DE112016000230T5

DE112016000230T5 - Verfahren zur Herstellung eines Turbinenrads

Info

Publication number: DE112016000230T5
Application number: DE112016000230.0T
Authority: DE
Inventors: Katie Rhodes; Sean Winwood
Original assignee: Cummins Ltd
Current assignee: Cummins Ltd
Priority date: 2015-01-16
Filing date: 2016-01-12
Publication date: 2017-09-14
Also published as: US20190376390A1; GB2548776A; GB2548776B; WO2016113552A1; US10370972B2; US20180283176A1; GB201711294D0; GB201500713D0

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Turbinenrads, das Gießen des Turbinenrads aus einer austenitischen Superlegierung auf Nickel-Chrom-Basis, Beaufschlagen des gegossenen Turbinenrads mit heißisostatischem Pressen und dann Beaufschlagen einer Oberfläche des heißisostatisch gepressten Turbinenrads mit plastischer Verformung umfasst, wobei das heißisostatische Pressen für eine Zeitdauer von 225 bis 300 Minuten bei einem Druck von 98 bis 200 MPa und einer Temperatur von 1160 bis 1220°C durchgeführt wird. Ferner werden ein heißisostatisch gepresstes gegossenes Turbinenrad, das aus einer austenitischen Superlegierung auf Nickel-Chrom-Basis hergestellt ist, wobei das Turbinenrad eine plastisch verformte Oberfläche aufweist, und ein Turbolader, der solch ein Turbinenrad enthält, beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinenrads, insbesondere, aber nicht ausschließlich, eines Turbinenrads, das zur Verwendung in einem Turbolader mit variabler Geometrie geeignet ist.
Turbolader sind wohlbekannte Vorrichtungen zur Zuführung von Luft zum Einlass eines Verbrennungsmotors bei Drücken über Atmosphärendruck (Ladedrücken). Ein herkömmlicher Turbolader umfasst im Wesentlichen ein Gehäuse, in dem ein abgasgetriebenes Turbinenrad vorgesehen ist, das auf einer stromabwärts eines Motorauslasskrümmers verbundenen drehbaren Welle montiert ist. Durch Drehung des Turbinenrads wird ein am anderen Ende der Welle montiertes Verdichterrad gedreht. Das Verdichterrad liefert Druckluft zum Motoreinlasskrümmer. Turbinen können von der Art mit fester oder variabler Geometrie sein. Turbinen mit variabler Geometrie unterscheiden sich von Turbinen mit fester Geometrie darin, dass die Größe des Turbineneinlasskanals variiert werden kann, um Gasstromgeschwindigkeiten über einen Bereich von Massendurchsätzen zu optimieren, so dass die Leistungsabgabe der Turbine dahingehend variiert werden kann, variierenden Motoranforderungen zu entsprechen.
Infolge der Betriebsbedingungen, denen herkömmliche Turbinenräder im Gebrauch ausgesetzt sind, können sie infolge von Ermüdung versagen. Es wäre deshalb wünschenswert, die Ermüdungsfestigkeit oder Dauerhaltbarkeit von Turbinenrädern zu verbessern.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Herstellung eines Turbinenrads, das eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit oder Dauerhaltbarkeit aufweist.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinenrads bereitgestellt, das Gießen des Turbinenrads aus einer austenitischen Superlegierung auf Nickel-Chrom-Basis, Beaufschlagen des gegossenen Turbinenrads mit heißisostatischem Pressen und dann Beaufschlagen einer Oberfläche des heißisostatisch gepressten Turbinenrads mit plastischer Verformung umfasst, wobei das heißisostatische Pressen für eine Zeitdauer von 225 bis 300 Minuten bei einem Druck von 98 bis 200 MPa und einer Temperatur von 1160 bis 1220°C durchgeführt wird.
Durch ein solches Herstellen des Turbinenrads begegnet die vorliegende Erfindung mit Turbinenradermüdungslebensdauer in Verbindung stehenden Problemen und stellt ein Turbinenrad bereit, das eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit und Dauerhaltbarkeit im Vergleich zu Turbinenrädern, die aus der gleichen Art von Superlegierung hergestellt sind, die aber nicht mit heißisostatischem Pressen (HIP), gefolgt von plastischer Verformung einer Oberfläche des Turbinenrads, beaufschlagt worden sind, aufweist. Die Ergebnisse von Vergleichsversuchen, die unten dargelegt werden, zeigen, dass es die Kombination von HIP und plastischer Verformung ist, die die Verbesserung des Ermüdungsverhaltens gewährleistet, das Durchführen des einen oder anderen Prozesses alleine gewährleistet nicht das gleiche Ausmaß an Verbesserung der Leistung.
