DE10209347B4

DE10209347B4 - Herstellungsverfahren für einen Turbinenradläufer

Info

Publication number: DE10209347B4
Application number: DE10209347A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr.rer.nat. Baur; Peter Dr.-Ing. Busse; Peter Dipl.-Ing. Fledersbacher; Daniel Bala Dipl.-Ing. Wortberg
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-03-02
Filing date: 2002-03-02
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2022-03-03
Also published as: DE10209347A1; US6899522B2; JP2003254076A; US20040009072A1

Abstract

Verfahren zum Ausbilden eines Verbundes zwischen einer Welle (1) und einem Turbinenrad (2) eines Turbinenradläufers oder einem Verdichterrad,
dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund zwischen diesen Teilen durch Umgießen eines Wellenendes mit einer Gusslegierung ausgebildet wird, wobei die Welle (1) aus Stahl und die Gusslegierung aus einer intermetallischen Verbindung aus dem System TiAl besteht,
in der Weise, dass die Erstarrung der Gusslegierung entgegen der Formfüllrichtung (5) mit einer Nachspeisung mit hohem Fülldruck erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren zum Ausbilden eines Verbundes zwischen einer Welle und einem Turbinenrad eines Turbinenradläufers oder einem Verdichterrad mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Derzeit eingesetzte Turbinenräder basieren meist auf Ni-Basis-Legierungen. Vereinzelt wurden auch Turbinenräder aus TiAl untersucht und eingesetzt. Nach dem Stand der Technik werden Turbinenräder zuerst im Feinguss oder mit vergleichbaren Verfahren hergestellt und anschließend in einem oder mehreren Arbeitsschritten mit der Welle verbunden. Dabei kommen meist Löt- oder Schweißprozesse zum Einsatz. Die Welle wird im Gegensatz zum Turbinenrad konventionell aus Stahl gefertigt. Die Verbindung muss sehr hohen mechanischen Belastungen, insbesondere bei Beschleunigungsvorgängen, standhalten.
Derzeitig werden einteilige Lagergehäuse verwendet, durch die die Welle mit dem fest verbundenen Turbinenrad durchgeführt wird und auf der anderen Seite über eine Press- oder Schraubverbindung mit dem Verdichterrad verbunden wird.
Die Verdichterräder werden bevorzugt aus Aluminiumlegierung gefertigt. Zum Einsatz kommt dabei gewöhnlich das Feingussverfahren. Unzureichende Festigkeit hat jedoch dazu geführt, dass Verdichterräder zum Teil auch wesentlich kostenintensiver „aus dem Vollen" gefräst werden. Mit neuen Ansätzen wird derzeit versucht, den Festigkeitsproblemen bei Verdichterrädern durch die Verwendung von Titan-Legierungen zu begegnen.
In der Serienproduktion werden die konventionell verwendeten Nickelbasis-Turbinenrädern mittels Reibschweißverfahren mit der Welle verbunden. In der Verbindungstechnik Stahlwelle – TiAl-Rad werden meist Verfahren angewandt, bei denen die Welle über ein Zwischenstück aus austenitischem rostfreiem Stahl, einem wärmebeständigem Stahl oder einer Superlegierung auf Ni-, Co-, bzw. Fe-Basis besteht.
Auch werden Zwischenstücke aus zwei miteinander verbundenen Zylinderabschnitten verwendet. Zur Verbindung der Zwischenstücke mit Welle bzw. Rad kommen sowohl Reibschweißverfahren als auch Lötverfahren zum Einsatz.

Aus der Druckschrift EP 0368642 bekannt ist ein Verfahren zum Ausbilden eines Verbundes zwischen einem aus einer intermetallischen Ti-Al-Legierung bestehenden Turbinenrotor und einem Stahlbauteil. Der Verbund wird unter Verwendung eines Zwischenteils, das beispielsweise aus einem austenitischen Stahl besteht, mittels Reibschweißung ausgebildet. In einer Ausführungsform wurde das Zwischenteil bereits mit dem Ti-Al-Legierungsteil durch Einsatzgießen verbunden.

Aus der Druckschrift JP 02173322 bekannt ist ein aus einem Stück hergestellter Ti-Al Turbinenrotor, bestehend aus Rad und Welle.

