DE68906667T2

DE68906667T2 - Keramischer turbokompressorrotor.

Info

Publication number: DE68906667T2
Application number: DE8989123232T
Authority: DE
Inventors: Masaya C O Ngk Spark Plug Ito; Katsumi C O Ngk Spark P Miyama
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1988-12-16
Filing date: 1989-12-15
Publication date: 1993-08-26
Anticipated expiration: 2009-12-16
Also published as: DE68906667D1; EP0376092B1; EP0376092A1; US5073085A

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen keramischen Rotor für einen Turbokompressor, insbesondere der Art, zu der ein Ganzkeramik-Turbinenrad und eine Metallwelle gehören, die weich oder hart zusammengelötet sind.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Eine Silber-Kupfer-Titan (Ag-Cu-Ti) Legierung, Silber-Kupfer- Nickel-Titan-(Ag-Cu-Ni-Ti) Legierung usw. werden als Zusatzmetalle beim Hartlöten einer Metallwelle an ein keramisches Turbinenrad verwendet und bilden, wie in der Technik bekannt ist (DE- A-3535511, DE-A-3632614), einen Rotor für einen Turbokompressor. Dieses Hartlöten ist im allgemeinen vorteilhaft, da es relativ einfach ausführbar ist, d.h. die Hartlöttemperatur ist relativ niedrig (800 - 900ºC), und eine Hartlötverbindung weist eine relativ hohe Festigkeit auf. Jedoch hat das Hartlöten bei der Anwendung bei einem Teil oder Element, das hohen Temperaturen ausgesetzt ist, Nachteile, da es keine Warmfestigkeit und keine Oxydationsfestigkeit aufweist, weil der eutektische Punkt von Silber-Kupfer (Ag-Cu) niedrig ist (780ºC) und Kupfer darüberhinaus allmählich oxydiert wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Turbokompressorrotor geschaffen, der ein Turbinenrad aus keramischem Werkstoff mit integraler Welle, eine Metallwelle, welche axial nach der Welle des Turbinenrades ausgerichtet ist, sowie eine erste hartgelötete Verbindungsschicht, welche zwischen die Welle des Turbinenrades und die Metallwelle eingefügt ist und sie verlötet, umfaßt.
Die erste gelötete Verbindungsschicht hat die Zusammensetzung, die aus 20 - 70 Masseprozent Silber, 1 - 20 Masseprozent Palladium, 10 - 60 Masseprozent Nickel und 1 bis 10 Masseprozent Titan besteht.
Der Turbokompressorrotor umfaßt weiterhin ein Metallhülse, die auf der Welle des Turbinenrades, der Metallwelle und der ersten gelöteten Verbindungsschicht angebracht ist, und eine zweite gelötete Verbindungsschicht, die zwischen der Metallwelle und der Metallhülse angeordnet ist und sie zusammenlötet. Die zweite gelötete Verbindungsschicht hat die Zusammensetzung, die aus 20 - 70 Masseprozent Silber, 1 - 10 Masseprozent palladium, 10 - 60 Masseprozent Nickel und weniger als 1 Masseprozent Titan besteht.
Die obenerwähnte Konstruktion beseitigt die oben aufgeführten Nachteile, die dem Stand der Technik innewohnen.
Dementsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen verbesserten Turbokompressorrotor zu schaffen, der ausgezeichnete Warmfestigkeit an der hartgelöteten Verbindung zwischen einer keramischen Welle und einer Metallwelle aufweist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten Turbokompressorrotor der oben beschriebenen Art zu schaffen, dessen Erzeugnisse stabile Warmfestigkeit erreichen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten Turbokompressorrotor der oben beschriebenen Art zu schaffen, der zuverlässig funktioniert, wenn er bei hohen Temperaturen betrieben wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten Turbokompressorrotor der oben beschriebenen Art zu schaffen, der eine gute Oxydationsbeständigkeit bewirkt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine teilweise als Schnitt ausgeführte und abgebrochene Seitenansicht eines Turbokompressorrotors gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine vergrößerte Teilansicht eines Turbinenrades des Turbokompressorrotors in Fig. 1;
Fig. 3 und 4 sind auseinandergezogene Ansichten des Turbokompressorrotors in Fig. 1 zur Veranschaulichung seiner Hartlötvorgänge;
Fig. 5 ist eine Schnittdarstellung einer Torsionsversuchsvorrichtung und des Turbokompressorrotors in Fig. 1;
Fig. 6 ist eine vergrößerte Schnitteilansicht des Hartlötverbindungsabschnittes des Turbokompressorrotors in Fig. 1;
Fig. 7 ist eine ähnliche Ansicht wie Fig. 6, die jedoch einen Hartlötverbindungsabschnitt eines Vergleichsbeispiels darstellt;
Fig. 8 ist eine auseinandergezogene Darstellung eines Turbokompressorrotors gemäß einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 ist ein Diagramm der Torsionsfestigkeit im Verhältnis zur Abschrägung;
Fig. 10 ist eine Schnitteilansicht eines Vergleichsbeispiels eines Turbokompressorrotors, mit einem Bruch an einem keramischen Wellenstumpf.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungen

