PL172589B1

PL172589B1 - Element konstrukcyjny, zwlaszcza wirnik silnika cieplnego i sposób wytwarzania elementu konstrukcyjnego, zwlaszcza wirnika silnika cieplnego PL

Info

Publication number: PL172589B1
Application number: PL30054993A
Authority: PL
Inventors: Erwin Brogle; Dieter Gaussmann; Markus Staubli; Mohamed Y Nazmy
Original assignee: Asea Brown Boveri; Asea Brown Boveri Ag
Priority date: 1992-10-02
Filing date: 1993-09-30
Publication date: 1997-10-31
Also published as: CZ282148B6; RU2107823C1; PL300549A1; EP0590197B1; EP0590197A1; CZ197093A3; JP3355586B2; DE59206250D1; JPH06218562A

Abstract

1. Element konstrukcyjny, zwlaszcza wirnik silnika cieplnego zawierajacy korpus ze stopu na bazie gamma alu- minku tytanu, korpus stalowy i lacznik z podstawowego sto- pu niklowego, poprzez który oba te korpusy sa silnie ze soba polaczone, znamienny tym, ze pomiedzy korpusem (5) ze topu na bazie gamma aluminku tytanu i stalowym korpusem (2) ma lacznik (4) z podstawowego stopu niklowego o zawa- rtosci niklu mniejszej od 65% wagowych i o zawartosci nio- bu od 3% do 7% wagowych, polaczony z korpusem (5) z gamma aluminku tytanu i ze stalowym korpusem (2) 7. Sposób wytwarzania elementu konstrukcyjnego, zwlaszcza wirnika silnika cieplnego, zawierajacego korpus ze stopu na bazie gamma aluminku tytanu, korpus stalowy i lacznik z podstawowego stopu niklowego, w którym korpus z gamma aluminku tytanu j lacznik laczy sie za pomoca zgrzewania tarciowego, znamienny tym, ze podczas zgrze- wania tarciowego korpusu (5) z gamma aluminku tytanu i lacznika (4) najpierw wprawia sie je w ruch obrotowy wzaje- mnie wzgledem siebie, pod cisnieniem tarcia nieprzekracza- jacym pierwszej wartosci granicznej, a nastepnie korpus (5) z gamma aluminku tytanu i lacznik (4), pozostajace stosun- kowo nieruchomo wzgledem siebie, zgrzewa sie pod sila do- cisku wyzsza niz pierwsza wartosc graniczna i nie przekraczajaca drugiej wartosci granicznej. PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest etemeot konstrukcyjny i sposób wytwarzania elementu kooytruUcyjoeak, zwłaszcza wirnika silnika cieplnego, a w szczególności turbozespoSu Sodującego.

Element konstrukcyjny wyżej wymienionego rodzaju w postaci wirnika turbosprężarki akSadowującej i w sposób wytwarzania tego wirnika zostoSy już opisane przez Y.Nishiyamo et ol., “Developmeot ofTitooium Aluminide Turbocharger Rotors”, High Temperoture Alummides and Ictermetolics, Edited by b.H. Whang et al., The Miorols, Metals & Matyrials bociety, 1990. Uprzednio znooy wItoIU zawiero koSo napędzone z gamma aluminku tytanu (γ -TiAl), które jest poSączone z woSem stalowym poprzez Sączoik z podstawowego stopu niklowego, o zawartości niklu wynoszącej powyżej 70% wagowych, za pomocązarzewaoia tarciowego. Taki wiroiU odznacza się wytrzymałością no ścianie określoną przez gammo alumioeU tytanu (γ-TiAl), ponieważ niklowy stop podstawowy dziaSo jak bufor i zapobiega powstawaniu foz kruchych występujących przy bezpośrednim zgrzewaniu tarciowym gammo aluminku tytanu (γ-TiAl) i stoli, dzięki tworzeniu ciągSej warstwy dyfuzyjnej na miejscu poSączenia korpusu z gammo oluminku tytanu (γ-TiAl) i Sącznika. Wysokostopowe niklowe stopy podstawowe wykazują stosunkowo wysoko leżący zakres temperatur topnienia. Przy tym, oby zostoSy zaktywizowane procesy dyfuzji występujący podczas zgrzewania tarciowego, potrzebna jest w przypadku tego stopu duża energia.

