Materiały wykorzystywane do produkcji turbosprężarek

Trudne warunki pracy turbosprężarki to dla konstruktorów duże wzywanie, któremu niełatwo sprostać. Zaprojektowanie turbiny tak, by jak najlepiej spełniała swoją funkcję to dopiero pierwszy krok. Nie mniej ważne jest to, jakie wybrać materiały, by urządzenie nie uległo zniszczeniu po pierwszych przejechanych kilometrach. Przy tak wymagającym urządzeniu na nic zdadzą się typowe materiały konstrukcyjne. Pracując w podwyższonej temperaturze ich właściwości byłyby dalekie od oczekiwanych. Na szczęście metalurgia i materiałoznawstwo są obecnie na tak zaawansowanym poziomie, że konstruktorzy mają duży wybór materiałów, z których mogą wykonać projektowane przez siebie urządzenia. Przyjrzyjmy zatem materiałom wykorzystywanym w produkcji turbosprężarek.

Korpus turbiny

Najtrudniejsze warunki pracy ma oczywiście turbina. Wysoka temperatura spalin oraz duże ciśnienie, jakie one wytwarzają, wymagają doboru bardzo odpornego materiału. Korpusy turbin wykonuje się ze specjalnego żeliwa austenitycznego o nazwie Ni-Resist. W jego skład wchodzi od 14 do nawet 25% niklu oraz szereg innych domieszek. Wśród  nich znajdziemy m.in. mangan, magnez, miedź czy chrom. Zastosowanie takich materiałów w produkcji turbosprężarek pozwoli na poprawienie właściwości antykorozyjnych oraz odporności temperaturowe. Co istotne – efekt taki osiąga się bez wyraźnej redukcji parametrów wytrzymałościowych.

Wirnik turbiny

Wirnik turbiny musi znieść takie same niedogodności, jak korpus turbiny, jednocześnie obracając się z prędkością nawet ponad 100 tys. obr/min. Aby było to możliwe, w jego produkcji stosuje się stop niklu, molibdenu, chromu i żelaza o nazwie Inconel. W tej mieszance przeważającym pierwiastkiem jest nikiel – jest go aż 45-65%. Stop ten zapewnia odporność temperaturową do około 1200°C oraz bardzo wysoką wytrzymałość, dlatego zaliczany jest do grupy tzw. superstopów (nadstopów).

Obecnie przy produkcji turbosprężarek coraz częściej stosuje się wirniki wykonane ze spiekanych proszków ceramicznych (zazwyczaj są to proszki glinu, np. korund). Jednak wciąż jest ich znacznie mniej, niż tych wykonanych z Inconelu.

Korpus sprężarki

Korpusy sprężarek nie są narażone na aż tak duże obciążenia, dlatego mogą być wykonane z materiałów o innej charakterystyce. Trzeba jednak pamiętać, że i tam panują stosunkowo wysokie temperatury, a oprócz zapewnienia wysokiej trwałości dodatkowo trzeba zapewnić odporność na korozję. Z tego powodu najczęstszym wyborem są stopy aluminium (glinu), ponieważ są niewrażliwe na korozję, a przy tym mają mniejszą masę i są łatwe w obróbce.

Wałek turbosprężarki

Wałek turbosprężarki jest najmniej wymagającym elementem turbosprężarki. Dlatego też wykonuje się go z ulepszanej cieplnie stali stopowej konstrukcyjnej chromowo-niklowo-wolframowej. Cechuje się ona odpowiednią wytrzymałością i parametrami cieplnymi. Co ważne – łatwo ją przy tym formować, by uzyskać wysoką dokładność wykonania wałka.

Dodatkowe elementy

Pozostałe elementy turbosprężarki wykonuje się zazwyczaj z typowych materiałów konstrukcyjnych (np. brąz w łożyskach ślizgowych, stale stopowe w konstrukcji zaworów itd.). Jest to możliwe, ponieważ są one narażone na znacznie mniejsze obciążenia i w związku z tym nie wymagają specjalnych właściwości.