DE102019111113A1

DE102019111113A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Stahlwerkstoffsystem, Bauteil herstellbar mit dem Verfahren und ein Gasturbinentriebwerk mit einem Bauteil

Info

Publication number: DE102019111113A1
Application number: DE102019111113.7A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Stark
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2020-11-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein Bauteil (28, 32, 34) eines Gasturbinentriebwerks (10) mit einem mit Nanopartikeln (51) verstärkten Stahlwerkstoffsystem, dadurch gekennzeichnet, dassa) eine Schmelze (50) des mit mindestens einer keramischen und / oder interkeramischen Phase versehenen Stahlwerkstoffsystems einer Erstarrung mit einer sehr hohen Abkühlrate (Q) ausgesetzt wird, wobeib) bei einer Erstarrung aus einer Schmelze (50) die Abkühlrate (Q) größer als 20 K / s, insbesondere größer als 40 K / s ist oder bei einer Erstarrung mittels einer Verdüsung der Schmelze (50) die Abkühlrate (Q) größer als 104K / s, insbesondere größer 105K / s, ist, so dass Nanopartikel (50) aus der keramischen und / oder interkeramischen Phase in einer Stahlmatrix (52) entstehen und in einem weiteren Verfahrensschrittc) eine maschinelle Bearbeitung erfolgt, um das Bauteil (28, 32, 34) herzustellen. Die Erfindung betrifft auch ein Bauteil (28, 32, 34), herstellbar nach dem Verfahren und ein Gasturbinentriebwerk (10) mit einem solchen Bauteil (28, 32, 34).

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die Herstellung eines Bauteils mit einem Stahlwerkstoffsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ferner bezieht sich die Offenbarung auf ein Bauteil herstellbar nach dem Verfahren und ein Gasturbinentriebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
Unter Stahl werden Eisen-Kohlenstoff-Legierungen verstanden, die einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 2 Gew.-% aufweisen und ohne weitere Nachbearbeitung schmiedbar sind. Dabei sind z.B. Metal-Matrix-Composite (MMC) Stahlsysteme bekannt (z.B. Aparicio-Fernandez et al., Crystallisation of amporphous Fe-Ti-B alloys as design pathway for nano-structured high modulus steels, Journal of Alloys and Compounds 704 (2017), 565-573), bei denen ausgeschiedene TiB₂ Partikel im Stahlwerkstoffsystem vorliegen. Diese Materialien erlauben eine Verbindung einer starken und duktilen Matrix mit steifen und leichten Keramikpartikeln, wie eben TiB₂. Solche Stahlwerkstoffsysteme (Fe-Ti-B) werden nach der Erstarrung auch als metallischs Glas bezeichnet.
Damit können Stahlwerkstoffsysteme mit einem sehr hohen Elastizitätsmodul E erreicht werden. Für das beschriebene TiB₂ System kann z.B. ein dichtebezogenes Elastizitätsmodul von 125 G Pa g^-1 cm³ erreicht werden.
Solche Stahlwerkstoffsysteme können z.B. in Vorrichtungen wie Gasturbinentriebwerken verwendet werden, bei denen Festigkeit und Leichtbauaspekte eine große Rolle spielen.
Es besteht daher die Aufgabe, Verfahren zur Herstellung und Anwendungen solcher Stahlwerkstoffsysteme zu finden.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Stahlwerkzeugsystems bereitgestellt.
Dabei dient das Verfahren der Herstellung eines Bauteils eines Gasturbinentriebwerks. Bei Bauteilen in diesen Vorrichtungen kommt es insbesondere auf eine hohe Festigkeit bei geringem Gewicht an. Das Bauteil weist ein mit Nanoteilchen verstärktes Stahlwerkstoffsystem auf.
Dabei wird zuerst eine Schmelze des mit mindestens einer keramischen und / oder interkeramischen Phase versehenen Stahlwerkstoffsystems einer Erstarrung mit einer sehr hohen Abkühlrate ausgesetzt.
Bei der Erstarrung aus einer Schmelze ist die Abkühlrate dabei größer als 20 K / s, insbesondere größer als 40 K / s oder bei einer Erstarrung mittels einer Verdüsung der Schmelze ist die Abkühlrate größer als 10⁴ K / s, insbesondere größer als 10⁵ K / s. Dabei entstehen Nanopartikel als Ausscheidungen aus der keramischen und / oder interkeramischen Phase in einer Stahlmatrix.
Anschließend, d.h. sofort oder nach einem späteren Zeitpunkt, erfolgt eine maschinelle Bearbeitung, um das Bauteil des Gasturbinentriebwerks herzustellen.
Bei der sehr schnellen Abkühlung erfolgt eine Ausscheidung der Nanopartikel in der metallischen Stahlmatrix. Mit der Größe der Abkühlrate lässt sich die Bildungskinetik der Ausscheidungen kontrollieren und die Größe der Ausscheidungspartikel drastisch, bis auf wenige Nanometer, reduzieren.
Dies hat zur Folge, dass, im Gegensatz zur bisher bekannten und herkömmlichen Herstellung mittels Gießens, zusätzlich zur Steigerung des Elastizitätsmoduls eine Partikelverfestigung nach Orowan entsteht (und eine Kornfeinung durch Korngrenzenpinning) und dem Material ein weiterer härte- bzw. festigkeitssteigernder Mechanismus hinzugefügt wird.
In einer Ausführungsform erfolgt die Erstarrung aus der Schmelze bei einem 3D-Druckverfahren. Insbesondere kann beim 3D-Druckverfahren ein Draht oder eine dünne Stange eingesetzt werden. Auch kann zusätzlich oder alternativ beim 3D-Druckverfahren Auftragsschweißen, Schutzgasschweißen oder Laserschweißen eingesetzt werden. Die schnelle Abkühlung, die nötig ist, um die Ausscheidungen der Nanopartikel zu erhalten, geschieht über die schnelle Abkühlung beim 3D-Druck, es ist also im Prinzip nicht nötig, mit Pulver als Vormaterial zu arbeiten..
Alternativ kann die Erstarrung der Schmelze durch eine Verdüsung im Rahmen eines pulvermetallurgischen Verfahrens erfolgen.
