DE102004049543A1 - Rotor for radial compressor has outer region consisting of basic and additional materials forming gradient material - Google Patents

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Abstract

The radial compressor rotor consists of an alloy containing at least aluminum and copper, which can be hardened by heat treatment. This is the basic material (2). An additional material (3) to the basic material. This consists of an alloy containing aluminum and resistant to high temperatures. This combination forms a gradient material.

Description

Die Erfindung betrifft ein Radialverdichterlaufrad aus einem aus eine zumindest Al und Cu enthaltenden wärmeaushärtbaren Legierung bestehenden Grundwerkstoff und ein Verfahren zu seiner Herstellung.The The invention relates to a radial compressor impeller of one of a at least Al and Cu containing thermosetting alloy existing Base material and a method for its production.

Ein bekanntes Radialverdichterlaufrad für Abgasturbolader ist aus einer Al-Cu-Mg-Legierung gefertigt. Diese Legierung wird zur Wärmeaushärtung einer T6-Wärmebehandlung unterzogen. Diese Behandlung sieht vor, die Legierung zunächst für etwa drei Stunden auf eine Temperatur von etwa 500 °C zu erwärmen und dann schnell auf Raumtemperatur abzuschrecken. Anschließend wird der Werkstoff für acht Stunden auf eine Wärmeauslagerungstemperatur von etwa 180 bis 200 °C gebracht. Danach lässt man ihn auf Raumtemperatur abkühlen.One Known radial compressor impeller for exhaust gas turbocharger is made of a Made of Al-Cu-Mg alloy. This alloy is used for heat curing T6 heat treatment subjected. This treatment initially provides the alloy for about three Hours to a temperature of about 500 ° C and then quickly to room temperature deter. Subsequently becomes the material for eight hours to a heat aging temperature from about 180 to 200 ° C brought. After that lets Let it cool to room temperature.

Ein derartig hergestelltes Radialverdichterlaufrad hat nur eine begrenzte Wärmefestigkeit. Wenn die Austrittstemperatur der Luft die Wärmeauslagerungstemperatur für einige Zeit erreicht oder übersteigt, tritt am Außenrand des Laufrades, also im Bereich des Austritts der komprimierten Luft, eine Überalterung des Werkstoffs auf. Diese Überalterung bewirkt einen Festigkeitsabfall, wodurch Schäden hervorgerufen werden können, beispielsweise durch Ausbrechen von Teilen des Laufrades.One such manufactured radial compressor impeller has only a limited Heat resistance. If the outlet temperature of the air the heat aging temperature for some Time reaches or exceeds, occurs at the outer edge of the impeller, that is in the region of the exit of the compressed air, an aging of the material. This aging causes a drop in strength, which can cause damage, for example by breaking out parts of the impeller.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Radialverdichterlaufrad eingangs genannter Gattung zu schaffen, das höheren thermischen Belastungen im Bereich des Austritts des zu komprimierenden Gases gewachsen ist.Of the Invention is based on the object, a radial compressor impeller initially mentioned genus to create the higher thermal loads grown in the region of the exit of the gas to be compressed is.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der äußere Bereich des Laufrades unter Bildung eines Gradientenwerkstoffs mit dem Grundwerkstoff aus einem Zusatzwerkstoff besteht, der aus einer hochwarmfesten Al enthaltenden Legierung gebildet ist. Dadurch lässt sich ein Radialverdichterlaufrad ausreichender Festigkeit mit einem hochwarmfesten äußeren Bereich herstellen.According to the invention this Task solved by that the outer area of the impeller forming a gradient material with the base material consists of a filler material, which consists of a high-temperature resistant Al-containing alloy is formed. This can be done a radial compressor impeller of sufficient strength with a high temperature resistant outer region produce.

Gemäß einer ersten Variante der Erfindung besteht der Zusatzwerkstoff des äußeren Bereiches aus einer zumindest Al und C enthaltenden Legierung. Nach einer anderen Variante der Erfindung besteht der Zusatzwerkstoff des äußeren Bereiches aus einer zumindest Al und Fe enthaltenden Legierung.According to one first variant of the invention consists of the filler material of the outer region an alloy containing at least Al and C. After another Variant of the invention consists of the filler material of the outer region of an alloy containing at least Al and Fe.

