用于涡轮增压系统的压缩机叶轮的制作方法

专利名称：用于涡轮增压系统的压缩机叶轮的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及一种用于涡轮增压系统的压缩机叶轮，更具体地涉及
由铝金属基复合材料和包含至多达5%重量百分比的钪的铝合金中的至少 一种制成的压缩机叶轮。
背景技术：
铝合金由于质轻和易于铸造而通常用于内燃机的涡轮增压系统中。更 具体地，铝合金通常用于形成单级和多级涡轮增压系统中的压缩机叶轮。 但是，铸造铝合金具有有限的疲劳性能，这必然限制了涡轮增压器的耐久 性。因此，在一些情况下，铝压缩机叶轮可以锻造而不是铸造。尽管锻造 导致形成更强且更耐久的压缩机叶轮，但是产品的成本非常高。
此外，由于在一些应用中，压缩空气的温度可达到约200摄氏度到250 摄氏度之间，此增高的温度对后面的压缩机级的叶轮具有不利的作用。在 此增高的温度下，包括铸造和锻造合金在内的铝合金不再保持足够的强度 以满足涡轮增压系统的压缩机叶轮的材料属性需求。Shoji等人的U.S.公 开物2005/0167009示出铸造铝合金的一种这样的示例。
存在两种公认的解决这个问题的方法。 一种方法包括根据授权于 Decker的U.S.专利6,588,485 Bl或授权于Decker等人的U.S.专利6，663，347 B2中的教导而使用钬合金代替铝合金来制造压缩机叶轮。尽管钛合金通常 在至多达约500摄氏度的温度下保持其材料强度，但是钬合金的密度比铝 合金大，这将导致涡轮增压器的灵敏度降低。此外，钛合金的成本明显高 于铝合金，导致生产成本显著提高。
另一公认的方法是如授权于Crook等人的U.S.专利3,796,047和U.S.
4专利3,870,029、以及授权于Choi的U.S.专利6,398,517 Bl中描述的，在多级涡轮增压系统的各级之间使用中间冷却器。具体地，中间冷却器可通
发生的故障。但是，这种方法增加了多级涡轮增压系统的复杂性和体积，并极大地提高了总成本。这样，包括第一级和后面的级的压缩机叶轮仍需要由这样的材料制成，该材料足以满足所有材料属性需求，而不会过多地增加涡轮增压系统的总成本。
本发明旨在解决上述一个或多个问题。

发明内容
在一个方面中，用于内燃机的涡轮增压系统包括至少 一个压缩机叶轮。该压缩机叶轮由铝金属基复合材料和包含至多达5%重量百分比的钪的铝合金中的至少一种制成。
在另 一方面中，用于涡轮增压系统的压缩机叶轮由铝金属基复合材料和包含至多达5%重量百分比的钪的铝合金中的至少一种形成。
在又一方面中， 一种用于涡轮增压系统的压缩机叶轮的制造方法包括由消耗性材料/可熔材料制成压缩机叶轮的模型的步骤。围绕该模型形成壳型铸模，然后从壳型铸模中去除模型。随后将该壳型铸模定位于一外壳中，使得壳型铸模的入口与外壳的开口相通。该方法还包括提供将壳型铸模的外表面和外壳的内表面之间的空的体积基本充满的支承材料的步骤。将包括铝金属基复合材料和包含至多达5%重量百分比的钪的铝合金中的至少一种的熔融物料通过入口压铸到铸模中。


图l是包括4艮据本发明的涡轮增压系统的内燃机的示意图；和
图2是用于制造图1的涡轮增压系统的压缩机叶轮的压铸设备的剖视图。
具体实施例方式
图1总体示出内燃机10的示例性实施例。为了进行说明而不是加以限 制，发动机10是四冲程、压燃式发动机，且包括限定多个燃烧室或汽缸 14的发动机组12。在示例性发动机10中，示出六个燃烧室14;但是，本 领域技术人员可以理解，可使用任意数量的燃烧室14。发动机10还包括 进气歧管16，该进气歧管和燃烧室14连通，并能够通过进气管道18向发 动机10提供空气。排气歧管20也和燃烧室14连通并能够通过排气管道 22将来自发动机组12的排气排出。
