PL169339B1 - Sposób laczenia elementów turbozespolu ladujacego i turbozespól ladujacy PL - Google Patents

Abstract

1. Sposób laczenia elementów tur- bozespolu ladujacego, wykonanych ze stali i ze stopów tytanu, znamienny tym, ze na element ze stali (St575) naklada sie poprzez zgrzewanie tar- ciowe warstwe miedzi (Cu), a na stop tytanu, korzystnie w gatunku (Ti6A14V) naklada sie poprzez zgrzewanie tarciowe warstwe wanadu (V) i ze obrobione powierzchnie warstwy miedzi i wanadu laczy sie ze soba poprzez zgrzewanie tarciowe. 3. Turbozespól ladujacy, skladajacy sie z wirnika, walu i turbiny, znamienny tym, ze wy- konany ze stopu tytanu, korzystnie w gatunku (Ti6A14V) wirnik sprezarki (10) jest za posred- nictwem warstwy wanadu (V) i warstwy miedzi (Cu) polaczony z walem (21) lub z elementem mocujacym (16) ze stali (St575). FIG. 1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób łączenia elementów turbozespołu ładującego, wykonanych ze stali i ze stopów tytanu.

Przedmiotem wynalazku jest również turbozespół ładujący, składający się z wirnika sprężarki, wału i turbiny.

Łączenie różnych materiałów odgrywa w wysoko rozwiniętych technologiach istotnąrolę, ponieważ w ramach jednego układu wymagane są często różne właściwości, których nie da się uzyskać stosując tylko jeden rodzaj materiału. Tak więc dla zoptymalizowania zależnościmiędzy racjonalnym wytwarzaniem i jednoczesnym osiąganiem wymaganych własności mechanicznych, stosuje się na poszczególne elementy danego urządzenia, w zależności od sposobu wytwarzania danego przedmiotu i spełnionej przez niego funkcji, różne materiały.

Tak np. zgodnie z europejskim opisem patentowym nr EP-PS 0 129 311 na wirnik sprężarki turbozespołu ładującego zastosowano ze względów technologicznych aluminium lub stop aluminium, natomiast na łączony z tym wirnikiem wał ewentualnie element do mocowania wału, zastosowano z uwagi na dobre własności mechaniczne, jak wytrzymałość i ciągliwość, stal, narzędziową, przy czym oba te materiały połączono ze sobą metodą zgrzewania tarciowego.

Postępując zgodnie z tym zaleceniem napotyka się pewne trudności, ponieważ aluminium można wprawdzie w określonych warunkach łączyć ze stalą metodą zgrzewania tarciowego, jednak zgrzewanie stali z utwardzonymi stopami aluminium nastręcza poważne problemy.

Według amerykańskiego opisu patentowego nr US 3 121 948 elementy z aluminium są łączone ze stalą metodą zgrzewania tarciowego, przy czym wcześniej nakładana była warstwa pośrednia z niklu, albo w sposób mechaniczny, albo przy pomocy zgrzewania, zwłaszcza zgrzewania tarciowego. Ta warstwa pośrednia z niklu ma grubość od 1 do 25 milimetrów.

Nie udało się również uzyskać wcześniej wytrzymałych na obciążenia zgrzewanych tarciowo złączy między stalą i stopami tytanu.

W europejskim opisie patentowym nr EP A 0 368 642 opisano sposób łączenia międzymetalicznych stopów tytanu i aluminium ze stalą. W tym celu na stal nakłada się metodą

169 339 zgrzewania tarciowego warstwę pośrednią, którą może być stal austenityczna, stal żaroodporna, nadstop na bazie niklu lub nadstop na bazie kobaltu.

Zastosowanie tylko jednej warstwy pośredniej nie zawsze jednak pozwala uniknąć tworzenia się kruchych faz w obszarach przejściowych.

Zadaniem wynalazkujest zatem opracowanie sposobu, przy pomocy którego będzie można łączyć metodą zgrzewania tarciowego elementy turbozespołu ładującego wykonane ze stali i ze stopów aluminium lub stopów tytanu.

Zgodnie z wynalazkiem, zadanie to w zakresie sposobu wytwarzania turbozespołu ładującego rozwiązano dzięki temu, że element ze stali nakłada się poprzez zgrzewanie tarciowe warstwę miedzi, a na stop tytanu nakłada się poprzez zgrzewanie tarciowe warstwę wanadu i że obrobione powierzchnie warstwy miedzi i wanadu łączy się ze sobą przez zgrzewanie tarciowe.

Korzystnie jest, gdy elementy ze stali, która wykazuje skłonność do tworzenia stref martenzytycznych, przed nałożeniem warstwy miedzi nakłada się poprzez zgrzewanie tarciowe warstwę ze stali austenitycznej.