Zadaniem wynalazku jest dostarczenie elementu konstrukcyjnego wyżej opisanego rodzaju, który mimo dużej wytrzymaSości mechanicznej możno Satwo wytwarzać i jednocześnie dostarczenie sposobu, za pomocą którego taki element konstrukcyjny może być wytworzony w sposób ekonomiczny.

Element konstrukcyjny, zwSoszczo wirnik silnika cieplnego, zawierający korpus ze stopu no bozie gammo oluminku tytanu (γ-TiAl), korpus stalowy i Sącznik z podstawowego stopu niklowego, poprzez który oba te korpusy sąsilnie ze sobąpoSączkoe, charakteryzuje się wzdSug wynalazku tym, że pomiędzy korpusem ze stopu no bozię gammo oluminku tytanu (γ-TiAl) i stalowym korpusem ma Sącznik z podstawowego stopu niklowego o zawartości niklu mniejszej od 65% wagowych i o zawartości niobu od 3% do 7% wagowych, poSączony z korpusem z gamma oluminku tytanu (γ-TiAl) i ze stalowym korpusem.

Korzystnie Sącznik jest wykonany z podstawowego stopu niklowego zawierającego od 10% do 30% wagowych żelaza.

Korzystnie, Sącznik jest wykonany z podstawowego stopu niklowego zawierającego od 15% do 25% wagowych żelaza.

Korzystnie, Sącznik jest wykonany z podstawowego stopu niUlkweak zawierającego 18-20% wagowych chromu, 18-22% wagowych żelaza, 2-4% wagowych molibdenu, 4-6% wagowych niobu, do 1% wagowego aluminium, do 2% wagowych tytanu, do 0,4% wagowych krzemu, do 0,4% wagowych manganu, do 0,05% wagowych węgla i jako resztę nie dający się wyeliminować zanieczyszczenia i nikiel.

Korzystnie, Sącznik ma między korpusami grubość wynoszącą okoSo 10-30 mm.

Korzystnie, element wynalazku ma postać wirnika turbosprężarki akSoaowująceJ z korpusem z gammo oluminku tytanu (γ-TiAl) w postaci koSa napędzonego i stalowym korpusem w postaci waSu.

Sposób wytwarzania elementu konstrukcyjnego, zwSaszcza wirnika silnika cieplnego, zawierającego korpus zn stopu na bozie gamma aluminku tytanu (γ-TiAl), korpus stalowy i Sącznik z podstawowego stopu niklowego, w którym korpus z gamma ο^οιο^ι tytanu (γ-TiAl) i .Sącznik Sączy się zo pomocązgrzewonia tarciowego, polega wedSug wynalazku na tym, że podczas zgrzewonio tarciowego korpusu z gammo olumioku tytanu (γ-TiAl) i Sącznika, najpierw wprawiO się je w ruch obrotowy, wzajemnie względem siebie, pod ciśnieniem tarcia nie przekraczającym pier4

172 589 wszej wartości granicznej, a następnie korpus z gamma aluminku tytanu (γ-TiAl) i łącznik, pozostające stosunkowo nieruchomo względem siebie, zgrzewa się pod siłą docisku wyższą niż pierwsza wartość graniczna i nie przekraczającą drugiej wartości granicznej.

Korzystnie ciśnienie tarcia podczas ruchu obrotowego wzajemnie względem siebie korpusu z gamma aluminku tytanu (γ-TiAl) i łącznika stopniowo podwyższa się do pierwszej wartości granicznej.

Korzystnie, ciśnienie tarcia w pierwszym stopniu wynosi do 150 N/mm².

