製備渦輪分子泵轉子或定子的方法
2023-04-23 03:29:21 2
專利名稱：製備渦輪分子泵轉子或定子的方法
技術領域：
本發明涉及一種製備渦輪分子泵轉子或定子的方法，該轉子或定 子具有由特定鋁合金製成的轉子葉片。
背景技術：
對於具有轉子葉片的渦輪分子泵轉子的構造，鋁己經確立為構造 材料，因為它是將對於儘可能低的密度以及高強度、易加工性的需求
結合起來的最佳途徑。因此，根據M. Wutz等人，Theorie und Praxis der Vakuumtechnic, 2nd Ed" 1982, Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig/Wiesbaden，第207/208頁，已經知曉由特定選擇的鋁合 金來製備轉子或定子。
為了能夠構造高性能的泵轉子或定子，主要採用了高溫強度很高 的鋁合金。由這些材料製成的轉子通常通過機械加工方法製造，例如， 如DE 10210404 Al或DE 29715035 Ul中所述，二者在此均併入作為 參考。特別地，葉片輪廓(contour)的成型是耗時且高成本的。
DE 101 03 230 Al描述了一種轉子，其中轉子葉片的一部分具有背 面，該背面在吸入側上具有凸面設計、在壓力側上具有凹面設計，或 者轉子葉片的至少一部分具有正面，該正面在吸入側上具有凹面設計、 在壓力側上具有凸面設計。
當使用高強度合金時，則要考慮它們的再成型性。因此，實心體 (solid body)或圓盤的完全成型必須通過機械加工方法來實現，不能 使用不太昂貴的通過塑性再成型的成型方法，例如扭曲(twisting)、壓 印(embossing)或鑄壓(coining)。
具體地，對於中強度合金，機械加工(車削、切割)和/或熱燒蝕 方法(侵蝕)與塑性再成型(扭曲)的組合已經確立為更加經濟的轉 子或定子的製備方法。在該方法中，首先通過機械加工將單個圓盤形片段加工成圓柱實 心體，隨後通過電火花腐蝕提供軸向槽。這在每個圓碟片段上產生圓 盤形結構，其通過隨後的圍繞葉片縱向軸的塑性扭曲獲得規定的迎角
(angle of attack )。
DE 100 53 664 Al描述了一種具有由Al合金組成的轉子的機械動 力真空泵；為了提高高溫強度和蠕變強度，提出了轉子材料是由粉末 冶金製備的輕金屬合金，該粉末冶金的主要合金成分除鋁之外還有銅， 並進一步含有鎂、錳、鋯和銀，並任選含有鈦。
通過使用新的高強度、高的高溫強度的變形鋁合金(該合金在自 然時效的狀態下具有異常高的斷裂延伸率)，現在可以採用上文提到的 不太昂貴的成型方法，這些方法之前是用於低強度至中強度鋁合金的。
WO 2004/003244 Al描述了一種用於製備具有高靜態強度和動態 強度性能的半成品構件的Al-Cu-Mg-Mn合金。出人意料地，可以發現， 在此描述的合金一方面具有特別高的高溫強度，另一方面，在自然時 效的狀態下，其延展性高到使得通過機械加工或熱蝕方法和再成型(例 如扭曲或彎曲)來製造低成本轉子成為可能。
發明內容
因此，在第一實施方式中，本發明涉及製備渦輪分子泵的轉子或 定子的方法，該轉子或定子具有由Al-Cu-Mg-Mn鍛造合金製成的轉子 葉片，其特徵在於，通過對各個圓盤或實心體的機械加工或熱蝕方法， 隨後通過再成型產生所需的迎角，製造轉子葉片。
因此，通過本發明可以獲得多級整體轉子或定子，以及由單級片 段組裝的轉子或定子。轉子或定子的密度低，同時具有高強度和易加 工性能。
根據本發明，特別優選地使用了具有如下組成的鍛造合金
0.3-0.7 wt。/。的石圭(Si);
至多0.15 wt。/。的鐵(Fe);
3.5-4.5 wt。/。的銅(Cu);
