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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Hohlbauteils für eine Gasturbine. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Hohlbauteil für eine Gasturbine sowie eine Fügevorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und zur Herstellung des Hohlbauteils.
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Moderne Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, müssen sehr hohen Ansprüchen unter anderem im Hinblick auf Gewicht und Wirtschaftlichkeit gerecht werden. Zur Gewichtsreduzierung werden daher vermehrt Hohlbauteile wie beispielsweise Gasturbinenrotoren mit einer integralen Beschaufelung aus Hohlschaufeln – sogenannte Hohl-Blisks (Bladed Disks) oder Hohl-Blings (Bladed Rings) – sowie hohle Gehäusebauteile verwendet. Da die Schaufeln von Gasturbinen maßgeblich zum Gewicht einer Gasturbine beitragen, kann hierdurch eine signifikante Gewichtsreduzierung erreicht werden. Entsprechendes gilt auch für hohle Gehäusebauteile. Je stärker das Gewicht der Gasturbine reduziert werden kann, desto günstiger fällt das sogenannte Schub-Gewichtsverhältnis der Gasturbine aus, welches ein entscheidendes Wettbewerbsmerkmal beispielsweise für Flugtriebwerke darstellt. Es besteht daher ein großer Bedarf an geeigneten Fertigungs- und Reparaturverfahren für die Herstellung sowie für die Reparatur oder Überholung von Hohlbauteilen für Gasturbinen. Die Verfahren müssen dabei zur Herstellung von Hohlbauteilen mit dünnwandigen und geometrisch komplexen Fügeteilgeometrien geeignet sein.
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Aus der
DE 103 37 866 A1 ist ein Laser-Pulver-Auftragschweiß-Verfahren zur Herstellung und/oder Reparatur von Fügeteilen für Gasturbinen bekannt, bei welchem ein Materialaufbau durch ein Pulvermaterial um einen Grundkörper aus dämpfendem Material erfolgt. Der Grundkörper wird vom aufgeschweißten Pulvermaterial zumindest abschnittsweise umschlossen, wodurch Hohlschaufeln hergestellt werden können.
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Aus der
DE 10 2004 001 575 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Hohlschaufeln für Gasturbinen bzw. zur Herstellung eines Rotors mit Hohlschaufeln bekannt. Dabei werden die Schritte Bereitstellen eines Formkörpers, Überziehen des Formkörpers mit einer metallischen Deckschicht durch Materialabscheidung und Nachbearbeiten der Deckschicht zu Schaufeloberflächen mit definierter Profilierung durchgeführt.
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Aus dem Stand der Technik ist als Herstellverfahren für als Hohlschaufeln ausgebildete Hohlbauteile für Gasturbinen zudem das sogenannte SPF (Super Plastic Forming) DB(Diffusion Bonding)-Verfahren bekannt. Beim SPF DB-Verfahren werden mindestens drei Elemente durch Diffusionsschweißen miteinander verbunden, wobei zwei äußere Elemente der Bildung der Außenwände der Hohlschaufel und ein mittleres Element der Bereitstellung einer Stützkonstruktion dient.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein alternatives Verfahren bereitzustellen, welches zum Herstellen eines Gasturbinen-Hohlbauteils mit dünnwandigen Fügeteilgeometrien geeignet ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein entsprechendes Hohlbauteil sowie eine Fügevorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen
