DE102008034930A1 - Verfahren zum Erzeugen einer Fügeverbindung mit einkristallinem oder gerichtet erstarrtem Werkstoff - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verfahren zum Erzeugen einer Fügeverbindung zwischen einem ersten Bauteil (10) und einem zweiten Bauteil (20), wobei das zweite Bauteil (20) einen einkristallinen oder gerichtet erstarrten Werkstoff aufweist, werden ein erstes Bauteil (10) und ein zweites Bauteil (20) bereitgestellt. An einer zum Fügen des zweiten Bauteils (20) mit dem ersten Bauteil (10) vorgesehenen Fügefläche (22) des zweiten Bauteils (20) wird eine polykristalline Schicht (24) erzeugt. Die Fügefläche (22) des zweiten Bauteils (20) wird mit dem ersten Bauteil (10) durch Reibschweißen gefügt.
Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen einer Fügeverbindung zwischen zwei Bauteilen, von denen mindestens eines einen einkristallinen oder gerichtet erstarrten Werkstoff umfasst. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine integral beschaufelte Rotorscheibe eines Verdichters oder einer Turbine sowie auf einen Verdichter und eine Turbine.
- Für eine Reihe von Anwendungen werden einkristalline oder gerichtet erstarrte Werkstoffe verwendet, insbesondere einkristalline oder gerichtet erstarrte metallische Werkstoffe. Beispiele sind Rotorschaufeln von Gasturbinen-Triebwerken für Flugzeuge oder andere Anwendungen. Diese Schaufeln sind gleichzeitig hohen Fliehkräften oder Ermüdungsbeanspruchungen in radialer Richtung, Vibrationen und hohen Temperaturen ausgesetzt. Einkristalline oder gerichtet erstarrte Werkstoffe sind für diese Anwendungen aufgrund ihrer Eigenschaften besonders geeignet.
- Hochfeste Fügeverbindungen können durch Reibschweißen erzeugt werden. Beispielsweise werden Turbinen-Schaufeln mit Naben durch Reibschweißen verbunden. Zum Reibschweißen von einkristallinen oder gerichtet erstarrten Werkstoffen sind jedoch besonders hohe mechanische Schweißspannungen erforderlich. Diese besonders hohen mechanischen Schweißspannungen bedingen eine extrem steife Auslegung der Maschinen und Werkzeuge, die zum Reibschweißen verwendet werden. Dadurch werden hohe Kosten verursacht.
- Die
WO 2007/144557 A1 - Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Erzeugen einer Fügeverbindung zwischen Bauteilen, von denen mindestens eines einen einkristallinen oder gerichtet erstarrten Werkstoff aufweist, eine verbesserte integral beschaufelte Rotorscheibe eines Verdichters oder einer Turbine sowie einen verbesserten Verdichter und eine verbesserte Turbine zu schaffen.
- Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
- Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
- Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beruhen auf der Idee, an der Fügefläche eines Bauteils, das einen einkristallinen oder gerichtet erstarrten Werkstoff umfasst, eine polykristalline Schicht zu erzeugen, bevor die Fügefläche mit einem weiteren Bauteil durch Reibschweißen verbunden wird.
- Die polykristalline Schicht wird beispielsweise durch Einbringen von Verformungs- oder Verzerrungsenergie in eine dünne oberflächennahe Schicht und eine anschließende Wärmebehandlung erzeugt. Verformungsenergie wird beispielsweise durch Kugelstrahlen (engl.: shot peening), Ultraschall-Kugelstrahlen (engl.: ultrasonic peening), Einwirkung von Neutronen, hochenergetischen Elektronen oder anderer ionisierender Strahlung oder Festwalzen (engl.: compact rolling) eingebracht.
