DE10104638A1 - Verfahren zur Herstellung von Bauteilen für Flugtriebwerke und stationäre Gasturbinen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Bauteilen für Flugtriebwerke und stationäre Gasturbinen

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Lothar Knippschild
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Abstract

Verfahren zum Herstellen von Bauteilen für Triebwerke und stationäre Gasturbinen, insbesondere von Rotoren, Rotorscheiben und Leitschaufeln, indem sprühkompaktierte partikelverstärkte Leichtmetallwerkstoffe auf Al- bzw. Mg-Basis zur Erzeugung von Vorformlingen einer Primärumformung bei vorgebbarer Temperatur unterzogen und diese anschließend im Verlauf mindestens eines sekundären Umformprozesses bei vorgebbarer Temperatur zu Bauteilen ausgeformt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen für Flugtriebwerke und stationäre Gasturbinen, insbesondere von Rotoren, Rotorscheiben und Leitschaufeln.
Allgemein bekannt ist im Triebwerks- und Turbinenbau, insbesondere Leichtmetallwerkstoffe auf Titanbasis für Komponenten der fliegenden und stationären Turbinen einzusetzen. Leitschaufeln sind zum Teil aus schwer umformbaren Werkstoffen gefertigt, haben große Querschnittsunterschiede und Strömungsflächen mit schwieriger Geometrie und engen Toleranzen. Zum Einsatz gelangen spezielle Umformaggregate, wobei entsprechende Temperaturfenster bei der Umformung, insbesondere von Werkstoffen auf Titanbasis, zu berücksichtigen sind.
Aluminium- und Magnesium-Werkstoffe werden aufgrund ihres geringen spezifischen Gewichtes als Konstruktionswerkstoff bevorzugt in Bereichen eingesetzt, in denen eine Reduzierung der Bauteilmassen erforderlich ist. Bezüglich des Einsatzes unter höheren Temperaturen kommen diese Elemente jedoch sehr schnell an ihre Grenzen.
Weiterhin ist allgemein bekannt, Leichtmetallverbundwerkstoffe für einen Einsatz in der Automobiltechnik, insbesondere im Motorenbereich, wie Ventiltrieben, Pleueln, Kolben und Kolbenbolzen, zum Einsatz zu bringen, wobei Entwicklung und Einsatz derartiger Verbundwerkstoffe mit metallischer Matrix (MMC) zunehmend in diesem Bereich an Bedeutung gewinnt, da auch hier Leichtbauweise gefragt ist. Die Technologie der Verbundwerkstoffe mit metallischer Matrix steht jedoch in Konkurrenz zu anderen modernen Werkstofftechnologien wie z. B. der Pulvermetallurgie oder der schnellen Erstarrung.
Bauteile im Triebwerksbau besitzen ein vielfältiges Anforderungsprofil. Insofern bedarf es hier einerseits einer konkreten Materialauswahl und andererseits einer darauf abgestimmten Fertigungstechnologie, um die entsprechenden Anforderungen sicher beherrschen zu können. Der Einsatz von Werkstoffen für Triebwerke unterliegt neben der Forderung nach höherer Einsatztemperatur dem weiterhin gegebenen Zwang zur Gewichtsreduzierung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen für Flugtriebwerke und stationäre Gasturbinen, insbesondere von Leitschaufeln bereitzustellen, durch welches derartige Bauteile optimal zu fertigen sind und demzufolge auch die herkömmlichen, auf Titanbasis bestehenden Bauteile substituiert werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen für Flugtriebwerke und stationäre Gasturbinen insbesondere von Rotoren, Rotorscheiben und Leitschaufeln, indem sprühkompaktierte partikelverstärkte Leichtmetallwerkstoffe auf Al- bzw. Mg-Basis zur Erzeugung von Vorformlingen einer Primärumformung bei vorgebbarer Temperatur unterzogen und diese anschließend im Verlauf mindestens eines sekundären Umformprozesses bei vorgebbarer Temperatur zu Bauteilen ausgeformt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die bisher im Triebwerks- bzw. Gasturbinenbau auf Ti-Basis zum Einsatz gelangenden Werkstoffe können nun insbesondere durch Al- Leichtmetallverbund-Werkstoffe ersetzt werden. Sie finden erstmals Anwendung in diesem technischen Gebiet, wodurch mit dem Erfindungsgegenstand ein Herstellungsverfahren bereitgestellt wird, dieses Material in wirtschaftlicher Weise an die entsprechenden technischen Anfordernisse anzupassen und entsprechend geformte Bauteile bereitzustellen.
Im Hinblick auf die bisher zum Einsatz gelangenden Materialien kann eine Verbesserung des Wirkungsgrades durch eine deutliche Gewichtsreduzierung erzielt werden. Die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems wird darüber hinaus durch eine wesentliche Reduktion der Herstellkosten verbessert.
