DE102014206827A1 - Verfahren zum Fügen und Gasturbinenkomponente - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil umfassend zumindest folgende Schritte:
– Herstellen eines ersten Bauteils mit einer ersten Fügefläche mit einem ersten Querschnitt,
– Bereitstellen eines zweiten Bauteils mit einer zweiten Fügefläche mit einem zweiten Querschnitt,
– Anordnen der ersten Fügefläche auf der zweiten Fügefläche,
– Anordnen von zumindest zwei Stempeln, wobei die Stempel so verteilt sind, dass bei einem Anpressen der ersten Fügefläche an die zweite Fügefläche durch die zumindest zwei Stempel ein sich gleichmäßiger Anpressdruck über den ersten Querschnitt und den zweiten Querschnitt einstellt,
– Verbinden der ersten Fügefläche und der zweiten Fügefläche durch Funkenentladungssinter (SPS – Spark Plasma Sintering), wobei der beim Funkenentladungssintern (SPS
– Spark Plasma Sintering) verwendete Stromfluss (8) auf die zumindest zwei Stempel gleichverteilt wird.
Zudem betrifft die Erfindung eine Gasturbinenkomponente.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Fügeverfahren und eine mit dem Fügeverfahren gefertigte Gasturbinenkomponente.
  • Bauteile von Maschinen wie Gasturbinen, die unter hohen mechanischen, chemischen und thermischen Belastungen betrieben werden, werden häufig aus nickelbasierten Superlegierungen hergestellt. Dabei ist jedoch nachteilig, dass solche Nickelbasis-Superlegierungen sich wegen des hohen Anteils an intermetallischer Phase schwierig schweißen oder zusammenfügen lassen.
  • Aus der Familie der Sinterverfahren ist das Funkenentladungssinter (SPS – Spark Plasma Sintering) Verfahren bekannt, mit dem sich ein Bauteil aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff fertigen lässt. Dazu wird dieser Ausgangsstoff in eine Form gegeben, unter hohen Druck gesetzt und ein kontinuierlicher oder gepulster Strom hindurchgeleitet. Nach jüngeren Erkenntnissen der Erfinder lässt sich das Funkenentladungssinter (SPS – Spark Plasma Sintering) Verfahren jedoch auch zum Zusammenfügen makroskopischer Bauteile verwenden. Ziel ist es dabei, eine möglichst feste Verbindung von derart zusammengefügten Bauteilen zu erreichen. Mittels des Funkenentladungssinterns (SPS – Spark Plasma Sintering) werden üblicherweise schwer sinterbare Werkstoffe gefügt. Da die Erwärmung durch einen fließenden elektrischen Strom erreicht werden soll, spielen der jeweilige lokale elektrische Widerstand der einzelnen Werkzeugkomponenten und hier besonders die der Druckstempel eine wichtige Rolle.
  • Eine erste Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Fügeverfahren zum Verbinden zweier Bauteile, insbesondere wenn zumindest eines der Bauteile einen hohen Anteil an intermetallischer Phase aufweist, anzugeben. Eine zweite Aufgabe ist die Angabe eines solchen gefügten Bauteils, insbesondere einer Gasturbinenkomponente.
  • Die erste Aufgabe wird gelöst durch die Angabe eines Verfahrens zum Fügen eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil umfassend zumindest folgende Schritte:
    • – Herstellen eines ersten Bauteils mit einer ersten Fügefläche mit einem ersten Querschnitt,
    • – Bereitstellen eines zweiten Bauteils mit einer zweiten Fügefläche mit einem zweiten Querschnitt,
    • – Anordnen der ersten Fügefläche auf der zweiten Fügefläche,
    • – Anordnen von zumindest zwei Stempeln, wobei die Stempel so verteilt sind, dass bei einem Anpressen der ersten Fügefläche an die zweite Fügefläche durch die zumindest zwei Stempel ein sich gleichmäßiger Anpressdruck über den ersten Querschnitt und den zweiten Querschnitt einstellt,
    • – Verbinden der ersten Fügefläche und der zweiten Fügefläche durch Funkenentladungssinter (SPS – Spark Plasma Sintering), wobei der beim Funkenentladungssintern verwendete Stromfluss auf die zumindest zwei Stempel gleichverteilt wird.
