，有时即使在使用洗涤器清洗了再循环气体的情况下，S成分也会残留在再循环气体中。另外，清洗后的再循环气体中所含的液滴在配置于洗涤器的下游的除雾器单元内被去除，但存在通过除雾器单元后的再循环气体中的水分在到达增压机的压缩机之前凝结的可能性。
在再循环气体中凝结的液滴含有S成分以及Cl成分，因此氢离子浓度(pH)达到1～2左右。在此，在增压机的压缩机的叶轮上使用轻量且高强度的Al合金基材，但存在Al合金基材被再循环气体中所含的液滴腐蚀(发生侵蚀(corrosion))的可能性。
在再循环气体中凝结的液滴与压缩机的叶轮发生碰撞。由此，叶轮发生塑性变形，并存在叶轮因其反复而损耗(产生磨损(erosion))的可能性。
作为针对上述问题点的第一对策，考虑对叶轮的Al合金基材实施阳极氧化处理的方法，但该方法存在无法充分得到耐磨损性以及耐侵蚀性的可能性。
另外，作为针对上述问题点的第二对策，考虑通过物理蒸镀法或化学蒸镀法来在叶轮的Al合金基材表面涂敷陶瓷层的方法。该陶瓷层成为具有耐侵蚀性的高硬度膜。然而，在该方法中，在液滴与陶瓷层发生碰撞时，冲击会传递到内侧的Al合金基材，该Al合金基材发生变形，从而存在在陶瓷层产生裂纹，陶瓷层与Al合金基材剥离的可能性。另外，还存在如下可能性：上述液滴从裂开的部分或剥离的部分浸透至Al合金基材，从而腐蚀Al合金基材。此外，还存在如下可能性：陶瓷层从最开始(在涂敷成膜时)就存在缺陷，上述液滴从该缺陷浸透至Al合金基材，从而腐蚀Al合金基材。
另外，作为针对上述问题点的第三对策，考虑对叶轮的Al合金基材表面实施Ni-P合金等非电解镀覆的方法，但在镀膜中含有微量的S成分，因此存在无法充分得到耐侵蚀性的可能性。
鉴于上述技术课题，本发明的目的在于提供兼备耐磨损性和耐侵蚀性的耐环境性构件和使用该耐环境性构件的叶轮、压缩机以及发动机。
用于解决课题的方案
解决上述课题的第一发明的耐环境性构件，其特征在于，具备：
Al合金基材；
非电解镀层，其在所述Al合金基材的表面形成；
Si层，其在所述非电解镀层的表面形成；以及
类金刚石碳层，其在所述Si层的表面形成。
解决上述课题的第二发明的耐环境性构件的特征在于，
在上述第一发明的耐环境性构件中，
所述耐环境性构件还具备高分子电沉积层，该高分子电沉积层在所述类金刚石碳层的表面形成。
解决上述课题的第三发明的耐环境性构件的特征在于，
在上述第二发明的耐环境性构件中，
在所述类金刚石碳层的表面实施喷丸、或利用在粘弹性粒子中含有硬质陶瓷粒子的介质实施喷射。
解决上述课题的第四发明的耐环境性构件，其特征在于，具备：
Al合金基材；
非电解镀层，其在所述Al合金基材的表面形成；
Cr层，其在所述非电解镀层的表面形成；以及
陶瓷层，其在所述Cr层的表面形成，且含有Cr。
解决上述课题的第五发明的耐环境性构件，其特征在于，具备：
Al合金基材；
非电解镀层，其在所述Al合金基材的表面形成；
Ti层，其在所述非电解镀层的表面形成；以及
陶瓷层，其在所述Ti层的表面形成，且含有Ti。
解决上述课题的第六发明的耐环境性构件的特征在于，
在上述第四或第五发明的耐环境性构件中，
所述耐环境性构件还具备高分子电沉积层，该高分子电沉积层在所述陶瓷层的表面形成。
解决上述课题的第七发明的耐环境性构件的特征在于，
在上述第六发明的耐环境性构件中，
在所述陶瓷层的表面实施喷丸、或利用在粘弹性粒子中含有硬质陶瓷粒子的介质实施喷射。
解决上述课题的第八发明的叶轮的特征在于，
所述叶轮由上述第一至第七中任一发明的耐环境性构件形成。
解决上述课题的第九发明的压缩机的特征在于，具备：
上述第八发明所述的叶轮；以及
压缩机外壳，其将所述叶轮收容在内部。
解决上述课题的第十发明的发动机，其特征在于，具备：
发动机主体；
增压机，其具有与所述发动机主体的供气侧连接的上述第九发明所述的压缩机、以及与所述压缩机连结且与所述发动机主体的排气侧连接的涡轮；以及