- Die Wärmebehandlung kann vor dem Reibschweißen in einem separaten Verfahrensschritt erfolgen. Dabei kann durch Verwendung einer hohen Heizleistung innerhalb einer kurzen Zeitdauer lediglich eine oberflächennahe Schicht erwärmt werden. Vorteilhaft wird dabei nur der Bereich auf die Rekristallisationstemperatur erwärmt, in den zuvor durch eine der genannten Maßnahmen Verformungs- oder Verzerrungsenergie eingebracht wurde.
- Alternativ kann die Wärmebehandlung bei dem Reibschweißvorgang selbst unmittelbar vor dem Verschweißen der Fügeflächen erfolgen. Im einfachsten Fall wird nach dem Einbringen von Verformungs- oder Verzerrungsenergie der eigentliche Reibschweißvorgang ähnlich den bekannten Reibschweißvorgängen durchgeführt. Alternativ werden die Parameter des Reibschweißvorgangs beispielsweise so gewählt, dass zunächst nur eine oberflächennahe Schicht auf die Rekristallisationstemperatur erwärmt und während eines Zeitintervalls vorbestimmter Dauer bei dieser Rekristallisationstemperatur gehalten wird. Diese vorbestimmte Dauer wird so gewählt, dass die polykristalline Schicht entsteht. Danach findet der eigentliche Reib schweißvorgang statt, indem beispielsweise durch Erhöhen der Flächennormalkraft oder der Amplitude oder Frequenz des Reibens die Temperatur an der Fügefläche kurzfristig auf den erforderlichen Wert erhöht wird.
- Das so vorbehandelte Bauteil kann mit einem optional auf ähnliche Weise vorbehandelten Bauteil mit einem einkristallinen oder gerichtet erstarrten Werkstoff oder mit einem Bauteil mit einem polykristallinen Werkstoff durch Reibschweißen verbunden werden.
- Beispiele für nach dem beschriebenen Verfahren zu verbindende Bauteile sind Schaufeln eines Verdichters oder einer Turbine. Jede Schaufel wird auf eine der oben beschriebenen Weisen mit einem Adapter verbunden, der wiederum mit einer Nabe oder Rotorscheibe verbunden wird. Alternativ werden die Schaufeln direkt mit der Nabe der Rotorscheibe auf eine der oben beschriebenen Weisen verbunden.
- Mit dem beschriebenen Verfahren können integral beschaufelte Rotorscheiben für Verdichter oder Turbinen geschaffen werden, deren Schaufeln einen einkristallinen oder gerichtet erstarrten Werkstoff aufweisen. Die Schaufeln weisen an ihren Fügeflächen jeweils eine polykristalline Schicht auf. Die polykristalline Schicht kann eine Dicke von mehreren Mikrometern bis mehren Millimetern aufweisen. Für einige Materialien ist eine Dicke von wenigstens 0,3 mm vorteilhaft. Ein Verdichter oder eine Turbine oder ein Gasturbinen-Triebwerk für ein Flugzeug oder eine andere Anwendung kann mehrere derartige integral beschaufelte Rotorscheiben aufweisen.
- Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung haben den Vorteil, dass die zum Ausbilden der Reibschweiß-Fügeverbindung erforderliche mechanische Schweißspannung niedriger ist, als sie ohne eine vorherige Ausbildung einer polykristallinen Schicht wäre.
- Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beruhen auf der Idee, beim Reibschweißen eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil, das einen einkristallinen oder gerichtet erstarrten Werkstoff aufweist, die Fügefläche an dem zweiten Bauteil parallel zu einer kristallographischen Ebene des Typs {001} anzuordnen. Dies hat sich, beispielsweise im Vergleich zum herkömmlichen Reibschweißen an einer Ebene des Typs {111}, als vorteilhaft erwiesen, vor Allem in Bezug auf die dann mögliche Nutzung des vollen Festigkeitspotentials, wenn die Hauptbelastungsrichtung senkrecht zur Fügefläche steht, wie dies unter anderem bei einer Schaufel eines Verdichters oder einer Turbine der Fall ist.