Korzystnie, czas tarcia w pierwszym stopniu wynosi co najmniej 60 sekund, a całkowity czas tarcia wynosi co najwyżej 120 sekundL

Korzystnie, pierwsza wartość graniczna wynosi około 200 N/mm2, a druga wartość graniczna wynosi około 300 N/mm2.

Korzystnie, połączenie między stalowym korpusem i łącznikiem wytwarza się przez zgrzewanie tarciowe, przed zgrzewaniem tarciowym korpusu z gamma aluminku tytanu (y -TiAl) i łącznika.

Korzystnie, element konstrukcyjny ogrzewa się do temperatury około 600°C i utrzymuje w tej temperaturze przez kilka godzin.

Element konstrukcyjny według wynalazku odznacza się, wysoką wytrzymałością mechaniczną zarówno w temperaturze pokojowej jak i w temperaturach do 700°C. Jest to skutkiem odpowiednio dobranego materiału łącznika. Dzięki stosunkowo niewielkiej zawartości niklu nieoczekiwanie osiągnięto, że połączenie przez zgrzewanie tarciowe korpusu z gamma aluminku tytanu (γ-TiAl) z łącznikiem może być wytworzone przy stosunkowo niskich temperaturach, tak, że przy zgrzewaniu tarciowym znacznie obniża się ryzyko powstawania pęknięć w korpusie z gamma aluminku tytanu, (γ-TiAl), który wykazuje skłonność do pojawiania się kruchości. Korzystne są łączniki o stosunkowo dużej zawartości żelaza, która sprzyja zgrzewaniu w niskich temperaturach.

Sposób według wynalazku odznacza się stosunkowo małym zapotrzebowaniem na energię, a poza tym dostarcza elementów konstrukcyjnych nie mających zwiększonej kruchości, jeśli nawet parametry procesu, przewidziane do prowadzenia sposobu znacznie się wahają. Dlatego jest on szczególnie odpowiedni do produkcji masowej.

Element według wynalazku i sposób wytwarzania bliżej objaśnione w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia element według wynalazku w postaci wirnika turbosprężarki doładowującej, w przekroju osiowym.

Na rysunku przedstawiony jest wirnik turbosprężarki doładowującej z cylindrycznym stalowym korpusem 2 w postaci wału turbosprężarki doładowującej, na którego jednym końcu znajduje się sprężające koło 3 wykonane na przykład ze stopu aluminium, a drugi jego koniec jest mocno połączony poprzez łącznik 4 z korpusem 5 z gamma aluminku tytanu (γ -TiAl). Ten korpus 5 z gamma aluminku tytanu (γ-TiAl) jest co najmniej częścią wirnika 6 turbiny turbosprężarki doładowującej osadzonego na wylocie spalin silnika spalinowego. Warstwa dyfuzyjna 7 powoduje mocne połączenie między łącznikiem 4 i korpusem 5 z gamma aluminku tytanu (γ-TiAl).

Stalowy korpus 2 ma długość wynoszącą przykładowo 200 mm i średnicę przykładowo 45 mm. Może być wytworzony z niskostopowej stali, na przykład stali do ulepszania cieplnego o zawartości węgla wynoszącej około 0,4% wagowych, zawartości chromu około 1% wagowego i porównywalnie małej zawartości molibdenu.

Korpus 5 z gamma aluminku tytanu (γ-TiAl) może być wykonany ze stopu zawierającego około 31 % wagowych Al, około 10% wagowych W i około 2% wagowych Si, a resztę stanowi Ti.

