СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РОТОРОВ И СТАТОРОВ ТУРБОМОЛЕКУЛЯРНОГО НАСОСА Российский патент 2011 года по МПК F04D19/04 

Объектом изобретения является способ изготовления роторов и статоров турбомолекулярного насоса с роторными лопастями из специального алюминиевого сплава.

Для изготовления роторов турбомолекулярного насоса с роторными лопастями в качестве конструкционного материала зарекомендовал себя алюминий, так как в этом случае лучше всего сочетаются требования как можно меньшего удельного веса при одновременно высокой прочности и хорошей обрабатываемости. Так, из источника М.Вутц и др. Теория и практика вакуумной техники, второе издание, 1982, Фридр.Фивег и сын, Брауншвейг / Висбаден, стр.207/208 (М.Wutz et al., Theorie und Praxis der Vakuumtechnik, zweite Aufl., 1982, Friedr.Vieweg & Sohn, Braunschweig / Wiesbaden, Seite 207/208) известно изготовление ротора и статора из специально подобранных алюминиевых сплавов.

Для изготовления производительных насосных роторов или статоров преимущественно используются алюминиевые сплавы с высокой термостойкостью. Роторы их таких материалов обычно изготавливаются с помощью способа снятия стружки, как это, например, описано в DE 10210404 А1 или DE 29715035 U1, на каждый из которых в полном объеме делается соответствующая ссылка. При этом формование лопасти является особенно затратным по времени и средствам.

В DE 101 03 230 А1 описаны роторы, у которых часть роторных лопастей имеет заднюю сторону, которая со стороны всасывания выполнена выпуклой, а со стороны давления вогнутой, или по меньшей мере часть роторных лопастей имеет переднюю сторону, которая со стороны всасывания выполнена вогнутой, а со стороны давления выпуклой.

При использовании высокопрочных сплавов необходимо учитывать их низкую способность к пластическому деформированию. Это приводит к тому, что полное формование сплошных тел или дисков приходится осуществлять с помощью способа снятия стружки, а более экономичные способы формования путем пластического деформирования, такие как кручение, чеканка или штамповка-чеканка, применяться не могут.

Конкретно, для сплавов средней прочности сочетание обработки снятием стружки (токарная обработка, фрезерование) и/или термических способов съема металла (электроэрозионная обработка) со способами пластического деформирования (кручение) зарекомендовало себя как более экономичная технология изготовления роторов или статоров.

При этом сначала из отдельных, имеющих форму диска сегментов обработкой снятием стружки получают цилиндрическое сплошное тело, которое затем аксиально надрезается электроискровой резкой. Таким образом, на каждом дисковом сегменте получаются имеющие форму диска структуры, которые последующим пластическим скручиванием вдоль продольной оси лопасти получают определенный угол установки.

В DE 100 53 664 А1 описан механический кинетический вакуумный насос с ротором из алюминиевого сплава; для повышения термостойкости и длительной прочности предлагается использовать в качестве материала ротора полученный способом порошковой металлургии сплав легкого металла, основным легирующим компонентом которого, наряду с алюминием, является медь, и который дополнительно содержит магний, марганец, цирконий и серебро, а также, при известных условиях, титан.

За счет использования нового высокопрочного и термостойкого деформируемого алюминиевого сплава, который в состоянии после холодного вылеживания имеет необычайно высокое относительное удлинение при разрыве, становится возможным использование вышеуказанных более экономичных способов обработки, которые до сих пор могли применяться только для алюминиевых сплавов низкой и средней прочности.

В WO 2004/003244 А1 описан Al-Cu-Mg-Mn - сплав для изготовления полуфабрикатов с высокими статическими и динамическими прочностными свойствами. Неожиданно было обнаружено, что описанные здесь сплавы, с одной стороны, особенно термостойки, а с другой стороны - в состоянии после холодного вылеживания имеют такую высокую пластичность, что возможно экономичное изготовление ротора обработкой снятием стружки или термическими способами съема металла и пластическим деформированием (например, кручением или гибкой).

Поэтому, в первом варианте осуществления, изобретение относится к способу изготовления роторов или статоров турбомолекулярного насоса с роторными лопастями из деформируемого Al-Cu-Mg-Mn - сплава, отличающемуся тем, что роторные лопасти изготавливают из отдельных дисков или сплошных тел посредством способа снятия стружки или термического способа съема и последующим пластическим деформированием с получением желаемого угла установки.

Таким образом, с помощью настоящего изобретения можно получать многоступенчатые, цельные роторы или статоры так же, как и роторы или статоры, состоящие из отдельных ступенчатых сегментов. Роторы или статоры имеют малый удельный вес при одновременно высокой прочности и хорошей обрабатываемости.