0.1-0.5 wt。/o的錳(Mn);
0.3-0.8 wt。/。的鎂(Mg);0.05-0.15 wt。/。的鈦(Ti); 0.1-0.25 wt。/o的鋯(Zr); 0.3-0.7 wt。/。的銀(Ag); 單獨地至多0.05 wty。的其它；
共計至多0.15wtn/。的其它；禾口
餘量wt。/。的鋁(Al)。
與其它在先已知的合金相比，所使用的鍛造金屬具有更高的動態 和靜態高溫強度以及提高的蠕變強度，同時斷裂機械性能非常優異， 因此它們特別適合用於根據本發明的渦輪分子泵的轉子或定子。特別 地，根據本發明使用的鍛造合金的斷裂延伸率在自然時效的狀態下在 根據DINEN 10002的抗拉測試中測定為至少14%，特別是17-20%。
本發明意義上的術語"鍛造合金"是指對根據本發明使用的合金 的特定處理，其中在高溫下通過例如擠壓(extrusion)、軋制(rolling) 或鍛造(forging)將鑄造組織轉化並"變形(wroiight)"。從而使輕金 屬的延展性變得更好。因此，鍛造合金(wrought alloy)還容許進一步 進行冷成型操作，例如軋制、拉制(drawing)或鍛造(例如，冷鍛造)。
根據WO 2004/003244 Al，已知本身以5-9.5、特別是6.3-9.3的銅
/鎂比實現了這些性能。
銅含量優選在3.8-4.2 wt。/。的範圍內，鎂含量優選在0.45-0.6 wt%
的範圍內。在所主張的鎂含量的存在下，銅的含量明顯高於銅的最大 溶解度。因此，另外就剩餘合金和伴生元素而言，含有不溶性銅的相 的比例非常低。這使得由該合金製備的轉子的動力學特性和斷裂韌性 都得以提高。
與現有技術中進一步已知的鋁合金相比，要求保護的鍛造合金的 銀含量相當高，其含量為0.3-0.7 wt%，優選0.45-0.6 wt%。由於與矽 (0.3-0.7 wt%，優選0.4-0.6 wt%)之間的相互作用，通過與不含銀的 Al-Cu-Mg合金相同的機制發生硬化(curing)。但是，對於更低的矽含 量，由於銀的添加，偏析過程變得不同。儘管由該合金製備的轉子在 較冷條件下具有優良的高溫強度和蠕變強度，但其不能滿足所需的要 求。僅僅從0.3 wty。的矽含量抑制了 Al-Cu-Mg-Ag合金偏析行為的其它 典型變化，使得對於該Cu和Mg含量可以在不損失高溫強度和蠕變強度的情況下能夠獲得更高的強度值。
合金所使用的錳含量為0.1-0.5 wt%，優選0.2-0.4 wt%。對於錳含 量更高的合金來說，在長期高溫曝露測試中發現有導致強度降低的不 希望的偏析發生。出於該原因，錳含量被限制在0.5wt。/。。但原則上， 錳是對結構控制所必需的合金組分。
就結構控制而言，為了抵消減少的錳的空位(vacancy),合金含有 比例為0.10-0.25 wt%、特別是0.14-0.2 wt。/。的鋯。偏析的鋁化鋯通常比 鋁化錳更為均勻地分散。而且，己經發現鋁化鋯有助於合金的熱穩定 性。
為了得到更為精細的晶粒組織，向合金中添加0.05-0.15 wt%、優 選0.10-0.15 wt。/。的鈦。便利地，以Al-5Ti-lB中間合金的形式向合金中 添加鈦，因此合金自動地含有硼。由其形成均勻分散的不溶性二硼化 鈦。這些均有助於合金的熱穩定性。
作為不可避免的雜質，合金可以含有最多0.15wtn/。、優選0.10 wt%的鐵。
本發明意義下的"再成型"包括，例如，扭曲、彎曲、壓制和鍛 造，以產生所需的迎角。所需迎角的製備任選地還包括製備規定的葉 片輪廓(contour)。
另外可選地，分離和再成型的步驟也可以在一次操作中進行，例 如通過鑄壓(coining )。