Łącznik 4 jest ukształtowany jako tarcza o średnicy dopasowanej do średnicy stalowego korpusu 2, przykładowo również 45 mm i o grubości odpowiedniej do działania jako bufor pomiędzy stalowym korpusem 2 i korpusem 5 z gamma aluminku tytanu (γ-TiAl), wynoszącej przykładowo 10 do 30 mm i jest wykonany z niklowego stopu podstawowego o zawartości niklu mniejszej niż 65% wagowych. Taki stop może być połączony przez zgrzewanie zarówno ze stalowym korpusem 2 jak też z korpusem 5 z gamma aluminku tytanu (γ-TiAl) bez obawy, że przy wysokich obciążeniach mechanicznych i termicznych, występujących podczas eksploatacji tur172 589 bosprężarki doładowującej, nastąpi zrywanie w miejscach zgrzewania lub zerwanie wirnika z powodu kruchości, zwłaszcza w obszarze korpusu 5 z gamma aluminku tytanu (γ-TiAl), stosunkowo kruchego w porównaniu ze stalą i podstawowym stopem niklowym. Szczególnie korzystny jest podstawowy stop niklowy o zawartości żelaza pomiędzy 10 i 30%, a zwłaszcza pomiędzy 15 i 25% wagowych, który przy dobrych własnościach mechanicznych ma niski zakres temperatur topnienia, szczególnie sprzyjający procesowi zgrzewania w niskich temperaturach. Dzięki zawartości niobu wynoszącej od 3% do 7% wagowych zostają dodatkowo poprawione własności mechaniczne miejsc zgrzewanych. Szczególnie dobre okazały się podstawowe stopy niklowe o następującym składzie: 18-20% wagowych chromu, 18-22% wagowych żelaza, 2-4% wagowych molibdenu, 4-6% wagowych niobu, do 1% wagowego aluminium, do 2% wagowych tytanu, do 0,4% wagowych krzemu, do 0,4% wagowych manganu, do 0,05% wagowych węgla, resztę stano wiąniemożliwe do uniknięcia zanieczyszczenia i nikiel. Tego rodzaju stopem jest na przykład podstawowy stop niklowy produkowany przez firmę INCO pod nazwąINCONEL 718.

Korpus 5 z gamma aluminku tytanu (γ-TiAl) ma cylindryczną nasadkę 8 dopasowaną do łącznika 4 o średnicy wynoszące przykładowo również 45 mm i wykonaną z fazy między metalicznej na bazie domieszkowanego gamma aluminku tytanu (γ-TiAl). Jako substancje domieszkowe polecane sąprzy tym przede wszystkim bor lub krzem jak też dodatkowo co najmniej jedna metaliczna substancja domieszkowa, zwłaszcza taka jak chrom, hafn, mangan, molibden, niob, tantal, wanad i/lub wolfram. Szczególnie dobre własności mechaniczne osiąga się w przypadku gamma aluminku tytanu (γ-TiAl) z zawartością aluminium wynoszącą w przybliżeniu od 28 do 33% wagowych, zawartością wolframu od 5 do 15% wagowych, zawartością krzemu od 0,3 do 3% wagowych i resztą stanowiącą niemożliwe do uniknięcia zanieczyszczenia oraz tytan.