Istota wynalazku w zakresie turbozespołu ładującego, składającego się z wirnika, wału i turbiny, polega na tym, że wykonany ze stopu tytanu wirnik sprężarki jest połączony za pośrednictwem warstwy wanadu i warstwy miedzi z wałem lub elementem mocującym ze stali. Zgodnie z dalszym rozwinięciem wynalazku między wałem lub elementem mocującym ze stali i warstwą miedzi umieszczona jest warstwa ze stali austenitycznej. Przez wprowadzenie ciągliwych warstw metalu o dużym stopniu czystości zostają skompensowane naprężenia cieplne między łączonymi elementami. Struktury materiału na łączonych powierzchniach pozostają przejrzyste i ograniczone jest tworzenie się w obszarze granicznym faz kruchych. Ponadto materiały te są podatne na zgrzewanie tarciowe, a wykonane w ten sposób połączenie jest trwałe i może przenosić duże obciążenia.

Zgrzewania tarciowego dokonuje się celowo bez dostępu otaczającego powietrza, w atmosferze gazu obojętnego, w próżni lub zwłaszcza w cieczy, jakajest używana przy elektroiskrowej obróbce metali, np. w mieszaninie nafty i oleju mineralnego. Do łączenia stosuje się konwencjonalne maszyny do zgrzewania tarciowego, działające ze stałą prędkością obrotową lub z płynną regulacją tej prędkości.

W sposobie według wynalazku stosuje się normalnie przyjęte prędkości obrotowe w przedziale 500-2000 obr/min, zwłaszcza 1000 obr/min, i dociski do około 500 kN, zwłaszcza w zakresie 100-200 kN. Warstwy pośrednie w gotowym połączeniu są możliwie cienkie; ich grubość wyraża się w mm.

Przed zgrzewaniem tarciowym powierzchnia zewnętrzna jest starannie przygotowana, świeżo obtoczona, powierzchnia jest w szczególności odtłuszczana w kąpieli czyszczącej ultradźwiękami, opłukiwana alkoholem i osuszana.

Dla uniknięcia znacznych momentów rozruchowych, na łączonym elemencie może występować stożkowa powierzchnia stykowa, jednakże ze względu na obciążalność złącza korzystne są powierzchnie płaskie.

Celowe jest występowanie na łączonych powierzchniach chropowatości rzędu 30-300pm, w szczególności 100pm.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia złącze utworzone ze zgrzanych tarciowo ze sobą warstw stopu tytanu, wanadu, miedzi i stali, fig. 2 - złącze utworzone przez zgrzane ze sobą warstwy stopu tytanu, wanadu, miedzi, stali austenitycznej i stali do ulepszania cieplnego, fig. 3 - turbozespół złożony z wirnika sprężarki, wału i turbiny, częściowo w przekroju wzdłużnym i w widoku z boku, fig. 4 - fragment turbozespołu ładującego z odmiennie wykonanym konstrukcyjnym elementem mocującym w przekroju wzdłużnym.

Pierwszy przykład wykonania wynalazku:

Połączenie stali do ulepszania cieplnego St575 ze stopem tytanu Ti6A14V.

169 339

Próbkę ze stopu tytanu Ti6A14V o wymiarach φ 45x150 mm i próbkę ze stali St575 o wymiarach φ 45x150 mm starannie odtłuszczono ultradźwiękami w kąpieli czyszczącej, opłukano alkoholem i osuszono.

Na cylindrycznąpróbkę stopu tytanu zjednej strony i na cylindrycznąpróbkę ze stali St575 z drugiej strony nałożone zostały zgrzewaniem tarciowym płytka z wanadu względnie warstwa miedzi, obrobione następnie starannie na tokarce. Na próbce ze stopu tytanu pozostała warstwa wanadu o grubości 3,5 - 4,5 mm, a na próbce ze stali St575 pozostała warstwa miedzi o grubości 5 - 8,5 mm. Mające następnie miejsce łączenie próbki ze stopu wanadu z miedzią prowadziło do zmniejszenia się udziału miedzi. W gotowym połączeniu warstwa miedzi miała grubość poniżej 1mm . Szczególnie dobrą wytrzymałość połączenia Ti6A14V/V/Cu/St575, dochodzącą do wartości 660 N/mm? uzyskuje się przez stosowanie przy zgrzewaniu tarciowym dużych docisków, w zakresie 150 N/mm².