In Fig. 1 enthält ein Rotor 1 gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung für einen Turbokompressor ein Ganzkeramik-Turbinenrad 2 oder ein Turbinenrad 2, das vollständig aus Keramik besteht. So besteht das Turbinenrad 2 beispielsweise aus Siliziumnitrid. Das Turbinenrad 2 hat eine integrale Radwelle oder Wellenstumpf 3. Eine Lagerwelle oder Metallwelle 4 aus SUS 403 (rostfreier Stahl gemäß Japanische Industrienormen) ist mit zwei Nickel-(Ni)-Platinen 5 und 6 und einer Wolfram-(W)-Legierungsplatine mit einer Zusammensetzung, die eine kleine Menge Eisen und Nickel als Sinterhilfsmittel oder -zusätze enthält, an den keramischen Wellenstumpf 3 angelötet. Der keramische Wellenstumpf 3 und Nickelplatine 5 sind mittels einer gelöteten Zwischenverbindungsschicht 8 zusammengelötet.
Eine Metallhülse 9 aus Incoloy (incoloy) 903 umgibt die gelötete Zwischenverbindungsschicht 8. Die Metallhülse 9 ist so gebaut und angeordnet, daß sie sich über die verbindenden Endabschnitte des keramischen Wellenstumpfes 3 und der Metallwelle 4 erstreckt und auf selbige aufgesteckt ist. Die Metallhülse 9 hält einen Dichtungsring (nicht abgebildet), der verhindert, daß Schmiermittel für Lager (nicht abgebildet) ausläuft und in eine Turbinenseite eindringt. In diesem Fall sind die Abmessung der Teile, die den gelöteten Verbindungsabschnitt des Turbokompressorrotors 1 bilden, in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1 Abmessungen Durchmesser (mm) Länge (mm) oder Dicke (mm) Wellenstumpf 2 Nickelplatinen 4, 5 Wolframlegierungsplatine 6
Der Turbokompressorrotor 1 wird wie folgt durch Hartlöten zusammengesetzt: Zuerst wird, wie in Fig. 2 dargestellt, der keramische Wellenstumpf 3 des Turbinenrades 2 am Verbindungsende 11 abgeschrägt, d.h. mit einer gebrochenen Kante oder Abschrägung 10 am Verbindungsende 11 versehen. Wenn das Verbindungsende 11 des keramischen Wellenstumpfes 3 10 mm Durchmesser hat, ist die Abschrägung 10 0,2 mm lang (2,0% des Durchmessers). Dann werden, wie in Fig. 3 dargestellt, ein Hartlöt-Zusatzmetall 13, Nickelplatine 5, Hartlöt-Zusatzmetall 14 und Wolframlegierungsplatine 7 nacheinander am Verbindungsende 11 des keramischen Wellenstumpfes 3 angebracht und mit selbigem mittels einer Einspannvorrichtung (nicht dargestellt) zusammengehalten. Die wie obenerwähnt zusammengehaltenen Teile werden erwärmt und in einem Vakuum von ungefähr 10&supmin;&sup4; - 10&supmin;&sup5; Torr und unter den in Tabelle 2 aufgeführten Bedingungen zusammengelötet.
Das Hartlöt-Zusatzmetall 13 ist von der Art, die die gelötete Zwischenverbindungsschicht 8 mit der in Tabelle 2 dargestellten Zusammensetzung ermöglicht. Der Nickelgehalt der gelöteten Zwischenschicht 8 in Tabelle 2 schließt dabei einen Teil der Nikkelplatine 5 ein, der beim Hartlöten in die Verbindungsschicht 8 eluiert ist. Die Verbindungsschicht 8 ist in ihrer Zusammensetzung nicht einheitlich.
Nach dem oben beschriebenen Hartlöten wird ein Fluß des Hartlötmetalls an der Außenumfangsfläche der keramischen Wellenstumpfes 3 und der gelöteten Zwischenverbindungsschicht 8 entfernt, falls er vorhanden ist.
Dann werden, wie in Fig. 4 dargestellt, ein Hartlöt-Zusatzmetall 15, Nickelplatine 6, Hartlöt-Zusatzmetall 16 und Metallwelle 4 nacheinander am Ende der Wolframlegierungsplatine 7 angebracht und axial mit dem keramischen Wellenstumpf 3 ausgerichtet. Die Metallhülse 9 wird auf dem keramischen Wellenstumpf 3, der Metallwelle 4 usw., die wie oben erwähnt zusammengesetzt worden sind, angebracht. Der keramische Wellenstumpf 3, Metallwelle 4, Metallhülse 9 usw. werden dann erwärmt und in einem Vakuum von 10&supmin;&sup4; - 10&supmin;&sup5; Torr zusammengelötet.
In diesem Fall wird BAg 8 (Silber- und Kupferlegierung nach Japanischen Industrienormen) als Hartlöt-Zusatzmetall 15 und 16 verwendet, um die in Tabelle 2 dargestellten Beispiele 1 - 7 der vorliegenden Ausführung herzustellen.
Die in Tabelle 2 dargestellten Beispiele Nr. 4 - 6 der vorliegenden Ausführung haben die gelötete Zwischenverbindungsschicht 8 mit der gleichen Zusammensetzung wie Beispiel Nr. 1 und sind nicht mit der Abschrägung 10 am Verbindungsende 11 des keramischen Wellenstumpfes 3 versehen. Das Beispiel Nr. 7 hat die Abschrägung 10 mit 1,1 mm Länge (11% des Durchmessers). Tabelle 2 Zusammensetzung der gelöteten Zwischenverbindungsschicht (Masseprozent) Beispiel Nr. Erwärmungsbedingungen Größe der Abschrägung Beispiele der vorliegenden Ausführung Vergleichsbeispiele gleich nicht abgeschrägt