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Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, durch ein Hohlbauteil gemäß Anspruch 14 sowie durch eine Fügevorrichtung gemäß Anspruch 16 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens als vorteilhafte Ausgestaltungen des Hohlbauteils und der Fügevorrichtung anzusehen sind.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Hohlbauteils für eine Gasturbine, insbesondere für ein Flugzeugtriebwerk, werden zumindest die Schritte Bereitstellen eines ersten und eines zweiten Fügeteils, wobei zumindest das erste Fügeteil hohl ausgebildet ist, Bewegen des ersten Fügeteils und des zweiten Fügeteils mittels einer Fügevorrichtung, wobei das erste Fügeteil und das zweite Fügeteil relativ zueinander bewegt werden, Aufeinanderpressen des ersten und des zweiten Fügeteils mittels der Fügevorrichtung, wobei das erste und das zweite Fügeteil durch eine hierbei entstehende Reibungswärme im Bereich jeweiliger Fügezonen zumindest auf eine Fügetemperatur erwärmt werden, Anhalten zumindest der relativen Bewegung des ersten und des zweiten Fügeteils zueinander, wobei das erste und das zweite Fügeteil mittels der Fügevorrichtung relativ zueinander ausgerichtet werden und Fügen des ersten und des zweiten Fügeteils zum Hohlbauteil durch Zusammenpressen des ersten und des zweiten Fügeteils im Bereich ihrer erwärmten Fügezonen durchgeführt. Im Unterschied zu bekannten Fügeverfahren können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens auch Hohlbauteile mit dünnwandigen und komplexen Fügeteilgeometrien gefertigt werden, da sowohl das hohle erste Fügeteil als auch das zweite Fügeteil einerseits relativ zur Fügevorrichtung und andererseits auch relativ zueinander bewegt werden. Hierdurch können entsprechend komplexe Kinematiken erzeugt werden, so dass bisherige Einschränkungen im Hinblick auf das Fügen von hohlen, dünnwandigen Fügeteilen bzw. von Fügeteilen mit komplexen Geometrien entfallen. Dabei kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass auch das zweite Fügeteil hohl und/oder dünnwandig ausgebildet ist. Weiterhin kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass mehrere Fügeteile in einem Verfahrensdurchgang gefügt werden.
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Die bewegten Fügeteile werden anschließend im Bereich ihrer jeweiligen Fügezonen aneinander gerieben und erwärmen sich durch die dabei entstehende Reibungswärme gleichmäßig und schnell auf die Fügetemperatur. Die Fügetemperatur ist von der jeweiligen Materialpaarung abhängig und wird vorzugsweise derart gewählt, dass zumindest eines der Fügeteile im Bereich seiner Fügezone plastisch verformbar wird. Die Fügetemperatur kann dabei grundsätzlich niedriger als die Schmelztemperatur des niedriger schmelzenden Fügeteilmaterials gewählt werden, so dass im Bereich der jeweiligen Fügezonen keine Schmelze entsteht. Beispielsweise kann die Fügetemperatur zwischen 50% und 75% der Schmelztemperatur betragen. Durch das Aneinanderreiben der beiden Fügeteile können zudem eventuell kontaminierte Fügeoberflächen vor dem Fügen vollständig ausgerieben werden, wodurch eine besonders hohe Fügequalität sichergestellt wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass alleine durch entsprechende Bewegungsverhältnisse von erstem und zweitem Fügeteil hohe Energien gleichmäßig und in kurzer Zeit in die Fügezonen der Fügeteile eingebracht werden können.
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Nach dem Erreichen der Fügetemperatur wird zumindest die relative Bewegung des ersten und des zweiten Fügeteils zueinander angehalten, wobei das erste und das zweite Fügeteil mittels der Fügevorrichtung relativ zueinander ausgerichtet werden. Die relative Bewegung kann dabei grundsätzlich durch Stoppen sowohl der Bewegung des ersten als auch der Bewegung des zweiten Fügeteils erfolgen. Alternativ können aber auch die Bewegungen des ersten und des zweiten Fügeteils in Phase gebracht werden, um die relative Bewegung zueinander anzuhalten.