  • Bevorzugt werden die zumindest zwei Stempel auf dem ersten Bauteil angeordnet, wobei die Stempel so verteilt sind, dass bei einem Anpressen der ersten Fügefläche an die zweite Fügefläche durch die zumindest zwei Stempel ein sich gleichmäßiger Anpressdruck über den ersten Querschnitt und den zweiten Querschnitt einstellt, wobei der Stromfluss durch die zumindest zwei Stempel zu der ersten und der zweiten Fügefläche geleitet wird, wobei der Stromfluss gleichverteilt durch die zumindest zwei Stempel geleitet wird.
  • Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung über den gesamten Querschnitt zu erzielen, ist eine Verteilung der Kraft und des Stromflusses auf die zumindest zwei Stempel, welche insbesondere als Graphitstempel ausgebildet sind, sinnvoll. Somit können große Temperaturgradienten über die Querschnittsflächen vermieden werden. Der Stromfluss wird ebenfalls homogen über die Querschnittsfläche verteilt. Durch die Erfindung wird ein Entstehen von Verzug, Eigenspannungen und Rissbildung des fertig gefügten Endbauteils an den Fügestellen verhindert oder zumindest verkleinert im Vergleich zu anderen Fügeverfahren. Die Verbindungsstelle hält dadurch hohe thermische und mechanische Beanspruchungen aus. Dadurch ergibt sich eine Verlängerung der Lebenszeit der Heißgasbauteile. Wird das Verfahren als innovatives Reparaturverfahren für Schaufelspitzen von Turbinenschaufeln verwendet, so ergibt sich dadurch eine Einsparung von Kosten. Zudem kann durch das erfindungsgemäße Verfahren ein formschlüssiges Fügen bewerkstelligt werden, auch bei Bauteilen mit hohem Anteil an intermetallischer Phase.
  • In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders gut geeignet, um Bauteile aus schwierig schweißbaren Metallen (etwa Refraktärmetallen) und Legierungen miteinander zu verbinden. Daher enthält vorzugsweise wenigstens das erste und/oder das zweite Bauteil eine Nickelbasis-Superlegierung oder besteht aus der Nickelbasis-Superlegierung.
  • Bevorzugt wird zumindest das erste Bauteil mittels eines generativen Fertigungsverfahrens, vor allem Sintern gefertigt. In bevorzugter Ausgestaltung wird zumindest das erste Bauteil mittels eines formgebenden Schneidverfahrens, insbesondere Drahterodieren aus einem Gussblock, gefertigt. Auch andere generative Fertigungsverfahren sind vorstellbar. Auch kann selbstverständlich das zweite Bauteil mit einem generativen Fertigungsverfahren gefertigt werden.
  • Bevorzugt sind der erste Querschnitt und der zweite Querschnitt gleich. Dies kann z.B. bei einer Schaufelspitze und einem dazugehörigen Schaufelblatt der Fall sein.
  • Bevorzugt wird der Stromfluss während des Fügeprozesses seitlich unterhalb der zweiten Fügefläche abgeleitet. D.h. handelt es sich bei den Bauteilen um eine Schaufelspitze und ein dazugehöriges Schaufelblatt, so wird der Stromfluss während des Fügeprozesses seitlich unterhalb des Tips, d.h. der Spitze, nach der Fügefläche abgeleitet.
  • In einem ersten Ausführungsbeispiel wird das erste Bauteil während des Funkenentladungssinter (Spark Plasma Sintering) Verfahrens mit einem Druck von ca. 15 MPa (Megapascal) = 15N/mm2 auf das zweite Bauteil gepresst. Das erste Bauteil kann während des Funkenentladungssinter (Spark Plasma Sintering) Verfahrens mit einem Druck von 1 bis 40, insbesondere 15 MPa auf das zweite Bauteil gepresst werden. Außerdem können das erste und das zweite Bauteil während des Spark Plasma Sintering Verfahrens auf eine Temperatur von 1000 bis 1200 Grad Celsius erhitzt werden. Geeignete Erwärmungs- und Abkühlraten können in dem Bereich zwischen 20 bis 200 Kelvin pro Minute liegen. Während des Funkenentladungssintern (Spark Plasma Sintering) Verfahrens kann ein gepulster oder ein kontinuierlicher Strom durch das erste und das zweite Bauteil geleitet werden.
