經(jīng)過(guò)激光表面織構(gòu)的渦輪增壓器密封環(huán)及加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)械密封技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種經(jīng)過(guò)激光表面織構(gòu)的渦輪增壓器密封環(huán)及加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]渦輪增壓器密封環(huán)是防止軸承系統(tǒng)的潤(rùn)滑油進(jìn)入增壓器的通流部分，并阻止壓氣機(jī)的空氣以及渦輪端的廢氣進(jìn)入增壓器的潤(rùn)滑腔，是保證渦輪增壓器正常工作的關(guān)鍵零部件之一。
[0003]現(xiàn)有的渦輪增壓器密封環(huán)如附圖7、8所示，渦輪增壓器密封環(huán)1的左、右端面及內(nèi)圓為光滑面。渦輪增壓器密封環(huán)不僅與高速旋轉(zhuǎn)的渦輪轉(zhuǎn)子或密封套處的環(huán)槽構(gòu)成摩擦副，還受到環(huán)槽軸向串動(dòng)的作用。渦輪增壓器密封環(huán)除了承受機(jī)械載荷、熱負(fù)荷外，還承受酸性物質(zhì)的腐蝕，其主要失效形式是磨損，包括左、右端面的磨損。由于渦輪增壓器密封環(huán)左、右端面與高速轉(zhuǎn)速渦輪轉(zhuǎn)子或密封套處環(huán)槽的摩擦?xí)?duì)渦輪增壓器密封環(huán)產(chǎn)生附加應(yīng)力，再加上環(huán)槽軸向串動(dòng)的作用，致使渦輪增壓器密封環(huán)產(chǎn)生磨粒磨損、粘著磨損和疲勞失效；此外，渦輪增壓器密封環(huán)與環(huán)槽間存在著積碳顆粒及硬質(zhì)沉積物，這些將加速渦輪增壓器密封環(huán)的磨粒磨損和炭化膠結(jié)，甚至將渦輪增壓器密封環(huán)卡死在渦輪轉(zhuǎn)子處的環(huán)槽內(nèi)，渦輪增壓器密封環(huán)的過(guò)度磨損致其密封性能降低，甚至喪失。
[0004]渦輪增壓器密封環(huán)的密封性能降低，會(huì)使渦輪增壓器出現(xiàn)大面積的漏油和因高溫高壓氣體串入軸承體后，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱壓力過(guò)大；同時(shí)燃?xì)獾拇耄沟脻?rùn)滑油變臟，使得軸承及發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑條件惡化，降低軸承的可靠性。因此渦輪增壓器密封環(huán)在環(huán)槽中的磨損狀況在很大程度上影響著渦輪增壓器密封環(huán)的使用耐久性和渦輪增壓器的密封性能、工作可靠性與使用壽命。特別是脈沖增壓以及排氣制動(dòng)閥置于渦輪箱后的渦輪增壓器，其渦輪增壓器密封環(huán)的質(zhì)量極為關(guān)鍵，因此要求其渦輪增壓器密封環(huán)工作表面具有良好的抗磨性能。
[0005]隨著現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度不斷提高以及向小尺寸、輕量化方向發(fā)展，特別對(duì)環(huán)境法規(guī)要求越來(lái)越嚴(yán)格，推動(dòng)渦輪增壓器技術(shù)的不斷向前發(fā)展，導(dǎo)致渦輪增壓器不斷小型化、結(jié)構(gòu)愈加緊湊，所以增壓器工作轉(zhuǎn)速不斷提高，工況愈加嚴(yán)峻以及潤(rùn)滑、冷卻條件更為惡劣。目前為了改善渦輪增壓器密封環(huán)在環(huán)槽中的摩擦磨損狀況，人們常采用新材料制作的渦輪增壓器密封環(huán)以及采用表面精加工技術(shù)來(lái)減小摩擦表面的粗糙度，往往很少采用給渦輪增壓器密封環(huán)工作表面帶來(lái)適量的潤(rùn)滑來(lái)提高減摩耐磨性能。