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Nachdem das erste und das zweite Fügeteil relativ zueinander ausgerichtet sind, werden die beiden Fügeteile im Bereich ihrer erwärmten Fügezonen zusammengepresst und dadurch gefügt. Dieser Vorgang ähnelt einem Warmverschmieden der Fügeteile. Hierbei können im Unterschied zum Stand der Technik vergleichsweise geringe Fügekräfte verwendet werden, wodurch insbesondere bei dünnwandigen Fügeteilgeometrien Heißrisse, Werkstoffveränderungen oder Werkstoffschädigungen durch zu hohe Umformgrade zuverlässig verhindert werden. Gleichzeitig können jedoch hochfeste Fügeverbindungen nahe am Materialkennwert erzielt werden. Das Verfahren ermöglicht zusammenfassend die Herstellung von neuen und bislang nicht herstellbaren Hohlbauteilen wie beispielsweise Turbinen- oder Verdichterblisks mit innerer Kühlung bzw. innerer Strömungsbeeinflussung. Das Verfahren kann zudem mit kurzen Prozesszeiten durchgeführt werden, wodurch sich entsprechende Kostensenkungen ergeben. Zudem eignet sich das Verfahren grundsätzlich sowohl zur Herstellung als auch zur Reparatur oder Überholung von Hohlbauteilen für Gasturbinen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Fügeteil und/oder das zweite Fügeteil zumindest im Bereich seiner Fügezone eine Wandstärke von höchstens 1,5 mm und vorzugsweise von höchstens 1,0 mm aufweist und/oder dass die Fügezonen des ersten und des zweiten Fügeteils eine Querschnittsfläche von zumindest 3000 mm2 aufweisen. Hierdurch können sowohl besonders dünnwandige als auch großflächige Fügeteile gefügt werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich, wenn das erste Fügeteil als Hohlschaufel, insbesondere Turbinen- oder Verdichterschaufel, und/oder das zweite Fügeteil als Ring, insbesondere Turbinen- oder Verdichterring, und/oder als Scheibe, insbesondere Turbinen- oder Verdichterscheibe, ausgebildet ist und/oder dass als Hohlbauteil ein Gehäusebauteil für eine Flugzeugturbine hergestellt wird. Dies erlaubt eine besonders flexible Herstellung unterschiedlicher Hohlbauteile für eine Gasturbine. Unter einer Hohlschaufel ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl eine hohle Schaufel als auch eine mit Kühlkanälen versehene Schaufel zu verstehen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Fügeteil und/oder das zweite Fügeteil aus einem metallischen und/oder intermetallischen und/oder nicht-schmelzschweißbaren und/oder einkristallinen und/oder polykristallinen und/oder gerichtet erstarrten Material besteht. Hiermit können durch Auswahl geeigneter Werkstoffkombinationen des ersten und zweiten Fügeteils gezielte Eigenschaften des Hohlbauteils verwirklicht werden. Im Unterschied zu konventionellen Schweißverfahren können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens auch Fügeteile aus nicht-schmelzschweissbaren Materialien gefügt werden. Beispielsweise können auch Fügeteile aus kristallinen und damit bruchgefährdeten Materialien problemlos gefügt werden, da im Vergleich zu konventionellen Fügeverfahren wesentlich niedrigere Fügekräfte benötigt werden.
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In weiterer Ausgestaltung hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Fügevorrichtung vor dem Bewegen des ersten und des zweiten Fügeteils statisch und/oder dynamisch ausgewuchtet wird.
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Hierdurch können unterschiedliche Massen bzw. Masseverteilungen des ersten und des zweiten Fügeteils vorteilhaft kompensiert werden. Die beiden Fügeteile können somit sehr schnell bewegt werden, ohne dass die Fügevorrichtung beschädigt wird. Ein schnelles Bewegen bietet dabei den Vorteil, dass besonders hohe Energieeinbringraten, geringe Wärmeeinflusszonen in den Fügeteilen sowie kurze Prozesszyklen realisierbar sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Fügeteil und das zweite Fügeteil mittels der Fügevorrichtung gleichsinnig zueinander und/oder gegensinnig zueinander und/oder periodisch und/oder linear und/oder kreisförmig bewegt werden. Auf diese Weise kann das Verfahren optimal an unterschiedlichste Fügeteile angepasst werden. Wenn beide Fügeteile jeweils kreisförmig bewegt werden, sind grundsätzlich zwei Bewegungsformen möglich. So können die beiden Fügeteile gleichsinnig (multiorbital) oder gegensinnig (multilinear) bewegt werden. Bei der Multiorbitalbewegung besitzt jeder Punkt in der jeweiligen Fügezone zu jeder Zeit die gleiche Relativgeschwindigkeit. Hierdurch erfolgt ein besonders gleichmäßiger Energieeintrag, so dass sich in der gesamten Fügezone eine annähernd gleiche Temperatursituation einstellen kann. Hohe Energieeinbringraten sind allein aufgrund der Bewegungsverhältnisse möglich. Eine Multilinearbewegung hat ebenfalls verschiedene Vorteile. Die Linearbewegung kann dabei als Relativbewegung von zwei Orbitalbewegungen mit jeweils gleichmäßiger Beschleunigung erzeugt werden. Die hierbei erzeugte Relativbewegung erlaubt hohe Frequenzen und Amplituden, die vorteilhaft sind, wenn hohe Energieeinbringraten bei geringen Anpresskräften angestrebt werden. Hohe Energieeinbringraten erweisen sich prinzipiell als vorteilhaft, da hierbei kleine Wärmeeinflusszonen im betreffenden Fügeteil entstehen.