发动机10还包括标准设计的涡轮增压系统，该系统总体用24表示。 如图所示，涡轮增压系统24可包括单级涡轮增压系统或多级涡轮增压系 统。根据一个实施例，涡轮增压系统24可包括第一涡轮增压器26和第二 涡轮增压器28。尽管示出两个涡轮增压器26和28，但是应当理解，本发 明可应用于使用一个或多个涡轮增压器的发动机IO。应当理解，第一涡轮 增压器26通常包括通过轴34连接到涡轮机32的压缩机30。类似地，第 二涡轮增压器28包括通过轴40连接到涡轮机38的压缩机36。
在运行期间，离开排气歧管20的排气通过排气管道22并分别通到涡 轮机32和38的叶轮42和44处以使得它们旋转。叶轮42和44的旋转使 轴34和40转动，该轴34和40又分别S走转压缩才几30和36的叶轮46和 48。压缩机叶轮46和48的旋转将周围空气通过进气导管18吸入并将其压 缩。应当意识到，多级涡轮增压系统可包括如图所示的串联运行的压缩机 叶轮，或可选地，包括并联地定位在共用轴上的多个压缩机叶轮。
根据本发明，压缩机叶轮46和48中的一个或两个可由铝金属基复合 材料制成。根据一个实施例，铝金属基复合材料可基于设计成具有例如增 强的抗疲劳性、可在较高温度下运行的特性、增加的耐久性或本领域技术 人员已知的其它特性的铝合金。这种铝合金例如可包括A206、 A224和 A354,但是也可使用很多其它合金。此外可利用加强材料来加强铝金属基 复合材料。
根据一个实施例，可使用不连续的加强材料，例如陶资颗粒、陶资纤维和陶瓷晶须。更具体地，合适的加强材料可包括SiC、 A1203、 SK)2、A1N、 BN、 TiC、 TiB2、 B4C、 W2C、 Zr02或金属间化合物，例如Al3Sc或Al込r、 AbTi或Al3(Sc，X)，这里X表示Zr、 Ti、 Y、 Hf等。但是，本领域技术人员意识到，可使用其它不连续或连续的加强材料。根据一个实施例，加强材料^皮混合到铝金属基复合材料中、预成型且然后浸渗、从基体合金溶液中沉淀或在混合或浸渗期间进行现场反应。此外，适于使用体积百分比在约10%到约20%之间的加强材料。但是，可选择或改变使用的加强材料，包括用量、制造方法以及加强的位置及形状，以达到期望的机械属性。
可选地，且又根据本发明，压缩机叶轮46和48中的一个或两个可由包含至多达5%重量百分比的钪的铝合金制成。特别是在增高的温度下，通过例如Al3Sc、 Al3(Sc， Zr)等的金属间化合物的共格沉淀可极大地增强这种合金的属性。为便于加强和/或可铸造性，可根据需要改变包含至多达5。/。重量百分比的钪的铝合金以及铝金属基复合材料。应当理解，如上所述，铝金属基复合材料可以基于包含至多达5%重量百分比的钪的铝合金。
本领域技术人员应当理解，可使用铸造、粉末冶金或喷射成形方法，然后使用任何所需的成形过程来制造上述的压缩机叶轮46和48。用于压缩机叶轮46和48的优选的铸造方法可包括各种铸造工艺中的任一种，这些铸造工艺包括但不限于璇涡铸造(vortex casting)、真空浇铸、离心铸造、加压铸造和压力铸造。但是，应当理解可使用任何已知的方法形成压缩才几叶轮46和48。
根据一个实施例，可使用图2所示的压铸设备60形成压缩机叶轮46和48。根据此实施例，压缩机叶轮46和48之一的模型(未示出)可由消耗性材料形成，该消耗性材料例如蜡、蜡混合物、聚苯乙烯、塑料、蒸发性泡沫材料(evaporativefoam)或其它合适的材料。应当理解，压缩机叶轮模型的尺寸可比压缩机叶轮46、 48稍大，以解决铸造材料在凝固时的收缩(问题)。
一旦压缩机叶轮的模型已经形成，具有合适厚度的壳型铸模62包围该模型而形成。本领域技术人员应当理解，这种方法可包括制备浆体和重复
地将压缩机叶轮^^莫型浸入浆体中以形成多层壳型铸模62。根据一个实施 例，该浆体可包括耐火性的、基于陶瓷的氧化铝或氧化锆的粉末，但是也 可考虑各种混合物。在形成壳型铸模62的过程中，壳型铸模62的入口部 分64可不涂覆，以保留通向铸模的入口通道。