- Kurzbeschreibung der Figuren
- Nachfolgend werden Ausführungsformen anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung zweier durch Reibschweißen zu verbindenden Bauteile; -
2 eine schematische Darstellung einer Rotorscheibe; und -
3 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen einer Fügeverbindung, einer Rotorscheibe, eines Verdichters oder einer Turbine. - Beschreibung der Ausführungsformen
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Bauteils10 mit einer Fügefläche12 und eines zweiten Bauteils20 mit einer Fügefläche22 . Das erste Bauteil10 ist beispielsweise eine Nabe für eine Rotorscheibe. Das zweite Bauteil20 ist in diesem Fall beispielsweise eine Schaufel für die Rotorscheibe. Das erste Bauteil10 weist einen polykristallinen Werkstoff auf. Das zweite Bauteil20 weist einen einkristallinen oder gerichtet erstarrten Werkstoff auf. Die Werkstoffe des ersten Bauteils10 und des zweiten Bauteils20 können von ihrer kristallinen bzw. mikroskopischen Strukturen abgesehen ähnlich oder verschieden sein. Beispielsweise sind beide Werkstoffe des ersten Bauteils10 und des zweiten Bauteils20 metallische Werkstoffe. - Zum Erzeugen einer Fügeverbindung zwischen dem ersten Bauteil
10 und dem zweiten Bauteil20 wird zunächst eine in1 schraffiert dargestellte polykristalline Schicht24 an der Fügefläche22 des zweiten Bauteils20 erzeugt. Dazu wird die Fügefläche22 des zweiten Bauteils20 beispielsweise zunächst durch Kugelstrahlen (Engl.: Shot Peening), Ultraschall-Kugelstrahlen (Engl.: Ultrasonic Peening) oder Festwalzen (Engl.: Compact Rolling) vorbehandelt. Gute Ergebnisse wurden mit Druckspannungen von 500 MPa oder mehr und einer Wirktiefe der Behandlung von 0,3 mm oder mehr erzielt. Durch diese Behandlung wird Verformung- oder Verzerrungsenergie in den ursprünglich einkristallinen oder gerichtet erstarrten Werkstoff des zweiten Bauteils20 nahe dessen Fügefläche22 eingebracht. Anschließend wird das zweite Bauteil20 oder zumindest ein an die Fügefläche22 angrenzender Bereich einer kurzen Wärmebehandlung unterzogen. Diese Wärmebehandlung erfolgt beispielsweise durch induktives Heizen. Dabei wird eine Temperatur nahe oder über der Rekristallisationstemperatur erzeugt. Aufgrund der eingebrachten Verformungs- oder Verzerrungsenergie rekristallisiert der Werkstoff polykristallin. - Anstelle einer Wärmebehandlung in einem separaten Schritt vor dem Reibschweißvorgang ist auch eine in den Reibschweißvorgang integrierte Wärmebehandlung möglich, wie sie unten anhand der
3 als Alternative beschrieben wird. - Nach dem Erzeugen der polykristallinen Schicht
24 an der Fügefläche22 im zweiten Bauteil20 werden das erste Bauteil10 und das zweite Bauteil20 durch Reibschweißen verbunden bzw. gefügt. Dazu werden die Fügefläche12 des ersten Bauteils10 und die Fügefläche22 des zweiten Bauteils20 mit einer hohen Flächennormalkraft aneinander gepresst. Diese Flächennormalkraft wird durch die Pfeile31 ,32 repräsentiert. Gleichzeitig werden das erste Bauteil10 und das zweite Bauteil20 und damit insbesondere die Fügefläche12 des ersten Bauteils10 und die Fügefläche22 des zweiten Bauteils20 relativ zueinander bewegt. Diese Relativbewegung ist beispielsweise eine Oszillationsbewegung in einer Richtung oder (mit zwei verschiedenen Frequenzen) in zwei verschiedenen Richtungen. Die Oszillationsbewegung wird durch den Pfeil38 angedeutet. Die entstehende Reibungswärme hat ein Verschweißen der Fügeflächen12 ,22 der Bauteile10 ,20 zur Folge. - Aufgrund der Polykristallinität der Schicht
