DE102005051010A1

DE102005051010A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Angießen eines metallischen Bauteils

Info

Publication number: DE102005051010A1
Application number: DE200510051010
Authority: DE
Inventors: Reinhold Meier
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2005-10-25
Publication date: 2007-04-26

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Angießen eines metallischen Bauteils an ein Stumpfbauteil (24), insbesondere bei einem Turbinenteil (Turbinenschaufel 16) einer Strömungsmaschine, mit den Schritten: Bereitstellen einer Angussfläche (28) des Stumpfbauteils (24); Anordnen einer Gießform (32) an dem Stumpfbauteil (24); Angießen einer Metallschmelze an das Stumpfbauteil (24) im Bereich einer Schmelzzone (48) der Angussfläche (28); Anordnen eines Induktors (44) im Bereich der Angussfläche (28) des Stumpfbauteils (24) und Erwärmen des Stumpfbauteils (24) mittels des Induktors (44) im Bereich der Angussfläche (24) vor dem Angießen der Metallschmelze. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Angießen eines metallischen Bauteils an ein Stumpfbauteil, insbesondere an ein Turbinenteil einer Strömungsmaschine der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 11 angegebenen Art.

Aus der DE 40 39 807 C1 sind ein derartiges Verfahren und eine Vorrichtung hierzu bereits als bekannt zu entnehmen. Dabei wird von einer einem Rotor radial abstehenden Triebwerksschaufel ein beschädigter Bauteilabschnitt entlang einer späteren Angussfläche abgetrennt, so dass von der Triebwerksschaufel ein rotornahes Stumpfbauteil verbleibt. Nach der Präparation der Angussfläche wird eine nach unten offene Gießform aus einem wärmeisolierenden Material um das Stumpfbauteil herum angeordnet, welche zuvor auf eine Abgusstemperatur aufgeheizt worden ist. Im Anschluss daran wird eine entsprechend vorbereitete Metallschmelze in die Gießform abgegossen bzw. an das Stumpfbauteil im Bereich der Angussfläche angegossen. Die Kristallisationsgeschwindigkeit bei der Erstarrung der Metallschmelze wird dabei mittels eines Wärmeleitungsblocks und einer zugehörigen Kühlvorrichtung kontrolliert, um die zumeist erwünschte einkristalline Struktur der Triebwerksschaufel wieder zu erhalten.

Als nachteilig bei diesem bekannten Verfahren mit der hierzu gehörenden Vorrichtung ist der Umstand anzusehen, dass der Übergangsbereich bzw. die Schmelzzone zwischen dem Stumpfbauteil und dem angegossenen metallischen Bauteil oftmals eine Schwachstelle der neu entstandenen Turbinenschaufel darstellt. Wird beim Angießen eine überhitzte Metallschmelze verwendet, so wird zwar eine größere Schmelzzone im Bereich der Angussfläche des Stumpfbauteils erzielt, jedoch ist bei diesem Verfahren eine konstante Dicke der Schmelzzone nicht zu gewährleisten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchen eine verbesserte Verbindung zwischen dem aus der Metallschmelze angegossenen metallischen Bauteil und dem Stumpfbauteil erzielt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Patentansprüchen beschrieben.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird ein im Bereich des Stumpfbauteils angeordneter Induktor dazu verwendet, die Angussfläche vor dem Angießen der Metallschmelze an das Stumpfbauteil zu erwärmen. Hierdurch wird das Stumpfbauteil im Bereich der Angussfläche in einen teigigen bis schmelzflüssigen Zustand überführt, damit sich beim anschließenden Angießen der Metallschmelze eine hinreichend breite und in ihrer Dicke kontrollierbare Schmelzzone zwischen dem Stumpfbauteil und der flüssigen Metallschmelze ergibt. Mittels des Induktors ist dabei die Tiefe der teigigen bis schmelzflüssigen Schmelzzone der Angussfläche sehr gut kontrollierbar, indem der den Induktor erregende hochfrequente Strom entsprechend dosiert bzw. gesteuert wird. Im Bereich der Angussfläche des Stumpfbauteils bzw. im Bereich der Schmelzzone mit der angegossenen Metallschmelze ergibt sich somit eine sehr gut belastbare Übergangszone zwischen dem Stumpfbauteil und dem neu angegossenen metallischen Bauteil.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei sowohl bei der Neuherstellung wie auch bei der Reparatur beispielsweise eines Turbinenteils wie einer Turbinenschaufel einer Strömungsmaschine eingesetzt werden. Bei dem besagten Reparaturverfahren wird dabei die Angussfläche des Stumpfbauteils dadurch bereitgestellt, dass ein zu ersetzender Bauteilabschnitt beispielsweise einer Turbinenschaufel abgetrennt wird. Die durch das Abtrennen geschaffene Angussfläche kann anschließend durch weitere Bearbeitungsverfahren aufbereitet werden, um eine spannungs- und defektarme Oberfläche zu erhalten.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dadurch erreicht werden, dass der Induktor nach dem Angießen zur Wärmebehandlung des metallischen Bauteils bzw. des Stumpfbauteils verwendet wird, um Spannungen oder andere Defekte innerhalb der Struktur beispielsweise einer Turbinenschaufel oder dergleichen abzubauen.