Der Turbokompressorrotor 1 der vorliegenden Ausführung wurde mit einer in Fig. 5 dargestellten Torsionsvorrichtung 20 auf die Festigkeit des gelöteten Verbindungsabschnittes untersucht.
Torsionsversuche wurden bei Zimmeremperatur bzw. bei 450ºC durchgeführt.
Bei dieser Torsionsversuchsvorrichtung 20 in Fig. 5 wird der Endabschnitt 21 des Turbinenrades 2 in ein oberes Spannfutter 22 eingespannt, während der mit der Lagerwelle 4 aus einem Stück bestehende Endabschnitt 23 in ein unteres Spannfutter 24 eingespannt wird, so daß durch das obere und das untere Spannfutter 22 und 24 eine Torsionskraft auf den Turbokompressorrotor ausgeübt wird.
Um die Wirkung der vorliegenden Ausführung durch Vergleich zu bestätigen, werden die Vergleichsbeispiele Nr. 1 - 3 mit der in Tabelle 2 dargestellten Zusammensetzung und das Vergleichsbeispiel Nr. 4, hergestellt unter Verwendung von Hartlöt-Zusatzmetallen 15a und 16a mit der Zusammensetzung, die aus 71 Masseprozent Silber, 27 Masseprozent Kupfer und 2 Masseprozent Titan (siehe Fig. 7) besteht, hergestellt.
Die Vergleichsbeispiele Nr. 1 - 4 gleichen hinsichtlich der Konstruktion und des Hartlötverfahrens den erfindungsgemäßen Beispielen bis auf die Tatsache, daß sie nicht mit der Abschrägung 10 versehen sind. Das Ergebnis des Versuches ist in Tabelle 3 dargestellt. Tabelle 3 Torsionsfestigkeit (kg.m) Beispiel Nr. Zimmertemperatur
Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, daß die Beispiele 1 - 7 der vorliegenden Ausführung hinsichtlich der Festigkeit bei hoher Temperatur (450ºC) den Vergleichsbeispielen Nr. 1 - 4 überlegen sind. Darüberhinaus geht aus dem Vergleich der Beispiele 1 - 3 und der Beispiele 4 - 6 der vorliegenden Ausführung hervor, daß, obwohl beide Gruppen hervorragende und stabile Warmfestigkeit aufweisen, die Beispiele Nr. 1 - 3, die mit der Abschrägung 10 von 0,2 mm versehen sind, besser und stabiler sind. Das Beispiel Nr. 7 mit der Abschrägung 10 von 1,1 mm hat eine höhere Warmfestigkeit als die Vergleichsbeispiele, liegt aber bei der gleichen Festigkeit etwas unter den Beispielen 1 - 3 der vorliegenden Ausführung. Daraus wird ersichtlich, daß, um eine entsprechende Wirkung der Abschrägung 10 zu erreichen, es vorteilhaft ist, die Abschrägung 10 auf 1 mm oder darunter festzulegen.
Es wird angenommen, daß die obenerwähnte Wirkung der vorliegenden Erfindung auf der Tatsache beruht, daß die gelötete Zwischenverbindungsschicht 8 bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung kein Kupfer enthält, und daher die Oxydationsbeständigkeit erheblich verbessert wird. Es wird weiterhin angenommen, daß die Wärmeeigenschaften von Palladium (Pd) zu dieser Wirkung beitragen.
Aus dem Vergleich der Beispiele Nr. 1 - 3 der vorliegenden Ausführung mit dem Vergleichsbeispiel 4 wird ersichtlich, daß das Vergleichsbeispiel 4 eine erheblich geringere Torsionsfestigkeit als die Beispiele der vorliegenden Ausführung aufweist. Es wird angenommen, daß dies die im folgenden aufgeführten Ursachen hat. Das Vergleichsbeispiel Nr. 4 wurde zu Untersuchungszwecken geschnitten, und es stellte sich, wie in Fig. 7 dargestellt ist, heraus, daß die Hartlöt-Zusatzmetalle 15a und 16a geschmolzen und so zwischen die Zusammengehörigen Verbindungsflächen geflossen waren und eine gelötete Verbindungsschicht 17a bildeten, die den Zwischenraum 30 zwischen der Metallhülse 9 und den Wellen 3 und 4 ausfüllte. Es stellte sich auch heraus, daß die gelötete Verbindungsschicht 17a nicht nur die innere Umfangsfläche der Metallhülse 9 benetzte, sondern die äußere Umfangsfläche des keramischen Wellenstumpfs 3. Man geht davon aus, daß das Benetzen des keramischen Wellenstumpfs 3 durch die Tatsache verursacht wurde, daß die Hartlöt-Zusatzmetalle 15a und 16a Titan (Ti) enthalten, und dadurch die Hartlötlegierung zur Bildung der gelöteten Verbindungsschicht 17a sehr aktiv werden kann, wenn sie sich im geschmolzenen Zustand befindet. Wenn die gelötete Verbindungsschicht 17a fest mit dem keramischen Wellenstumpf 3 verbunden wird, kommt es zu einer kritischen Spannungskonzentration im keramischen Wellenstumpf 3 in der Nähe des Endes 18a der gelöteten Verbindungsschicht 17a aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung bei Erwärmen und Abkühlen, und im schlimmsten Falle führt das zum Riß oder Bruch "CR" im keramischen Wellenstumpf 3. Aus diesem Grund wird davon ausgegangen, daß die Torsionsfestigkeit des Vergleichsbeispiels Nr. 4 sehr gering ist.