24 an der Fügefläche22 des zweiten Bauteils20 ist ein Fügen durch Reibschweißen bei einer Flächennormalkraft möglich, die deutlich niedriger liegt, als sie sein müsste, wenn der Werkstoff des zweiten Bauteils20 auch an dessen Fügefläche22 einkristallin oder gerichtet erstarrt wäre. Der apparative Aufwand, insbesondere die erforderliche Steifigkeit der verwendeten Werkzeuge und die Belastung für die Bauteile10 ,20 sind dadurch deutlich geringer. - Die dargestellte Reibschweiß-Fügeverbindung ist besonders für die Verbindung von Bauteilen geeignet, die hohen mechanischen Belastungen, beispielsweise hohen Fliehkräften und/oder Ermüdungsbeanspruchungen ausgesetzt sind. Ein Beispiel ist die Verbindung zwischen einer Schaufel und einer Nabe oder zwischen einer Schaufel und einem später mit einer Nabe zu verbindenden Adapter zur Bildung einer Rotorscheibe eines Verdichters oder einer Turbine eines Gasturbinen-Triebwerks für ein Flugzeug oder für andere Anwendungen. In diesem Fall ist das zweite Bauteil
20 die Schaufel und das erste Bauteil10 der Adapter oder die Nabe. - Um das volle Festigkeitspotenzial des einkristallinen oder gerichtet erstarrten Werkstoffs des zweiten Bauteils
20 nutzen zu können, wird die Richtung der Schweißkrafteinleitung vorteilhaft parallel zur primären Kristallorientierungsrichtung des Typs <100> gewählt. In diesem Fall liegt die Oszillationsbewegung38 beim Reibschweißen vorteilhaft in einer kristallographischen Ebene des Typs {100} des Werkstoffs des zweiten Bauteils20 . Um eine hohe Beständigkeit gegen Kriechen und Thermoermüdung in der Hauptbeanspruchungsrichtung zu erzielen, weicht die [001]-Richtung von der Hauptbeanspruchungsrichtung und der Stapelachse des zweiten Bauteiles20 (auch als Z-Achse bezeichnet) um maximal 15 Grad ab. Die Hauptbeanspruchungsrichtung und die Stapelachse entsprechen im Fall einer Rotorscheibe der radialen Richtung. Die Sekundärorientierung (Verdrehung des Kristallgitters um die Z-Achse) ist für viele Anwendungen unerheblich. - Die beschriebene Orientierung der Fügefläche parallel zu einer kristallographischen Ebene des Typs {001} ist aber auch vorteilhaft, wenn vor oder bei dem Reibschweißvorgang nicht polykristallin rekristallisiert wird. Auch beim Verbinden einer Fügefläche, an der der Werkstoff einkristallin oder gerichtet erstarrt ist, mit einem anderen Bauteil, ist eine Orientierung der Fügefläche parallel zu einer kristallographischen Ebene des Typs {001} vorteilhaft. Neben den oben genannten Vorteilen ermöglicht diese Orientierung bei bestimmten Materialien beispielsweise eine Nutzung des vollen Festigkeitspotentials, wenn die Hauptbelastungsrichtung senkrecht zur Fügefläche steht, wie dies bei einer Schaufel eines Verdichters oder einer Turbine der Fall ist.