Особенно предпочтительно в смысле настоящего изобретения используемый деформируемый сплав имеет следующий состав:

от 0,3 до 0,7 вес.% кремния (Si)

до 0,15 вес.% железа (Fe)

от 3,5 до 4,5 вес.% меди (Cu)

от 0,1 до 0,5 вес.% марганца (Mn)

от 0,3 до 0,8 вес.% магния (Mg)

от 0,05 до 0,15 вес.% титана (Ti)

от 0,1 до 0,25 вес.% циркона (Zr)

от 0,3 до 0,7 вес.% серебра (Аg)

до 0,05 вес.% других элементов, по-отдельности

до 0,15 вес.% других элементов, суммарно, и

остальное вес.% алюминия (Al).

Используемые деформируемые сплавы имеют, по сравнению с другими ранее известными сплавами, более высокую статическую и динамическую термостойкость и улучшенное сопротивление ползучести при одновременно очень хороших свойствах механики разрушения и поэтому особенно хорошо пригодны для роторов или статоров турбомолекулярных насосов согласно изобретению. В частности, используемый согласно изобретению деформируемый сплав имеет относительное удлинение при разрыве не менее 14%, в частности, от 17 до 20% в состоянии после холодного вылеживания, определенное испытанием на разрыв по DIN EN 10002.

Понятие «деформируемый сплав» в смысле изобретения охватывает специальную обработку используемого согласно изобретению сплава, при которой литая структура преобразуется и «разминается», например, посредством горячего прессования, вальцевания или ковки при повышенной температуре. В результате этого легкий металл становится более пластичным. Поэтому деформируемые сплавы допускают дальнейшую холодную деформацию, например, вальцевание, вытяжку или ковку (например, в том числе и холодную ковку).

Из WO 2004/003244 А1 само по себе известно, что эти свойства достигаются, в частности, при соотношении «медь - магний» от 5 до 9,5, особенно при соотношении от 6,3 до 9,3.

Предпочтительно, содержание меди составляет от 3,8 до 4,2 вес.%, а содержание магния - от 0,45 до 0,6 вес.%. Содержание меди явно превышает максимальную растворимость для меди в присутствии требуемого содержания магния. Следствием этого является то, что доля нерастворимых медесодержащих фаз, даже с учетом прочих легирующих и сопутствующих элементов, очень незначительна. За счет этого получается улучшение относительно динамических свойств и вязкости разрушения роторов, изготовленных из такого сплава.

В отличие от известных из уровня техники алюминиевых сплавов, доля серебра в требуемых деформируемых сплавах выражается содержанием от 0,3 до 0,7 вес.%, предпочтительно от 0,45 до 0,6 вес.%. Во взаимодействии с кремнием (0,3-0,7 вес.%, предпочтительно 0,4-0,6 вес.%) дисперсионное твердение происходит по тем же самым механизмам, что и в не содержащих серебра Al-Cu-Mg-сплавах. Однако при более низких содержаниях кремния в результате добавки серебра осаждение протекает по-другому. Изготовленные из такого сплава роторы хотя и имеют хорошую термостойкость и сопротивление ползучести при более холодных условиях, однако не соответствуют желательным требованиям. Лишь содержание кремния, начиная с 0,3 вес.%, подавляет типичное изменение характеристик осаждения Al-Cu-Mg-Ag-сплавов, так что достижимы более высокие показатели прочности без ущерба для термостойкости и сопротивления ползучести при содержании Cu и Mg.

Содержание марганца в используемом сплаве составляет от 0,1 до 0,5 вес.%, предпочтительно от 0,2 до 0,4 вес.%. У сплавов с более высоким содержанием марганца при длительной высокотемпературной нагрузке обнаруживались нежелательные процессы осаждения, которые приводили к снижению прочности. По этой причине содержание марганца ограничено величиной 0,5 вес.%. Однако, в принципе, марганец является компонентом сплава, необходимым для контроля его структуры.

Для компенсации уменьшенных недостатков марганца относительно контроля структуры сплав получает циркон в количестве от 0,10 до 0,25 вес.%, прежде всего, 0,14-0,2 вес.%. Осаждающиеся алюминиды циркона, как правило, даже более мелкодисперсны, чем алюминиды марганца. Кроме того, оказалось, что алюминиды циркона способствуют термической стабильности сплава.

Для измельчения зерна в сплав вводят 0,05-0,15 вес.%, предпочтительно 0,10-0,15 вес.% титана. Целесообразно вводить титан в виде Al-5Ti-1B - лигатуры, благодаря чему сплав автоматически получает бор. Из него образуются тонко распределенные, нерастворимые бориды титана. Они способствуют термической стабильности сплава.

В качестве неизбежных примесей, сплав может содержать максимум 0,15%, предпочтительно 0,10%, железа.

Пластическое деформирование в смысле настоящего изобретения может, например, включать в себя кручение, гибку, чеканку и ковку с получением желаемого угла установки. При этом получение желаемого угла установки также включает получение определенного контура лопасти.

В качестве альтернативы, стадии разделения и пластического деформирования можно проводить за одну рабочую операцию, например, штамповкой.