一旦得到壳型铸模62的合适的厚度，允许干燥该壳型铸模62。然后， 例如通过加热将压缩机叶轮模型从壳型铸模62去除。加热可使得压缩机叶 轮模型的消耗性材料熔化或蒸发，并还可烧结壳型铸模62的耐火性的、基 于陶瓷的材料。壳型铸模62以及如下所述的任何需要的铸造部件在外壳 68中定位成使得入口孔64与外壳68中的开口 70连通。外壳68可由各种 高强度材料，例如钢制成。 一旦壳型铸模62和其它铸造部件定位于外壳 68中，在壳型铸模62和其它铸造部件的外表面72与外壳68的内表面74 之间会存在空的体积。
支承材料76基本充满空的体积，使得壳型铸模62的所有表面都被支 承材料76覆盖和支承。应当理解，支承材料76可向壳型铸模62提供结构 性支承，并促进热量从壳型铸模62传导出去。支承材料76可包括低熔点 金属合金，例如铅、铋和锑的合金，该合金以熔融的形式浇注到空的体积 内并允许围绕壳型铸模62而凝固。可选地，支承材料76可包括颗粒状材 料，例如碳颗粒、天然或合成的基于氧化铝的沙、基于氧化锆的沙和金属 颗粒。也可将附加部件，例如那些用于真空抽吸支承材料76的部件结合到 压铸设备60中。
然后，将外壳68设置在压铸设备60的模块78、 80和82之间。本领 域技术人员应当理解，模块78、 80和82为外壳68以及最终壳型铸模62 提供支承。此外，模块78、 80和82可包括必要的例如用于将铸造材料引 入壳型铸模62中的开口。然后，将熔融形式的铝金属基复合材料和包含至 多达5%重量百分比的钪的铝合金中的至少一种压铸到壳型铸模62中。具 体地，本领域技术人员应当理解，熔融物料被施压并通过浇注口 84、免道 86和内浇口 88浇注到壳型铸模62中。此外，可设置冒口 90,以对熔融物料凝固时的内部收缩进行补偿。具体地，根据一个实施例，可向冒口卯内插入陶瓷插杆(未示出)以向铸造材料施加压力。也可设置例如过滤器和绝缘材料的附加部件，以进一步促进和/或改进铸造工艺。例如，且根据
一个实施例，可将壳型铸模62预热以改进铸造工艺。
应当理解，不论使用何种铸造材料，使用上述压铸方法制造的压缩机叶轮比使用其它已知方法制造的压缩机叶轮更具优点。具体地，本发明的
性的压缩机叶轮。例如，尽管描述了具体的铸造材料，但是使用所描述的压铸方法由例如锻造铝合金的铝合金制成的压缩机叶轮和使用其它已知的方法制成的铝合金压缩机叶轮相比具有改进的机械属性。
此外，本领域技术人员应当理解，涡轮机叶轮42和44可由与铝金属基复合材料和包含至多达5%重量百分比的钪的铝合金不同的材料制成。具体地，且因为涡轮机叶轮42和44受到温度远高于压缩机叶轮46和48的排气的作用，涡轮机叶轮42和44可例如由超级合金或金属间化合物制成。此外，本领域技术人员可以理解，上述用于压缩机叶轮46和48的合金、加强材料以及制造方法的示例仅仅作为示例，并不意在限制本发明的精神和范围。
工业实用性
本发明的压缩机叶轮可用于各种涡轮增压系统。尽管描述的是多级涡轮增压系统，应当理解，单级涡轮增压系统也可从本发明的压缩机叶轮获益。此外，所述压缩机叶轮可具体地应用于第一级压缩机叶轮和一个或多个后面的压缩才几级的叶轮。
结合图1和图2，且在内燃机10的常规运行中，离开发动机10的排气歧管20的排气通过排气导管22并分别通到涡轮机32和38的叶轮42和44以便使它们旋转。叶轮42和44的旋转使得轴34和40转动，该轴34和40又分别旋转压缩机30和36的叶轮46和48。压缩机叶轮46和48的旋转将周围的空气通过进气导管18吸入并将该空气压缩。由于压缩空气的温度可达到约200和250才聂氏度之间，此增高的温度对后面的压缩才几级的叶轮具有不利的作用。