-
2 zeigt als Beispiel der Anwendung des beschriebenen Fügeverfahrens eine Rotorscheibe40 aus einer Nabe10 und einer Vielzahl von Schaufeln20 , die wie oben anhand der1 dargestellt, mit der Nabe10 verbunden sind. -
3 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen einer Fügeverbindung durch Reibschweißen. Obwohl dieses Verfahren auch für Bauteile verwendbar ist, die andere als die oben anhand der1 dargestellten Merkmale aufweisen, werden nachfolgend zur Vereinfachung des Verständnisses Bezugszeichen aus1 beispielhaft verwendet. - In einem ersten Schritt
101 wird ein erstes Bauteil10 bereitgestellt. In einem zweiten Schritt102 wird ein zweites Bauteil20 bereitgestellt, das einen einkristallinen oder gerichtet erstarrten Werkstoff umfasst. - In einem dritten Schritt
103 und einem vierten Schritt104 wird eine polykristalline Schicht24 in dem Werkstoff an der Fügefläche22 des zweiten Bauteils20 erzeugt. Die polykristalline Schicht24 wird in diesem Beispiel erzeugt, indem zunächst im dritten Schritt103 die Fügefläche22 durch Kugelstrahlen oder Ultraschall-Kugelstrahlen oder Festwalzen behandelt wird. - Anschließend werden in einem vierten Schritt
104 die Fügefläche22 des zweiten Bauteils20 und zumindest ein an die Fügefläche22 angrenzender Teilbereich des zweiten Bauteils20 einer (ggf. lokalen) Wärmebehandlung unterzogen. Diese Wärmebehandlung erfolgt in einem separaten Prozess oder in einem Prozess mit dem nachfolgend dargestellten Reibschweißen. Dabei rekristallisiert der Werkstoff aufgrund der im dritten Schritt103 eingebrachten Verformungs- oder Verzerrungsenergie polykristallin. - Wenn auch das erste Bauteil
10 einen einkristallinen oder gerichtet erstarrten Werkstoff aufweist, wird vorzugsweise auch an der Fügefläche12 des ersten Bauteils10 eine polykristalline Schicht erzeugt, beispielsweise in Verfahrensschritten, die dem dritten Schritt103 und dem vierten Schritt104 entsprechen. - In einem fünften Schritt
105 werden das erste Bauteil10 und das zweite Bauteil20 durch Reibschweißen, insbesondere durch lineares Reibschweißen miteinander verbunden bzw. gefügt. Die Polykristallinität der Schicht24 reduziert die Flächennormalkraft31 ,32 und die zur Erzeugung der Oszil lationsbewegung38 erforderliche Kraft, die zum Ausbilden der Reibschweiß-Fügeverbindung erforderlich sind. - Der vierte Schritt
104 und der fünfte Schritt105 können teilweise oder vollständig integriert werden. Die Wärmebehandlung kann im Rahmen des Reibschweißens unmittelbar vor oder beim Verschweißen der Fügeflächen erfolgen. Der Reibevorgang kann ähnlich einem herkömmlichen Reibevorgang gesteuert werden. Alternativ kann der Reibevorgang so gesteuert werden, dass zunächst nur eine oberflächennahe Schicht auf die Rekristallisationstemperatur erwärmt und während eines Zeitintervalls vorbestimmter Dauer bei dieser Rekristallisationstemperatur gehalten wird. Diese vorbestimmte Dauer wird so gewählt, dass die polykristalline Schicht entsteht. Danach findet der eigentliche Reibschweißvorgang statt, indem beispielsweise durch Erhöhen der Flächennormalkraft oder der Amplitude oder Frequenz des Reibens die Temperatur an der Fügefläche kurzfristig auf den erforderlichen Wert erhöht wird. - Um eine Rotorscheibe zu bilden, können in einem sechsten Schritt
106 die oben beschriebenen Schritte für alle Schaufeln der Rotorscheibe wiederholt werden. - In einem optionalen siebten Schritt
107 können aus einer oder mehreren Rotorscheiben, die im sechsten Schritt106 gebildet wurden, ein Verdichter oder eine Turbine oder ein Gasturbinen-Triebwerk gebildet werden. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 2007/144557 A1 [0004]
Claims (14)
- Verfahren zum Erzeugen einer Fügeverbindung zwischen einem ersten Bauteil (
10 ) und einem zweiten Bauteil (20 ), wobei das zweite Bauteil (20 ) einen einkristallinen oder gerichtet erstarrten Werkstoff aufweist, mit folgenden Schritten: Bereitstellen (101 ) des ersten Bauteils (10 ); Bereitstellen (102 ) des zweiten Bauteils (20 ) mit einer zum Fügen des zweiten Bauteils (20 ) mit dem ersten Bauteil (10 ) vorgesehenen Fügefläche (22 ); Erzeugen (103 ,104 ) einer polykristallinen Schicht (24 ) an der Fügefläche (22 ) des zweiten Bauteils (20 ); Fügen (105 ) der Fügefläche (22 ) des zweiten Bauteils (20 ) mit dem ersten Bauteil (10 ) durch Reibschweißen. - Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Erzeugen (
