DE102012002363A1

DE102012002363A1 - Bauteil aus wenigstens einem Basismaterial und wenigstens einem Hartmaterial sowie Verfahren zur Herstellung des Bauteils

Info

Publication number: DE102012002363A1
Application number: DE102012002363A
Authority: DE
Inventors: Werner Beck
Original assignee: FORMTECH GmbH
Current assignee: FORMTECH GmbH
Priority date: 2011-12-24
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2013-06-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus wenigstens einem metallischen Basismaterial und wenigstens einer Einlage aus einem Hartmaterial, das einen gegenüber dem Basismaterial höheren Verschleißwiderstand aufweist, wobei die Einlage mit wenigstens einer geometrischen Haltestruktur zwischen zwei Lagen des Basismaterials angeordnet ist. Dabei weist die geometrische Haltestruktur der Einlage Hinterschnitte auf, wobei ausgehend von den beiden Lagen des Basismaterials eine formschlüssige Verbindung in die Hinterschnitte der geometrischen Haltestruktur der Einlage besteht und das Basismaterial und die eingeformte Einlage aus Hartmaterial unlösbar miteinander verbunden sind. Diese geometrische Haltestruktur ist zumindest teilweise als Zapfen und/oder Tannenbaumstruktur ausgebildet. Die Hinterschnitte der geometrischen Haltestruktur können zumindest teilweise auch als Ausnehmungen in der Einlage ausgebildet sein.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus wenigstens einem metallischen Basismaterial und wenigstens einer Einlage aus einem Hartmaterial, das einen gegenüber dem Basismaterial höheren Verschleißwiderstand aufweist, wobei die Einlage mit wenigstens einer geometrischen Haltestruktur zwischen zwei Lagen des Basismaterials angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Bauteils.
Bauteile, die erheblichen Belastungen ausgesetzt sind, stellen besondere Anforderungen an die zu verwendenden Werkstoffe, die häufig nur durch eine Kombination von zwei oder mehr Werkstoffen erreicht werden können. Derartige Anforderungen an Bauteile bestehen zum Beispiel bei Verdichterschaufeln von Flugzeugtriebwerken. Diese sollen einerseits eine aerodynamisch günstige, im Allgemeinen eine dünne beziehungsweise scharfe Anströmkante mit hoher Verschleißfestigkeit gegen Fremdpartikel aufweisen und andererseits auch gegen schlagförmige Belastungen, z. B. Vogelschlag beständig sein. Um durch Fremdpartikel verursachte Erosion an den Bauteilen zu verhindern beziehungsweise zu mindern, wird daher eine vordere Anströmkante aus gegenüber dem restlichen Basismaterial härterem Hartmaterial eingearbeitet, die zu einem insgesamt längerlebigen Produkt beziehungsweise Bauteil führt. Gute Erosionsbeständigkeit ist gemäß einschlägiger Literatur bei Werkstoffen mit kombinierten Eigenschaften von hoher Härte und einem niedrigen E-Modul anzutreffen. Dagegen muss das Basismaterial, z. B. Ti6-4, gegen schlagartige Beanspruchungen ein zähes Werkstoffverhalten haben, um das Abreissen der Schaufel bzw. der Vorderkante zu verhindern. Die Anströmkanten aus Hartmaterial werden zumeist mit dem oder den weiteren Basismaterialien des Bauteils verschweißt, so dass eine Überprüfung des fertigen Bauteils nicht beziehungsweise nur durch Zerstören des Bauteils möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es ein entsprechendes Bauteil dahingehend weiterzuentwickeln, dass zwischen einem Basismaterial und einer Einlage aus einem Hartmaterial eine sichere Verbindung gewährleistet werden kann, wobei Hartmaterial und Basismaterial unlösbar miteinander verbunden sind.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einem Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren zur Herstellung des Bauteils nach Anspruch 13. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das Bauteil aus wenigstens einem metallischen Basismaterial und wenigstens einer Einlage aus einem Hartmaterial, das einen gegenüber dem Basismaterial höheren Verschleißwiderstand aufweist, wobei die Einlage mit wenigstens einer geometrischen Haltestruktur zwischen zwei Lagen des Basismaterials angeordnet ist, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die geometrische Haltestruktur der Einlage Hinterschnitte aufweist, dass ausgehend von den beiden Lagen des Basismaterials eine formschlüssige Verbindung in die Hinterschnitte der geometrischen Haltestruktur der Einlage besteht, und dass das Basismaterial und die eingeformte Einlage aus Hartmaterial unlösbar miteinander verbunden sind. Durch die in der geometrischen Haltestruktur der Einlage aus Hartmaterial vorgesehenen Hinterschnitte wird beim Einformen eine geometrische Verriegelung zwischen den Materialien erreicht. Ein Loslösen der Einlage aus Hartmaterial von dem Basismaterial durch beispielsweise unsachgemäße Verschweißungen ist damit sicher vermieden. Da die Hinterschnitte bekannte Abmessungen aufweisen ist auch berechenbar, welche Kräfte von dem Bauteil beziehungsweise der Verbindung zwischen dem Basismaterial und dem Hartmaterial aufgenommen werden können.