Eine Partikelverfestigung im Stahl geschieht normalerweise durch die Ausscheidung von Karbiden. Der entscheidende Unterschied bei dieser Ausführungsform ist, dass der Gehalt der Boridausscheidung durch die Pulverroute relativ frei und weitestgehend unabhängig von der chemischen Zusammensetzung gestaltet werden kann, da die Boridausscheidungen bei der Erstarrung der Legierung entstehen und unabhängig von der weiteren Prozessierung im Stahl inert vorliegen. Außerdem unterliegen die Boridpartikel, anders als Karbidausscheidungen, keiner Oswaldschen Reifung im weiteren Herstellungsverlauf, d.h. ihre Größe ist im Verlauf der Herstellung konstant und wird nicht durch eine Wärmebehandlung beeinflusst wie es bei Karbiden der Fall ist.
In einer Ausführungsform weist die keramische und / oder interkeramische Phase ein Borid, insbesondere Titanborid TiB₂ und / oder Chromborid Cr₂B, auf oder sie besteht aus diesen Materialien.
Auch kann in einer Ausführungsform der mittlere Durchmesser der Nanopartikel im Bereich zwischen 20 nm bis 200 nm, insbesondere im Bereich zwischen 50 und 150 nm, liegen.
In einer Ausführungsform bei der Erstarrung aus der Schmelze ist die Abkühlrate größer als 50 K / s und kleiner als 150 K / s.
In einer Ausführungsform mittels Verdüsung ist die Abkühlrate größer als 10⁶ K / s, insbesondere größer als 10⁷ K /s und kleiner als 10⁸ K / s.
In einer Ausführungsform erfolgt vor oder nach der maschinellen Bearbeitung eine Wärmebehandlung des Bauteils.
Ein weiterer Aspekt ist, dass in einem Gasturbinentriebwerk ein Bauteil verwendet wird, das nach mindestens einem der beanspruchten Verfahren hergestellt wird. Wenn das Gasturbinentriebwerk als Getriebe-Fan-Gasturbinentriebwerk ausgebildet ist, kann das Bauteil z.B. ein Planetenträger für Planetenräder, ein Wellenteil, ein Sonnenrad, ein Planetenrad oder ein Pin für ein Planetenrad sein.
Ein weiterer Aspekt wird durch ein Gasturbinentriebwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 13 angesprochen.
Wie hier an anderer Stelle angeführt wird, kann sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk, z.B. ein Flugzeugtriebwerk, beziehen. Solch ein Gasturbinentriebwerk kann ein Kerntriebwerk umfassen, das eine Turbine, eine Brennervorrichtung, einen Verdichter und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende Kernwelle umfasst. Solch ein Gasturbinentriebwerk kann einen Fan (mit Fanschaufeln) umfassen, der stromaufwärts des Kerntriebwerks positioniert ist.
Anordnungen der vorliegenden Offenbarung können insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für Getriebe-Fans, die über ein Getriebe angetrieben werden, von Vorteil sein. Entsprechend kann das Gasturbinentriebwerk ein Getriebe umfassen, das über die Kernwelle angetrieben wird und dessen Abtrieb den Fan so antreibt, dass er eine niedrigere Drehzahl als die Kernwelle aufweist. Der Eingang für das Getriebe kann direkt von der Kernwelle oder indirekt über die Kernwelle, beispielsweise über eine Stirnwelle und / oder ein Stirnzahnrad, erfolgen. Die Kernwelle kann mit der Turbine und dem Verdichter starr verbunden sein, so dass sich die Turbine und der Verdichter mit derselben Drehzahl drehen (wobei sich der Fan mit einer niedrigeren Drehzahl dreht).
Das Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und / oder beansprucht wird, kann eine beliebige geeignete allgemeine Architektur aufweisen. Beispielsweise kann das Gasturbinentriebwerk eine beliebige gewünschte Anzahl an Wellen aufweisen, die Turbinen und Verdichter verbinden, beispielsweise eine, zwei oder drei Wellen. Lediglich beispielhaft kann die mit der Kernwelle verbundene Turbine eine erste Turbine sein, der mit der Kernwelle verbundene Verdichter kann ein erster Verdichter sein und die Kernwelle kann eine erste Kernwelle sein. Das Kerntriebwerk kann ferner eine zweite Turbine, einen zweiten Verdichter und eine zweite Kernwelle, die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet, umfassen. Die zweite Turbine, der zweite Verdichter und die zweite Kernwelle können dahingehend angeordnet sein, sich mit einer höheren Drehzahl als die erste Kernwelle zu drehen.
Bei einer solchen Anordnung kann der zweite Verdichter axial stromabwärts des ersten Verdichters positioniert sein. Der zweite Verdichter kann dahingehend angeordnet sein, eine Strömung von dem ersten Verdichter aufzunehmen (beispielsweise direkt aufzunehmen, beispielsweise über einen generell ringförmigen Kanal).
Das Getriebe kann dahingehend ausgebildet sein, dass es von der Kernwelle angetrieben wird, die dazu konfiguriert ist, sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen (beispielsweise die erste Kernwelle in dem obigen Beispiel). Beispielsweise kann das Getriebe dahingehend ausgebildet sein, dass es lediglich von der Kernwelle angetrieben wird, die dazu konfiguriert ist, sich (beispielsweise im Gebrauch) mit der niedrigsten Drehzahl zu drehen (beispielsweise nur von der ersten Kernwelle und nicht der zweiten Kernwelle bei dem obigen Beispiel). Alternativ dazu kann das Getriebe dahingehend ausgebildet sein, dass es von einer oder mehreren Wellen angetrieben wird, beispielsweise der ersten und / oder der zweiten Welle in dem obigen Beispiel.
Bei einem Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und / oder beansprucht wird, kann eine Brennvorrichtung axial stromabwärts des Fans und des Verdichters (oder der Verdichter) vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Brennervorrichtung direkt stromabwärts des zweiten Verdichters (beispielsweise an dessen Ausgang) liegen, wenn ein zweiter Verdichter vorgesehen ist. Als ein weiteres Beispiel kann die Strömung am Ausgang des Verdichters dem Einlass der zweiten Turbine zugeführt werden, wenn eine zweite Turbine vorgesehen ist. Die Brennervorrichtung kann stromaufwärts der Turbine (der Turbinen) vorgesehen sein.