103 ,104 ) der polykristallinen Schicht (24 ) zumindest entweder ein Kugelstrahlen oder ein Ultraschall-Kugelstrahlen oder ein Bestrahlen mit Neutronen, Elektronen oder anderer ionisierender Strahlung oder ein Festwalzen umfasst. - Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Erzeugen (
103 ,104 ) der polykristallinen Schicht zumindest entweder ein induktives Heizen oder eine andere lokale Wärmebehandlung oder eine andere Erwärmung mindestens auf die Rekristallisationstemperatur des Werkstoffs des zweiten Bauteils (20 ) umfasst. - Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das erste Bauteil (
10 ) einen einkristallinen oder gerichtet erstarrten weiteren Werkstoff umfasst, ferner mit folgendem Schritt: Erzeugen (103 ,104 ) einer polykristallinen Schicht in dem weiteren Werkstoff des ersten Bauteils (10 ) an einer Fügefläche (12 ) des ersten Bauteils (10 ). - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das erste Bauteil (
10 ) einen polykristallinen Werkstoff umfasst. - Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das zweite Bauteil (
20 ) eine Schaufel eines Verdichters oder einer Turbine ist, und bei dem das erste Bauteil (10 ) ein Adapter zum Verbinden der Schaufel (20 ) mit einer Nabe einer Rotorscheibe (40 ) ist. - Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Fügefläche (
22 ) parallel zu einer kristallographischen Ebene des Typs {001} ist. - Verfahren zum Erzeugen einer Fügeverbindung zwischen einem ersten Bauteil (
10 ) und einem zweiten Bauteil (20 ), wobei das zweite Bauteil (20 ) einen einkristallinen oder gerichtet erstarrten Werkstoff aufweist, mit folgenden Schritten: Bereitstellen (101 ) des ersten Bauteils (10 ); Bereitstellen (102 ) des zweiten Bauteils (20 ) mit einer zum Fügen des zweiten Bauteils (20 ) mit dem ersten Bauteil (10 ) vorgesehenen Fügefläche (22 ), die parallel zu einer kristallographischen Ebene des Typs {001} ist; Fügen (105 ) der Fügefläche (22 ) des zweiten Bauteils (20 ) mit dem ersten Bauteil (10 ) durch Reibschweißen. - Verfahren zum Herstellen einer integral beschaufelten Rotorscheibe (
40 ) eines Verdichters oder einer Turbine, wobei eine Nabe der Rotorscheibe als erstes Bauteil (10 ) und eine Schaufel als zweites Bauteil (20 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche gefügt werden. - Integral beschaufelte Rotorscheibe (
40 ) eines Verdichters oder einer Turbine, mit folgenden Merkmalen: einer Nabe (10 ); einer Schaufel (20 ), die ein einkristallines Material oder ein ge richtet erstarrtes Material aufweist, wobei eine Fügefläche (22 ) der Schaufel (20 ) durch Reibschweißen mit der Nabe (10 ) oder mit einem Adapter, der mit der Nabe (10 ) verbunden ist, gefügt ist, und wobei die Schaufel (20 ) an der Fügefläche (22 ) eine polykristalline Schicht (24 ) aufweist. - Integral beschaufelte Rotorscheibe (
40 ) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Schaufel (20 ) und die Nabe (10 ) nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche gefügt sind. - Integral beschaufelte Rotorscheibe (
40 ) nach dem vorangehenden Anspruch, bei der die Nabe (10 ) ein polykristallines Material aufweist. - Integral beschaufelte Rotorscheibe (
40 ) eines Verdichters oder einer Turbine, mit folgenden Merkmalen: einer Nabe (10 ); einer Schaufel (20 ), die ein einkristallines Material oder ein gerichtet erstarrtes Material aufweist, wobei eine Fügefläche (22 ) der Schaufel (20 ) durch Reibschweißen mit der Nabe (10 ) oder mit einem Adapter, der mit der Nabe (10 ) verbunden ist, gefügt ist, und wobei die Fügefläche (22 ) parallel zu einer kristallographischen Ebene des Typs {001} ist. - Verdichter oder Turbine mit einer integral beschaufelten Rotorscheibe (
40 ) nach einem der vorangehenden Vorrichtungsansprüche.