Die Hinterschnitte der geometrischen Haltestruktur können dabei zumindest teilweise als Zapfen und/oder Tannenbaumstruktur ausgebildet sein, die von dem Basismaterial umformt werden. Auch können die Hinterschnitte der geometrischen Haltestruktur zumindest teilweise als Ausnehmungen in der Einlage ausgebildet sein. Im Bereich der Ausnehmungen grenzen die beiden Lagen des Basismaterials dann unmittelbar aneinander, wobei zumindest die beiden Lagen des Basismaterials im Bereich der Ausnehmungen vorteilhafterweise mittels Grenzflächendiffusion miteinander verschweißt sind. Durch die in der geometrischen Haltestruktur vorgesehenen Ausnehmungen ist somit eine besonders gute Verbindung der Lagen aus Basismaterial mit der Einlage aus einem Hartmaterial erreicht, da die Einlage im Bereich der Ausnehmungen wenigstens abschnittsweise von dem Basismaterial umschlossen ist. Insbesondere sind die Lagen aus Basismaterial nicht nur im Bereich der Ausnehmungen der geometrischen Haltestruktur miteinander verschweißt, sondern auch in an die Haltestruktur beziehungsweise die Einlage angrenzenden Bereichen, in denen die Lagen aus Basismaterial beim fertigen Bauteil aneinander anliegen.
Anstatt, dass die beiden Lagen aus Basismaterial im Bereich der Ausnehmungen unmittelbar aneinander grenzen, können in einer alternativen Ausgestaltung in den Ausnehmungen zylindrische Stifte aus Basismaterial angeordnet sein. Die beiden Lagen des Basismaterials sind dann vorteilhafterweise mit den zylindrischen Stiften mittels Grenzflächendiffusion verschweißt, wobei die zylindrischen Stifte formschlüssig an dem Hartmaterial anliegen. Mögliche Hohlräume im Bereich der Ausnehmungen bzw. unzureichende Verbindungen zwischen den Lagen sind damit effektiv vermieden, so dass eine sichere Lastaufnahme des Bauteils gewährleistet werden kann. In einer weiteren Ausgestaltung können alternativ auch Materialerhebungen in einer oder beiden Lagen des Basismaterials vorgesehen sein, die entsprechend der Ausnehmungen geformt und verteilt sind und so die Ausnehmungen vollständig ausfüllen.
Die mittels Grenzflächendiffusion miteinander verschweißten Bereiche der beiden Lagen bzw. der Stifte und der Lagen bilden dann jeweils eine gemeinsame Verbindungsschicht aus, wobei die Verbindungsschicht nicht beziehungsweise nur geringfügig abweichende Eigenschaften zu den miteinander verschweißten Lagen bzw. Stiften aufweist, insbesondere, wenn nur ein Werkstoff als Basismaterial eingesetzt wird. Je nachdem, für welche Verwendung das Bauteil bestimmt ist, können auch verschiedene geometrische Haltestrukturen miteinander kombiniert werden, wie beispielsweise Zapfen und Ausnehmungen.
Das Hartmaterial ist dagegen vorteilhafterweise nicht diffusionsschweißbar und wird durch die geometrische Verriegelung des in die geometrische Haltestruktur aus Hinterschnitten eingeformten Basismaterials an dem Bauteil ausreichend fixiert gehalten.