和常规压缩才几叶轮相比，由铝金属基复合材料或包含至多达5%重量百分比的钪的铝合金制成的例如压缩机叶轮46和48之一的压缩机叶轮具有改进的耐久性、改进的抗疲劳性和可在较高温度下运行的特性。具体地，在约200摄氏度到250摄氏度之间，铝金属基复合材料或包含至多达5%重量百分比的钪的铝合金的强度几乎是其它铝合金的强度的两倍。此外，和钛合金相比，铝金属基复合材料或包含至多达5%重量百分比的钪的铝合金在增高的温度下可具有改进的瞬时响应，而不会增加生产成本。此夕卜，由本发明的复合材料或合金制成的后面的压缩机级的叶轮可避免在多级涡轮增压器的级间-使用中间冷却器的费用和复杂性。因此，应当理解，和单级涡轮增压系统以及多级涡轮增压系统的常规压缩机叶轮相比，本发明的
压缩机叶轮提供了显著的优点。
应当理解，以上描述仅用于说明的目的，且并不意在限制本发明的范围。从而，本领域技术人员将理解，可从附图、说明书和所附权利要求的研究中获得本发明的其它方面。
权利要求
1.一种用于内燃机(10)的涡轮增压系统(24)，包括至少一个压缩机叶轮(46，48)；且其中至少一个压缩机叶轮(46，48)由铝金属基复合材料和包含至多达5％重量百分比的钪的铝合金中的至少一种形成。
2. 根据权利要求1所述的涡轮增压系统(24)，其特征在于，所述 铝金属基复合材料包括选自包括A206、 A224和A354的组的铝合金。
3. 根据权利要求1所迷的涡轮增压系统(24)，其特征在于，所述 铝金属基复合材料还包括加强材料，其中加强材料包括陶瓷颗粒、陶资纤 维和陶资晶须中的
4. 根据权利要求3所述的涡轮增压系统(24)，其特征在于，所述 加强材料选自包括SiC、 A1203、 Si02、 A1N、 BN、 TiC、 TiB2、 B4C、 W2C、 Zr02、 AbSc和Al3Zr、 Al3Ti的组。
5. 根据权利要求1所述的涡轮增压系统(24),其特征在于，使用 漩涡铸造、真空浇铸、离心铸造、加压铸造和压力铸造中的至少一种形成 压缩才几叶轮(46, 48)。
6. —种用于涡轮增压系统(24)的压缩才几叶轮(46, 48)，包括 由铝金属基复合材料和包含至多达5%重量百分比的钪的铝合金中的至少一种形成的压缩机叶轮(46, 48)。
7. 根据权利要求6所述的压缩机叶轮(46， 48)，其特征在于，所述 铝金属基复合材料包括选自包括A206、 A224和A354的组的铝合金。
8. 根据权利要求6所述的压缩机叶轮(46， 48)，其特征在于，铝金 属基复合材料还包括加强材料，其中加强材料包括陶瓷颗粒、陶瓷纤维和 陶瓷晶须中的至少一种。
9. 根据权利要求8所述的压缩机叶轮(46, 48)，其特征在于，所述 加强材料选自包才舌SiC、 A1203、 Si02、 A1N、 BN、 TiC、 TiB2、 B4C、 W2C、 Zr02、 Al3Sc和AbZr、 Al3Ti的组。
10. —种用于涡轮增压系统(24 )的压缩机叶轮(46， 48 )的制造方法， 包括由消耗性材料制成压缩机叶轮(46, 48)的模型； 围绕模型形成壳型铸模(62); 从壳型铸模(62)中去除模型；将壳型铸模(62)定位于一外壳(68)中，使得壳型铸模(62)的入 口 (64)与外壳(68)中的开口 (70)连通；提供基本充满壳型铸模(62)的外表面(72)和外壳(68)的内表面 (74)之间的空的体积的支承材料(76);和将包括铝金属基复合材料和包含至多达5%重量百分比的钪的铝合金 中的至少一种的熔融物料压铸通过入口 (64)并进入壳型铸模(62)中。
全文摘要
本发明涉及一种用于内燃机(10)的涡轮增压系统(24)，包括至少一个压缩机叶轮(46，48)。单级或多级涡轮增压系统(24)的至少一个压缩机叶轮(46，48)由铝金属基复合材料和包含至多达5％重量百分比的钪的铝合金中的至少一种例如通过压铸而形成。
文档编号F04D29/02GK101595308SQ200880003354
公开日2009年12月2日 申请日期2008年1月30日 优先权日2007年1月31日
发明者J·A·詹森, 楠 杨 申请人:卡特彼勒公司