Сами по себе рабочие стадии этого способа согласно изобретению известны, но до сих пор они были ограничены использованием алюминиевых сплавов низкой и средней прочности, так как только они имеют требующуюся способность к пластическому деформированию. С помощью настоящего изобретения этот способ применим и к определенным высокопрочным алюминиевым сплавам.

Обычно, при пластическом деформировании исходят из имеющих форму диска лопастных ступеней, в которых радиальным разделением предварительно получают лопастные сегменты. Процессы разделения в смысле настоящего изобретения охватывают такие процессы разделения, как резка лазером или водяной струей, а также электроэрозионная обработка, обработка снятием стружки, штамповка или штамповка - чеканка.

За счет комбинации обработки снятием стружки и способов пластического деформирования снижаются затраты на изготовление роторов или статоров.

Примеры осуществления:

Пример 1:

Получение установки лопастей роторов турбомолекулярного насоса пластическим деформированием

Из цилиндрического сплошного тела сплава АА 2016 (см. WO 2004/003244) обработкой снятием стружки изготавливали расположенные концентрично один над другим имеющие форму диска сегменты в соответствии с желаемым числом секций насоса. В результате этого получалось вращательно-симметричное тело, состоящее из расположенных друг над другом имеющих форму диска ребер, которые были соединены друг с другом в области втулки. Толщина ребра соответствовала толщине получаемой впоследствии лопасти. Каждый реберный диск надрезали в осевом направлении вплоть до близости от втулки через равномерные интервалы по периметру, в результате чего получались отдельные лопастные сегменты.

При этом материал был в состоянии «обработанный на твердый раствор, закаленный и естественно состаренный». В этом состоянии он обладал высокой способностью к пластической деформации.

В этом же состоянии лопастные сегменты подвергали кручению по продольной оси. При этом кручение осуществлялось с помощью вилкообразного манипулятора, который захватывал соответствующий лопастной сегмент вплоть до основания лопасти и выполнял крутильное движение по продольной оси лопасти до желаемого угла установки. При этом лопастной сегмент испытывал пластическую деформацию в области около основания лопасти. Таким образом легко получались углы кручения или установки около 45° к исходному положению, и при этом не наблюдалось никаких трещин в области основания лопасти.

С традиционными термостойкими Al-сплавами такие углы получить невозможно.

Для получения необходимой для последующей эксплуатации прочности осуществляли искусственное старение (термическое старение) для достижения максимальной прочности в соответствии с состоянием Т6.

Пример 2:

Штамповка - чеканка дисков статора

Из Al - листов указанного в примере 1 материала, диски статора изготавливаются способом штамповки-чеканки следующим образом:

Кольцевые сегменты в форме полукруга вырубают из алюминиевого листа толщиной от 0,5 до 1,0 мм. Состояние листа: «обработанный на твердый раствор, закаленный и естественно состаренный».

После этого эти кольцевые сегменты вкладывают в матрицу, которая прессованием на эту матрицу противоформы вырабатывает контур лопасти.

При этом выштамповываются кромки обтекания радиально симметрично расположенных лопастных сегментов, в то время как угол установки лопасти, напротив, получается в результате пластического деформирования в матрице. Максимальное деформирование происходит в области перехода свободной кромки обтекания лопасти к недеформированному листу.

Для получения необходимой для последующей эксплуатации прочности осуществляется искусственное старение до достижения максимальной прочности в соответствии с состоянием Т6.

Объектом изобретения является способ изготовления роторов и статоров турбомолекулярного насоса с роторными лопастями из деформируемого Аl-Cu-Mg-Mn сплава. Роторные лопасти изготавливают из отдельных дисков или сплошных тел посредством снятия стружки или термической обработки и последующим пластическим деформированием с получением желаемого угла установки. Роторы или статоры имеют малый удельный вес при одновременно высокой прочности и хорошей обрабатываемости. 2. з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления роторов или статоров турбомолекулярного насоса с роторными лопастями из деформируемого Al-Cu-Mg-Mn - сплава, отличающийся тем, что роторные лопасти изготавливают из отдельных дисков или сплошных тел посредством снятия стружки или термической обработки и последующим пластическим деформированием с получением желаемого угла установки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в нем применяют деформируемый сплав следующего состава:
от 0,3 до 0,7 вес.% кремния (Si)
до 0,15 вес.% железа (Fe)
от 3,5 до 4,5 вес.% меди (Cu)
от 0,1 до 0,5 вес.% марганца (Mn)
от 0,3 до 0,8 вес.% магния (Mg)
от 0,05 до 0,15 вес.% титана (Ti)
от 0,1 до 0,25 вес.% циркона (Zr)
от 0,3 до 0,7 вес.% серебра (Ag)
до 0,05 вес.% других элементов по отдельности
до 0,15 вес.% других элементов суммарно и
остальное вес.% алюминия (Аl).

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что роторы или статоры изготавливают штамповкой, штамповкой-чеканкой или кручением.