Im Unterschied dazu haften, wenn, wie in Fig. 6 dargestellt, das Hartlöten mit den Hartlöt-Zusatzmetallen 15 und 16 ausgeführt wird, die kein Titan enthalten, die Zusatzmetalle im geschmolzenen Zustand an der inneren Umfangsfläche der Metallhülse 9, und haften nicht an der äußeren Umfangsfläche des keramischen Wellenstumpfs 3. Dementsprechend kommt es bei Verwendung der Hartlötmetalle 15 und 16 nicht zu der oben beschriebenen Spannungskonzentration.
Beim erfindungsgemäßen Hartlötverfahren werden zunächst die Nickelplatine 5 und die Wolframlegierungsplatine 7 an den keramischen Wellenstumpf 3 angelötet. Beim ersten Hartlötverfahren wird zur Verbesserung der Benetzbarkeit bei Keramik das Titan (Ti) enthaltende Hartlöt-Zusatzmetall 13 verwendet, um die Nikkelplatine fest mit dem keramischen Wellenstumpf 3 zu verbinden. Beim zweiten Hartlötverfahren werden die Nickelplatine 6 und die Metallwelle 4 an die Wolframlegierungplatine 7 angelötet, und gleichzeitig wird die Metallhülse 9 an die Metallwelle 4 angelötet. Beim zweiten Hartlötverfahren werden die Wolframlegierungsplatine 7, die Hartlöt-Zusatzmetalle 15 und 16, die kein Titan enthalten und daher schlechte oder geringe Benetzbarkeit bei Keramik aufweisen, verwendet, um die Metallteile zu verbinden, d.h., um die Wolframlegierungsplatine 7, Metallwelle 4 und Metallhülse 9 miteinander zu verbinden. Eine gelötete Verbindungsschicht 17, die durch die Zusatzmetalle 15 und 16 gebildet wird und den Zwischenraum 30 füllt, haftet nicht stark an der äußeren Umfangsfläche des keramischen Wellenstumpfes 3. So wird sicher vermieden, daß eine kritische Spannungskonzentration auf den Wellenstumpf 3 wirkt und dadurch Schäden oder Brüche auftreten.
Des weiteren werden bei der oben beschriebenen Ausführung der vorliegenden Erfindung zwei voneinander unabhängige Hartlötverfahren ausgeführt. Daher kann der gelötete Verbindungsabschnitt des keramischen Wellenstumpfes 3 nach dem ersten Hartlötverfahren leicht überprüft werden. Wenn die gelötete Zwischenverbindungsschicht 8 einen Abschnitt aufweist, der die äußere Umfangsfläche des keramischen Wellenstumpfes 3 benetzt, kann der Abschnitt, falls erforderlich, leicht entfernt werden. Dadurch wird besser gewährleistet, daß die gelötete Verbindungsschicht 17 nicht an der äußeren Umfangsfläche des keramischen Wellenstumpfes 3 haftet. So kann der erfindungsgemäße Turbokompressorrotor 1 eine ausgezeichnete Warmfestigkeit aufweisen.
Der keramische Turbokompressorrotor 1, der unter gleichen Bedingungen wie die Beispiele Nr. 1 - 7 hergestellt wurde und in einem Motor installiert wurde, wurde 100 Stunden lang ununterbrochen bei einer Drehzahl von 120000 U/min und Abgasen mit 950ºC auf Haltbarkeit getestet. In diesem Versuch trat kein Fehler oder Schaden am gelöteten Verbindungsabschnitt des Turbokompressorrotors 1 auf.
Fig. 8 stellt einen Turbokompressorrotor 40 gemäß einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung dar. Die vorliegende Ausführung unterscheidet sich von der oben beschriebenen Ausführung darin, daß der keramische Wellenstumpf 41, die Metallwelle 42 und die Metallhülse 43 in einem einzigen Hartlötverfahren miteinander verbunden werden.
Wie in Fig. 8 dargestellt, ist das Ende 46 des keramischen Wellenstumpfes 41 des Turbinenrades 44 mit einer gebrochenen Kante oder Abschrägung 47 versehen. Die Abschrägung 47 ist 0,2 mm lang, wenn die Radwelle 41 10 mm Durchmesser hat, d.h. die Abschrägung 47 entspricht 2,0% des Durchmessers der Radwelle 41. Das Hartlöt-Zusatzmetall 48, Nickelplatine 49, Hartlöt-Zusatzmetall 52, Nickelplatine 53, Hartlöt-Zusatzmetall 54 und Metallwelle 42 werden nacheinander am Ende 46 des keramischen Wellenstumpfes 41 angebracht und axial mit selbigem ausgerichtet, und anschließend wird die Metallhülse 43 auf sie aufgesteckt.