Aus der Druckschrift „Druckguss, ein wirtschaftliches Fertigungsverfahren", Gießerei, 86, 199 Heft8, Seite 55 ist bekannt, dass die Möglichkeit einer Mischbauweise durch Eingießen von Büchsen, Bolzen und anderen Fremdteilen aus Stahl oder selbst nicht metallischen Werkstoffen besteht. Aus der Druckschrift „Werkstoffkundliche Grundlagen des Verbundgießens von Gusseisen mit Stahl", TZ für praktische Metallbearbeitung, 55, 1961, Heft 10, Seite 576 ist der Verbundguss von Gusseisen mit Stahl bekannt bei dem ein festes Werkstück durch einen Gießprozess mit dem Gießmetall verbunden wird.

Abgesehen von einstückigen Ausführungen besteht bei mehrstückigen Turbinenrotoren der Nachteil, eine geeignete Verbindung der einzelnen Teile zu gewährleisten.

Aufgabe der Erfindung ist, die Teile mehrstückiger Turbinenradläufer aus unterschiedlichen Metallen zuverlässig miteinander zu verbinden und ein festes und Lunker-freies Turbinenrad zu erzeugen.

Die Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer in-situ-Verbindung von Turbinenrad und Welle eines Abgasturboladers für Kraftfahrzeuge über einen gießtechnischen Prozess.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Ausbilden eines Verbundes zwischen einer Welle und einem Turbinenrad eines Turbinenradläufers oder einem Verdichterrad wird der Verbund zwischen diesen Teilen durch Umgießen eines Wellenendes mit einer Gusslegierung ausgebildet.

Die Verbindung von Turbinenrad und Welle wird realisiert, indem bei der gießtechnischen Herstellung des Turbinenerades im Feinguß die Welle schon in der keramischen Formschale integriert ist und daher direkt mit eingegossen wird. Werden zukünftig zweiteilige Lagergehäuse verwendet, so kann in einem Gießvorgang die Welle nicht nur in das Turbinenrad, sondern gleichzeitig auch in das Verdichterrad mit eingegossen werden.

Entscheidend für eine einwandfreie Verbindung ist, dass beim Umgießen keine Heißrisse auftreten. Diese Heißrisse entstehen durch Spannungen infolge der Volumenkontraktion bei der Erstarrung im Fest-Flüssig-Intervall, die die Festigkeit des erstarrenden Materials übersteigen und durch mangelnde Nachspeisung nicht ausheilen können.

Erfindungsgemäß werden daher zwei Maßnahmen zur Verhinderung dieser Heißrisse vorgeschlagen. Zum einen wird erfindungsgemäß die Temperaturführung der Formschale und der darin befindlichen Welle derart gestaltet, dass eine gelenkte Erstarrung entgegen der Formfüllrichtung bevorzugt mit einer entsprechenden Nachspeisung erfolgt.

Ebenso wird erfindungsgemäß beim Gießen eine Nachspeisung der Gusslegierung mit hohem Fülldruck durchgeführt, um eine Rissbildung auszuheilen.

Der zur Formfüllung nötige Gießdruck wird durch die beim Schleuderguss auftretenden Zentrifugalkräfte erreicht. Besonders vorteilhaft ist es, statt einer gemeinsamen Gießtraube mit mehreren Formkavitäten eine oder mehrere einzelne keramische Formschalen zu verwenden.

Technisch liefert der Prozess den besonderen Vorteil, durch die Pressverbindung eine sehr starre Verbindung von Turbinenrad und Welle zu erzielen. Ferner kann zudem ein optimaler Formschluß sowie gegebenenfalls sogar Stoffschluss realisiert werden.

Der Herstellungsprozeß zeichnet sich in vorteilhafter Weise durch seine Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu anderen Verbindungstechniken aus, da Herstellung von Turbinenrad und Verbindung mit der Welle in einem Schritt erfolgt. Nachfolgende Bearbeitungsschritte zur Verbindung dieser beiden Komponenten können eingespart werden. Die gleichen Vorteile ergeben sich auf der Seite des Verdichterrades.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Verbindung zwischen dem Turbinenrad und der Welle durch Umgießen des Wellenendes mit der Gusslegierung bewerkstelligt.

Die Verbindung einer Welle mit einem Turbinenrad eines Turbinenradläufers oder einem Verdichterrad ist in erster Linie ein Kraftschluss infolge der durch Pressverbindung entstehenden Reibungskräfte zwischen Welle und Turbinenrad.