Der oder jeder Verdichter (beispielsweise der erste Verdichter und der zweite Verdichter gemäß obiger Beschreibung) kann eine beliebige Anzahl an Stufen, beispielsweise mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln umfassen, bei denen es sich um variable Statorschaufeln handeln kann (d.h. der Anstellwinkel kann variabel sein). Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial zueinander versetzt sein.
Die oder jede Turbine (beispielsweise die erste Turbine und die zweite Turbine gemäß obiger Beschreibung) kann eine beliebige Anzahl an Stufen, beispielsweise mehrere Stufen, umfassen. Jede Stufe kann eine Reihe von Rotorschaufeln und eine Reihe von Statorschaufeln umfassen. Die Reihe von Rotorschaufeln und die Reihe von Statorschaufeln können axial zueinander versetzt sein.
Jede Fanschaufel kann eine radiale Spannweite aufweisen, die sich von einem Fuß (oder einer Nabe) an einer radial innenliegenden, von Gas überströmten Stelle oder sich von einer Position einer Spannweite von 0 % zu einer Spitze mit einer Spannweite von 100 % erstreckt. Das Verhältnis des Radius der Fanschaufel an der Nabe zu dem Radius der Fanschaufel an der Spitze kann bei weniger als (oder in der Größenordnung von): 0,4, 0,39, 0,38, 0,37, 0,36, 0,35, 0,34, 0,33, 0,32, 0,31, 0,3, 0,29, 0,28, 0,27, 0,26 oder 0,25 liegen. Das Verhältnis des Radius der Fanschaufel an der Nabe zu dem Radius der Fanschaufel an der Spitze kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei Werten im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Diese Verhältnisse können allgemeinhin als das Nabe-Spitze-Verhältnis bezeichnet werden. Der Radius an der Nabe und der Radius an der Spitze können beide an der vorderen Kante (oder der axial am weitesten vorne liegenden Kante) der Schaufel gemessen werden. Das Nabe-Spitze-Verhältnis bezieht sich natürlich auf den von Gas überströmten Abschnitt der Fanschaufel, d. h. den Abschnitt, der sich radial außerhalb jeglicher Plattform befindet.
Der Radius des Fans kann zwischen der Mittellinie des Triebwerks und der Spitze der Fanschaufel an ihrer vorderen Kante gemessen werden. Der Durchmesser des Fans (der allgemein das Doppelte des Radius des Fans sein kann) kann größer als (oder in der Größenordnung von): 250 cm (etwa 100 Inch), 260 cm, 270 cm (etwa 105 Inch), 280 cm (etwa 110 Inch), 290 cm (etwa 115 Inch), 300 cm (etwa 120 Inch), 310 cm, 320 cm (etwa 125 Inch), 330 cm (etwa 130 Inch), 340 cm (etwa 135 Inch), 350 cm, 360 cm (etwa 140 Inch), 370 cm (etwa 145 Inch), 380 cm (etwa 150 Inch) oder 390 cm (etwa 155 Inch) sein (liegen). Der Fandurchmesser kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Die Drehzahl des Fans kann im Betrieb variieren. Allgemein ist die Drehzahl geringer für Fans mit einem größeren Durchmesser. Lediglich als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Fans bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen weniger als 2500 U/min, beispielsweise weniger als 2300 U/min, betragen. Lediglich als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann auch die Drehzahl des Fans bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen für ein Triebwerk mit einem Fandurchmesser im Bereich von 250 cm bis 300 cm (beispielsweise 250 cm bis 280 cm) im Bereich von 1700 U/min bis 2500 U/min, beispielsweise im Bereich von 1800 U/min bis 2300 U/min, beispielsweise im Bereich von 1900 U/min bis 2100 U/min, liegen. Lediglich als ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel kann die Drehzahl des Fans bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen für ein Triebwerk mit einem Fandurchmesser im Bereich von 320 cm bis 380 cm in dem Bereich von 1200 U/min bis 2000 U/min, beispielsweise in dem Bereich von 1300 U/min bis 1800 U/min, beispielsweise in dem Bereich von 1400 U/min bis 1600 U/min, liegen.
Im Gebrauch des Gasturbinentriebwerks dreht sich der Fan (mit zugehörigen Fanschaufeln) um eine Drehachse. Diese Drehung führt dazu, dass sich die Spitze der Fanschaufel mit einer Geschwindigkeit U_Spitze bewegt. Die von den Fanschaufeln an der Strömung verrichtete Arbeit resultiert in einem Anstieg der Enthalpie dH der Strömung. Eine Fanspitzenbelastung kann als dH/U_Spitze ² definiert werden, wobei dH der Enthalpieanstieg (beispielsweise der durchschnittliche 1-D-Enthalpieanstieg) über den Fan hinweg ist und U_Spitze die (Translations-) Geschwindigkeit der Fanspitze, beispielsweise an der vorderen Kante der Spitze, ist (die als Fanspitzenradius am vorderen Rand multipliziert mit der Winkelgeschwindigkeit definiert werden kann). Die Fanspitzenbelastung bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen kann mehr als (oder in der Größenordnung von): 0,3, 0,31, 0,32, 0,33, 0,34, 0,35, 0,36, 0,37, 0,38, 0,39 oder 0,4 betragen (liegen) (wobei alle Einheiten in diesem Abschnitt Jkg^-1K^-1/(ms^-1)² sind). Die Fanspitzenbelastung kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Gasturbinentriebwerke gemäß der vorliegenden Offenbarung können ein beliebiges gewünschtes Bypassverhältnis aufweisen, wobei das Bypassverhältnis als das Verhältnis des Massendurchsatzes der Strömung durch den Bypasskanal zu dem Massendurchsatz der Strömung durch den Kern bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen definiert wird. Bei einigen Anordnungen kann das Bypassverhältnis mehr als (oder in der Größenordnung von): 10, 10,5, 11, 11,5, 12, 12,5, 13, 13,5, 14, 14,5, 15, 15,5, 16, 16,5 oder 17 betragen (liegen). Das Bypassverhältnis kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Der Bypasskanal kann im Wesentlichen ringförmig sein. Der Bypasskanal kann sich radial außerhalb des Kerntriebwerks befinden. Die radial äußere Fläche des Bypasskanals kann durch eine Triebwerksgondel und / oder ein Fangehäuse definiert werden.