  • Bevorzugt wird die erste Fläche vor dem Anordnen auf der zweiten Fügefläche zunächst umgeschmolzen, insbesondere Laserumgeschmolzen. Der Laser wird dabei über die Oberfläche verfahren, so dass die Oberfläche sukzessive aufgeschmolzen wird. Sobald der Laserarbeitspunkt eine jeweilige Stelle verlässt, erstarrt diese wieder, wobei der erstarrende Schmelzpool von den unbearbeiteten Teilen des Werkstücks abweichende Eigenschaften aufweist. So wird durch das Laserumschmelzen der Fügefläche des ersten Bauteils dessen Porosität im Bereich der Fügefläche reduziert oder entfernt, so dass sich nach Anwendung des Funkenentladungssinter (Spark Plasma Sintering) Verfahrens eine festere Fügezone ergibt. Besonders bevorzugt wird durch das Laserumschmelzen eine Kristallausrichtung des ersten Bauteils an eine Kristallausrichtung des zweiten Bauteils angeglichen, so dass nach dem Schritt des Anordnens das erste und zweite Bauteil wenigstens näherungsweise die gleichen Kristallausrichtungen aufweisen.
  • Bevorzugt wird das Funkenentladungssintern mittels Gleichstrom durchgeführt. Dabei kann es sich um gepulsten Gleichstrom handelt. Auch kann Impulsstrom verwendet werden. Bevorzugt wird sowohl das erste Bauteil als auch das zweite Bauteil aus elektrisch leitfähigem Material ausgestaltet.
  • Bevorzugt werden die Stempel als Graphitstempel ausgestaltet. Diese weisen eine ausreichende mechanische Festigkeit auch bei hohen Temperaturen auf.
  • Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur. Darin zeigen schematisch:
  • 1 eine Schaufelspitze sowie ein dazu passendes Schaufelblatt ohne Schaufelspitze,
  • 2 die Schaufelspitze von unten,
  • 3 schematisch das Verfahren,
  • 4 die fertig gefügte Schaufel.
  • 1 zeigt eine Schaufelspitze 1 als ein erstes Bauteil mit einer ersten Schaufelspitzenfügefläche 4 und einem ersten Querschnitt sowie ein dazu passendes Schaufelblatt 2 ohne Schaufelspitze mit einer zweiten Schaufelblattfügefläche 3 und einem zweiten Querschnitt als ein zweites Bauteil. Dabei entspricht der erste Querschnitt gleich dem zweiten Querschnitt und wird im Nachfolgenden lediglich als Querschnitt bezeichnet. Dabei kann eine Schaufelspitze 1 mittels generativem Verfahren (z.B. Selektiv Laser Melting) oder mittels Drahterodieren aus einem Gussblock gefertigt werden. Selbstverständlich sind andere Verfahren vorstellbar. Dabei besteht zumindest die Schaufelspitze 1 aus einer Nickelbasis-Superlegierung mit hohem Anteil an intermetallischer Phase. Die Fixierung der Schaufelspitze 1 erfolgt für den Fügeprozess formschlüssig, so dass während des Fügens ein Verrutschen der Schaufelspitze 1 vermieden wird und daher keine Nacharbeit notwendig ist. Für den Spark Plasma Sintering Prozess wird für eine metallurgisch geeignete Fügung ein Anpressdruck von ca. 15 MPa = 15 N/mm2 gefordert. Bei der vorgeschlagenen Schaufelspitze 1 ergibt sich eine zu fügende Schaufelspitzenfläche von ca. 1341 mm2 (2). Daraus lässt sich eine maximale Anpresskraft von 20115 N errechnen (ca. 2 t maximale Last der Maschine).
  • Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Kraft und des Stromflusses 8 (3) über den gesamten Querschnitt zu erzielen, wird eine Verteilung der Kraft und des Stromflusses 8 (3) auf drei Graphitstempel 5, 6, 7 (3) vorgenommen. Zudem wird der Stromfluss 8 (3) während des Fügeprozesses seitlich unterhalb der Schaufelblattfügefläche 3 abgeleitet 8 (3). Bei anderen Bauteilen / Querschnitten kann selbstverständlich auch eine andere Anzahl von Stempeln zum Einsatz kommen.