Als gleichfalls vorteilhaft hat es sich gezeigt, das Stumpfbauteil bereits vor dem Angießen mittels des Induktors mit Wärme zu behandeln. Dabei ist es denkbar, dass der Induktor sowohl zum Erwärmen der Angussfläche vor dem Angießen wie auch zur Wärmebehandlung vor und/oder nach dem Angießen wahlweise entweder an ein und derselben Stelle verbleibt, oder aber an unterschiedlichen Stellen zur Gießform positioniert wird.

Ein hohles Bauteil wie beispielsweise eine hohle Turbinenschaufel kann auf einfache Weise dadurch geschaffen werden, dass ein Gießkern unmittelbar an dem Stumpfbauteil – beispielsweise durch Einstecken – angeordnet wird. Neben einer derartigen Lagepositionierung ist es natürlich auch denkbar, den Gießkern zusätzlich an der Gießform festzulegen.

In weiter vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Angießen der Metallschmelze in einer Vakuumkammer. Hierdurch können sowohl Verunreinigungen der durch den Induktor erwärmten Schmelzzone im Bereich der Angussfläche wie auch der Metallschmelze selbst wirksam vermieden werden.

Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, die Gießform vor dem Angießen der Metallschmelze auf Abgusstemperatur aufzuheizen. Dieses Aufheizen erfolgt in vorteilhafter Weise unter Zuhilfenahme des ohnehin vorhandenen Induktors.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Induktor zur Anordnung im Bereich der Angussfläche des Stumpfbauteils auf, welcher mit der Gießform zu einer Baueinheit zusammensetzbar ist. Hierdurch kann auf einfache Weise der Induktor an der Gießform angeordnet werden, um das Stumpfbauteil im Bereich der Angussfläche zu erwärmen. Hierbei können an der Gießform verschiedene Aufnahmen vorgesehen sein, um den Induktor in verschiedenen Positionen – beispielsweise zum Erwärmen der Angussfläche und zum Wärmebehandeln des metallischen Bauteils bzw. des Stumpfbauteils – an der Gießform festzulegen. Schließlich ermöglicht die direkte Anordnung des Induktors an der Gießform, dass diese unter Zuhilfenahme des Induktors auf ihre Abgusstemperatur vorgewärmt werden kann.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
1 eine schematische Perspektivansicht auf eine Vielzahl von radial von einem Rotor abstehende Turbinenschaufeln, von denen zwei beschädigt sind;
2 eine ausschnittsweise vergrößerte Perspektivansicht auf die beiden beschädigten Turbinenschaufeln gemäß 1; und in
3 eine schematische Schnittansicht durch eine der Turbinenschaufeln gemäß 2, an deren Außenumfangsseite eine Gießform mit einem Induktor angeordnet ist.
In 1 ist in schematischer Perspektivansicht ein Rotor 10 einer im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Triebwerk eines Flugzeuges ausgebil deten Strömungsmaschine dargestellt, der im Wesentlichen eine Rotationsscheibe 12 umfasst, von deren Umfangsseite 14 eine Vielzahl von Turbinenschaufeln 16 radial nach außen abstehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Turbinenschaufeln 16 integral mit der Rotationsscheibe 12 ausgebildet und äquidistant zueinander an der Umfangsseite 14 angeordnet. Zwei in 1 im oberen Bereich des Rotors 10 angeordnete Turbinenschaufeln 16 weisen dabei im Bereich ihrer Schaufelvorderkante 18 Beschädigungen auf und müssen entsprechend repariert werden.