Das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, das hier beschrieben und / oder beansprucht wird, kann als das Verhältnis des Staudrucks stromaufwärts des Fans zu dem Staudruck am Ausgang des Höchstdruckverdichters (vor dem Eingang in die Brennervorrichtung) definiert werden. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das Gesamtdruckverhältnis eines Gasturbinentriebwerks, das hier beschrieben und / oder beansprucht wird, bei Konstantgeschwindigkeit mehr als (oder in der Größenordnung von): 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75 betragen (liegen). Das Gesamtdruckverhältnis kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden).
Der spezifische Schub eines Triebwerks kann als der Nettoschub des Triebwerks dividiert durch den Gesamtmassenstrom durch das Triebwerk hindurch definiert werden. Bei Konstantgeschwindigkeitsbedingungen kann der spezifische Schub eines Triebwerks, das hier beschrieben und / oder beansprucht wird, weniger als (oder in der Größenordnung von): 110 N kg^-1s, 105 Nkg^-1s, 100 Nkg^-1s, 95 Nkg^-1s, 90 Nkg^-1s, 85 Nkg^-1s oder 80 Nkg^-1s betragen (liegen). Der spezifische Schub kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Solche Triebwerke können im Vergleich zu herkömmlichen Gasturbinentriebwerken besonders effizient sein.
Ein Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben und / oder beansprucht wird, kann einen beliebigen gewünschten Höchstschub aufweisen. Lediglich als ein nicht einschränkendes Beispiel kann eine Gasturbine, die hier beschrieben und / oder beansprucht wird, zur Erzeugung eines Höchstschubs von mindestens (oder in der Größenordnung von): 160 kN, 170 kN, 180 kN, 190 kN, 200 kN, 250 kN, 300 kN, 350 kN, 400 kN, 450 kN, 500 kN oder 550kN in der Lage sein. Der Höchstschub kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Der Schub, auf den oben Bezug genommen wird, kann der Nettohöchstschub bei standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen auf Meereshöhe plus 15 °C (Umgebungsdruck 101,3 kPa, Temperatur 30 °C) bei statischem Triebwerk sein.
Im Gebrauch kann die Temperatur der Strömung am Eingang der Hochdruckturbine besonders hoch sein. Diese Temperatur, die als TET bezeichnet werden kann, kann an dem Ausgang zur Brennvorrichtung, beispielsweise unmittelbar stromaufwärts der ersten Turbinenschaufel, die wiederum als eine Düsenleitschaufel bezeichnet werden kann, gemessen werden. Bei Konstantgeschwindigkeit kann die TET mindestens (oder in der Größenordnung von): 1400 K, 1450 K, 1500 K, 1550 K, 1600 K oder 1650 K betragen (liegen). Die TET bei Konstantgeschwindigkeit kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET im Gebrauch des Triebwerks kann beispielsweise mindestens (oder in der Größenordnung von): 1700 K, 1750 K, 1800 K, 1850 K, 1900 K, 1950 K oder 2000 K betragen (liegen). Die maximale TET kann in einem abgeschlossenen Bereich liegen, der von zwei der Werte im vorhergehenden Satz begrenzt wird (d. h. die Werte können obere oder untere Grenzen bilden). Die maximale TET kann beispielsweise bei einer Bedingung von hohem Schub, beispielsweise bei einer MTO-Bedingung (MTO - Maximum Take-Off thrust - maximaler Startschub), auftreten.
Eine Fanschaufel und / oder ein Blattabschnitt (aerofoil) einer Fanschaufel, die hier beschrieben und / oder beansprucht wird, kann aus einem beliebigen geeigneten Material oder einer Kombination aus Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Fanschaufel und / oder des Blatts zumindest zum Teil aus einem Verbundstoff, beispielsweise einem Metallmatrix-Verbundstoff und / oder einem Verbundstoff mit organischer Matrix, wie z. B. Kohlefaser, hergestellt werden. Als ein weiteres Beispiel kann zumindest ein Teil der Fanschaufel und / oder des Blatts zumindest zum Teil aus einem Metall, wie z. B. einem auf Titan basierendem Metall oder einem auf Aluminium basierenden Material (wie z. B. einer Aluminium-Lithium-Legierung) oder einem auf Stahl basierenden Material hergestellt werden. Die Fanschaufel kann mindestens zwei Bereiche umfassen, die unter Verwendung verschiedener Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann die Fanschaufel eine vordere Schutzkante aufweisen, die unter Verwendung eines Materials hergestellt wird, das dem Aufschlagen (beispielsweise von Vögeln, Eis oder anderem Material) besser widerstehen kann als der Rest der Schaufel. Solch eine vordere Kante kann beispielsweise unter Verwendung von Titan oder einer auf Titan basierenden Legierung hergestellt werden. Somit kann die Fanschaufel lediglich als ein Beispiel einen auf Kohlefaser oder Aluminium basierenden Körper (wie z. B. eine Aluminium-Lithium-Legierung) mit einem vorderen Rand aus Titan aufweisen.
Ein Fan, der hier beschrieben und / oder beansprucht wird, kann einen mittleren Abschnitt umfassen, von dem sich die Fanschaufeln, beispielsweise in einer radialen Richtung, erstrecken können. Die Fanschaufeln können auf beliebige gewünschte Art und Weise an dem mittleren Abschnitt angebracht sein. Beispielsweise kann jede Fanschaufel eine Fixierungsvorrichtung umfassen, die mit einem entsprechenden Schlitz in der Nabe (oder Scheibe) in Eingriff gelangen kann. Lediglich als ein Beispiel kann solch eine Fixierungsvorrichtung in Form eines Schwalbenschwanzes vorliegen, der zur Fixierung der Fanschaufel an der Nabe/Scheibe in einen entsprechenden Schlitz in der Nabe/Scheibe eingesteckt und / oder damit in Eingriff gebracht werden kann. Als ein weiteres Beispiel können die Fanschaufeln integral mit einem mittleren Abschnitt ausgebildet sein. Solch eine Anordnung kann als eine Blisk oder ein Bling bezeichnet werden. Ein beliebiges geeignetes Verfahren kann zur Herstellung solch einer Blisk oder solch eines Bling verwendet werden. Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Fanschaufeln aus einem Block maschinell herausgearbeitet werden und / oder mindestens ein Teil der Fanschaufeln kann durch Schweißen, wie z. B. lineares Reibschweißen, an der Nabe/Scheibe angebracht werden.