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Weiterhin hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das erste und das zweite Fügeteil mittels der Fügevorrichtung um einen Winkel zwischen 1° und 180° phasenversetzt zueinander bewegt werden. Durch Steuerung des Winkels können die miteinander reibenden Punkte der jeweiligen Fügezonen gezielt eingestellt werden. Hierdurch können auch Fügeteile mit komplexen Geometrien ohne Massenprobleme gefügt werden. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass der Winkel ein- oder mehrfach geändert wird, so dass Fügeteile mit besonders komplexen Geometrien bei der Verfahrensdurchführung optimal berücksichtigt werden können.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste und/oder das zweite Fügeteil mit einer Winkelgeschwindigkeit zwischen 36.000°/s und 54.000°/s und/oder mit einer Frequenz zwischen 100 Hz und 150 Hz und/oder mit einem Schwingkreisradius zwischen 1,2 mm und 3,0 mm und/oder mit einer Amplitude zwischen 1,5 mm und 3,0 mm bewegt wird. Die genannten Parameter ermöglichen einzeln oder in beliebiger Kombination zuverlässig die Realisierung hoher Energieeinbringraten bei relativ geringen Anpresskräften. Dabei kann vorteilhaft eine konstruktiv einfach ausgebildete Fügevorrichtung zur Durchführung des Verfahrens verwendet werden, so dass sich entsprechende Kostensenkungen ergeben. Zusätzlich werden mit Hilfe der genannten Parameter unerwünschte Heißrisse, Werkstoffveränderungen, Werkstoffschädigungen und zu hohe Umformgrade besonders zuverlässig vermieden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste und das zweite Fügeteil beim Fügen mit einer Anpresskraft zwischen 100 MPa und 250 MPa zusammengepresst werden. Hierdurch wird einerseits eine hohe Fügequalität gewährleistet, andererseits können auch Fügeteile aus kristallinen, intermetallischen, keramischen oder sonstigen bruchgefährdeten Materialien zuverlässig und beschädigungsfrei gefügt werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich, wenn zumindest die Fügezonen des ersten und des zweiten Fügeteils mit einem Schutzgas beaufschlagt werden. Auf diese Weise wird zuverlässig verhindert, dass unerwünschte Oxidationsreaktionen an den sich erwärmenden Fügezonen ablaufen, die zu einer Verschlechterung der Fügequalität führen könnten. Zumindest die Fügezonen der Fügeteile werden daher wenigstens zwischen dem Aufeinanderpressen bzw. Aneinanderreiben und dem Fügen mit Schutzgas, beispielsweise Stickstoff oder Argon, beaufschlagt. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Fügevorrichtung eine Schutzgaseinrichtung – beispielsweise eine Schutzgasdusche und/oder einen Schutzgasraum – umfasst. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das erste und das zweite Fügeteil vollständig und/oder während des gesamten Verfahrens mit Schutzgas beaufschlagt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Hohlbauteil nach dem Fügen zumindest im Bereich der Fügezonen, insbesondere mittels eines Abtragverfahrens, feinbearbeitet wird. Auf diese Weise kann ein etwaiges Aufmaß im Bereich der Fügezonen beispielsweise adaptiv abgetragen werden, um optimale Strömungseigenschaften des Hohlbauteils sicherzustellen. Das Aufmaß kann durch eine ”Schweißwulst” entstehen und beispielsweise durch adaptives Fräsen entfernt werden.