Die wesentliche Grundlage der Pressverbindung entsteht durch das Aufschrumpfen der Gusslegierung auf die Welle. Die Gusslegierung hat nach der Erstarrung eine wesentlich höhere Temperatur als die Welle. Die mit der Abkühlung der Gusslegierung verbundene Volumenkontraktion ist somit, unabhängig davon ob die Welle einen kleineren oder größeren Wärmdehnwert als die Gusslegierung besitzt, höher. Das Turbinenrad aus der Gusslegierung schrumpft beim Abkühlen auf die Welle auf.

Gegenstand der Erfindung ist ferner die Gestaltung des Wellenendes, um einen Formschluss zu realisieren. Das Wellenende kann beispielsweise durch eine umlaufende Nut derart gestaltet werden, dass eine Hinterschneidung entsteht, die von der Gusslegierung umflossen wird, so dass eine Art Verzahnung von Turbinenrad und Welle stattfindet. Ferner ist das Wellenende möglichst derart zu gestalten, dass im späteren Betrieb eine Verdrehung von Welle und Radteller verhindert wird. Dies kann beispielsweise durch eine Nut oder Kerbe senkrecht zur Wellenachse am Wellenende erreicht werden, die die Rotationssymmetrie der Welle bricht und bei der Formfüllung infiltriert wird. Denkbar sind auch Riffen oder Kerben parallel zur Wellenachse.

Die metallurgische Verbindung bzw. einen Stoffschluss, das heißt ein Verschmelzen bzw. Anschmelzen von Turbinenrad- und Wellenmaterial, kann über eine entsprechende Materialkombination und eine gezielte Temperaturführung der Welle und der Formschale erzielt werden. Dabei erhöht jede Form von Nut oder Kerbe zudem die Kontaktfläche zwischen Welle und Gussmaterial und stellt in der Kombination bei gewünschter metallurgischer Verbindung eine zusätzliche Bindungsfläche dar.

Soll hingegen eine solche metallurgische Verbindung gezielt vermieden werden, so kann eine Diffusionsbarriere zumindest am umgossenen Wellenende zwischen Gussmaterial und Welle aufgebracht werden. Eine solche Diffusionsbarriere kann aus einer Molybdän-Folie oder einer Molybdänschicht bestehen, die auf die Welle aufgebracht wird und für den Zeitraum der Formfüllung eine Anschmelzung verhindert.

Die Welle des Turbinenradläufers besteht vorzugsweise aus Stahl, aus Titan- bzw. Titanlegierungen oder einer intermetallischen Legierungen aus den Systemen Titan – Aluminium, insbesondere auf Basis von gamma-TiAl; Eisen – Aluminium, z.B. auf Basis von FeAl, sowie aus dem System Nickel – Aluminium, z.B. auf Basis von NiAl.