Wirnik wytwarza się z poszczególnych składników w następujący sposób. Najpierw łączy się łącznik 4 ze stalowym korpusem 2 w rutynowo przeprowadzonym procesie zgrzewania tarciowego. Następnie łączy się korpus 5 z gamma aluminku tytanu (γ-TiAl) z korpusem utworzonym z łącznika 4 i stalowego korpusu 2. Przy tym należy szczególnie uważać, żeby korpus 5 z gamma aluminku tytanu (γ-TiAl) i łącznik 4 leżały na sobie płasko w kierunku osi wspólnej dla stalowego korpusu 2 i korpusu 5 z gamma aluminku tytanu (γ-TiAl). Po odpowiednim ustawieniu, zgrzewanego ze stalowym korpusem 2, łącznika 4 i korpus 5 z gamma aluminku tytanu (γ-TiAl) obie te części łączy się mocno ze sobąprzez zgrzewanie tarciowe. W tym celu stalowy korpus 2, a z nim łącznik 4 oraz korpus 5 z gamma aluminku (γ-TiAl) obracająsię względem siebie w zgrzewarce tarciowej przy liczbie obrotów wynoszącej przykładowo 500 obrotów na minutę, przy ciśnieniu tarcia wynoszącym przykładowo 150 N/mm², które nie przekracza zadanej pierwszej wartości granicznej wynoszącej przykładowo 200 N/mm2. Przy tym do miejsca zgrzewania jest dostarczana energia wystarczająca do następującego później procesu zgrzewania. Potem korpus 5 z gamma aluminku tytanu i łącznik 4, pozostające względem siebie stosunkowo nieruchomo, zgrzewa się przy sile docisku nie przekraczającej drugiej wartości granicznej, wyższej od pierwszej wartości granicznej i wynoszącej przykładowo 300 N/mm2, przy czym na łączniku 4 tworzy się dyfuzyjna warstwa. Dyfuzyjna warstwa 7 tworząca się w łączniku 4, przeważnie po stronie leżącej na korpusie 5 z gamma aluminku tytanu (γ-TiAl), mająca grubość do 100 pm zawiera przede wszystkim tytan i aluminium, ale także dodatkowo substancje domieszkowe zawarte w korpusie z gamma aluminku tytanu (γ-TiAl). Szczególnązaletąjest przy tym, że zgrzewanie tarciowe może być przeprowadzone, dzięki stosunkowo niskotopliwemu materiałowi łącznika 4, w stosunkowo krótkim czasie i w łagodnych warunkach dla stosunkowo kruchego korpusu 5 z gamma aluminku tytanu (γ-TiAl).

Dzięki odpowiednim pomiarom czasu, prędkości obrotów i ciśnienia tarcia w procesie tarcia, jak też dzięki odpowiedniemu dobieraniu siły docisku w procesie zgrzewania unika się pojawiania się kruchości i powstawania pęknięć w korpusie 5 z gamma aluminku tytanu (γ-TiAl). Szczególnie korzystne efekty osiąga się przy stosunkowo szybkich czasach wykonania, jeśli ciśnienie tarcia podczas procesu tarcia wynosi około 200 N/mm2, a siła docisku podczas procesu zgrzewania przy nieruchomych korpusach wynosi około 300 N/mm2.

172 589

Szczególnie korzystne okazało się stopniowe podwyższanie ciśnienia tarcia do pierwszej wartości granicznej w procesie tarcia, podczas obrotów względem siebie korpusu 5 z gamma aluminku tytanu (y -i iAl) i łącznika 4, ponieważ wówczas zgrzewanie mogło być prowadzone w warunkach szczególnie łagodnych dla materiału. Przy tym ciśnienie tarcia wynosiło w pierwszym etapie do 150 N/mm².

Czas tarcia wynosił w pierwszym etapie co najwyżej 60 sekund, korzystnie 40 sekund. Całkowity czas tarcia wynosił co najwyżej 120 sekund, korzystnie 60 do 80 sekund.

Gotowy, zgrzany tarciowo wirnik 1 był ogrzany z prędkością wynoszącą około 150°C na godzinę, do temperatury około 600°C, utrzymywany przez kilka godzin w tej temperaturze i następnie chłodzony z prędkością około 50°C na godzinę. Dzięki temu uniknięto stanów naprężeń mogących powstać przy zgrzewaniu tarciowym w stalowym korpusie 2 i prowadzących do pojawienia się kruchości.