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Dabei hat es sich weiterhin als vorteilhaft gezeigt, wenn nach dem Fügen ein Kanal in das Hohlbauteil eingebracht wird, welcher sich zwischen einer Oberfläche des zweiten Fügeteils und einem Hohlraum des ersten Fügeteils erstreckt. Hierdurch können die Kühlung und die Strömung durch das gefügte Hohlbauteil optimal eingestellt werden. Der Hohlraum kann beispielsweise als Kühlkanal mit Ausblasöffnungen ausgebildet sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kanal durch elektrochemisches Bohren und/oder Erodieren in das Hohlbauteil eingebracht wird. Dies stellt einen besonders wirtschaftlichen Verfahrensschritt dar, wobei ein eigenspannungsfreier Materialabtrag, sanfte Übergänge und glatte Oberflächen erzielt werden. Dabei kann der Kanal beispielsweise such das sogenannte PECM (Pulsed Electro Chemical Machining, Gepulstes Elektrochemisches Bearbeiten), durch elektrochemisches Bohren und/oder durch ECM (Electro Chemical Machining, elektrochemisches Bearbeiten) eingebracht werden. Die genannten Verfahren eignen sich jeweils besonders zur Herstellung von Kanälen mit sehr großem Längen zu Durchmesser-Verhältnis (EC-Bohren), zur Bearbeitung dreidimensional geformter Hohlschaufeln kleiner und mittlerer Größe aus Nickelbasislegierungen (PECM) sowie zur Materialentnahme bei Schraubenbohrungen an hohlen Rotorscheiben (ECM).
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Hohlbauteil für eine Gasturbine, insbesondere für ein Flugzeugtriebwerk, welches durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele erhältlich ist. Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgestellten Merkmale sowie deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Hohlbauteil und umgekehrt.
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Dabei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Hohlbauteil als Hohl-Blisk (Bladed Disk) und/oder als Hohl-Bling (Bladed Ring) für eine Turbine und/oder für einen Verdichter einer Flugzeugturbine ausgebildet ist oder dass dieses als hohles Gehäusebauteil für eine Flugzeugturbine ausgebildet ist.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Fügevorrichtung, welche zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele und/oder zur Herstellung eines Hohlbauteils nach einem vorhergehenden Ausführungsbeispiele ausgebildet ist. Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Hohlbauteil vorgestellten Merkmale sowie deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Fügevorrichtung und umgekehrt.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, dem Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend im Ausführungsbeispiel genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Hohlbauteils.
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Die einzige Figur zeigt eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Hohlbauteils 10, welches vorliegend als Hohl-Blisk (Rotor mit integralen Hohlschaufeln) für ein Flugzeugtriebwerk ausgebildet ist. Das Hohlbauteil 10 besteht dabei aus mehreren ersten, als Hohlschaufeln ausgebildeten Fügeteilen 12, die in im Folgenden näher erläuterter Weise mit einer als zweites Fügeteil 14 fungierenden Rotorscheibe gefügt sind. Die ersten Fügeteile 12 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils als hohle bzw. mit Kühlkanälen 16 versehene Bliskschaufeln ausgebildet und können ihrerseits beispielsweise mit Hilfe generativer Verfahren (z. B. Rapid Manufacturing) hergestellt werden. Die Kühlkanäle 16 weisen Ausblasöffnungen 18 zur Kühlung bzw. zur Strömungsbeeinflussung auf. Das erste Fügeteil 12 ist dabei besonders dünnwandig ausgebildet und besitzt zumindest im Bereich seiner Fügezone 20a Wandstärken unter 1,5 mm, insbesondere untere 1,0 mm.
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Das erste Fügeteil 12 kann beispielsweise aus Titan-, TiAl-, Stahl-, oder Nickellegierungen bestehen. Wenn das Hohlbauteil 10 als Turbinenblisk ausgebildet werden soll, hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das als Hohlschaufel ausgebildete Fügeteil 12 aus einem polykristallinen, gerichtet erstarrten oder einkristallinen Material besteht. Das zweite Fügeteil 14 kann seinerseits aus einem Metall, einer Metalllegierung, einer intermetallischen Verbindung oder einer Keramik bestehen.