傳統(tǒng)意義上要求摩擦副表面盡可能光滑，隨著微觀粗糙表面摩擦學(xué)研究的深入和工程實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的高精度加工不僅會(huì)提高其加工成本，且光滑表面因無(wú)存油區(qū)域而無(wú)法形成有效潤(rùn)滑，易產(chǎn)生粘著磨損與磨粒磨損，易擦傷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足而提供一種經(jīng)過(guò)激光表面織構(gòu)的渦輪增壓器密封環(huán)及加工方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種經(jīng)過(guò)激光表面織構(gòu)的渦輪增壓器密封環(huán)，經(jīng)過(guò)激光表面織構(gòu)后，在渦輪增壓器密封環(huán)的左、右端面及內(nèi)圓表面形成直徑大小不一、深淺不一的弧形微凹腔，弧形微凹腔呈疏密錯(cuò)落有致分布，所形成的微凹腔幾何形貌參數(shù)為:
左、右端面形成的弧形微凹腔的直徑dl分別為60-400um，深度hi分別為3-30um，弧形微凹腔在左、右端面的面積占有率分別為3%-20% ;
內(nèi)圓表面形成的弧形微凹腔的直徑dl為100-400um，深度h2為3-30um，弧形微凹腔在內(nèi)圓表面的面積占有率為3%-20%。
[0008]本發(fā)明還提供了一種對(duì)渦輪增壓器密封環(huán)表面進(jìn)行激光織構(gòu)處理的方法，其工藝過(guò)程如下:
A、首先根據(jù)渦輪增壓器密封環(huán)的使用工況要求、可靠性要求，初步選擇激光表面織構(gòu)弧形微凹腔形貌參數(shù)；
B、然后通過(guò)建立渦輪增壓器密封環(huán)表面流體潤(rùn)滑理論模型數(shù)值計(jì)算確定具有最佳潤(rùn)滑減摩效果的左、右端面弧形微凹腔的直徑、深度以及弧形微凹腔在左、右端面的面積占有率，內(nèi)圓表面弧形微凹腔的直徑、深度以及弧形微凹腔在內(nèi)圓表面的面積占有率；
C、選用二極管栗浦Nd:YAG激光器，其基本參數(shù)為:激光模式ΤΕΜ00，激光功率為3W，采用聲光調(diào)Q控制產(chǎn)生激光脈沖，調(diào)Q重復(fù)頻率1?50kHz ;栗浦源輸出激光波長(zhǎng)為1064nm，經(jīng)腔內(nèi)倍頻加工，使得1064nm的基頻光轉(zhuǎn)化為532nm的倍頻光，光束質(zhì)量系數(shù)M2〈2，發(fā)散角Θ小于3mrad，功率不穩(wěn)定度< ±3%;
采用單脈沖同點(diǎn)間隔多次加工工藝，對(duì)渦輪增壓器密封環(huán)的左、右端面及內(nèi)圓表面進(jìn)行激光表面織構(gòu)加工:其中激光功率密度為105-107W/cm2，激光脈沖寬度為25-50ns，波長(zhǎng)為532nm，栗浦電流17-21A，離焦量0-0.5mm，脈沖頻率為1.2-6.5KHz ;在激光加工圖形軟件界面下，輸入弧形微凹腔幾何參數(shù)與分布狀態(tài)，調(diào)整激光脈沖重復(fù)次數(shù)為2-15次，并輸入輔助氣體氬氣或氮?dú)?，?lái)實(shí)現(xiàn)激光表面織構(gòu)加工。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下特點(diǎn):
1、由于激光表面織構(gòu)加工是一種激冷激熱的加工過(guò)程，對(duì)渦輪增壓器密封環(huán)表層的金相組織起到強(qiáng)化硬化作用，大幅度提高渦輪增壓器密封環(huán)的表層組織的硬度，且硬化的金相組織可以較好保護(hù)弧形微凹腔幾何形貌組織。
[0010]2、渦輪增壓器處于低速潛在漏油時(shí)，密封環(huán)表面的弧形微凹腔在摩擦副旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中能形成具有一定剛度的油膜，顯著改善渦輪增壓器密封環(huán)與環(huán)槽摩擦副的摩擦磨損特性，且剛性油膜可在渦輪增壓器密封環(huán)與環(huán)槽間隙處形成一道屏障，有效阻止了自壓氣機(jī)端、渦輪端氣體向軸承體內(nèi)的串入以及潤(rùn)滑油向兩端的泄露；渦輪增壓器處于中高速正常運(yùn)行時(shí)，密封環(huán)表面的弧形微凹腔可以作為儲(chǔ)存磨損顆粒的儲(chǔ)存器，減少在干摩擦條件下摩擦表面的磨粒磨損和犁溝，從而降低磨損率，同時(shí)密封環(huán)表面的弧形微凹腔可以通過(guò)減小摩擦表面的接觸面積，從而降低粘著效應(yīng)的作用。
[0011]3、同時(shí)渦輪增壓器處于低速潛在漏油時(shí)，弧形微凹腔內(nèi)存儲(chǔ)的