Die Gasturbinentriebwerke, die hier beschrieben beansprucht werden, können oder können nicht mit einer VAN (Variable Area Nozzle - Düse mit variablem Querschnitt) versehen sein. Solch eine Düse mit variablem Querschnitt kann im Betrieb eine Variation des Ausgangsquerschnitts des Bypasskanals erlauben. Die allgemeinen Prinzipien der vorliegenden Offenbarung können auf Triebwerke mit oder ohne eine VAN zutreffen.
Der Fan einer Gasturbine, die hier beschrieben beansprucht wird, kann eine beliebige gewünschte Anzahl an Fanschaufeln, beispielsweise 16, 18, 20 oder 22 Fanschaufeln, aufweisen.
Gemäß der hier erfolgenden Verwendung können Konstantgeschwindigkeitsbedingungen die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen eines Luftfahrzeugs, an dem das Gasturbinentriebwerk angebracht ist, bedeuten. Solche Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können herkömmlicherweise als die Bedingungen während des mittleren Teils des Flugs definiert werden, beispielsweise die Bedingungen, denen das Luftfahrzeug das Triebwerk zwischen (hinsichtlich Zeit Entfernung) dem Ende des Steigflugs und dem Beginn des Sinkflugs ausgesetzt wird bzw. werden.
Lediglich als ein Beispiel kann die Vorwärtsgeschwindigkeit bei der Konstantgeschwindigkeitsbedingung bei einem beliebigen Punkt im Bereich von Mach 0,7 bis 0,9, beispielsweise 0,75 bis 0,85, beispielsweise 0,76 bis 0,84, beispielsweise 0,77 bis 0,83, beispielsweise 0,78 bis 0,82, beispielsweise 0,79 bis 0,81, beispielsweise in der Größenordnung von Mach 0,8, in der Größenordnung von Mach 0,85 oder in dem Bereich von 0,8 bis 0,85 liegen. Eine beliebige Geschwindigkeit innerhalb dieser Bereiche kann die Konstantgeschwindigkeitsbedingung sein. Bei einigen Luftfahrzeugen können die Konstantgeschwindigkeitsbedingung außerhalb dieser Bereiche, beispielsweise unter Mach 0,7 oder über Mach 0,9, liegen.
Lediglich als ein Beispiel können die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen bei einer Höhe entsprechen, die im Bereich von 10.000 m bis 15.000 m, beispielsweise im Bereich von 10.000 m bis 12.000 m, beispielsweise im Bereich von 10.400 m bis 11.600 m (etwa 38.000 Fuß) beispielsweise im Bereich von 10.500 m bis 11.500 m, beispielsweise im Bereich von 10.600 m bis 11.400 m, beispielsweise im Bereich von 10.700 m (etwa 35.000 Fuß) bis 11.300 m, beispielsweise im Bereich von 10.800 m bis 11.200 m, beispielsweise im Bereich von 10.900 m bis 11.100 m, beispielsweise in der Größenordnung von 11.000 m, liegt. Die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können standardmäßigen atmosphärischen Bedingungen bei einer beliebigen gegebenen Höhe in diesen Bereichen entsprechen.
Lediglich als ein Beispiel können die Konstantgeschwindigkeitsbedingungen Folgendem entsprechen: einer Vorwärts-Mach-Zahl von 0,8; einem Druck von 23.000 Pa und einer Temperatur von -55 °C.
So wie sie hier durchweg verwendet werden, können „Konstantgeschwindigkeit“ oder „Konstantgeschwindigkeitsbedingungen“ den aerodynamischen Auslegungspunkt bedeuten. Solch ein aerodynamischer Auslegungspunkt (oder ADP - Aerodynamic Design Point) kann den Bedingungen (darunter beispielsweise die Mach-Zahl, Umgebungsbedingungen und Schubanforderung), für die der Fanbetrieb ausgelegt ist, entsprechen. Dies kann beispielsweise die Bedingungen, bei denen der Fan (oder das Gasturbinentriebwerk) konstruktionsgemäß den optimalen Wirkungsgrad aufweist, bedeuten.
Im Betrieb kann ein Gasturbinentriebwerk, das hier beschrieben beansprucht wird, bei den Konstantgeschwindigkeitsbedingungen, die hier an anderer Stelle definiert werden, betrieben werden. Solche Konstantgeschwindigkeitsbedingungen können von den Konstantgeschwindigkeitsbedingungen (beispielsweise den Bedingungen während des mittleren Teils des Fluges) eines Luftfahrzeugs, an dem mindestens ein (beispielsweise zwei oder vier) Gasturbinentriebwerk(e) zur Bereitstellung von Schubkraft befestigt sein kann, bestimmt werden.
Für den Fachmann ist verständlich, dass ein Merkmal oder Parameter, das bzw. der in Bezug auf einen der obigen Aspekte beschrieben wird, bei einem beliebigen anderen Aspekt angewendet werden kann, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Des Weiteren kann ein beliebiges Merkmal oder ein beliebiger Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, bei einem beliebigen Aspekt angewendet werden mit einem beliebigen anderen Merkmal oder Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, kombiniert werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen:

1 eine Seitenschnittansicht eines Gasturbinentriebwerks;
2 eine Seitenschnittgroßansicht eines stromaufwärtigen Abschnitts eines Gasturbinentriebwerks;
3 eine zum Teil weggeschnittene Ansicht eines Getriebes für ein Gasturbinentriebwerk;
4 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform zur Herstellung eines Bauteils eines Gasturbinentriebwerks;
5 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels zur Herstellung eines Bauteils eines Gasturbinentriebwerks;
6 eine schematische Darstellung einer Stahlmatrix mit Nanopartikeln.