該方法的操作本身是已知的，但一直局限於低強度和中強度鋁合 金，因為這些是具有所需再成型性的僅有合金。但通過本發明，該方 法也可以應用於限定的高強度鋁合金。
通常，再成型開始於圓盤形葉片階段，其中各個葉片片段之前通 過徑向分離製造。本發明意義下的分離方法包括切割方法，例如雷射 和水噴射切割，以及腐蝕、機械加工、壓印或鑄壓。
通過機械加工與塑性再成型方法的組合，可以降低轉子或定子的 製造成本。
實施例
實施例1通過再成型製備TMP泵轉子中葉片的迎角
從由合金AA2016 (參見WO 2004/003244)製成的圓柱實心體， 根據所需的泵級數，通過機械加工製備同心疊加的圓盤形片段。這制 成了由在輪轂區域(hub region)互連的疊加的圓盤形肋組成的旋轉對 稱體。肋的厚度對應於後來的葉片厚度。現在，將每個肋盤在軸向上 開槽，以在圓周之上以規則的間隔靠近輪轂，以形成單個葉片片段。
在此期間，材料處於"固溶-退火、淬火和自然時效"的狀態。在 該狀態下，其具有很高的再成型性。
現在，在同樣的狀態下，將葉片片段圍繞其縱向軸扭曲。扭曲用 叉形握持臂(grip arm)進行，該握持臂包圍相應的葉片片段，以靠近 葉片刃腳(blade foot)，然後圍繞葉片的縱軸進行扭曲移動以形成所需 的迎角。這導致葉片片段在靠近葉片刃腳的區域經歷了塑性再成型。 這樣，很容易獲得相對於起始位置為大約45。的扭曲角度或迎角，而在 葉片刃腳區沒有觀察到初始的裂紋。
對於高溫強度高的常規Al合金來說，不能獲得這樣的角度。
為了實現後續操作中所需的強度，進行人工時效，以獲得根據狀 態T6的最大強度。
實施例2 定子圓盤的鑄壓
從由實施例1提及的材料製成的Al板，通過如下鑄壓製備定子圓
盤
由厚度為0.5-1.0 mm的A1板衝壓半圓環片段。板材的狀態"固 溶-退火、淬火和自然時效"。
現在將這些環片段插入鑄壓模具中，其通過將底模壓到該鑄壓模 具上，切開成刀片的輪廓。
徑向對稱排列的葉片片段的前緣由此衝壓出，而葉片的迎角通過 鑄壓模具內的塑性再成型產生。最大再成型在從葉片的自由前緣到非 變形板的轉化區中發生。
為了實現後續操作中所需的強度，進行人工時效，以獲得根據狀 態T6的最大強度。
權利要求
1. 一種製備渦輪分子泵的轉子或定子的方法，所述轉子或定子具有由Al-Cu-Mg-Mn鍛造合金製成的轉子葉片，其特徵在於，通過對各個圓盤或實心體的機械加工或熱蝕方法，隨後通過再成型產生所需的迎角，製造轉子葉片。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，使用具有如下組成 的鍛造合金0.3-0.7 wt。/。的矽(Si); 至多0.15wt。/。的鐵(Fe); 3.5-4.5 wt。/。的銅(Cu); 0.1-0.5 wt。/o的錳(Mn); 0.3-0.8 wt。/。的鎂(Mg); 0.05-0.15 wt。/。的鈦(TO; 0.1-0.25 wt。/。的鋯(Zr); 0.3-0.7 wt。/。的銀(Ag); 單獨地至多0.05 wtM的其它雜質；共計至多0.15wty。的其它雜質；和 餘量Wtn/。的鋁(Al)。
3. 根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述轉子或定子通過壓印、鑄壓或扭曲製備。
全文摘要
本發明涉及製備渦輪分子泵的轉子或定子的方法，該轉子或定子具有由特定鋁合金製成的轉子葉片。
文檔編號C22F1/057GK101438063SQ200780015571
公開日2009年5月20日 申請日期2007年4月27日 優先權日2006年4月29日
發明者I·羅特, L·埃辰貝格, M·弗羅伊茨海姆, R·赫爾策 申請人:歐瑞康萊寶真空公司