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Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2583784A1 (de) * | 2011-10-21 | 2013-04-24 | Siemens Aktiengesellschaft | Vorbereitung einer Schweißstelle vor dem Schweißen und Bauteil |
DE102011086770A1 (de) * | 2011-11-22 | 2013-05-23 | Mtu Aero Engines Gmbh | Reibschweißverfahren, insbesondere zum stoffschlüssigen Verbinden von Schaufeln und Scheiben zu einer Schaufel-Scheiben-Einheit sowie entsprechend hergestellte Schaufel-Scheiben-Einheit |
AT13403U1 (de) * | 2012-07-25 | 2013-12-15 | Mtu Aero Engines Gmbh | Verfahren zum Verbinden zweier metallischer Gegenstände |
WO2020052818A1 (de) * | 2018-09-13 | 2020-03-19 | Federal-Mogul Valvetrain Gmbh | Verfahren zur herstellung eines geschweisstes hohlraumventil |
DE102018219591A1 (de) * | 2018-11-15 | 2020-05-20 | Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg | Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für eine Turbomaschine |
DE102018219590A1 (de) * | 2018-11-15 | 2020-05-20 | Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg | Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für eine Turbomaschine |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5853405B2 (ja) * | 2011-04-25 | 2016-02-09 | 株式会社Ihi | 摩擦接合方法及び接合構造体 |
US9745855B2 (en) | 2011-12-05 | 2017-08-29 | Apci, Llc | Linear friction welding apparatus and method |
US10584608B2 (en) * | 2014-08-07 | 2020-03-10 | United Technologies Corporation | Tuned rotor disk |
GB2559325A (en) * | 2017-01-25 | 2018-08-08 | Rolls Royce Plc | Bladed disc and method of manufacturing the same |
GB201809530D0 (en) | 2018-06-11 | 2018-07-25 | Rolls Royce Plc | A method |
GB201908479D0 (en) * | 2019-06-13 | 2019-07-31 | Rolls Royce Plc | Joining method |
US11897065B2 (en) | 2019-11-12 | 2024-02-13 | Honeywell International Inc. | Composite turbine disc rotor for turbomachine |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007144557A1 (en) | 2006-06-16 | 2007-12-21 | Rolls-Royce Plc | Friction welding of a single crystal component to a second component with minimisation of in plane friction and forge forces |
Family Cites Families (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1315199A1 (ru) * | 1985-08-16 | 1987-06-07 | Предприятие П/Я Р-6496 | Способ диффузионной сварки монокристаллов корунда |
GB2367028B (en) * | 2000-09-22 | 2004-06-09 | Rolls Royce Plc | Gas turbine engine rotor blades |
US6596411B2 (en) * | 2001-12-06 | 2003-07-22 | General Electric Company | High energy beam welding of single-crystal superalloys and assemblies formed thereby |
US6969238B2 (en) * | 2003-10-21 | 2005-11-29 | General Electric Company | Tri-property rotor assembly of a turbine engine, and method for its preparation |
US20050091848A1 (en) * | 2003-11-03 | 2005-05-05 | Nenov Krassimir P. | Turbine blade and a method of manufacturing and repairing a turbine blade |
US8220697B2 (en) * | 2005-01-18 | 2012-07-17 | Siemens Energy, Inc. | Weldability of alloys with directionally-solidified grain structure |