1 stellt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Hauptdrehachse 9 dar. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Lufteinlass 12 und ein Fan 23, der zwei Luftströme erzeugt: einen Kernluftstrom A und einen Bypassluftstrom B. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Kern 11, der den Kernluftstrom A aufnimmt. Das Kerntriebwerk 11 umfasst in Axialströmungsreihenfolge einen Niederdruckverdichter 14, einen Hochdruckverdichter 15, eine Verbrennungseinrichtung 16, eine Hochdruckturbine 17, eine Niederdruckturbine 19 und eine Kernschubdüse 20. Eine Triebwerksgondel 21 umgibt das Gasturbinentriebwerk 10 und definiert einen Bypasskanal 22 und eine Bypassschubdüse 18. Der Bypassluftstrom B strömt durch den Bypasskanal 22. Der Fan 23 ist über eine Welle 26 und ein epizyklisches Planetengetriebe 30 an der Niederdruckturbine 19 angebracht und wird durch diese angetrieben.
Im Betrieb wird der Kernluftstrom A durch den Niederdruckverdichter 14 beschleunigt und verdichtet und in den Hochdruckverdichter 15 geleitet, wo eine weitere Verdichtung erfolgt. Die aus dem Hochdruckverdichter 15 ausgestoßene verdichtete Luft wird in die Verbrennungseinrichtung 16 geleitet, wo sie mit Kraftstoff vermischt wird und das Gemisch verbrannt wird. Die resultierenden heißen Verbrennungsprodukte breiten sich dann durch die Hochdruck- und die Niederdruckturbine 17, 19 aus und treiben diese dadurch an, bevor sie zur Bereitstellung einer gewissen Schubkraft durch die Düse 20 ausgestoßen werden. Die Hochdruckturbine 17 treibt den Hochdruckverdichter 15 durch eine geeignete Verbindungswelle 27 an. Der Fan 23 stellt allgemein den Hauptteil der Schubkraft bereit. Das epizyklische Planetengetriebe 30 ist ein Untersetzungsgetriebe.
Eine beispielhafte Anordnung für ein Getriebe-Fan-Gasturbinentriebwerk 10 wird in 2 gezeigt. Die Niederdruckturbine 19 (siehe 1) treibt die Welle 26 an, die mit einem Sonnenrad 28 des epizyklischen Planetengetriebes 30 gekoppelt ist.
Mehrere Planetenräder 32, die durch einen Planetenträger 34 miteinander gekoppelt sind, befinden sich von dem Sonnenrad 28 radial außen und kämmen damit. Der Planetenträger 34 führt die Planetenräder 32 so, dass sie synchron um das Sonnenrad 28 kreisen, während er ermöglicht, dass sich jedes Planetenrad 32 um seine eigene Achse drehen kann. Der Planetenträger 34 ist über Gestänge 36 mit dem Fan 23 dahingehend gekoppelt, seine Drehung um die Triebwerksachse 9 anzutreiben. Ein Außenrad oder Hohlrad 38, das über Gestänge 40 mit einer stationären Stützstruktur 24 gekoppelt ist, befindet sich von den Planetenrädern 32 radial außen und kämmt damit.
Es wird angemerkt, dass die Begriffe „Niederdruckturbine“ und „Niederdruckverdichter“, so wie sie hier verwendet werden, so aufgefasst werden können, dass sie die Turbinenstufe mit dem niedrigsten Druck bzw. die Verdichterstufe mit dem niedrigsten Druck (d. h. dass sie nicht den Fan 23 umfassen) die Turbinen- und Verdichterstufe, die durch die verbindende Welle 26 mit der niedrigsten Drehzahl in dem Triebwerk (d. h. dass sie nicht die Getriebeausgangswelle, die den Fan 23 antreibt, umfasst) miteinander verbunden sind, bedeuten. In einigen Schriften können die „Niederdruckturbine“ und der „Niederdruckverdichter“, auf die hier Bezug genommen wird, alternativ dazu als die „Mitteldruckturbine“ und „Mitteldruckverdichter“ bekannt sein. Bei der Verwendung derartiger alternativer Nomenklatur kann der Fan 23 als eine erste Verdichtungsstufe oder Verdichtungsstufe mit dem niedrigsten Druck bezeichnet werden.
Das epizyklische Planetengetriebe 30 wird in 3 beispielhaft genauer gezeigt. Das Sonnenrad 28, die Planetenräder 32 und das Hohlrad 38 umfassen jeweils Zähne an ihrem Umfang, um ein Kämmen mit den anderen Zahnrädern zu ermöglichen. Jedoch werden der Übersichtlichkeit halber lediglich beispielhafte Abschnitte der Zähne in 3 dargestellt. Obgleich vier Planetenräder 32 dargestellt werden, liegt für den Fachmann auf der Hand, dass innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung mehr oder weniger Planetenräder 32 vorgesehen sein können. Praktische Anwendungen eines epizylischen Planetengetriebes 30 umfassen allgemein mindestens drei Planetenräder 32.
Das in 2 und 3 beispielhaft dargestellte epizyklische Planetengetriebe 30 ist ein Planetengetriebe, bei dem der Planetenträger 34 über Gestänge 36 mit einer Ausgangswelle gekoppelt ist, wobei das Hohlrad 38 festgelegt ist. Jedoch kann eine beliebige andere geeignete Art von Planetengetriebe 30 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel kann das Planetengetriebe 30 eine Sternanordnung sein, bei der der Planetenträger 34 festgelegt gehalten wird, wobei gestattet wird, dass sich das Hohlrad (oder Außenrad) 38 dreht. Bei solch einer Anordnung wird der Fan 23 von dem Hohlrad 38 angetrieben. Als ein weiteres alternatives Beispiel kann das Getriebe 30 ein Differenzialgetriebe sein, bei dem gestattet wird, dass sich sowohl das Hohlrad 38 als auch der Planetenträger 34 drehen.