Das keramische Turbinenrad 44, Metallwelle 42, Metallhülse 43 usw., die wie oben beschrieben zusammengesetzt sind, werden in einem Vakuum von ungefähr 10&supmin;&sup4; - 10&supmin;&sup5; Torr und unter den in Tabelle 4 aufgeführten Bedingungen erwärmt. Das Hartlötmetall 48 ist der Art, die es ermöglicht, daß die gelötete Zwischenverbindungsschicht 55 (siehe Fig. 10) die in Tabelle 4 aufgeführte Zusammensetzung hat. Der in Tabelle 4 angegebene Nickelgehalt der gelöteten Zwischenverbindungsschicht 55 schließt einen Teil der Nickelplatine 49 ein, der beim Hartlöten in die Verbindungsschicht 55 eluiert ist. Die Hartlötmetalle 50, 52 und 54 bestehen aus reinem Silber.
Ein Vergleichsbeispiel Nr. 4 ohne Abschrägung und ein Vergleichsbeispiel Nr. 5 mit einer Abschrägung von 1,1 mm (11% des Durchmessers des Lötendes von 10 mm) werden zum Vergleich mit den Beispielen der vorliegenden Ausführung hergestellt.
Der Turbokompressorrotor 40 der vorliegenden Ausführung wurde mit der gleichen Vorrichtung, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, und auf die gleiche Weise wie die vorhergehende Ausführung auf die Festigkeit des gelöteten Verbindungsabschnittes untersucht. Die Torsionsversuche wurden bei Zimmertemperatur bzw. bei 450ºC durchgeführt. Das Versuchsergebnis ist in Tabelle 5 und im Diagramm in Fig. 9 dargestellt.
Um die Wirkung der vorliegenden Ausführung zu bestätigen, werden die Vergleichsbeispiele Nr. 1 - 3 ohne Abschrägung und mit anderer Zusammensetzung als die erfindungsgemäßen Beispiele hergestellt und dem gleichen Torsionsversuch wie oben erwähnt unterzogen. Bei den Vergleichsbeispielen wird das Beispiel Nr. 3 unter Verwendung der Hartlöt-Zusatzmetalle 50, 52 und 54 mit der Zusammensetzung, die aus 71 Masseprozent Silber, 27 Masseprozent Kupfer und 2 Masseprozent Titan besteht, hergestellt. Die Vergleichsbeispiele Nr. 1 - 3 sind bis auf obiges und die Tatsache, daß sie keine Abschrägung aufweisen, die gleichen wie die erfindungsgemäßen Beispiele. Das Versuchsergebnis ist in Tabelle 5 und in Fig. 9 dargestellt. Im Diagramm in Fig. 9 wurden die Daten bezüglich der Abschrägung von 0,2 mm dem Beispiel Nr. 3 entnommen. Tabelle 1 Zusammensetzung der gelöteten Zwischenverbindungsschicht (Massenprozent) Beispiel Nr. Erwärmungsbedingung Größe der Abschrägung (mm) Beispiele der vorliegenden Ausführung Vergleichbeispiele gleich nicht abgeschrägt Tabelle 5 Torsionsfestigkeit (kg.m) Beispiel Nr. Zimmertemperatur Beispiele der vorliegenden Ausführung Vergleichsbeispiele
Wie aus Tabelle 5 hervorgeht, haben die Beispiele Nr. 1 - 5 des Turbokompressorrotors 40 der vorliegenden Ausführung eine höhere und stabilere Warmfestigkeit (450ºC) als die Vergleichsbeispiele Nr. 1 - 3. Durch den Vergleich der Beispiele Nr. 1 - 3 und 5 (abgeschrägt) der vorliegenden Ausführung mit dem Vergleichsbeispiel Nr. 4 (nicht abgeschrägt) wird ersichtlich, daß die Beispiele mit der Abschrägung 47 eine stabilere Torsionsfestigkeit als das Beispiel ohne die Abschrägung 47 haben, obwohl beide eine gute Warmfestigkeit aufweisen. Das Beispiel Nr. 5 mit der Abschrägung von 1,1 mm hat eine höhere Warmfestigkeit als die Vergleichsbeispiele, liegt jedoch bei der gleichen Festigkeit etwas unter den Beispielen Nr. 1 - 3 der vorliegenden Ausführung. Daraus geht hervor, daß sich die Abschrägung 47 mit gleich oder weniger als 1 mm, d.h. gleich oder weniger als 10% des Durchmessers des Löt-Wellenendes vorteilhaft auf die Erreichung einer entsprechenden Wirkung der Abschrägung auswirkt.
Andererseits ist ersichtlich, daß das Vergleichsbeispiel Nr. 3, das unter Verwendung eines Titan enthaltenden Hartlötmetalls hergestellt wurde, erheblich geringere Festigkeit aufweist. Es wird davon ausgegangen, daß dies die im folgenden aufgeführten Gründe hat.
Das Vergleichsbeispiel Nr. 3 wurde, nachdem es dem obenerwähnten Versuch unterzogen worden war, zu Untersuchungszwecken in einer Ebene senkrecht zu den Verbindungsflächen geschnitten, und es stellte sich heraus, daß, wie in Fig. 10 dargestellt, die Hartlötlegierung 60 die äußere Umfangsfläche des keramischen Wellenstumpfes 41 benetzte und ihr Ende mit dem Anfang des Bruchs des keramischen Wellenstumpfes 41 zusammenfiel. Da die Hartlötlegierung 2% Titan enthält, wird sie in der flüssigen Phase sehr aktiv und verbindet sich daher fest mit keramischen Materialien. Dadurch kommt es während des Abkühlens nach dem Hartlöten zu einer Spannungskonzentration am Ende des Hartlötmetalls 60. Vom obenerwähnten abgesehen ist es möglich, daß vor dem Torsionsversuch Risse in der Radwelle 41 entstanden waren.