Dla uniknięcia wzrostu twardości stali St575, w dalszych próbkach między warstwąmiedzi i warstwą stali ST575 wprowadzono pośrednią warstwę z austenitycznej stali X10CrNiTi189. Ta dodatkowa warstwa pośrednia nie podlega podczas zgrzewania tarciowego żadnym zmianom strukturalnym, stanowi natomiast przeszkodę w nagrzewaniu się stali St575 i nabierania cech austenitu i związanego z tym utwardzania podczas ochładzania. Warstwa stali X10CrNiTil89 została połączona z próbką stali St575 przez zgrzewanie tarciowe i połączenie to było następnie przez godzinę obrabiane cieplnie w temperaturze około 600°C dla usunięcia utwardzenia się stali St575. Po obrobieniu na tokarce warstwy austenitycznej, polegającym na nadaniu jej grubości

2,5 mm, mogła być ona znowu zgrzewana tarciowo z miedzią. Przy takim połączeniu uzyskano wytrzymałość 454 N/mm2.

W tym samym układzie warstw pośrednich i przy tych samych etapach postępowania mogą być wytwarzane połączenia materiałowe stali ze stopami α i (α+β) tytanu, takimi jak np. TiCu2 lub TiA15Fe2,5.

Stale niskowęglowe, które nie sąpodatne na tworzenie się martenzytu podczas ochłodzania po zgrzewaniu tarciowym, mogą być z miedzią zgrzewane tarciowo bezpośrednio, z pominięciem warstwy pośredniej ze stali X10CrNiTi189.

Drugi przykład wykonania wynalazku:

Przedstawiony w przykładzie pierwszym sposób został zastosowany do łączenia z wirnikiem konstrukcyjnego elementu mocującego na wale turbozespołu ładującego.

Na figurze 3 jest przedstawiony turbozespół, który jest wykonany w następujący sposób: wyposażony w gwint konstrukcyjny element mocujący 16 jest połączony przez zgrzewanie tarciowe warstwami pośrednimi 18 z powierzchnią czołową 17 piasty 11, połączonej z łopatkami

12. Z konstrukcyjnym elementem mocującym 16 jest skręcony wał 21, powiązany wjedną całość z tarczą26 turbiny z osadzonymi na niej, wykonanymi jako jedna całość lub wetkniętymi w nią, łopatkami 27. Wał ten jest obejmowany przez cylindryczny lub stopniowany na średnicy pierścień 23, który jest wciśnięty na skurcz lub nasadzony na element 16 i ma on na zewnętrznej powierzchni pierścienie uszczelniające 24, a jego powierzchnia wewnętrzna jest ukształtowana jako powierzchnia ślizgowa 25.

Wał 21 można również bezpośrednio łączyć tarciowo z piastą 11, bez stosowania konstrukcyjnego elementu mocującego 16. To samo dotyczy połączenia wirnika turbiny 26 z wałem 21.

Wirnik 10 turbozespołu może być wykonany alternatywnie również ze stopu tytanu do przeróbki plastycznej zamiast stopu aluminium i jest wówczas połączony zgrzewaniem tarciowym z konstrukcyjnym elementem mocującym 16 lub z wałem 21 według przykładu pierwszego.

169 339

169 339

-Ti 6A14V

ν^Γ-'-e

X10Cr

ΝΪΤΊ189

St575

10mm

FIG. 2

169 339

FIG.4

169 339

FIG. 1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 2,00 zł

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób łączenia elementów turbozespołu ładującego, wykonanych ze stali i ze stopów tytanu, znamienny tym, że na element ze stali (St575) nakłada się poprzez zgrzewanie tarciowe warstwę miedzi (Cu), a na stop tytanu, korzystnie w gatunku (Ti6A14V) nakłada się poprzez zgrzewanie tarciowe warstwę wanadu (V) i że obrobione powierzchnie warstwy miedzi i wanadu łączy się ze sobą poprzez zgrzewanie tarciowe.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że na element ze stali (St575), która wykazuje skłonność do tworzenia stref martenzytycznych, przed nałożeniem warstwy miedzi (Cu) nakłada się poprzez zgrzewanie tarciowe warstwę ze stali austenitycznej (X10CrNiTi189).
3. 3. Turbozespół ładujący, składający się z wirnika, wału i turbiny, znamienny tym, że wykonany ze stopu tytanu, korzystnie w gatunku (Ti6A14V) wirnik sprężarki (10) jest za pośrednictwem warstwy wanadu (V) i warstwy miedzi (Cu) połączony z wałem (21) lub z elementem mocującym (16) ze stali (St575).
4. 4. Turbozespół ładujący według zastrz. 3, znamienny tym, że między wałem (21) lub elementem mocującym (16) ze stali (St575) i warstwą miedzi (Cu) umieszczona jest warstwa ze stali austenitycznej (X10CrNiTil89).