Beim Sprühkompaktieren wird in eine Legierungsschmelze auf Al- bzw. Mg- Basis ein SiC Partikelstrom eingedüst, so daß eine homogene Partikelverteilung gegeben ist. Diese Homogenität erlaubt es nun, die im Triebwerks- bzw. Turbinenbau geforderten mechanischen Eigenschaften in Bezug auf den Elastizitätsmodul auf etwa gleichem Niveau wie bei der Titan-Legierung anzusiedeln.
Als Ausgangsmaterial wird ein sprühkompaktiertes, vorzugsweise stranggepreßtes Halbzeug zum Einsatz gebracht, das insbesondere durch Schmieden (Gesenkschmieden) zum fertigen Bauteil ausgeformt wird.
Zum Einsatz gelangen vorzugsweise stranggepreßte Legierungen aus den Systemen Al-Cu-Mg-Ti-Zr-Ag und Al-Cu-Mg-Mn. Als Verstärkungskomponente werden SiC-Partikel mit einer Partikelgröße von vorzugsweise 5-45 µm und einem Volumengehalt von vorzugsweise 20-30% eingesetzt.
Ein weiterer wesentlicher Punkt ist die optimale Einstellung der Schmiedetemperatur, da das Schmiedefenster für derartige Werkstoffe sehr klein ist. Oberflächennahe Inhomogenitäten wie Aglomerate von Partikeln können zu Aufreißungen führen, so daß Zugbelastungen an der Oberfläche von Werkstücken weitestgehend vermieden werden.
Einem weiteren Gedanken der Erfindung gemäß soll die Primär- und/oder Sekundärumformung in einem Temperaturbereich von vorzugsweise 350- 600°C erfolgen. Vorteil der angegebenen Prozessroute ist die Bereitstellung eines Leichtmetallwerkstoffes mit hoher spezifischer Festigkeit und Steifigkeit.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß der Einsatz von sprühkompaktierten partikelverstärkten und nachfolgend stranggepreßten Materialien aus den genannten Systemen sich im Temperaturfenster von 450-500°C, insbesondere durch Gesenkschmieden, in gewünschter Weise umformen lassen, so daß nunmehr auch das technische Gebiet geschmiedeter Bauteile vorzugsweise für fliegende Turbinen in wirtschaftlicher Weise bedient werden kann.
Anhand eines Ausführungsbeispieles wird der Erfindungsgegenstand erläutert.
Eine Aluminium-Legierung mit einer Kombination von sehr hoher Bruchzähigkeit sowie hohem Festigkeitsniveau in folgender Zusammensetzung (AlCu4 Mg0.8Mn0.4Zr0.5AG0.4) wird sprühkompaktiert und gleichzeitig mit SiC- Partikeln mit einer Partikelgröße von 20 µm und einem Volumengehalt von 25% bedüst, wodurch sich bei der Erstarrung eine homogene Partikelverteilung einstellt. Der so erzeugte Werkstoff bildet das Ausgangsmaterial für einen nachfolgenden Strangpreßumformprozess (primäre Umformung). Die Umformung erfolgt bei einer Temperatur von 480°C.
Das so erzeugte Stabmaterial wird in diesem Beispiel in mehreren Umformschritten (sekundäre Umformung) bei einer Temperatur von 450°C- 500°C gesenkgeschmiedet. Das fertig geschmiedete Bauteil soll eine Leitschaufel für eine fliegende Turbine darstellen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen von Bauteilen für Triebwerke und stationäre Gasturbinen, insbesondere von Rotoren, Rotorscheiben und Leitschaufeln, indem sprühkompaktierte partikelverstärkte Leichtmetallwerkstoffe auf Al- bzw. Mg-Basis zur Erzeugung von Vorformlingen einer Primärumformung bei vorgebbarer Temperatur unterzogen und diese anschließend im Verlauf mindestens eines sekundären Umformprozesses bei vorgebbarer Temperatur zu Bauteilen ausgeformt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als sprühkompaktierte partikelverstärkte Werkstoffe Legierungen aus den Systemen Al-Cu-Mg-Ti-Zr-Ag oder Al-Cu-Mg-Mn eingesetzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärkungskomponente SiC-Partikel der Leichtmetallschmelze hinzugefügt, insbesondere eingesprüht, werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Partikel mit einer Partikelgröße von 2-100 µm, insbesondere 5-45 µm, und einem Volumengehalt von 10-40%, insbesondere 20-30% der Leichtmetallschmelze zugegeben werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärumformung durch Strangpressen der sprühkompaktierten partikelverstärkten Leichtmetallwerkstoffe, insbesondere zu stabförmigen Vorformlingen, durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärumformung durch Schmieden der im Primärumformvorgang erzeugten Vorformlinge durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärumformung durch Gesenkschmieden vorgenommen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die primäre und/oder sekundäre Umformung im Temperaturbereich von 400-550°C, insbesondere 450-500°C, erfolgt.
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