Der unter den gleichen Bedingungen wie die Beispiele Nr. 1 - 5 hergestellte Turbokompressorrotor 40 wurde in einem Motor installiert und einem Haltbarkeitsversuch unterzogen, wobei er in Abgasen mit 950ºC und bei einer Drehzahl von 120000 U/min 100 Stunden lang ununterbrochen betrieben wurde. Dieser Versuch ergab, daß an der Lötstelle des keramischen Wellenstumpfes 41, der Metallwelle 42 und der Metallhülse 43 keine Fehler oder Schäden, wie Risse usw., auftraten.
Aus obigem ist zu ersehen, daß ein Aspekt der vorliegenden Erfindung darin besteht, daß der keramische Wellenstumpf des Turbinenrades und die Metallwelle zusammengelötet werden, indem eine gelötete Zwischenverbindungsschicht zwischen ihnen eingefügt wird, die die Zusammensetzung aufweist, die aus 20 - 70 Masseprozent Silber, 1 - 20 Masseprozent Palladium, 10 - 60 Masseprozent Nickel und 1 - 10 Masseprozent Titan besteht. Dabei wirken die einzelnen Bestandteile der gelöteten Zwischenverbindungsschicht wie folgt:
Silber verbessert das Fließvermögen der Legierung zur Herstellung der gelöteten Zwischenverbindungsschicht und erhöht die Festigkeit der gelöteten Verbindung. Es kann nicht ausreichend auf die erwähnte Art wirken, wenn sein Anteil an der Zwischenschicht unter 20 Masseprozent liegt, wenn er jedoch über 70 Masseprozent liegt, verschlechert er die Wärmebeständigkeit der Zwischenschicht.
Palladium bewirkt vor allem eine Erhöhung des Schmelzpunktes der gelöteten Zwischenverbindungsschicht und senkt insgesamt den Dampfdruck. Dadurch trägt es dazu bei, die Wärmebeständigkeit der gelöteten Zwischenverbindungsschicht zu erhöhen, und trägt auch dazu bei, die Versprödung des zu verbindenden Körpers zu verhindern, indem die Hartlötlegierung weniger in die Metallpartikel eindringt. Diese Wirkung wird ausgeprägt, wenn sein Anteil an der Zwischenschicht 2 - 10 Masseprozent beträgt, wodurch die Festigkeit des gelöteten Verbindungsabschnittes wirksam erhöht wird. Die Wirkung wird jedoch unzureichend, wenn der Anteil an der gelöteten Zwischenverbindungsschicht geringer ist als 1 Masseprozent. Wenn der Anteil 20 Masseprozent übersteigt, wird das Fließvermögen der gelöteten Zwischenverbindungsschicht beim Hartlöten verringert, was die Benetzbarkeit verschlechtert.
Nickel trägt hauptsächlich dazu bei, die Wärmbeständigkeit der gelöteten Zwischenverbindungsschicht zu erhöhen. Wenn sein Anteil 20 - 50 Masseprozent beträgt, bringt es die obenerwähnte Wirkung ausreichend hervor und erhöht so wirksam die Warmfestigkeit. Wenn sein Anteil unter 10 Masseprozent liegt, wird die Wirkung unzureichend. Wenn der Anteil 60 Masseprozent übersteigt, nimmt das Fließvermögen der gelöteten Zwischenverbindungsschicht beim Hartlöten ab, was die Benetzbarkeit verschlechtert.
Titan in der gelöteten Zwischenverbindungsschicht verbessert hauptsächlich die Benetzbarkeit für keramische Stoffe und trägt daher ausreichend zum Hartlöten von keramischen Stoffen bei. Es kann ausreichend auf die obenerwähnte Art wirken, wenn der Anteil 1,5 - 5 Masseprozent beträgt, wodurch es die Festigkeit des gelöteten Verbindungsabschnittes wirksam erhöht. Wenn der Anteil unter 1 Masseprozent liegt, wird die obenerwähnte Wirkung unzureichend. Wenn der Anteil 10 Masseprozent übersteigt, verringert sich die Festigkeit des gelöteten Verbindungsabschnittes.
Kupfer verbessert hauptsächlich das Fließvermögen der gelöteten Zwischenverbindungsschicht beim Hartlöten und verbessert daher die Benetzbarkeit, was zu einer Erhöhung der Festigkeit des gelöteten Verbindungsabschnittes des Turbokompressorrotors führt. Kupfer verringert darüberhinaus die Hartlöttemperatur, wodurch die im keramischen Wellenstumpf beim Abkühlen entstehende Restspannung abnimmt, und daher die Auswahl des zu der keramischen Welle passenden Metalls etwas erleichtert wird. Kupfer verursacht jedoch die obenerwähnten Nachteile. Wenn dabei sein Anteil 10 Masseprozent übersteigt, nehmen die Wärmebeständigkeit und die Oxydationsbeständigkeit merklich ab. Um also die erwünschte Wirkung von Kupfer ausnutzen zu können, sollte der Kupfergehalt weniger als 10 Masseprozent betragen.