  • Durch die Erfindung wird ein Entstehen von Verzug, Eigenspannungen und Rissbildung des fertig gefügten Endbauteils 11 (4) an den Fügestellen 3, 4 verhindert oder zumindest im Vergleich zu anderen Fügeverfahren verkleinert. Die Verbindungsstelle hält dadurch hohe thermische und mechanische Beanspruchungen aus. Dadurch ergibt sich eine Verlängerung der Lebenszeit von Heißgasbauteilen wie sie z.B. in Gasturbinen vorkommen. Wird das Verfahren als innovatives Reparaturverfahren für Schaufelspitzen 1 von Turbinenschaufeln verwendet, so ergibt sich eine Einsparung von Kosten.
  • Es ergibt sich durch Anwendung des Spark Plasma Sintering Verfahrens daher eine besonders feste Verbindungsstelle, die zu einem resultierenden Bauteil mit besonderer Haltbarkeit führt. Auf diese Weise können beispielsweise Gasturbinenbauteile aus mehreren Einzelteilen zusammengefügt werden.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Variationen hiervon können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die nachfolgenden Patentansprüche definiert wird, zu verlassen.

Claims (13)

  1. Verfahren zum Fügen eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil, gekennzeichnet durch zumindest folgende Schritte: – Herstellen eines ersten Bauteils mit einer ersten Fügefläche mit einem ersten Querschnitt, – Bereitstellen eines zweiten Bauteils mit einer zweiten Fügefläche mit einem zweiten Querschnitt, – Anordnen der ersten Fügefläche auf der zweiten Fügefläche, – Anordnen von zumindest zwei Stempeln, wobei die Stempel so verteilt sind, dass bei einem Anpressen der ersten Fügefläche an die zweite Fügefläche durch die zumindest zwei Stempel ein sich gleichmäßiger Anpressdruck über den ersten Querschnitt und den zweiten Querschnitt einstellt, – Verbinden der ersten Fügefläche und der zweiten Fügefläche durch Funkenentladungssinter (SPS – Spark Plasma Sintering), wobei der beim Funkenentladungssinter (SPS – Spark Plasma Sintering) verwendete Stromfluss (8) auf die zumindest zwei Stempel gleichverteilt wird.
  2. Verfahren zum Fügen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Stempel auf dem ersten Bauteil angeordnet werden, wobei die zumindest zwei Stempel so verteilt sind, dass bei einem Anpressen der ersten Fügefläche an die zweite Fügefläche durch die zumindest zwei Stempel ein sich gleichmäßiger Anpressdruck über den ersten Querschnitt und den zweiten Querschnitt einstellt, wobei der Stromfluss durch die zumindest zwei Stempel zu der ersten Fügefläche und der zweiten Fügefläche geleitet wird, wobei der Stromfluss (8) gleichverteilt durch die zumindest zwei Stempel geleitet wird.
  3. Verfahren zum Fügen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil eine Nickelbasis-Superlegierung enthält oder aus der Nickelbasis-Superlegierung besteht.
  4. Verfahren zum Fügen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste Bauteil mittels einem generativen Fertigungsverfahren gefertigt wird.
  5. Verfahren zum Fügen nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste Bauteil mittels einem formgebenden Schneidverfahren, insbesondere Drahterodieren aus einem Gussblock, gefertigt wird.
  6. Verfahren zum Fügen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Querschnitt und der zweite Querschnitt gleich sind.
  7. Verfahren zum Fügen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromfluss (8) während des Fügeprozesses seitlich unterhalb der zweiten Fügefläche abgeleitet wird.
  8. Verfahren zum Fügen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste Bauteil während des Funkenentladungssinter (SPS = Spark Plasma Sintern) Verfahrens mit einem Druck von ca. 15 MPa = 15N/mm2 auf das zweite Bauteil gepresst wird.
  9. Verfahren zum Fügen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche vor dem Anordnen auf der zweiten Fügefläche zunächst umgeschmolzen, insbesondere Laserumgeschmolzen wird.
  10. Verfahren zum Fügen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funkenentladungssinter (SPS – Spark Plasma Sintering) mittels Gleichstrom durchgeführt wird.
  11. Verfahren zum Fügen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das erste Bauteil als auch das zweite Bauteil aus elektrisch leitfähigem Material ausgestaltet werden.
  12. Verfahren zum Fügen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Stempel als Graphitstempel (5, 6, 7) ausgestaltet werden.
  13. Gasturbinenkomponente, die gemäß dem Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche gefertigt wurde.
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