Um eine für eine spätere Verwendung vorteilhafte und ausreichende Härte des Hartmaterials gewährleisten zu können, ist vorgesehen, dass das Hartmaterial mindestens 20% härter ist als das Basismaterial und dadurch einen gegenüber dem Basismaterial höheren Verschleißwiderstand aufweist. Als Hartmaterial können beispielsweise Martensit-Aushärter, Wolfram-Basislegierungen, härtbare Titanlegierungen, keramische Werkstoffe oder auch Verbundwerkstoffe verwendet werden, wobei die Aufzählung nicht abschließend ist. Weiter ist es möglich, zur Einstellung von gezielter, örtlicher Stoffeigenschaft aus den eben genannten Werkstoffen eine lamellierte Einlage zu formen. Für das Basismaterial sind unter anderem Titan-Legierungen geeignet.
Neben den beiden Lagen kann das Basismaterial auch weitere Einzelteile umfassen, wobei das Basismaterial aus wenigstens zwei Einzelteilen beziehungsweise Lagen zusammengesetzt ist, von denen wenigstens zwei mittels Grenzflächendiffusion miteinander verbunden sind. Aus wie vielen Einzelteilen beziehungsweise Lagen sich das Basismaterial zusammensetzt, ist dabei vor allem von der Form des Bauteils abhängig. In einer alternativen Ausführungsform kann das Basismaterial auch einteilig ausgebildet sein, wobei die Lagen dann an einem Einzelteil ausgebildet sind.
Eine bevorzugte Verwendung des Bauteils besteht darin, dass dieses Bauteil eine Schaufel einer Gasturbine insbesondere eine Fanschaufel eines Flugzeugtriebwerks ist, und eine vordere Anströmkante aufweist, die wenigstens abschnittsweise aus dem Hartmaterial besteht. An der vorderen Anströmkante kann somit die erosive Wirkung von in das Flugzeugtriebwerk einströmenden Fremdpartikeln reduziert werden, wodurch die Verdichterschaufeln eine verbesserte und damit verlängerte Haltbarkeit aufweisen, das heißt, länger ihre aerodynamische Form und damit ihren Wirkungsgrad behalten und gleichzeitig deren Wartungsaufwand reduziert ist. Vorteilhafterweise erstreckt sich das Hartmaterial dabei über die gesamte, erosionsbelastete Anströmkante der Verdichterschaufel, so dass auch in deren Endbereichen eine optimale Beständigkeit gegen Verschleiß gewährleistet ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines vorbezeichneten Bauteils, bei dem erfindungsgemäß eine Einlage aus einem Hartmaterial mit wenigstens einer Hinterschnitte aufweisenden geometrischen Haltestruktur zwischen zwei Lagen wenigstens eines Basismaterials eingelegt wird, auf das Basismaterial und das eingelegte Hartmaterial bei einer vorgegebenen Umformtemperatur Druck ausgeübt wird, und das Basismaterial durch den ausgeübten Druck ausgehend von den beiden Lagen in die Haltestruktur mit den Hinterschnitten eingeformt wird. Die Umformtemperatur muss dabei so gewählt werden, dass nur das Basismaterial beziehungsweise die mittels Grenzflächendiffusion zu verschweißenden Bereiche ausreichend fließfähig und diffusionsschweißbar sind, wohingegen die Einlage aus Hartmaterial nicht mit verformt werden soll. Der auf das Bauteil beziehungsweise das Basismaterial ausgeübte Druck formt dann vorteilhafterweise nur das Basismaterial in den Halteabschnitt des Hartmaterials ein, wobei durch die nicht verformten Hinterschnitte eine sichere Verriegelung von Hartmaterial und Basismaterial gewährleistet ist.
Im Bereich von als Ausnehmungen ausgebildeten Hinterschnitten werden die beiden Lagen des Basismaterials dabei unmittelbar aufeinandergedrückt. Vorteilhafterweise verschweißen dann zumindest die unmittelbar aufeinandergedrückten Lagen des Basismaterials mittels Grenzflächendiffusion und bilden eine gemeinsame Verbindungsschicht aus.
Um zu gewährleisten, dass die Ausnehmungen vollständig mit Basismaterial ausgefüllt werden und das fertige Bauteil vorgegebene Belastungen aushält, kann vorgesehen sein, dass in als Ausnehmungen ausgebildete Hinterschnitte zylindrische Stifte eingesetzt werden, die mit den aufeinander gedrückten Lagen mittels Grenzflächendiffusion verschweißen und durch den ausgeübten Druck formschlüssig in die Ausnehmungen eingeformt werden.