Turbinenrad und Welle können aus gleichem Material bestehen. Vorzugsweise wird jedoch für das Turbinenrad Material geringerer Dichte als das Wellenmaterial verwendet. Vorgeschlagen werden Materialien bzw. intermetallische Legierungen aus den Systemen Titan – Aluminium, insbesondere auf Basis von gamma-TiAl; Eisen – Aluminium, z.B. auf Basis von FeAl, sowie aus dem System Nickel – Aluminium, z.B. auf Basis von NiAl. Erfindungsgemäß können auch konventionell eingesetzte Ni-Basis-Legierungen Verwendung finden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
1: einen Querschnitt einer keramischen Formschale mit integrierter welle,
2: Schnitt durch einen Turbinenradläufer, bestehend aus Welle und Turbinenrad, das die Welle umschließt,
3: Gestaltung des vom Turbinenrad umschlossenen Wellenendes.
Mit der in 1 dargestellten keramischen Formschale mit Gießtrichter 3 als Matrize mit integrierter Welle 1 werden die Turbinenradläufer im Feinguss hergestellt. Dazu wird zuerst über Wachsspritzprozesse ein Wachsmodell des Rades hergestellt. Anschließend wird über mehrere Tauchzyklen in Schlickerbädern, sowie entsprechende Besandungsvorgänge die keramische Formschale aufgebaut. Das Wachs wird ausgeschmolzen und die Formschale gebrannt. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Welle in das Werkzeug zum Spritzen der Wachsmodelle mit einzulegen und sie somit mit dem Wachsmodell zu umspritzen. Desweiteren erfolgen die konventionellen Tauch- und Besandungsvorgänge, bei denen allerdings nicht nur das Wachsmodell, sondern auch ein Teil oder die ganze Welle mit einer keramischen Formschale umhüllt wird. Nach dem Ausschmelzen des Wachses ragt die Welle in die Turbinenradkavität 4 für das Turbinenrad hinein.
Die Temperaturführung der Formschale 3 und der darin befindlichen Welle 1 ist derart zu gestalten, dass eine gelenkte Erstarrung entgegen der Formfüllrichtung 5 bevorzugt mit einer entsprechenden Nachspeisung erfolgt.
In 2 ist der fertiggestellte Turbinenradläufer bestehend aus Welle 1 und aus dem die Welle umschließenden Turbinenrad 2 dargestellt. Die Verbindung zwischen Turbinenrad und Welle ist in erster Linie die dargestellte Pressverbindung. Zusätzlich kann ein Formschluss realisiert werden. Je nach gewählter Legierung kann die Verbindung insbesondere bei gleichem bzw. ähnlichem Wellen- und Radmaterial zusätzlich chemischer bzw. metallurgischer Natur sein, dass heißt einen Stoffschluss darstellen.
Insbesondere die Ausgestaltung des Wellenendes ist der Ansicht aus 3 zu entnehmen. Das Wellenende kann beispielsweise durch eine umlaufende Nut 11 derart gestaltet werden, dass eine Hinterschneidung entsteht, die von der Gusslegierung umflossen wird, so dass eine Art Verzahnung von Turbinenrad und Welle und somit ein Formschluss gebildet wird. Ferner ist das Wellenende möglichst derart zu gestalten, dass im späteren Betrieb eine Verdrehung von Welle und Radteller verhindert wird. Dies kann beispielsweise durch die in der Figur dargestellte Nut oder Kerbe 12 senkrecht zur Wellenachse am Wellenende erreicht werden, die die Rotationssymmetrie der Welle bricht und bei der Formfüllung infiltriert wird. Denkbar sind auch Riefen oder Kerben parallel zur Wellenachse.
Zukünftig könnte es gelingen, mehrteilige Lagergehäuse (sowie Turbinen- und Verdichtergehäuse) zu realisieren, dann kann in einem Gießvorgang die Welle nicht nur in das Turbinenrad, sondern gleichzeitig auch in das Verdichterrad mit eingegossen werden. Dass das Verdichterrad dabei nicht aus einer konventionell verwendeten Aluminiumlegierung, sondern aus der gleichen eventuell etwas teureren Legierung wie das Turbinenrad gegossen werden muss, kann zum Teil über die bei der Verbindungstechnik eingesparten Kosten kompensiert werden. Gleichzeitig kann durch die Verwendung der höherfesten Turbinenradlegierung für das Verdichterrad auch kosteneffektiv den aktuellen Festigkeitsproblemen bei den Aluminium-Verdichterrädern begegnet werden.

Claims

Verfahren zum Ausbilden eines Verbundes zwischen einer Welle (1) und einem Turbinenrad (2) eines Turbinenradläufers oder einem Verdichterrad, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund zwischen diesen Teilen durch Umgießen eines Wellenendes mit einer Gusslegierung ausgebildet wird, wobei die Welle (1) aus Stahl und die Gusslegierung aus einer intermetallischen Verbindung aus dem System TiAl besteht, in der Weise, dass die Erstarrung der Gusslegierung entgegen der Formfüllrichtung (5) mit einer Nachspeisung mit hohem Fülldruck erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die intermetallische Verbindung auf der Basis von gamma-TiAl gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung durch Kraftschluss oder Formschluss oder Stoffschluss oder durch eine Kombination ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftschluss durch die mit der Wärmedehnung verbundenen Volumenkontraktion der Gusslegierung des Turbinenrades und der Welle ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Formschluss durch eine Nut (11) oder Kerbe (12) oder Riefen am umgossenen Wellenende durch geeignete Hinterschneidungen ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoffschluss über ein Verschmelzen von Turbinenrad und Welle ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoffschluss durch eine Diffusionsbarriere zwischen Turbinenrad und welle verhindert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarriere durch eine zumindest am umgossenen Ende auf die Wellenoberfläche aufgebrachten Molybdänschicht oder -folie gebildet wird.