EGR系统，其连接在所述涡轮的排气侧与所述压缩机的供气侧之间。
发明效果
根据本发明的耐环境性构件和使用该耐环境构件的叶轮、压缩机以及发动机，能够兼备耐磨损性和耐侵蚀性。
附图说明
图1是对本发明的发动机以及压缩机进行说明的概要图。
图2是对本发明的实施例1的耐环境性构件进行说明的示意性剖面图。
图3是对本发明的实施例2的耐环境性构件进行说明的示意性剖面图。
图4是对本发明的实施例3的耐环境性构件进行说明的示意性剖面图。
图5是对本发明的实施例4的耐环境性构件进行说明的示意性剖面图。
具体实施方式
图1是对本发明的发动机以及压缩机进行说明的概要图。如图1所示，本发明的发动机(船舶用发动机10)具备发动机主体11、增压机12、空气冷却器(冷却器)13以及EGR系统14。
发动机主体11例如是单向流动清扫废气式的柴油发动机，且是两冲程柴油机发动机，将工作缸11a内的清扫废气的流动设为从下方朝向上方的一个方向，从而消除废气的残留。在发动机主体11中使用S成分较多的燃料。发动机主体11将扫气管11b内的燃烧用气体向工作缸11a供给，使该燃烧用气体在工作缸11a内与燃料一同燃烧，并将因燃烧而产生的废气从工作缸11a向排气歧管11c排出。本发明的发动机主体11的扫气管11b与供气用配管G1连结，排气歧管11c与排气用配管G2连结。
增压机12构成为经由旋转轴而将与发动机主体11的扫气管11b连接的压缩机(compressor)21、和与发动机主体11的排气歧管11c连接的涡轮22连结为一体地旋转。在增压机12中，涡轮22通过从与发动机主体11连结的排气用配管G2流入的废气而旋转，涡轮22的旋转传递至压缩机21而使该压缩机21旋转。通过压缩机21旋转，从而将燃烧用气体压缩，被压缩的燃烧用气体通过供气用配管G1而被供给至发动机主体11。
压缩机21具备压缩机外壳(未图示)和叶轮(未图示)。压缩机外壳将被压缩机压缩的燃烧用气体向叶轮引导，并且将被压缩的燃烧用气体向供气用配管G1引导。叶轮设置在压缩机外壳的内部，并构成为绕旋转轴中心旋转自如。叶轮由以Al合金(例如，JIS A2618)为基材的后述的耐环境构件形成。在压缩机21的燃烧用气体的入口侧还连接有消声器21a。
消声器21a是在周向上具备未图示的多个消声器元件的筒状的装置。消声器构成为使因压缩机21的驱动而产生的噪音不会向配置有发动机主体11的机械室漏出。此外，消声器21a形成用于将燃烧用气体向压缩机21引导的通路。这里，消声器21a具备将机械室的空气作为燃烧用空气从消声器元件间向压缩机21引导的路径，且消声器21a与将再循环气体从消声器21a的轴向向压缩机21引导的废气再循环用配管G6连接。在EGR运转时，来自废气再循环用配管G6的再循环气体与燃烧用空气混合，从而生成燃烧用气体。
涡轮22与将使涡轮22旋转的废气排出的排气用配管G3连结，该排气用配管G3经由未图示的废气处理装置而与烟囱(funnel)连结。
空气冷却器13将被压缩机21压缩而成为高温的燃烧用气体与冷却水进行热交换，从而冷却燃烧用气体，并提高燃烧用气体中的氧密度。
EGR系统14具备废气再循环用配管G4、G5、G6、洗涤器23、除雾器单元24、以及EGR鼓风机25，该EGR系统14连接在涡轮22的排气侧与压缩机21的供气侧之间。EGR系统14将从发动机主体11排出的、通过涡轮22后的废气的一部分作为再循环气体并将其再循环到发动机主体11。再循环气体是在去除有害物质后与燃烧用空气混合，随后被压缩机21压缩，从而作为燃烧用气体而再循环到发动机主体11的气体。
洗涤器23对再循环气体喷射液体，从而将含有SOx(S成分)、煤尘等微粒(PM)的有害物质去除。另外，洗涤器23与将去除了有害物质的再循环气体以及排液排出的废气再循环用配管G5连结。
