[发明专利]制造排气涡轮增压器的叶轮的方法及用于叶轮的TiAl合金

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于由TiAl合金(钛铝合金)制造排气涡轮增压器的叶轮的方法。本发明还涉及一种TiAl合金。

背景技术

TiAl合金具有微小的密度，大约为4g/cm³，还具有优秀的特殊的高温性能。该TiAl合金作为排气涡轮增压器的叶轮的材料的应用与已知的镍基合金相比显著提高了排气涡轮增压器的响应性能，并在小型化和降速方面显示出很大潜力。排气涡轮增压器的叶轮在柴油内燃机或汽油内燃机中在最高排气温度达到1050℃及转速达到大约220,000转/分钟时被加载。同时该叶轮还处于高的机械的和热的交变载荷下。由此产生蠕变载荷、TMF载荷、HCF载荷和/或LCF疲劳载荷，而材料、即TiAl合金必须承受住这些载荷。此外即使在上述高的排气温度的情况下，该合金也必须具有足够的抗氧化性能并能够抵抗腐蚀作用。

为了能够完全利用通过使用TiAl合金以减小叶轮质量及进而减小转动惯量的潜力，而不允许缩减几何形状的复杂性以及叶轮的叶片数量。必须能够实现与通过已知的方法由镍基合金制造的叶轮相比相同的或较小的叶轮叶片壁厚及相同的或较强的叶轮叶片关联。然而在已知的由镍基合金制成的叶轮中，不能完全利用这种合金的全部潜力，这是由于镍基合金具有较低的流动性能。尤其是只能实现具有叶轮的叶片壁厚为1mm的或更厚的简单几何形状。所使用的TiAl合金还具有相对微小的蠕变强度或寿命，且不能在排气温度为950℃或以上时，尤其是980℃或以上时或1000℃或以上时应用。

由现有技术例如已知了：文献WO 2011/048423 A1，US 2004/0040690 A1，WO 2008/049442 A1，EP 0 992 305 A1，DE 10 2010 042 889 A1，DE 10 2004 056 582 A1，源自期刊Intermetallics(金属间化合物)13(2005)1000-1007的、作者为T.Carneiro和Y-W.Kim的出版物，，Evaluation of ingots and alpha-extrusions of gamma alloys based on Ti-45Al-6Nb(基于Ti-45Al-6Nb的铸块评估和伽马合金阿尔法挤压)“，JP H03-193837 A，DE 40 22 403 A1以及DE 10 2007 020 638 A1。

发明内容

因此本发明的目的是，提出一种用于由TiAl合金制造排气涡轮增压器的叶轮的方法，通过这种方法可以避免上述缺点。

上述目的根据本发明通过一种用于由TiAl合金制造排气涡轮增压器的叶轮的方法实现。在此规定，TiAl合金除了钛之外还具有下列成分：具有43.7at.％至47.5at.％的份额的铝；具有在3at.％和5at.％之间的份额的铌；具有0.3at.％至0.6at.％的份额的碳；和具有最高2.0at.％的份额的其它成分，并且叶轮通过合金的离心铸造而形成，其中，在将合金引入到用于离心铸造的铸模中之前把铸模加热到500℃至800℃的温度，和其中，一旦合金达到铸造温度时，在围绕与铸模间隔开的旋转轴的离心铸造期间，将铸模以一角加速度在一加速时间段内加速到一转速，其中，所制造的叶轮的转轴垂直于旋转轴，其中，铸模在引入合金之前被抽真空，铸模中的绝对压力为最大1mbar。

原则上，合金具有至少1.9at.％的份额的铌，并且叶轮通过合金的离心铸造而形成。混合入具有规定的物质量份额的铌导致高的蠕变强度，尤其在至少为950℃、至少为980℃或至少为1000℃的高温的情况下。但是这同时使铸造性能变差，尤其导致进一步变差的流动性能，从而TiAl合金的加工不能通过传统的压差铸造实现。铌份额优选为至少2at.％、至少2.5at.％、至少3at.％、至少3.5at.％、至少4at.％、至少5at.％、至少6at.％、至少7at.％或至少8at.％。另外，铌份额优选为最高8.7at.％。铌份额尤其优选地是在3at.％和5at.％之间、尤其在3.5at.％和4.5at.％之间、进一步优选地是正好4at.％。