Es versteht sich, dass die in 2 und 3 gezeigte Anordnung lediglich beispielhaft ist und verschiedene Alternativen in dem Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung liegen. Lediglich beispielhaft kann eine beliebige geeignete Anordnung zur Positionierung des Getriebes 30 in dem Gasturbinentriebwerk 10 zur Verbindung des Getriebes 30 mit dem Gasturbinentriebwerk 10 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel können die Verbindungen (z. B. die Gestänge 36, 40 in dem Beispiel von 2) zwischen dem Getriebe 30 und anderen Teilen des Gasturbinentriebwerk 10 (wie z. B. der Eingangswelle 26, der Ausgangswelle und der festgelegten Struktur 24) einen gewissen Grad an Steifigkeit oder Flexibilität aufweisen. Als ein weiteres Beispiel kann eine beliebige geeignete Anordnung der Lager zwischen rotierenden und stationären Teilen des Gasturbinentriebwerk 10 (beispielsweise zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle des Getriebes und den festgelegten Strukturen, wie z. B. dem Getriebegehäuse) verwendet werden, und die Offenbarung ist nicht auf die beispielhafte Anordnung von 2 beschränkt. Beispielsweise ist für den Fachmann ohne Weiteres erkenntlich, dass sich die Anordnung von Ausgang und Stützgestängen und Lagerpositionierungen bei einer Sternanordnung (oben beschrieben) des Getriebes 30 in der Regel von jenen, die beispielhaft in 2 gezeigt werden, unterscheiden würden.
Entsprechend dehnt sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk mit einer beliebigen Anordnung der Getriebearten (beispielsweise sternförmig oder epizyklisch planetenartig), Stützstrukturen, Eingangs- und Ausgangswellenanordnung und Lagerpositionierungen aus.
Optional kann das Getriebe Neben- alternative Komponenten (z. B. den Mitteldruckverdichter einen Nachverdichter) antreiben.
Andere Gasturbinentriebwerke, bei denen die vorliegende Offenbarung Anwendung finden kann, können alternative Konfigurationen aufweisen. Beispielsweise können derartige Triebwerke eine alternative Anzahl an Verdichtern Turbinen eine alternative Anzahl an Verbindungswellen aufweisen. Als ein weiteres Beispiel weist das in 1 gezeigte Gasturbinentriebwerk eine Teilungsstromdüse 20, 22 auf, was bedeutet, dass der Strom durch den Bypasskanal 22 seine eigene Düse aufweist, die von der Triebwerkskerndüse 20 separat und davon radial außen ist. Jedoch ist dies nicht einschränkend und ein beliebiger Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann auch auf Triebwerke zutreffen, bei denen der Strom durch den Bypasskanal 22 und der Strom durch den Kern 11 vor (oder stromaufwärts) einer einzigen Düse, die als eine Mischstromdüse bezeichnet werden kann, vermischt oder kombiniert werden. Eine oder beide Düsen (ob Misch- oder Teilungsstrom) kann einen festgelegten oder variablen Bereich aufweisen. Obgleich sich das beschriebene Beispiel auf ein Turbofantriebwerk bezieht, kann die Offenbarung beispielsweise bei einer beliebigen Art von Gasturbinentriebwerk, wie z. B. bei einem Open-Rotor- (bei dem die Fanstufe nicht von einer Triebwerksgondel umgeben wird) oder einem Turboprop-Triebwerk, angewendet werden. Bei einigen Anordnungen umfasst das Gasturbinentriebwerk 10 möglicherweise kein Getriebe 30.
Die Geometrie des Gasturbinentriebwerks 10 und Komponenten davon wird bzw. werden durch ein herkömmliches Achsensystem definiert, das eine axiale Richtung (die auf die Drehachse 9 ausgerichtet ist), eine radiale Richtung (in der Richtung von unten nach oben in 1) und eine Umfangsrichtung (senkrecht zu der Ansicht in 1) umfasst. Die axiale, die radiale und die Umfangsrichtung verlaufen senkrecht zueinander.
Aus der Beschreibung des Gasturbinentriebwerks 10, insbesondere in der Form des Fan-Getriebe-Gasturbinentriebwerks 10, wird deutlich, dass diese eine Vielzahl von Bauteilen beinhalten, die eine sehr hohe Festigkeit (d.h. ein hohes Elastizitätsmodul) aufweisen müssen, gleichzeitig aber leicht sein müssen.
Um Bauteile herzustellen, die diese Eigenschaften haben, wird in 4 eine erste Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens schematisch dargestellt.
Dabei wird eine Schmelze 50 eines Stahlwerkstoffsystems mit mindestens einer keramischen und / oder interkeramischen Phase einer Erstarrung mit einer sehr hohen Abkühlrate Q ausgesetzt. Bei der Erstarrung aus einer Schmelze 50 ist die Abkühlrate Q größer als 20 K / s, insbesondere größer als 40 K / s. Sie kann auch im Bereich zwischen 50 und 150 K / s liegen. Die Erstarrung aus der Schmelze 50 kann z.B. im Rahmen eines 3D-Druckverfahrens erfolgen, bei dem Metallschmelze gezielt auf ein Substrat aufgebracht wird um ein Bauteil 50 herzustellen. Alternativ kann die Schmelze 50 auch bei Auftragsschweißen, Schutzgasschweißen oder Laserschweißen erzeugt werden.
In der 5 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei der eine Verdüsung der Schmelze, z.B. im Rahmen eines pulvermetallurgischen Verfahrens, stattfindet. Dabei kann die Abkühlrate Q größer als 10⁴ K / s, insbesondere größer 10⁵ K / s, sein. Die Abkühlrate Q kann insbesondere größer als 10⁷ K /s und kleiner als 10⁸ K / s sein. Bei der Gasverdüsung schließt sich ein HIPen an, um das Material zu verdichten. Im Anschluss daran könnte das Materia in einem weiteren Verarbeitungsschritt noch geschmiedet oder weiter verarbeitet werden, d.h. es würde ein maschinelle Endkonturfertigung und ggf. eine Wärmebehandlung (wie üblich bei Stahl) erfolgen. Oberflächenveredelungsverfahren, wie z.B. Kugelstrahlen, können auch eingesetzt werden.