除雾器单元24将去除了有害物质的再循环气体与排液分离，将再循环气体中的液滴去除。另外，除雾器单元24设置有将排液向洗涤器23循环的排液循环用配管W1。另外，该排液循环用配管W1设置有暂时贮存排液的储存罐31、以及泵32。
EGR鼓风机25将来自洗涤器23的再循环气体从废气再循环用配管G5导向除雾器单元24。
对于本发明的发动机，压缩机21的叶轮使用兼备耐磨损性与耐侵蚀性的本发明的耐环境性构件。
需要说明的是，本发明的发动机并不局限于船舶用发动机，能够适用于所有具有低压EGR系统的发动机。
以下，使用附图在各实施例中对本发明的耐环境性构件进行说明。
[实施例1]
图2是对本实施例的耐环境性构件进行说明的示意性剖面图。如图2所示，本实施例的耐环境性构件具备Al合金基材41；非电解镀层42，其在Al合金基材41的表面(图中上侧、以下相同)形成；Si层43，其在非电解镀层42的表面形成；以及类金刚石碳(DLC)层44，其在Si层43的表面形成。
作为非电解镀层42的具体例，使用非电解Ni-P镀覆或非电解Ni-B镀覆、或者复合了SiC以外的硬质粒子的非电解Ni-P镀覆或非电解Ni-B镀覆。需要说明的是，通过在非电解镀覆中复合SiC以外的硬质粒子，从而硬度变高，更不易变形。
另外，非电解镀层42采用降低了S成分的镀覆。这是通过在形成镀覆的工序中，采用使用了S成分较低的稳定剂以及表面活性剂的镀覆液来实现的。
通过采用上述结构，本实施例的耐环境性构件能够兼具耐磨损性与耐侵蚀性。即，通过在Al合金基材41的表面形成非电解镀层42以及DLC层44，能够防止由液滴的碰撞引起的裂纹的产生。即，通过设置硬质的DLC层44，能够确保耐磨损性以及耐侵蚀性。
另外，在非电解镀层42中降低S成分，从而能够提高非电解镀层42自身的耐侵蚀性。非电解镀层42并不局限于该材质，也能够使用Ni-P或Ni-B化合物的非结晶皮膜。
并且，本实施例的耐环境性构件在DLC层44与非电解镀层42之间设置Si层43，从而能够防止由涂敷成膜时的贯穿缺陷(到达Al合金基材41的表面的缺陷)引起的腐蚀。
另外，在未设置非电解镀层42的情况下，即使DLC层44具备耐磨损性，在液滴碰撞时，内侧(图中下侧、以下相同)的Al合金基材41也会发生变形，从而DLC层44发生变形，成为裂纹产生的主要原因。因此，在本实施例中，在Al合金基材41与DLC层44之间，设置比Al合金基材41硬质的非电解镀层42，从而能够抑制上层的DLC层44的变形，进而防止裂纹的产生。即，虽然DLC层44为单层对防止裂纹产生的效果较小，但能够通过在内侧形成非电解镀层42来防止裂纹的产生。
另外，通过在DLC层44与非电解镀层42之间设置Si层43，能够确保与非电解镀覆的密合性(密合性由于具有处于DLC层44与非电解镀层42中间的硬度的Si层43而提高)，从而能够防止DLC层44的贯穿缺陷。
需要说明的是，DLC层44通过使用Si系气体的化学蒸镀法形成，因此作为设置在DLC层44与非电解镀层42之间的层，如上所述使用Si层43，从而能够提高与非电解镀层42的密合性。关于这一点，在上述专利文献2中，中间层为在碳中含有Si的化合物，因此与本实施例相比，无法提高与镀覆层的密合性。
对这一点进行详细叙述，在非电解镀层42表面使用Si层43的理由在于，通过设置非电解镀层42与DLC层44各自的硬度的中间硬度的层，使硬度朝向表层而阶段性地增大，从而防止在各层的界面处的剥离。该结构与上述专利文献2中的含有Si的碳化合物层相比，能够均匀地增加硬度，对应力针对液滴碰撞时的冲击力变形而增加，从而增强在各层间的剥离防止能力。
[实施例2]
图3是对本实施例的耐环境性构件进行说明的示意性剖面图。如图3所示，作为本实施例的耐环境性构件，具备：Al合金基材41；非电解镀层42，其在Al合金基材41的表面形成；Si层43，其在非电解镀层42的表面形成；DLC层44，其在Si层43的表面形成；以及高分子电沉积层61，其在DLC层44的表面形成。