Die gelötete Zusammenverbindungsschicht der oben beschriebenen Zusammensetzung kann mit den folgenden verschiedenen Verfahren hergestellt werden:
(a) Eine Legierung einer vorgegebenen Zusammensetzung wird zwischen den keramischen Wellenstumpf des Turbinenrades und die Metallwelle eingefügt und erwärmt, so daß sie sie zusammenlötet.
(b) Ein bestimmter Bestandteil oder bestimmte Bestandteile werden durch Anbringen von Folie oder Folien, Plattieren, Aufdampfen, Spritzen usw. auf der Verbindungsfläche gehalten. Eine Legierung mit den anderen Bestandteilen außer den bestimmten Bestandteilen wird zwischen den keramischen Wellenstumpf und die Metallwelle eingefügt und erwärmt, um die bestimmten Bestandteile in die geschmolzene Legierung zu eluieren.
(c) Das zu verbindende Element wird so hergestellt, daß es bestimmte Bestandteile enthält, und auf gleiche Weise wie in (b) werden die bestimmten Bestandteile in die geschmolzene Legierung eluiert.
(d) Die bestimmten Bestandteile werden in festem Zustand nicht durch Elution sondern durch Wärmediffusion in die Legierung diffundiert.
(e) Verschiedene Metallpulver, die den Bestandteilen der Legierung entsprechen, werden zu einer Paste mit einer vorgegebenen Zusammensetzung gemischt. Die Paste wird auf die Verbindungsenden des keramischen Wellenstumpfes und der Metallwelle aufgetragen.
(f) Die oben aufgeführten Verfahren (a) bis (e) können auf verschiedene Weise kombiniert werden, um verschieden Hartlötungen auszuführen.
Die Zusammensetzung der Zwischenschicht, die durch Elution oder Wärmediffusion hergestellt wird, kann mit einem Röntgen-Mikroanalysator, Elektronenstrahl-Röntgen-Mikroanalysation usw. analysiert werden.
Es ist darüberhinaus anzumerken, daß ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung darin besteht, daß die Metallhülse an die Metallwelle gelötet wird, indem eine gelötete Zwischenverbindungsschicht zwischen sie eingefügt wird, die die Zusammensetzung aufweist, die 20 - 70 Masseprozent Silber, 1 - 20 Masseprozent Palladium, 10 - 60 Masseprozent Nickel und weniger als 1 Masseprozent Titan enthält.
Es ist darüberhinaus anzumerken, daß eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung darin besteht, daß die gelötete Zwischenverbindungsschicht zwischen dem keramischen Wellenstumpf und der Metallwelle des weiteren weniger als 10 Masseprozent Kupfer enthält.
Es ist darüberhinaus anzumerken, daß eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung darin besteht, daß das Verbindungsende des keramischen Wellenstumpfes eine Abschrägung aufweist, die 0,5 - 15% des Durchmessers des Verbindungsendes beträgt. Dabei ermöglicht es die Abschrägung des keramischen Wellenstumpfes, daß das Zusatzmetall das Verbindungsende des keramischen Wellenstumpfes gleichmäßig benetzt und so im Gebrauch eine gleichmäßige Last auf das Verbindungsende des Wellenstumpfes wirkt. Wenn das Verbindungsende des Wellenstumpfes nicht mit der Abschrägung versehen ist, kann es dazu kommen, daß eine Last auf einen bestimmten Abschnitt des Verbindungsendes des keramischen Wellenstumpfes wirkt und Bruch oder Beschädigung desselben verursacht. Durch das Vorhandensein der Abschrägung kann die Belastung eines bestimmten Abschnittes des Verbindungsendes des keramischen Wellenstumpfes und Spannungskonzentration desselben vermieden werden, was eine stabile Festigkeit der Lötverbindung zwischen dem keramischen Wellenstumpf des Turbinenrades und der Metallwelle ermöglicht. Die Größe der Abschrägung des Verbindungsendes des keramischen Wellenstumpfes liegt vorteilhafterweise im Bereich 0,5 - 15% des Durchmessers des Verbindungsendes des keramischen Wellenstumpfes. Wenn die Abschrägung kleiner ist als 0,5% des Durchmessers, wird die obenerwähnte Wirkung nicht erzielt. Wenn andererseits die Abschrägung 15% übersteigt, wird die abgeschrägte Kante des keramischen Wellenstumpfes nicht benetzt, was die Festigkeit der Lötverbindung vermindert. Um eine stärkere Wirkung der Abschrägung zu erreichen, liegt die Größe der Abschrägung vorteilhafterweise im Bereich von 1 - 10% des Durchmessers des Verbindungsendes des keramischen Wellenstumpfes.
Es ist weiterhin anzumerken, daß vorteilhafte keramische Materialien für das Turbinenrad Siliziumnitrid, Sialon, Siliziumkarbid usw. sind.