Die beiden defekten Turbinenschaufeln 16 sind in 2 in einer ausschnittsweisen perspektivischen Vergrößerung dargestellt. Um die Beschädigungen im Bereich der Schaufelvorderkante 18 der beiden Turbinenschaufeln 16 zu reparieren, werden jeweils den Defekt aufweisende Bauteilabschnitte 18, 20 entlang der jeweils zugehörigen, in 2 gestrichelt angedeuteten Trennebene T abgetrennt. Die Trennebene T kann dabei sowohl waagerecht bzw. orthogonal wie auch schräg zur Erstreckungsrichtung der Turbinenschaufeln 16 verlaufen. Durch das Abtrennen des zu ersetzenden Bauteilabschnitts 18, 20 verbleibt von den defekten Turbinenschaufeln 16 lediglich ein Stumpfbauteil 24 der ursprünglichen Turbinenschaufel 16 an der Umfangsseite 14 der Rotationsscheibe 12.
In Zusammenschau mit 3, welche in schematischer Schnittansicht das um den Bauteilabschnitt 20 gekürzte Stumpfbauteil 24 darstellt, soll nachfolgend das Reparaturverfahren sowie die zugehörige Vorrichtung zum Wiederherstellen der Turbinenschaufel 16 erläutert werden. Da die Turbinenschaufel 16 im vorliegenden Ausführungsbeispiel hohl ausgebildet ist, ist von dem zugehörigen Stumpfbauteil 24 lediglich eine von der Umfangsseite 14 der Rotationsscheibe 12 radial und erhaben abstehende umlaufende Wand 26 erkennbar, welche einen Hohlraum 30 einschließt. Durch das Abtrennen des Bauteilabschnitts 20 entlang der Trennebene T ist eine Angussfläche 28 des Stumpfbauteils 24 entstanden, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel – dem Verlauf der Wand 26 folgend – umlaufend ausgebildet ist. An dem Stumpfbauteil 24 ist eine Gießform 32 angeordnet, welche zum Aufstecken auf das Stumpfbauteil 24 nach unten hin offen ausgebildet ist. Die Gießform 32 besteht dabei vorzugsweise aus einem wärmeisolierenden Material und ist beispielsweise nach dem bekannten Wachsausschmelzverfahren dem abgetrennten Bauteilabschnitt 20 nachgebildet worden. Am oberen Ende der Gießform 32 ist ein Trichter 34 vorgesehen, über welchen die flüssige Metallschmelze eingebracht werden kann. Der Hohlraum 30 der durch das Gießverfahren neu zu bildenden Turbinenschaufel 16 wird durch einen Gießkern 36 abgebildet, der an die Form des Hohlraums 30 angepasst ist und mit einem unteren Ende zwischen der umlaufenden Wand 26 des Stumpfbauteils 24 eingesteckt ist. An seinem oberen Enden schließt der Gießkern 36 plan mit einer Begrenzungswand 38 der Gießform 32 ab, so dass sich über die gesamte Höhe der zu gießenden Turbinenschaufel 16 der Hohlraum 30 ausbildet. An seinem oberen Ende ist der Gießkern 36 fest mit der Begrenzungswand 38 verbunden und somit in seiner Position gehalten. Von ihrer Außenumfangsseite 40 her ist in die Gießform 32 eine im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa nutförmige Aufnahme 42 eingebracht, innerhalb welcher ein Induktor 44 gehalten ist. Demgemäß bilden die Gießform 32 und der Induktor 44 eine miteinander zu verbindende Baueinheit. Der Induktor 44 ist dabei lediglich durch einen dünnen Wandbereich 46 der Gießform 32 von der Angussfläche 28 des Stumpfbauteils 24 getrennt. Zudem wäre es auch denkbar, dass der Induktor 44 bis an das Stumpfbauteil 24 heranragt. Gleichfalls wäre es natürlich auch denkbar, den Induktor 44 innerhalb des Gießkerns 36 der Gießform 32 anzuordnen. Jedenfalls muss der Induktor 44 so angeordnet sein, dass er die Angussfläche 28 des Stumpfbauteils 24 – nach Erregung mittels eines hochfrequenten Stromes – in einen teigigen bis schmelzflüssigen Zustand überführen kann. Mit anderen Worten soll durch den Induktor 44 erreicht werden, dass eine oberflächennahe – in 3 gestrichelt angedeutete – Schmelzzone 48 nahe der Angussfläche 28 des Stumpfbauteils 24 in einen teigigen bis schmelzflüssigen Zustand überführt wird.