Zur Herstellung eines Radialverdichterlaufrades der eingangs genannten Gattung wird aus dem pulvermetallurgisch vorliegenden Grundwerkstoff und Zusatzwerkstoff durch ein heißisostatisches Pressverfahren ein Rohling aus einem Gradientenwerkstoff hergestellt. Alternativ wird zum gleichen Zweck durch sprühkompaktieren des aufgeschmolzenen Grundwerkstoffs und des aufgeschmolzenen Zusatzwerkstoffes ein Rohling aus einem Gradientenwerkstoff hergestellt.to Production of a radial compressor impeller of the aforementioned Genus is from the powder metallurgical present base material and Additional material by a hot isostatic pressing process a blank made of a gradient material. alternative is for the same purpose by spray-compacting the melted Base material and the molten filler a blank made of a gradient material.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den zusätzlichen Unteransprüchen und einer Beschreibung zweier Varianten der Erfindung anhand der Zeichnung. Auf dieser zeigen die 1-5 den Herstellungsgang eines ersten Ausführungsbeispiels und die 6 und 7 den Herstellungsgang eines zweiten Ausführungsbeispiels.Further features of the invention will become apparent from the additional dependent claims and a description of two variants of the invention with reference to the drawing. On this show the 1 - 5 the manufacturing process of a first embodiment and the 6 and 7 the production process of a second embodiment.

Beim ersten Ausführungsbeispiel wird eine Dose 1 aus einem dünnen Al-Mantel hergestellt, deren Form den Umrissen des herzustellenden Radialverdichterlaufrades unter Berücksichtigung der Werkstoffschrumpfung in den nachfolgenden Verfahrensschritten entspricht. In diese Dose wird ein pulverförmiger Grundwerkstoff 2 zur Bildung des Hauptteiles des Radialverdichterlaufrades eingefüllt. Der Grundwerkstoff besteht aus einer Legierung, die zumindest die Bestandteile Al und Cu aufweist. Weitere Legierungsbestandteile, beispielsweise Mg, sind möglich. Der Grundwerkstoff ist vor dem Einfüllen in die Dose 1 zu einem feinen Pulver gemahlen oder verdüst worden.In the first embodiment, a can 1 made of a thin Al-shell whose shape corresponds to the contours of the radial compressor impeller to be manufactured taking into account the material shrinkage in the subsequent process steps. In this box is a powdery base material 2 filled to form the main part of the radial compressor impeller. The base material consists of an alloy that has at least the components Al and Cu. Other alloying constituents, for example Mg, are possible. The base material is before filling into the can 1 ground to a fine powder or atomized.

In die Dose 1 wird, wie 2 zeigt, anschließend im äußeren Bereich, der später zur Bildung der Schaufelenden dient, der ebenfalls pulverförmige Zusatzwerkstoff 3 eingefüllt. Der Zusatzwerkstoff 3 hat die Legierungsbestandteile Al und C sowie gegebenenfalls weitere Bestandteile in geringer Menge.In the can 1 will, how 2 shows, then in the outer region, which later serves to form the blade ends, which also powdery filler 3 filled. The additional material 3 has the alloying components Al and C and optionally other components in small quantities.

Nach Einfüllen des Zusatzwerkstoffes 3 wird die Dose 1 durch einen Deckel 4 verschlossen und anschließend evakuiert. Die Dose 1 wird dann, wie in 3 angedeutet, einer heißisostatischen Pressbehandlung mit hohem Druck und hoher Temperatur unterworfen.After filling the filler material 3 becomes the can 1 through a lid 4 closed and then evacuated. The tin 1 will then, as in 3 indicated subjected to a hot isostatic pressing treatment at high pressure and high temperature.

Wie in 4 angedeutet ist, bildet sich durch die heißisostatische Pressbehandlung ein einheitlicher Rohling 5, der zwischen dem Grundwerkstoff 2 und dem Zusatzwerkstoff 3 eine Übergangszone 6 aufweist, in der Bestandteile der beiden Werkstoffe vorhanden sind.As in 4 is indicated, formed by the hot isostatic pressing treatment, a uniform blank 5 that between the base material 2 and the filler material 3 a transition zone 6 has, in which components of the two materials are present.

Der Rohling 5 wird ggf. nach einer nachfolgenden Schmiedeumformung der eingangs beschriebenen T6-Wärmebehandlung für den Grundwerkstoff 2 unterworfen.The blank 5 If necessary, after a subsequent forging deformation of the T6 heat treatment described above for the base material 2 subjected.