Claims

1. Rotor für Turbokompressor, enthaltend:

ein Turbinenrad (2) aus einem keramischen Werkstoff mit integraler Welle (3);

eine Metallwelle (4), welche axial nach der Welle des Turbinenrades ausgerichtet ist;

eine erste gelötete Verbindungsschicht (8, 13), welche zwischen die Welle des Turbinenrades und die Metallwelle (4) eingefügt ist;

wobei diese erste gelötete Verbindungsschicht (8, 13) 20 - 70 Gew.-% Silber, 1 - 20 Gew.-% Palladium, 10 - 60 Gew.-% Nickel und 1 - 10 Gew.-% Titan enthält;

eine Metallhülse (9), welche rings um die Welle (3) des Turbinenrades (2), die Metallwelle und um die erste gelötete Verbindungsschicht (8, 13) herum angeordnet ist; und

eine zweite gelötete Verbindungsschicht (17, 30), welche zwischen der Metallwelle und der Metallhülse angeordnet ist,

wobei die zweite gelötete Verbindungsschicht zusammensetzungsmäßjg enthält 20 - 70 Gew.-% Silber, 1 - 20 Gew.-% Palladium, 10 - 60 Gew.-% Nickel und weniger als 1 Gew.-% Titan.

2. Rotor für Turbokompressor nach Anspruch 1, wobei die erstgenannte gelötete Verbindungsschicht außerdem weniger als 10 Gew.-% Kupfer enthält.

3. Rotor für Turbokompressor nach Anspruch 1, wobei die Welle des Turbinenrades an einem Anschlußende, welches an die erste gelötete Verbindungsschicht angrenzt, eine Abschrägung aufweist, welche 0,5 - 15 % des Durchmessers des Anschlußendes beträgt.

4. Rotor für Turbokompressor nach Anspruch 1, ferner enthaltend eine Nickelplatine (5) und eine Wolframlegierungsplatine (7), welche zwischen die Welle des Turbinenrades und die Metallwelle eingefügt sind, wobei die Nickelplatine (5) an die Welle des Turbinenrades mit Hilfe der ersten gelöteten Verbindungsschicht (8, 13) angelötet ist und wobei die Wolframlegierungsplatine an diese Nickelplatine mit Hilfe einer dritten gelöteten Verbindungsschicht angelötet ist, welche im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung besitzt, wie die zweite gelötete Verbindungsschicht (17).

5. Rotor für Turbokompressor nach Anspruch 4, ferner enthaltend eine zweite Nickelplatine (6), welche zwischen die Wolframlegierungsplatine (7) und die Metallwelle (4) eingefügt ist, wobei die zweite Nickelplatine an die Wolframlegierungsplatine und an die Metallwelle mit Hilfe jeweiliger gelöteter Verbindungsschichten (15, 16) angelötet ist, welche im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung aufweisen wie die zweite gelötete Verbindungsschicht (17, 30).