Das Verfahren zum Angießen des durch die einzufüllende Metallschmelze gebildeten metallischen Bauteils an das Stumpfbauteil 24 geht dabei folgendermaßen vonstatten:
Nach dem Abtrennen des zu ersetzenden Bauteilabschnitts 20 kann die entlang der Trennebene T (2) gebildete Angussfläche 28 entsprechend zum Anguss mit der Metallschmelze präpariert werden. Besteht die Turbinenschaufel 16 beispielsweise aus einer einkristallinen Struktur, so kann beispielsweise eine defektreiche Oberfläche im Bereich der Angussfläche 28 soweit präpariert werden, bis eine relativ defektarme und einkristalline Struktur vorliegt. Im Anschluss daran kann die Gießform 32 auf das Stumpfbauteil 24 aufgesteckt oder dergleichen angeordnet und entsprechend ausgerichtet und befestigt werden. Die Gießform 32 kann dabei entweder extern oder bereits am Stumpfbauteil 24 angeordnet auf die entsprechende Abgusstemperatur erhitzt werden. Zuvor ist bereits der Gießkern 36 in den Hohlraum 30 eingebracht und an der Gießform 32 festgelegt worden. Mittels des an der Gießform 32 außenumfangsseitig angeordneten Induktors 44 kann nun das Stumpfbauteil 24 im Bereich der Angussfläche 28 durch Erregen mittels eines entsprechenden Stromes erwärmt werden, bis eine teigige bis schmelzflüssige Schmelzzone 48 bestimm- und kontrollierbarer Dicke entstanden ist. Die Temperatur und Dicke der Schmelzzone 48 wird dabei durch den den Induktor 44 erregenden Strom eingestellt. Im Anschluss daran kann die erschmolzene Metallschmelze an das Stumpfbauteil 24 im Bereich der Schmelzzone 44 der Angussfläche 28 angegossen werden. Durch die bereits teigige bis schmelzflüssige Schmelzzone 48 entsteht dabei eine sehr gute Verbindung zwischen dem festen Stumpfbauteil 24 und dem durch die Metallschmelze gebildeten metallischen Bauteil, welches den enormen Belastungen innerhalb eines Triebwerks standhält. Mittels des Induktors 44 kann dabei bereits vor dem Angießen das Stumpfbauteil 24 wärmebehandelt werden, um eine spezielle Struktur zu erhalten. Hierzu kann das Stumpfbauteil 44 beispielsweise in andere, nicht dargestellte Aufnahmen innerhalb der Gießform eingeschoben werden. Gleichfalls ist es auch denkbar, dass nach dem Angießen das durch die Metallschmelze gebildete metallische Bauteil bzw. das Stumpfbauteil 24 mittels des Induktors 44 wärmebehandelt wird. Hierzu kann der Induktor 44 an weiteren, ebenfalls nicht dargestellten Aufnahmen der Gießform 32 festgelegt werden. Das Präparieren der Angussfläche 28 des Stumpfbauteils 24, das Anordnen der Gießform 32 und des Induktors 44 sowie das Erwärmen des Stumpfbauteils 24 mittels des Induktors 44 kann in einer Vakuumkammer vonstatten gehen, um Verunreinigungen weitestgehend auszuschließen. Hierzu sind zumindest die Gießform 32 und der Induktor 44 in der Vakuumkammer angeordnet. Das durch die Metallschmelze gebildete metallische Bauteil weist dabei nach dem Angießen an das Stumpfbauteil 24 zumindest weitgehend seine Endkontur auf. Dabei besteht das metallische Bauteil – wie auch das Stumpfbauteil 24 – vorzugsweise aus einer einkristallinen Struktur. Diese einkristalline Struktur kann im Anschluss an das Gießverfahren mit einer polykristallinen Schutzschicht überdeckt werden.