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Zum Herstellen des Hohlbauteils 10 werden folgende Schritte durchgeführt:
Zunächst werden das erste Fügeteil 12 und das zweite Fügeteil 14 bereitgestellt und in einer Fügevorrichtung (nicht gezeigt) angeordnet. Mit Hilfe der Fügevorrichtung werden das erste Fügeteil 12 und das zweite Fügeteil 14 beide in Bewegung versetzt, wobei das erste Fügeteil 12 und das zweite Fügeteil 14 zudem auch relativ zueinander bewegt werden. Ein Unterschied der bewegten Massen kann beispielsweise durch einen Massenausgleich an der Fügevorrichtung kompensiert werden. Die Fügevorrichtung ist dabei derart ausgebildet, dass sowohl das erste als auch das zweite Fügeteil 12, 14 kreisförmig bewegt werden können (Orbitalbewegungen). Damit sind grundsätzlich zwei Bewegungsmoden möglich:
- a) beide Fügeteile 12, 14 werden um einen Winkel von 180° phasenversetzt und gleichsinnig (multiorbital) zueinander bewegt, wobei grundsätzlich auch abweichende Winkel zwischen 1° und 180° eingestellt werden können; oder
- b) beide Fügeteile 12, 14 werden um einen Winkel von 180° phasenversetzt und gegensinnig (multilinear) zueinander bewegt, wobei grundsätzlich auch abweichende Winkel zwischen 1° und 180° eingestellt werden können.
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Beim Rotationsreibschweißen (RRS), bei welchem ein Fügeteil still steht und das zweite Fügeteil in Rotation versetzt wird, muss demgegenüber beispielsweise mindestens ein Fügepartner rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Diese Einschränkung ist beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht gegeben. Zudem können beim Rotationsreibschweißen im Unterschied zum erfindungsgemäßen Verfahren weder dünnwandige hohle Fügeteile für Gasturbinen, noch Fügeteile mit komplexen Fügeteilgeometrien gefügt werden.
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Anschließend werden die bewegten Fügeteile 12, 14 mittels der Fügevorrichtung aufeinandergepresst, wobei das erste und das zweite Fügeteil 12, 14 durch eine hierbei entstehende Reibungswärme im Bereich jeweiliger Fügezonen 20a, 20ba zumindest auf eine Fügetemperatur erwärmt werden. Die Fügetemperatur wird dabei grundsätzlich niedriger als die Schmelztemperatur des niedriger schmelzenden Fügeteilmaterials gewählt, so dass im Bereich der jeweiligen Fügezonen 20a, 20b keine Schmelze entsteht. Beispielsweise kann die Fügetemperatur 2/3 der Schmelztemperatur des niedriger schmelzenden Fügeteilmaterials betragen. Die Fügezonen (20a, 20b) des ersten und des zweiten Fügeteils (12, 14) weisen vorliegend eine Querschnittsfläche von mindestens 3000 mm2 auf.
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Bei einer Multiorbitalbewegung besitzt jeder Oberflächenpunkt in den Fügezonen 20a, 20b zu jeder Zeit die gleiche Relativgeschwindigkeit. Es erfolgt somit ein gleichmäßiger Energieeintrag, wodurch sich in der gesamten Fügeebene I eine annähernd gleiche Temperatursituation einstellt. Hohe Energieeinbringraten sind dabei allein aufgrund der Bewegungsverhältnisse erzielbar. Die Linearbewegung ergibt sich umgekehrt als Relativbewegung von zwei Orbitalbewegungen mit jeweils gleichmäßiger Beschleunigung. Die so erzeugte Relativbewegung erlaubt hohe Frequenzen und Amplituden, die notwendig sind, wenn wie im vorliegenden Fall hohe Energieeinbringraten bei geringen Anpresskräften gefordert sind, da die Fügeteile 12, 14 ansonsten beschädigt werden könnten. Hohe Energieeinbringraten erweisen sich prinzipiell als vorteilhaft, da hierbei geringe Wärmeeinflusszonen in den Fügeteilen 12, 14 entstehen und das Verfahren besonders schnell und wirtschaftlich durchgeführt werden kann. Wichtige Verfahrensparameter sind dabei die Drehzahl bzw. Frequenz der Bewegungen, der Schwingradius bzw. die Amplitude der Bewegungen sowie die Anpresskraft. Zur Realisierung hoher Energieeinbringraten bei relativ geringen Anpresskräften können folgende vorteilhafte Verfahrensparameter – einzeln und in beliebiger Kombination – vorgesehen sein:
- – Winkelgeschwindigkeiten: > 36000 [°/sec] bis 54000 [°/sec]; bzw.