Wie in 5 angedeutet wird der Rohling 5 danach spanabhebend zur Bildung des Rotorkörpers 7 und der Schaufeln 8 bearbeitet. Wie erkennbar bestehen die äußeren Bereiche der Schaufeln 8 aus dem hochwarmfesten Zusatzwerkstoff 3. Durch die Bildung eines Gradientenwerkstoffs aus den Werkstoffen 2 und 3 ist trotz der erhöhten Warmfestigkeit des äußeren Bereichs der Schaufeln 8 die mechanische Festigkeit des Laufrades gewährleistet.As in 5 indicated is the blank 5 then machined to form the rotor body 7 and the shovels 8th processed. As can be seen, the outer regions of the blades 8th from the heat-resistant filler material 3 , By forming a gradient material from the materials 2 and 3 is despite the increased heat resistance of the outer region of the blades 8th ensures the mechanical strength of the impeller.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel wird wiederum als Grundwerkstoff eine Al-Cu-Legierung verwendet, der weitere Bestandteile wie Mg in geringen Mengen zugesetzt sein können. Als Zusatzwerkstoff wird eine warmfeste, schnell erstarrende (rapid solidification) Legierung mit den Bestandteilen Al und Fe verwendet, der in geringen Mengen weitere Zusatzlegierungsbestandteile zugesetzt werden können.At the second embodiment In turn, the base material used is an Al-Cu alloy, which contains additional constituents as Mg may be added in small amounts. As a filler material is a heat-resistant, rapidly solidifying alloy used with the components Al and Fe, in small quantities other additional alloying ingredients can be added.

Die beiden Werkstoffe werden je für sich geschmolzen und mittels getrennter Leitungen 10, 11 in einen schutzgasgespülten Behälter 12 eingeführt, der in seinem unteren Bereich einen rotierenden Kühlteller 13 aufweist. Am Ende der Leitungen 10, 11 ist je eine Düse 14, 15 angeordnet, die die flüssigen Werkstoffe in feinen Tröpfchen versprüht. Dabei ist die Düse 14 so ausgerichtet, dass sie den Grundwerkstoff 16 als zentralen Kern auf den Kühlteller 13 aufsprüht. Die Düse 15 ist dagegen so ausgerichtet, dass sie den tröpfchenförmig versprühten Zusatzwerkstoff 17 während der Drehung des Kühltellers 13 gleichmäßig von außen auf den Grundwerkstoff 16 aufsprüht. Der Behälter 12 ist dabei dauernd mit dem Schutzgas gefüllt. Wie 6 zeigt, wird dadurch durch Sprühkompaktieren auf dem Kühlteller 13 ein Zylinder aus einem Gradientenwerkstoff gebildet, der innen den Grundwerkstoff 16 und außen den Zusatzwerkstoff 17 mit einer dazwischen liegenden Übergangszone aufweist. Dabei sind zweckmäßig die Düsen 14, 15 in Richtung der Längsachse des Zylinders verschiebbar angeordnet.The two materials are each melted for themselves and by means of separate lines 10 . 11 in a protective gas-flushed container 12 introduced, in its lower part a rotating cooling plate 13 having. At the end of the lines 10 . 11 is ever a nozzle 14 . 15 arranged, which sprays the liquid materials in fine droplets. Here is the nozzle 14 aligned so that they are the parent material 16 as a central core on the cooling plate 13 sprayed. The nozzle 15 On the other hand, it is oriented in such a way that it produces the droplet-like sprayed filler material 17 during the rotation of the cooling plate 13 evenly from the outside onto the base material 16 sprayed. The container 12 is constantly filled with the inert gas. As 6 is characterized by spray-compacting on the cooling plate 13 a cylinder formed from a gradient material, the inside of the base material 16 and outside the filler material 17 having an intermediate transition zone. In this case, the nozzles are useful 14 . 15 slidably disposed in the direction of the longitudinal axis of the cylinder.

Wie 7 zeigt wird anschließend der aus dem Gradientenwerkstoff bestehende Zylinder zur Bildung von Rohlingen 18 durch waagerechte Schnitte unterteilt.As 7 Subsequently, the cylinder consisting of the gradient material is used to form blanks 18 divided by horizontal cuts.

Diese Rohlinge 18 werden dann ebenso wie beim ersten Ausführungsbeispiel gesenkgeschmiedet, einer T6-Wärmebehandlung unterzogen und anschließend spanabhebend bearbeitet.These blanks 18 are then die-forged as in the first embodiment, subjected to a T6 heat treatment and then machined.