Claims

Verfahren zum Angießen eines metallischen Bauteils an ein Stumpfbauteil (24), insbesondere bei einem Turbinenteil (Turbinenschaufel 16) einer Strömungsmaschine mit den Schritten – Bereitstellen einer Angussfläche (28) des Stumpfbauteils (24); – Anordnen einer Gießform (32) an dem Stumpfbauteil (24); – Angießen einer Metallschmelze an das Stumpfbauteil (24) im Bereich einer Schmelzzone (48) der Angussfläche (28); gekennzeichnet durch die Schritte – Anordnen eines Induktors (44) im Bereich der Angussfläche (28) des Stumpfbauteils (24); und – Erwärmen des Stumpfbauteils (24) mittels des Induktors (44) im Bereich der Angussfläche (24) vor dem Angießen der Metallschmelze.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bereitstellen der Angussfläche (28) des Stumpfbauteils (24) ein zu ersetzender Bauteilabschnitt (20, 22) abgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Angießen das metallische Bauteil bzw. das Stumpfbauteil (24) mittels des Induktors (44) wärmebehandelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Angießen das Stumpfbauteil (24) mittels des Induktors (44) wärmebehandelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Angießen ein Gießkern (36) an dem Stumpfbauteil (24) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Angießen der Metallschmelze in einer Vakuumkammer durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anordnen der Gießform (32) und des Induktors (44) am Stumpfbauteil (24) sowie das Erwärmen des Stumpfbauteils (24) mittels des Induktors (44) in einer Vakuumkammer durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform (32) vor dem Angießen der Metallschmelze auf die Abgusstemperatur aufgeheizt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen der Gießform (32) unter Zuhilfenahme des Induktors (44) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Angießen zumindest weitgehend die Endkontur des metallischen Bauteils erreicht wird.
Vorrichtung zum Angießen eines metallischen Bauteils an ein Stumpfbauteil (24), insbesondere bei einem Turbinenteil (Turbinenschaufel 16) einer Strömungsmaschine, mit einer Gießform (32) zur Anordnung an dem Stumpfbauteil (24), gekennzeichnet durch einen Induktor (44) zur Anordnung im Bereich der Angussfläche (28) des Stumpfbauteils (24), wobei die Gießform (32) und der Induktor (44) miteinander zu einer Baueinheit zu verbinden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (44) an einer Aufnahme der Gießform (32) anzuordnen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gießform (32) und der Induktor (44) innerhalb einer Vakuumkammer angeordnet sind.