- – Frequenzen > 100 Hz bis 150 Hz; und
- – Schwingkreisradien: > 1,2 mm bis 3,0 mm; bzw.
- – Amplituden: > 1,5 mm bis 3,0 mm.
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Mit Hilfe der genannten Verfahrensparameter kann vorteilhaft eine konstruktiv einfach ausgebildete Fügevorrichtung verwendet werden. Zudem werden unerwünschte Werkstoffveränderungen und Werkstoffschädigungen durch zu hohe Umformgrade zuverlässig vermieden, was insbesondere bei der Verwendung von dünnwandigen Fügeteilen 12 aus spröden Materialien von großer Bedeutung ist.
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Nachdem die Fügezonen 20a, 20b zumindest auf die Fügetemperatur erwärmt sind, wird zumindest die relative Bewegung zwischen dem ersten und dem zweiten Fügeteil 12, 14 zueinander möglichst rasch angehalten, wobei das erste und das zweite Fügeteil 12, 14 mittels der Fügevorrichtung relativ zueinander in die zum Fügen gewünschte Relativstellung ausgerichtet werden. Anschließend werden das erste und das zweite Fügeteil 12, 14 zum Hohlbauteil 10 gefügt, indem sie im Bereich ihrer erwärmten Fügezonen 20a, 20b zusammengepresst werden. Dabei haben sich insbesondere Anpresskräfte zwischen 100 MPa und 250 MPa als vorteilhaft gezeigt.
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Das Verfahren ermöglicht somit das kraftarme, vollflächige und homogene Fügen hohler und filigraner Strukturbauteile wie Hohlschaufeln ohne Verformung durch die entstehenden Fügekräfte. Dabei werden feinkörnig rekristallisierte Gefüge erhalten, die arm an Eigenspannungen sind.
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Auch die Ausbildung von spröden intermetallischen Phasen kann auch einen wenige Mikrometer breiten Bereich um die Fügezonen 20a, 20b begrenz werden.
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Der sogenannte ”Schweißflash” und ein im Bereich der Fügeebene I eventuell entstehendes Aufmass können beispielsweise adaptiv abgetragen werden.
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Dabei können grundsätzlich mehrere erste Fügeteile 12 in einem Verfahrensschritt mit einem zweiten Fügeteil 14 gefügt werden. Alternativ oder zusätzlich können mehrere erste Fügeteile 12 nacheinander in mehreren Verfahrensdurchläufen mit dem zweiten Fügeteil 14 verbunden werden.
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Zur Vermeidung schädlicher Reaktionen an den sich erwärmenden Fügezonen 20a, 20b mit der Luftatmosphäre hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Fügevorrichtung eine Schutzgaseinrichtungen aufweist, die ein Fügen in einem Schutzgasstrom bzw. in einer Schutzgasatmosphäre ermöglicht. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Fügeteile 12, 14 bereits beim Aneinanderreiben und Erwärmen mit einem Schutzgas beaufschlagt werden.
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Nach dem Fügen der Fügeteile 12, 14 zum Hohlbauteil 10 wird in einem anschließenden Schritt ein als Versorgungsbohrung dienender Kanal 22 in das Hohlbauteil 10 eingebracht. Der Kanal 22 erstreckt sich dabei zwischen einer Oberfläche des zweiten Fügeteils 14 und dem Kühlkanal 16 des ersten Fügeteils 12. Der Kanal 22 kann beispielsweise durch elektrochemisches Bohren oder Erodieren eingebracht werden.
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Die in den Unterlagen angegebenen Parameterwerte zur Definition von Prozess- und Messbedingungen für die Charakterisierung von spezifischen Eigenschaften des Erfindungsgegenstands sind auch im Rahmen von Abweichungen – beispielsweise aufgrund von Messfehlern, Systemfehlern, DIN-Toleranzen und dergleichen – als vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10337866 A1 [0003]
- DE 102004001575 A1 [0004]