Claims (11)

Radialverdichterlaufrad aus einem aus einer zumindest Al und Cu enthaltenden wärmeaushärtbare Legierung bestehenden Grundwerkstoff dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Bereich des Laufrades unter Bildung eines Gradientenwerkstoffs mit dem Grundwerkstoff (2, 16) aus einem Zusatzwerkstoff (3, 17) besteht, der aus einer hochtemperaturfesten, Al enthaltenden Legierung gebildet ist.Radial compressor impeller made of a base material consisting of a thermosetting alloy containing at least Al and Cu, characterized in that the outer portion of the impeller is bonded to the parent material (16) to form a gradient material. 2 . 16 ) from a filler material ( 3 . 17 ) formed of a high-temperature-resistant Al-containing alloy. Radialverdichterlaufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff (3) des äußeren Bereiches aus einer zumindest Al und C enthaltenden Legierung besteht.Radial compressor impeller according to claim 1, characterized in that the filler material ( 3 ) of the outer region consists of an alloy containing at least Al and C. Radialverdichterlaufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff (17) des äußeren Bereiches aus einer zumindest Al- und Fe enthaltenden Legierung besteht.Radial compressor impeller according to claim 1, characterized in that the filler material ( 17 ) of the outer region consists of an alloy containing at least Al and Fe. Verfahren zur Herstellung eines Radialverdichterlaufrades nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Grundwerkstoff (2) und dem Zusatzwerkstoff (3) durch ein heißisostatisches Pressverfahren ein Rohling (5) aus einem Gradientenwerkstoff hergestellt wird.Method for producing a radial compressor impeller according to one of the preceding claims, characterized in that from the base material ( 2 ) and the filler material ( 3 ) by a hot isostatic pressing a blank ( 5 ) is made of a gradient material. Verfahren zur Herstellung eines Radialverdichterlaufrades nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Sprühkompaktieren des geschmolzenen Grundwerkstoffs (16) und des geschmolzenen Zusatzwerkstoffs (17) ein Rohling (18) aus einem Gradientenwerkstoff hergestellt wird.Method for producing a radial compressor impeller according to one of the preceding claims 1-3, characterized in that by spray-compacting the molten base material ( 16 ) and the molten filler material ( 17 ) a blank ( 18 ) is made of a gradient material. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in eine aus einem Al-Mantel bestehende, den Umrissen des Laufrades entsprechende Dose (1) mittig pulverförmiger Grundwerkstoff (2) sowie im äußeren Bereich pulverförmiger Zusatzwerkstoff (3) eingefüllt und nach Verschließen und E vakuieren der Dose auf diese zur Bildung eines Rohlings aus einem Gradientenwerkstoff bei hoher Temperatur ein hoher Druck aufgebracht wird.A method according to claim 4, characterized in that in a consisting of an Al-coat, the contours of the impeller corresponding box ( 1 ) centrally powdered base material ( 2 ) and in the outer area powdered filler material ( 3 ) and after closing and E vakuieren the can on this to form a blank made of a gradient material at high temperature, a high pressure is applied. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff (2) und der Zusatzwerkstoff (3) je für sich gemahlen oder verdüst werden.Method according to claim 6, characterized in that the base material ( 2 ) and the filler material ( 3 ) are milled or atomized per se. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff (16) und der Zusatzwerkstoff (17) je für sich geschmolzen und durch Sprühkompakttieren zu einem Zylinder aus einem Gradientenwerkstoff verfestigt werden, der einen Kern aus den Grundwerkstoff (16) und einen äußeren Bereich aus dem Zusatzwerkstoff (17) aufweist.Method according to claim 5, characterized in that the base material ( 16 ) and the filler material ( 17 ) are individually melted and compacted by spray compacting to form a cylinder of a gradient material comprising a core of the parent material ( 16 ) and an outer area of the filler material ( 17 ) having. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Sprühkompakttieren der Grundwerkstoff (16) zentral und der Zusatzwerkstoff (17) seitlich des Grundwerkstoffs auf einen rotierenden Kühlteller (13) aufgesprüht werden.A method according to claim 8, characterized in that for spray compacting the base material ( 16 ) central and the filler material ( 17 ) side of the base material on a rotating cooling plate ( 13 ) are sprayed on. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sprühkompakttieren in einem Behälter (12) unter Schutzgas erfolgt.Apparatus according to claim 8 or 9, characterized in that the Sprühkompakttieren in egg a container ( 12 ) under protective gas. Verfahren nach einem der Ansprüche 4-10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling (5, 18) gesenkgeschmiedet, danach einer Wärmebehandlung zum Aushärten des Grundwerkstoffs (2, 16) unterzogen und anschließend spanabhebend in die Endform gebracht wird.Method according to one of claims 4-10, characterized in that the blank ( 5 . 18 ), then a heat treatment for curing the base material ( 2 . 16 ) and then machined into the final shape.
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