[发明专利]一种低惯量、快速响应的金属陶瓷复合材料涡轮转轴

说明书

本发明公开一种低惯量、快速响应的金属陶瓷复合材料涡轮转轴，包括涡轮和转轴。涡轮由内至外分为三层结构，分别为内部主体、过渡层与叶片层。其中内部主体采用传统镍基合金钢，为通过铸造成型方法制造的均匀回转体。过渡层采用高温合金粉末，烧结到内部主体上。叶片层采用氮化硅和氧化锆混合陶瓷材料；叶片层具有轮毂表层以及轮轴外壁周向排列的涡轮叶片。所述转轴采用耐高温钢，一端与复合材料轮采用空心摩擦焊接方式同轴连接。本发明采用镍基合金钢‑高温合金粉末‑陶瓷多种材料复合而成，减轻涡轮质量，使其达到涡轮承受1050℃高温工作环境，与同材料耐高温钢的转轴采用传统摩擦焊接工艺，连接可靠，制造成本低，实现改善发动机响应性的目的。

技术领域

本发明涉及涡轮增压技术领域，具体涉及涡轮增压器的一种低惯量、快速响应的金属陶瓷复合材料涡轮转轴。

背景技术

涡轮增压器安装在发动机的排气管上，涡轮壳直接与排气管相连接，处在高温、高压的工作状态下，尤其在航空活塞发动机和轿车汽油机发动机上，废气排温高达950℃～1050℃，比柴油发动机最高排温850℃高出许多，传统的镍基合金涡轮已经不能满足其性能要求。而且镍基合金密度大，涡轮质量重，造成涡轮增压器的响应迟滞明显。因此，围绕着耐高温和低质量两大问题，研究出多种解决材料的增压器涡轮，主要有两种：一是钛铝合金涡轮；二是陶瓷涡轮。

钛铝合金具有优越的机械性能，密度低，仅为镍基合金的1/2，在温度超过600℃时仍有好的抗氧化性和耐腐蚀性。涡轮增压器用钛铝涡轮代替镍基合金涡轮，能够有效减轻涡轮质量，减小涡轮转子的惯性，消弱涡轮轴的响应滞后，改善发动机动力响应性。但是同镍基合金一样，钛铝涡轮仅适用于850℃以下的发动机排气温度，在汽油机上的应用受限。

陶瓷由于具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等优点，能充分适应涡轮高温工作环境，可替代传统涡轮材料镍基合金，成为制作增压器涡轮转子的理想材料。特别是氮化硅陶瓷相对于镍基合金具有密度小的优势，陶瓷涡轮密度仅为镍基合金的0.4倍，能够有效减轻涡轮质量，减小涡轮转子的惯性，消弱涡轮轴的响应滞后，改善发动机动力响应性。专利CN201480023248也提供了一种“通过使用金属粘接剂的部分瞬间液相粘结的陶瓷涡轮部件的增材制造”工艺方法。但陶瓷涡轮的应用主要受制于两方面：一是由于其脆性大、延性低，在极端恶劣的使用条件下，面临热力冲击损伤问题，以及形成的热冲击损伤在长期高温和负责载荷下的结构演化损伤与性能急剧衰减问题，氮化硅涡轮转子可靠性受到严峻挑战。另一方面是由于其熔点高，氮化硅陶瓷涡轮与高温钢42CrMo转轴的连接成为制约其应用的一大难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述已有技术存在的不足，提供低惯量、快速响应的金属陶瓷复合材料涡轮转轴，涡轮采用镍基合金钢-高温合金粉末-陶瓷多种材料复合而成，减轻涡轮质量，使其达到涡轮承受1050℃高温工作环境，与同材料耐高温钢的转轴采用传统摩擦焊接工艺，连接可靠，制造成本低，实现改善发动机响应性的目的。

一种低惯量、快速响应的金属陶瓷复合材料涡轮转轴，其特征在于：包括涡轮和转轴两部分焊接而成；

所述涡轮由内至外分为三层结构，分别为内部主体、过渡层与叶片层；其中，内部主体采用传统镍基合金钢，为通过铸造成型方法制造的均匀回转体；镍基合金钢选用镍基合金钢K418；过渡层采用高温合金粉末，烧结到内部主体上；叶片层采用氮化硅和氧化锆混合陶瓷材料；叶片层具有轮毂表层以及轮轴外壁周向排列的涡轮叶片；所述转轴采用耐高温钢，材料为42CrMo，一端与复合材料轮采用空心摩擦焊接方式同轴连接。

本发明的优点在于：

(1)本发明低惯量、快速响应的金属陶瓷复合材料涡轮转轴，采用镍基合金钢-高温合金粉末-陶瓷复合材料制成，具有重量轻、惯量低，改善涡轮增压器瞬态响应性的优势。

(2)本发明低惯量、快速响应的金属陶瓷复合材料涡轮转轴，采用镍基合金钢-高温合金粉末-陶瓷复合材料涡轮，具有耐高温、耐腐蚀的优点；