Wartości wytrzymałości, wykonanego sposobem według wynalazku elementu konstrukcyjnego, określone na podstawie prób rozciągania, wynosząw temperaturze pokojowej przeważnie około 500 MPa, przy czym zniszczenie występuje albo w dyfuzyjnej warstwie 7 albo w korpusie 5 z gamma aluminku tytanu (γ-TiAl). Te wysokie wartości wytrzymałości wystarczają do niezliczonych zastosowań elementu konstrukcyjnego według wynalazku, takich jak zwłaszcza zastosowanie w charakterze wirnika turbosprężarki doładowującej.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Element konstrukcyjny, zwłaszcza wirnik silnika cieplnego zawierający korpus ze stopu na bazie gamma aluminku tytanu, korpus stalowy i łącznik z podstawowego stopu niklowego, poprzez który oba te korpusy są silnie ze sobą połączone, znamienny tym, że pomiędzy korpusem (5) ze topu na bazie gamma aluminku tytanu i stalowym korpusem (2) ma łącznik (4) z podstawowego stopu niklowego o zawartości niklu mniejszej od 65% wagowych i o zawartości niobu od 3% do 7% wagowych, połączony z korpusem (5) z gamma aluminku tytanu i ze stalowym korpusem (2).
2. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że łącznik (4) jest wykonany z podstawowego stopu niklowego zawierającego od 10% do 30% wagowych żelaza.
3. Element według zastrz. 2, znamienny tym, że łącznik (4) jest wykonany z podstawowego stopu niklowego zawierającego od 15% do 25% wagowych żelaza.
4. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że łącznik (4) jest wykonany z podstawowego stopu niklowego zawierającego 18-20% wagowych chromu, 18-22% wagowych żelaza, 2-4% wagowych molibdenu, 4-6% wagowych niobu, do 1% wagowego aluminium, do 2% wagowych tytanu, do 0,4% wagowych krzemu, do 0,4% wagowych manganu, do 0,05% wagowych węgla i jako resztę me dające się wyeliminować zanieczyszczenia i nikiel.
5. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że łącznik (4) ma między korpusami (5) i (2) grubość wynoszącą w przybliżeniu 10-30 mm.
6. Element według zastrz. 1, znamienny tym, że ma postać wirnika (1) turbosprężarki doładowującej z korpusem (5) z gamma aluminku tytanu w postaci koła napędzanego i stalowym korpusem (2) w postaci wału.
7. Sposób wytwarzania elementu konstrukcyjnego, zwłaszcza wirnika silnika cieplnego, zawierającego korpus ze stopu na bazie gamma aluminku tytanu, korpus stalowy i łącznik z podstawowego stopu niklowego, w którym korpus z gamma aluminku tytanu i łącznik łączy się za pomocą zgrzewania tarciowego, znamienny tym, że podczas zgrzewania tarciowego korpusu (5) z gamma aluminku tytanu i łącznika (4) najpierw wprawia się je w ruch obrotowy wzajemnie względem siebie, pod ciśnieniem tarcia nieprzekraczającym pierwszej wartości granicznej, a następnie korpus (5) z gamma aluminku tytanu i łącznik (4), pozostające stosunkowo nieruchomo względem siebie, zgrzewa się pod siłą docisku wyższą niż pierwsza wartość graniczna i nie przekraczającą drugiej wartości granicznej.
8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że ciśnienie tarcia podczas ruchu obrotowego wzajemnie względem siebie korpusu (5) z gamma aluminku tytanu i łącznika (4) stopniowo podwyższa się do pierwszej wartości granicznej.
9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że ciśnienie tarcia w pierwszym stopniu wynosi do 150 N/mm².
10. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że czas tarcia w pierwszym stopniu wynosi co najwyżej 60 sekund, a całkowity czas tarcia wynosi co najwyżej 120 sekund.
11. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że pierwsza wartość graniczna wynosi około 200 N/mm2, a druga wartość graniczna wynosi około 300 N/mm2.
12. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że połączenie między stalowym korpusem (2) i łącznikiem (4) wytwarza się przez zgrzewanie tarciowe, przed zgrzewaniem tarciowym korpusu (5) z gamma aluminku tytanu i łącznika (4).

172 589
13. Sposób wedhig zasttz . 7, znamienny tym, że element konstrukcyjny (1) ogrzewa się do temperatury kUkSk 600°C i utrzymuje się w te) temperaturze przez kitko godzin.