即，本实施例的耐环境性构件在实施例1的耐环境性构件的最表面部分即DLC层44的表面形成有高分子电沉积层61。
作为高分子电沉积层61的具体例，使用环氧、聚酰亚胺、氟或聚酰亚胺酰胺材料。另外，将高分子电沉积层61的厚度设为5μm以上。这是因为，在厚度小于5μm的情况下存在产生缺陷的可能性。高分子电沉积层61的厚度更优选为10～40μm。需要说明的是，由于其是电沉积层，因此制造上的上限为大致50μm。
另外，在DLC层44的表面利用微粒实施喷丸、或利用在粘弹性粒子中含有硬质陶瓷粒子的介质实施喷射。在DLC层44的表面上形成高分子电沉积层61，从而能够提高高分子电沉积层61与DLC层44的密合性。
这样设置的高分子电沉积层61具有缓和液滴的冲击力的作用和提高耐侵蚀性的作用。此外，能够更可靠地防止由涂敷成膜时的贯穿缺陷引起的腐蚀。
[实施例3]
图4是对本实施例的耐环境性构件进行说明的示意性剖面图。如图4所示，作为本实施例的耐环境性构件，具备：Al合金基材41；非电解镀层42，其在Al合金基材41的表面形成；耐腐蚀性金属层53，其在非电解镀层42的表面形成；以及陶瓷层54，其在耐腐蚀性金属层53的表面形成。
作为非电解镀层42的具体例，使用非电解Ni-P镀覆或非电解Ni-B镀覆、或者复合了SiC以外的硬质粒子的非电解Ni-P镀覆或非电解Ni-B镀覆。另外，非电解镀层42采用降低了S成分的镀覆。这是通过在形成镀覆的工序中，采用使用了S成分较低的稳定剂以及表面活性剂的镀覆液来实现的。关于这些点，与实施例1相同。
另外，陶瓷层54具体采用CrN、TiN、TiCN或TiAlN等氮化物或碳氮化物。并且，作为耐腐蚀性金属层53的具体例，在陶瓷层54含有Cr的情况下使用Cr，在陶瓷层54含有Ti的情况下使用Ti。
通过采用上述结构，本实施例的耐环境性构件能够兼具耐磨损性与耐侵蚀性。即，通过在A1合金基材41的表面形成非电解镀层42以及陶瓷层54，能够防止由液滴的碰撞引起的裂纹的产生。即，通过设置硬质的陶瓷层54，能够确保耐磨损性以及耐腐蚀性。
另外，与实施例1相同，在非电解镀层42中降低S成分，从而能够提高非电解镀层42自身的耐侵蚀性。
此外，本实施例的耐环境性构件在陶瓷层54与非电解镀层42之间设置耐腐蚀性金属层53，从而能够防止由涂敷成膜时的贯穿缺陷引起的腐蚀。
另外，在未设置非电解镀层42的情况下，即使陶瓷层54具备耐磨损性，在液滴碰撞时，内侧的Al合金基材41也会发生变形，从而陶瓷层54发生变形，成为裂纹产生的主要原因。因此，在本实施例中，在Al合金基材41与陶瓷层54之间，设置比Al合金基材41硬质的非电解镀层42，从而能够抑制上层的陶瓷层54的变形，进而防止裂纹的产生。即，虽然陶瓷层54为单层对防止裂纹产生的效果较小，但能够通过在内侧形成非电解镀层42来防止裂纹的产生。
另外，通过在陶瓷层54与非电解镀层42之间设置耐腐蚀性金属层53，能够确保与非电解镀层42的密合性(密合性由于具有处于陶瓷层54与非电解镀层42中间的硬度的耐腐蚀性金属层53而提高)，从而能够防止陶瓷层54的贯穿缺陷。
需要说明的是，陶瓷层54通过物理蒸镀法形成。例如，在陶瓷层54为CrN的情况下，通过电弧放电将Cr板熔解并蒸镀，在陶瓷层54为TiN的情况下，通过电弧放电将Ti板熔解并蒸镀。因此，作为在陶瓷层54与非电解镀层42之间设置的耐腐蚀性金属层53，在陶瓷层54含有Cr的情况下使用Cr，在陶瓷层54含有Ti的情况下使用Ti。由此，能够牢固地维持非电解镀层42与陶瓷层54。关于这一点，在上述专利文献2中，中间层为在碳中含有Si的化合物，因此无法提高主要与陶瓷层54的密合性。