Je nach Anforderungsprofil an das Bauteil und in Abhängigkeit von dem je nach Anforderungsprofil eingesetzten Hartmaterial kann entweder ein bereits gehärteter Werkstoff zwischen die Lagen des Basismaterials eingelegt werden oder das Hartmaterial nach dem Einformen des Basismaterials gehärtet werden. Durch das nachträgliche Härten ist es möglich, weichere Werkstoffe für die Einlage zu verwenden und auch mit diesen Materialien eine ausreichende Beständigkeit gegen Erosion durch Fremdpartikel oder Vogelschlag zu erreichen. Das Härten der weicheren Werkstoffe erfolgt dann mittels bekannter Verfahren.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung von zwei Lagen aus einem Basismaterial und einer Einlage aus einem Hartmaterial in perspektivischer Ansicht;
2: eine schematische Darstellung eines zusammengesetzten Bauteils mit diffusionsgeschweißten Lagen aus Basismaterial;
3: einen Querschnitt durch das Bauteil aus 2;
4: eine Darstellung einer Seitenansicht eines fertigen Bauteils nach Endzerspanung;
5: eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils;
6: eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils;
7: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch die Einzelteile einer vierten Ausführungsform;
8: eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines zusammengesetzten Bauteils gemäß der vierten Ausführungsform in 7;
9: eine schematische Darstellung eines Querschnitts der Einzelteile einer fünften Ausführungsform des Bauteils; und
10: eine schematische Darstellung eines Querschnitts der Einzelteile einer sechsten Ausführungsform des Bauteils.
In 1 sind zwei Lagen 1, 1' aus einem Basismaterial sowie eine Einlage 2 aus einem Hartmaterial dargestellt. Die Einlage 2 weist einen Halteabschnitt 3 mit einer geometrischen Haltestruktur aus einzelnen Ausnehmungen 4 auf und ist mit dem Halteabschnitt 3 auf eine erste Lage 1 des Basismaterials aufgelegt. 2 zeigt die beiden, aufeinander gepressten Lagen 1, 1' des Basismaterials und die zwischen den Lagen 1, 1' eingeformte Einlage 2 aus Hartmaterial, wobei die beiden Lagen 1, 1' und die Einlage 2 ein Bauteil 5 ausbilden. Das Basismaterial der Lagen 1, 1' ist dabei, wie in 3 dargestellt, im Bereich der Ausnehmungen 4 unmittelbar aufeinandergedrückt und mittels Grenzflächendiffusion verschweißt, so dass eine unlösbare Verbindung zwischen den Lagen 1, 1' und der Einlage 2 geschaffen ist.
4 zeigt ein fertiges Bauteil 5', bei dem die Lagen 1, 1' aus Basismaterial für eine spätere Verwendung, beispielsweise als Verdichterschaufel, weiter umgeformt wurden.
Eine zweite Ausführungsform eines Bauteils 5'' ist in 5 dargestellt. Dieses Bauteil 5'' besteht neben den beiden Lagen 1, 1' aus Basismaterial und der Einlage 2 aus Hartmaterial aus einer weiteren Zwischenschicht 6, die vorzugsweise mit den beiden Lagen 1, 1' diffusionsschweißbar ist.
6 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Bauteils 5''', wobei die Lagen 1, 1' des Basismaterials einem gemeinsamen Einzelteil zugeordnet sind. Das Basismaterial ist somit einteilig ausgebildet. Die Einlage 2 ist zudem nur teilweise mit ihrem Halteabschnitt 3 zwischen die Lagen 1, 1' eingeschoben, wobei deren Rest über die Lagen 1, 1' hinaus hervorsteht.
In 7 und 8 sind in die Ausnehmungen 4 gemäß einer vierten Ausführungsform des Bauteils 5'''' zusätzlich zylindrische Stifte 7 eingesetzt, die vorteilhafterweise beidseitig gegenüber der Einlage 2 aus Hartmaterial hervorstehen und beim fertigen Bauteil 5'''' in 8 ebenso wie die Zwischenschicht 6 zwischen den beiden Lagen 1, 1' des Basismaterials verpresst und mit diesen diffusionsgeschweißt sind. Hohlräume im Bereich der Ausnehmungen 4 können damit weitestgehend vermieden werden.