In jedem Fall entstehen in der Schmelze, z.B. durch Ausscheidung, Nanopartikel 51 (siehe 6 mit den Nanopartikeln 51 zwischen den Körnern der Stahlmatrix 52) aus der keramischen und / oder interkeramischen Phase in einer Stahlmatrix, wobei in einem weiteren Verfahrensschritt eine maschinelle Bearbeitung erfolgt (hier nicht dargestellt), um das Bauteil herzustellen.
Dermaßen hergestellte Bauteile können z.B. ein Planetenträger 34, Planetenräder 32 oder ein Wellenteil, wie z.B. ein Sonnenrad 28, sein.
Die keramische und / oder interkeramische Phase kann dabei ein Borid, insbesondere Titanborid TiB₂ und / oder Chromborid Cr₂B, aufweisen oder aus diesen Materialien bestehen. Durch die geringe Größe der ausgeschiedenen Nanopartikel 51 in der Stahlmatrix 52 (siehe schematische Darstellung in der 6) wird das Elastizitätsmodul des Stahlswerksystems erhöht und eine Verfestigung durch Ausscheidungshärtung erreicht. Das letztere ist ein zusätzlicher Effekt durch eine Feinkornverfestigung durch Korngrenz-Pinnen.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beliebige der Merkmale können separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, aus und umfasst diese.
Bezugszeichenliste

9: Hauptdrehachse
10: Gasturbinentriebwerk
11: Kerntriebwerk
12: Lufteinlass
14: Niederdruckverdichter
15: Hochdruckverdichter
16: Verbrennungseinrichtung
17: Hochdruckturbine
18: Bypassschubdüse
19: Niederdruckturbine
20: Kernschubdüse
21: Triebwerksgondel
22: Bypasskanal
23: Fan
24: stationäre Stützstruktur
26: Welle
27: Verbindungswelle
28: Sonnenrad
30: Getriebe
32: Planetenräder
34: Planetenträger
36: Gestänge
38: Hohlrad
40: Gestänge
50: Schmelze
51: Nanopartikel
52: Stahlmatrix
A: Kernluftstrom
B: Bypassluftstrom
Q: Abkühlrate

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 Nicht-Patentliteratur

Aparicio-Fernandez et al., Crystallisation of amporphous Fe-Ti-B alloys as design pathway for nano-structured high modulus steels, Journal of Alloys and Compounds 704 (2017), 565-573 [0002]

Claims

Herstellungsverfahren für ein Bauteil (28, 32, 34) eines Gasturbinentriebwerks (10) mit einem mit Nanopartikeln (51) verstärkten Stahlwerkstoffsystem, dadurch gekennzeichnet, dass a) eine Schmelze (50) des mit mindestens einer keramischen und / oder interkeramischen Phase versehenen Stahlwerkstoffsystems einer Erstarrung mit einer sehr hohen Abkühlrate (Q) ausgesetzt wird, wobei b) bei einer Erstarrung aus einer Schmelze (50) die Abkühlrate (Q) größer als 20 K / s, insbesondere größer als 40 K / s ist oder bei einer Erstarrung mittels einer Verdüsung der Schmelze (50) die Abkühlrate (Q) größer als 10⁴ K / s, insbesondere größer als 10⁵ K / s ist, so dass Nanopartikel (51) aus der keramischen und / oder interkeramischen Phase in einer Stahlmatrix (52) entstehen und in einem weiteren Verfahrensschritt c) eine maschinelle Bearbeitung erfolgt, um das Bauteil (28, 32, 34) herzustellen.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstarrung aus der Schmelze (50) bei einem 3D-Druckverfahren erfolgt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim 3D-Druckverfahren ein Draht oder eine dünne Stange eingesetzt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim 3D-Druckverfahren Auftragsschweißen, Schutzgasschweißen oder Laserschweißen eingesetzt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstarrung aus der Schmelze (50) durch eine Verdüsung im Rahmen eines pulvermetallurgischen Verfahrens erfolgt.
Herstellungsverfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische und / oder interkeramische Phase ein Borid, insbesondere Titanborid TiB₂ und / oder Chromborid Cr₂B, aufweist oder aus diesen Materialien besteht.
Herstellungsverfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Durchmesser der Nanopartikel (51) im Bereich zwischen 20 nm bis 200 nm, insbesondere im Bereich zwischen 50 und 150 nm, liegt.
Herstellungsverfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlrate (Q) bei der Erstarrung aus der Schmelze (50) größer als 50 K / s und kleiner als 150 K / s ist.
Herstellungsverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlrate (Q) bei der Erstarrung mittels Verdüsung größer als 10⁶ K / s, insbesondere größer als 10⁷ K /s und kleiner als 10⁸ K / s ist.
Herstellungsverfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder nach der maschinellen Bearbeitung eine Wärmebehandlung des Bauteils (28, 32, 34) erfolgt.
Bauteil (28, 32, 34) für ein Gasturbinentriebwerk (10), herstellbar nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.
Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasturbinentriebwerk (10) als Getriebe-Fan-Gasturbinentriebwerk ausgebildet ist und das Bauteil ein Planetenträger (34) für Planetenräder (32), ein Wellenteil, ein Sonnenrad (28), ein Planetenrad (32) oder ein Pin für ein Planetenrad (32) ist.
Gasturbinentriebwerk (10) für ein Luftfahrzeug, das Folgendes umfasst: ein Kerntriebwerk (11), das eine Turbine (19), einen Verdichter (14) und eine die Turbine mit dem Verdichter verbindende Kernwelle (26) umfasst; einen Fan (23), der stromaufwärts des Kerntriebwerks (11) positioniert ist, wobei der Fan (23) mehrere Fanschaufeln umfasst; und ein Getriebe (30), das von der Kernwelle (26) antreibbar ist, wobei der Fan (23) mittels des Getriebes (30) mit einer niedrigeren Drehzahl als die Kernwelle (26) antreibbar ist, wobei das Gasturbinentriebwerk (10) mindestens ein Bauteil (28, 32, 34) nach Anspruch 11 oder 12 aufweist.