对这一点进行详细叙述，例如，在陶瓷层54为CrN的情况下在非电解镀层42表面设置Cr层，在陶瓷层54为TiN的情况下在非电解镀层42表面设置Ti层的理由在于，通过设置硬度处于非电解镀层42与陶瓷层54各自的硬度中间的层，使硬度朝向表层而阶段性地增大，从而防止在各层的界面处的剥离。该结构与上述专利文献2中的含有Si的碳化合物相比，能够均匀地增加硬度，对应力对于相对于液滴碰撞时的冲击力的变形而增加，从而增强在各层间的剥离防止能力。
[实施例4]
图5是对本实施例的耐环境性构件进行说明的示意性剖面图。如图5所示，本实施例的耐环境性构件具备：Al合金基材41；非电解镀层42，其在Al合金基材41的表面形成；耐腐蚀性金属层53，其在非电解镀层42的表面形成；陶瓷层54，其在耐腐蚀性金属层53的表面形成；以及高分子电沉积层61，其在陶瓷层54的表面形成。
即，本实施例的耐环境性构件在实施例3的耐环境性构件的最表面部分即陶瓷层54的表面形成有高分子电沉积层61。
作为高分子电沉积层61的具体例，与实施例2相同，采用环氧、聚酰亚胺、氟或聚酰亚胺酰胺材料。另外，将高分子电沉积层61的厚度设为5μm以上，更优选设为10～40μm。
另外，在陶瓷层54的表面利用微粒实施喷丸、或利用在粘弹性粒子中含有硬质陶瓷粒子的介质实施喷射。在陶瓷层54的表面上形成高分子电沉积层61，从而能够提高高分子电沉积层61与陶瓷层54的密合性。
这样设置的高分子电沉积层61具有缓和液滴的冲击力的作用和提高耐侵蚀性的作用。并且，能够更可靠地防止由涂敷成膜时的贯穿缺陷引起的腐蚀。
工业实用性
本发明适合作为耐环境性构件和使用该耐环境性构件的叶轮、压缩机以及发动机。
附图标记说明
10 船舶用发动机
11 发动机主体
12 增压机
13 空气冷却器
14 EGR系统
21 压缩机
22 涡轮
23 洗涤器
24 除雾器单元
25 EGR鼓风机
31 储存罐
32 泵
41 Al合金基材
42 非电解镀层
43 Si层
44 DLC层
53 耐腐蚀性金属层
54 陶瓷层
61 高分子电沉积层。

Claims (6)

1.一种叶轮，由耐环境性构件形成，其特征在于，所述耐环境性构件具备：
Al合金基材；
非电解镀层，其在所述Al合金基材的表面形成，且采用降低了S成分的镀覆；
Si层，其在所述非电解镀层的表面形成；
类金刚石碳层，其在所述Si层的表面形成；以及
高分子电沉积层，其在所述类金刚石碳层的表面形成，
所述非电解镀层比所述Al合金基材硬质，并且，所述Si层具有处于所述类金刚石碳层与所述非电解镀层中间的硬度。
2.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，
在所述类金刚石碳层的表面实施喷丸、或利用在粘弹性粒子中含有硬质陶瓷粒子的介质实施喷射。
3.一种叶轮，由耐环境性构件形成，其特征在于，所述耐环境性构件具备：
Al合金基材；
非电解镀层，其在所述Al合金基材的表面形成，且采用降低了S成分的镀覆；
Cr层，其在所述非电解镀层的表面形成；
陶瓷层，其在所述Cr层的表面形成，且为CrN；以及
高分子电沉积层，其在所述陶瓷层的表面形成，
所述非电解镀层比所述Al合金基材硬质，并且，所述Cr层具有处于所述陶瓷层与所述非电解镀层中间的硬度。
4.根据权利要求3所述的叶轮，其特征在于，
在所述陶瓷层的表面实施喷丸、或利用在粘弹性粒子中含有硬质陶瓷粒子的介质实施喷射。
5.一种压缩机，其特征在于，具备：
权利要求1至4中任一项所述的叶轮；以及
压缩机外壳，其将所述叶轮收容在内部。
6.一种发动机，其特征在于，具备：
发动机主体；
增压机，其具有与所述发动机主体的供气侧连接的权利要求5所述的压缩机、以及与所述压缩机连结且与所述发动机主体的排气侧连接的涡轮；以及
EGR系统，其连接在所述涡轮的排气侧与所述压缩机的供气侧之间。
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