Eine weitere Ausführungsform um Hohlräume im Bereich der Ausnehmungen zu vermeiden, ist in 9 dargestellt. Anstatt zylindrische Stifte 7 in die Ausnehmungen 4 einzusetzen, weisen die Lagen 1, 1' des Basismaterials passgenaue Erhebungen 8, 8' auf, welche beim Zusammensetzen der Einzelteile in die Ausnehmungen 4 gedrückt werden. Während die Erhebungen 8, 8' in 9 beidseitig an beiden Lagen 1, 1' vorgesehen sind zeigt 10 eine weitere Ausführungsform mit einseitig an einer Lage 1 angeordneten Erhebungen 8.

Claims

Bauteil aus wenigstens einem metallischen Basismaterial und wenigstens einer Einlage (2) aus einem Hartmaterial, das einen gegenüber dem Basismaterial höheren Verschleißwiderstand aufweist, wobei die Einlage mit wenigstens einer geometrischen Haltestruktur zwischen zwei Lagen (1, 1') des Basismaterials angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Haltestruktur der Einlage (2) Hinterschnitte aufweist, dass ausgehend von den beiden Lagen (1, 1') des Basismaterials eine formschlüssige Verbindung in die Hinterschnitte der geometrischen Haltestruktur der Einlage (2) besteht, und dass das Basismaterial und die eingeformte Einlage (2) aus Hartmaterial unlösbar miteinander verbunden sind.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterschnitte der geometrischen Haltestruktur zumindest teilweise als Zapfen und/oder Tannenbaumstruktur ausgebildet sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hinterschnitte der geometrischen Haltestruktur zumindest teilweise als Ausnehmungen (4) in der Einlage (2) ausgebildet sind.
Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Lagen (1, 1') des Basismaterials im Bereich der Ausnehmungen (4) unmittelbar aneinander angrenzen
Bauteil nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die beiden Lagen (1, 1') des Basismaterials im Bereich der Ausnehmungen (4) mittels Grenzflächendiffusion miteinander verschweißt sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Ausnehmungen (4) zylindrische Stifte (7) aus Basismaterial angeordnet sind.
Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrischen Stifte (7) mit den beiden Lagen (1, 1') des Basismaterials mittels Grenzflächendiffusion verschweißt sind und formschlüssig an der Einlage (2) aus Hartmaterial anliegen.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Hartmaterial nicht diffusionsschweißbar ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hartmaterial mindestens 20% härter ist als das Basismaterial.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage aus Hartmaterial aus Lamellen verschiedener Werkstoffe besteht.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial aus wenigstens zwei Einzelteilen beziehungsweise Lagen (1, 1') zusammengesetzt ist, von denen wenigstens zwei mittels Grenzflächendiffusion miteinander verbunden sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (5, 5', 5'', 5''') eine Schaufel einer Gasturbine, insbesondere eine Fanschaufel eines Flugzeugtriebwerks, ist und eine vordere Anströmkante aufweist, die wenigstens abschnittsweise aus dem Hartmaterial besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem eine Einlage (2) aus einem Hartmaterial mit wenigstens einer Hinterschnitte aufweisenden geometrischen Haltestruktur zwischen zwei Lagen (1, 1') wenigstens eines Basismaterials eingelegt wird, auf das Basismaterial und das eingelegte Hartmaterial bei einer vorgegebenen Umformtemperatur Druck ausgeübt wird, und die das Basismaterial durch den ausgeübten Druck ausgehend von den beiden Lagen in die Haltestruktur mit den Hinterschnitten eingeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Lagen (1, 1') des Basismaterials wenigstens im Bereich von als Ausnehmungen (4) ausgebildeten Hinterschnitten unmittelbar aufeinander gedrückt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die unmittelbar aufeinander gedrückten Lagen (1, 1') des Basismaterials mittels Grenzflächendiffusion verschweißen.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in als Ausnehmungen (4) ausgebildete Hinterschnitte zylindrische Stifte (7) eingesetzt werden, die mit den aufeinander gedrückten Lagen (1, 1') mittels Grenzflächendiffusion verschweißen und durch den ausgeübten Druck formschlüssig in die Ausnehmungen (4) eingeformt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Hartmaterial nach dem Einformen des Basismaterials gehärtet wird.