Das heißisostatische Pressen kann bei einem Druck von 98 bis 150 MPa, 98 bis 125 MPa oder 98 bis 108 MPa durchgeführt werden.
Das heißisostatische Pressen kann bei einer Temperatur von 1170 bis 1215°C, 1180 bis 1215°C oder 1190 bis 1210°C durchgeführt werden.
Das heißisostatische Pressen kann für eine Zeitdauer von 225 bis 280 Minuten, 225 bis 265 Minuten oder 225 bis 255 Minuten durchgeführt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das heißisostatische Pressen für eine Zeitdauer von 225 bis 280 Minuten bei einem Druck von 98 bis 150 MPa und einer Temperatur von 1170 bis 1215°C durchgeführt.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird das heißisostatische Pressen für eine Zeitdauer von 225 bis 265 Minuten bei einem Druck von 98 bis 125 MPa und einer Temperatur von 1180 bis 1215°C durchgeführt.
Bei noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das heißisostatische Pressen für eine Zeitdauer von 225 bis 255 Minuten bei einem Druck von 98 bis 108 MPa und einer Temperatur von 1190 bis 1210°C durchgeführt.
Das Turbinenrad kann nach dem heißisostatischen Pressen und vor der plastischen Verformung abgekühlt werden. Das Turbinenrad kann auf irgendeine gewünschte Temperatur abgekühlt werden, um anschließende Verfahrensschritte zu gestatten, insbesondere auf eine Temperatur, bei der die Oberfläche des Turbinenrads einer plastischen Verformung unterzogen werden kann, aber nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann das Turbinenrad nach dem isostatischen Pressen ungefähr auf Raumtemperatur abgekühlt werden, so dass der anschließende plastische Verformungsvorgang genau und effektiv durchgeführt werden kann. Das Turbinenrad wird nach dem heißisostatischen Pressen und vor der plastischen Verformung vorzugsweise auf eine Temperatur von ca. 18 bis 25°C abgekühlt. Das Turbinenrad kann nach dem heißisostatischen Pressen und vor der plastischen Verformung mit einer Rate von kleiner gleich ca. 100°C pro Minute abgekühlt werden, nach dem heißisostatischen Pressen und vor der plastischen Verformung mit einer Rate von kleiner gleich ca. 50°C pro Minute abgekühlt werden oder nach dem heißisostatischen Pressen und vor der plastischen Verformung mit einer Rate von kleiner gleich ca. 10°C pro Minute abgekühlt werden.
Die plastische Verformung kann unter Verwendung irgendeines angemessenen Prozesses, wie zum Beispiel eines Laser-Peening-Verfahrens, Sandstrahlen, Kugelstrahlen usw. erreicht werden, obgleich der Einsatz von Kugelstrahlen bevorzugt wird. Das Kugelstrahlen kann Gussstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt gemäß SAEJ827 einsetzen. Statt oder zusätzlich zu Stahlkugeln können Drahtkorn, Keramikpartikel und/oder Glaskügelchen verwendet werden. Der Strahl kann eine Mindestgröße von S070 bis S240 gemäß SAEJ444 aufweisen. Vorzugsweise weist der Strahl eine Mindestgröße von S110 gemäß SAEJ444 auf, wobei seine physikalischen und chemischen Eigenschaften unten bei der Beschreibung einer bestimmten Ausführungsform dargelegt werden. Das Kugelstrahlen kann mit einer Intensität zum Erzielen einer Almen-'A'-Prüfstreifen-Bogenhöhe von 0,127 bis 0,305 mm, 0,127 bis 0,255 mm oder 0,127 bis 0,203 mm, gemessen gemäß SAEJ442, durchgeführt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein heißisostatisch gepresstes gegossenes Turbinenrad bereitgestellt, das aus einer austenitischen Superlegierung auf Nickel-Chrom-Basis hergestellt ist, wobei das Turbinenrad eine plastisch verformte Oberfläche aufweist.