DE502006000502D1 (de) * | 2005-03-03 | 2008-05-08 | Mtu Aero Engines Gmbh | Verfahren zum Reibschweissfügen von einer Laufschaufel an einen Rotorgrundkörper mit Bewegung eines zwischen der Laufschaufel und dem Rotorgrundkörper angeordneten Fügeteils |
DE102006012662A1 (de) * | 2006-03-20 | 2007-09-27 | Mtu Aero Engines Gmbh | Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen und damit hergestelltes Bauteil |
US7832986B2 (en) * | 2007-03-07 | 2010-11-16 | Honeywell International Inc. | Multi-alloy turbine rotors and methods of manufacturing the rotors |
US20090304514A1 (en) * | 2007-10-09 | 2009-12-10 | Hamilton Sundstrand Corporation | Method of manufacturing a turbine rotor |
DE102007051577A1 (de) * | 2007-10-29 | 2009-04-30 | Mtu Aero Engines Gmbh | Verfahren zum Fügen von Bauteilen |
US8267663B2 (en) * | 2008-04-28 | 2012-09-18 | Pratt & Whitney Canada Corp. | Multi-cast turbine airfoils and method for making same |
DE102008039113B3 (de) * | 2008-08-21 | 2010-01-21 | Mtu Aero Engines Gmbh | Verfahren zum Verbinden eines einkristallinen Bauteils mit einem polykristallinen Bauteil und Turbinenblisk |
-
2008
- 2008-07-26 DE DE102008034930A patent/DE102008034930A1/de not_active Withdrawn
-
2009
- 2009-06-26 WO PCT/DE2009/000890 patent/WO2010012255A2/de active Application Filing
- 2009-06-26 EP EP09775912A patent/EP2315641A2/de not_active Withdrawn
- 2009-06-26 US US13/055,925 patent/US20110129347A1/en not_active Abandoned
- 2009-06-26 CA CA2732031A patent/CA2732031A1/en not_active Abandoned
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007144557A1 (en) | 2006-06-16 | 2007-12-21 | Rolls-Royce Plc | Friction welding of a single crystal component to a second component with minimisation of in plane friction and forge forces |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2583784A1 (de) * | 2011-10-21 | 2013-04-24 | Siemens Aktiengesellschaft | Vorbereitung einer Schweißstelle vor dem Schweißen und Bauteil |
DE102011086770A1 (de) * | 2011-11-22 | 2013-05-23 | Mtu Aero Engines Gmbh | Reibschweißverfahren, insbesondere zum stoffschlüssigen Verbinden von Schaufeln und Scheiben zu einer Schaufel-Scheiben-Einheit sowie entsprechend hergestellte Schaufel-Scheiben-Einheit |
AT13403U1 (de) * | 2012-07-25 | 2013-12-15 | Mtu Aero Engines Gmbh | Verfahren zum Verbinden zweier metallischer Gegenstände |
WO2020052818A1 (de) * | 2018-09-13 | 2020-03-19 | Federal-Mogul Valvetrain Gmbh | Verfahren zur herstellung eines geschweisstes hohlraumventil |
US11951561B2 (en) | 2018-09-13 | 2024-04-09 | Federal-Mogul Valvetrain Gmbh | Method for producing a welded cavity valve |
DE102018219591A1 (de) * | 2018-11-15 | 2020-05-20 | Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg | Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für eine Turbomaschine |
DE102018219590A1 (de) * | 2018-11-15 | 2020-05-20 | Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg | Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für eine Turbomaschine |
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Publication number | Publication date |
---|---|
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