Das Turbinenrad gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann zweckmäßigerweise unter Verwendung eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung hergestellt sein.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt einen Turbolader bereit, der Folgendes umfasst: ein Gehäuse; ein Turbinenrad, das auf einer Welle in dem Gehäuse zur Drehung um eine Turbinenachse gestützt wird; und ein Verdichterrad, das auf der Welle in dem Gehäuse gestützt wird, wobei das Turbinenrad ein heißisostatisch gepresstes gegossenes Turbinenrad ist, das aus einer austenitischen Superlegierung auf Nickel-Chrom-Basis hergestellt ist, wobei das Turbinenrad eine plastisch verformte Oberfläche aufweist.
Das in dem Turbolader gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung eingesetzte Turbinenrad kann zweckmäßigerweise unter Verwendung eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung hergestellt sein.
Die Herstellung eines Turbinenrads durch einen Prozess gemäß der vorliegenden Erfindung, das heißisostatisches Pressen, gefolgt von plastischer Verformung einer Oberfläche des Turbinenrads umfasst, führt zu einem Turbinenrad, bei dem die plastisch verformte Oberfläche verschiedene Oberflächeneigenschaften aufweist, wie zum Beispiel Oberflächenbeschaffenheit, Oberflächenrauigkeit und/oder Farbe, im Vergleich zu einem Turbinenrad, das aus der gleichen oder einer ähnlichen Superlegierung hergestellt ist, das aber nicht mit heißisostatischem Pressen, gefolgt von plastischer Verformung, gemäß der vorliegenden Erfindung beaufschlagt worden ist. Es versteht sich, dass dies ein zweckmäßiges Mittel zur Charakterisierung und dadurch Kennzeichnung eines Turbinenrads, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist, bereitstellt.
Eine plastisch verformte Oberfläche des Turbinenrads kann eine Druckeigenspannung von –1000 bis –1500 MPa oder –1100 bis –1500 MPa in einer Tiefe von 25 bis 90 Mikrometer unter der Oberfläche des Turbinenrads oder eine Druckeigenspannung von –1100 bis –1500 MPa oder –1200 bis –1400 MPa in einer Tiefe von 30 bis 60 Mikrometer unter der Oberfläche des Turbinenrads aufweisen. Eine plastisch verformte Oberfläche des Turbinenrads kann eine Druckeigenspannung von ca. –1300 MPa in einer Tiefe von ca. 48 Mikrometer unter der Oberfläche des Turbinenrads und/oder eine Druckeigenspannung von ca. –1150 MPa in einer Tiefe von ca. 80 Mikrometer unter der Oberfläche des Turbinenrads aufweisen.
Eine plastisch verformte Oberfläche des Turbinenrads kann eine Druckeigenspannung von –500 bis –1200 MPa oder –500 bis –1000 MPa in einer Tiefe von 100 bis 190 Mikrometer unter der Oberfläche des Turbinenrads oder eine Druckeigenspannung von –600 bis –900 MPa in einer Tiefe von 112 bis 160 Mikrometer unter der Oberfläche des Turbinenrads aufweisen. Eine plastisch verformte Oberfläche des Turbinenrads kann eine Druckeigenspannung von ca. –950 MPa in einer Tiefe von ca. 112 Mikrometer unter der Oberfläche des Turbinenrads und/oder eine Druckeigenspannung von ca. –600 MPa in einer Tiefe von ca. 160 Mikrometer unter der Oberfläche des Turbinenrads aufweisen.
Die Turbinenräder und Turbolader der oben definierten Aspekte der vorliegenden Erfindung sind zur Verwendung mit jeglicher Art von Verbrennungsmotor mit Turbolader, wie zum Beispiel einem Diesel-, Benzin-Direkteinspritzungs- oder herkömmlichen Fremdzündungsmotor, bei denen ein beständigeres Turbinenrad erwünscht oder erforderlich ist, besonders geeignet.
HIP ist eine Form von Wärmebehandlung eines Bauteils bei hohem Druck, der dem Bauteil durch ein Schutzgas zugeführt wird. Es erzeugt ein Bauteil, das aus einem vollkommen dichten Materialverbund besteht. Die Zeit bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck gestattet das Auftreten von plastischer Verformung, Kriechen und Diffusion in dem Material des Bauteils, wodurch innere Hohlräume (das heißt Porosität), die in durch Gießen hergestellten Bauteilen naturgemäß vorhanden sind, beseitigt werden.
Kugelstrahlen ist ein Kaltbearbeitungsprozess, bei dem ein Strahl eine Oberfläche eines Bauteils bombardiert, um eine Vertiefung zu erzeugen. Zur Erzeugung der Vertiefung muss die Oberfläche bei Zugspannung nachgeben, wodurch Druckspannungen unter der Oberfläche entstehen.
Ohne sich auf irgendeine bestimmte Theorie beschränken zu wollen, ist man der Annahme, dass der HIP-Prozess die Möglichkeit des Entstehens von Ermüdung im Turbinenrad durch Beseitigen von innerer Porosität bei gleichzeitigem Beseitigen von uneinheitlichen Eigenspannungswirkungen, die sich aus dem Gießprozess ergeben, der zur Herstellung des Turbinenrads verwendet wird, reduziert. Das anschließende Beaufschlagen einer Oberfläche des Turbinenrads mit einer plastischen Verformung erzeugt eine Druckeigenspannung in der behandelten Oberfläche, die die Bildung und/oder Ausbreitung von Rissen in der gesamten Radstruktur reduziert oder verhindert. Das Beseitigen der Gussteileigenspannungen gestattet das Erreichen einer verbesserten Höhe der Druckeigenspannung durch eine anschließende plastische Verformung der Oberfläche, zum Beispiel einen Kugelstrahlprozess, der schließlich zu einer verbesserten Dauerhaltbarkeit führt.
Das Turbinenrad kann aus jeglicher geeigneten austenitischen Superlegierung auf Nickel-Chrom-Basis, zum Beispiel eine der Inconel^TM-Familie von Superlegierungen, wie zum Beispiel Inconel 713C, hergestellt werden.
Obgleich das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung zuvor in Bezug auf die Herstellung von Turbinenrädern beschrieben worden ist, ist vorgesehen, dass die Methodologie des Kombinierens von HIP mit plastischer Oberflächenverformung, zum Beispiel Kugelstrahlen, bei der Herstellung von anderen Arten von Bauteilen unter Verwendung von additiven Herstellungstechniken, bei denen Porosität nachteilige Auswirkungen haben kann, von Vorteil sein kann. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, das Gießen des Bauteils, Beaufschlagen des gegossenen Bauteils mit heißisostatischem Pressen und dann Beaufschlagen einer Oberfläche des heißisostatisch gepressten Bauteils mit plastischer Verformung umfasst, wobei das heißisostatische Pressen mit einem solchen Druck und einer solchen Temperatur für eine ausreichende Zeitdauer ausgeführt wird, dass innere Porosität in dem gegossenen Bauteil reduziert oder beseitigt wird und dem Bauteil eine verbesserte Dauerhaltbarkeit im Vergleich zu dem gegossenen Bauteil vor Beaufschlagung mit dem kombinierten HIP- und plastischen Oberflächenverformungsprozess verliehen wird.
Andere vorteilhafte und bevorzugte Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor.
Es werden nunmehr bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben; darin zeigen:
1 einen Axialquerschnitt durch einen Turbolader mit variabler Geometrie, der ein Turbinenrad gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält;
2 ein Flussdiagramm, das die an der Herstellung eines Turbinenrads durch ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beteiligten Schritte darstellt; und
3 ein Schaubild von Druckeigenspannung gegenüber Tiefe unter einer Oberfläche der Turbinenräder, die (a) allein mit HIP, (b) mit HIP und Kugelstrahlen, kombiniert gemäß der vorliegenden Erfindung, (c) allein mit Kugelstrahlen und (d) mit Kugel- und Sandstrahlen beaufschlagt wurde.
1 stellt einen Turbolader mit variabler Geometrie dar, der ein Gehäuse umfasst, das ein Turbinengehäuse 1 mit variabler Geometrie und ein Verdichtergehäuse 2 enthält, die durch ein mittleres Lagergehäuse 3 miteinander verbunden sind. Eine Turboladerwelle 4 erstreckt sich von dem Turbinengehäuse 1 durch das Lagergehäuse 3 zu dem Verdichtergehäuse 2. Ein Turbinenrad 5 ist an einem Ende der Welle 4 zur Drehung mit dem Turbinengehäuse 1 montiert, und ein Verdichterrad 6 ist am anderen Ende der Welle 4 zur Drehung mit dem Verdichtergehäuse 2 montiert. Die Welle 4 dreht sich um die Turboladerachse 4a auf im Lagergehäuse 3 positionierten Lageranordnungen.
Das Turbinengehäuse 1 definiert eine Einlaufspirale 7, der Gas von einem Verbrennungsmotor (nicht gezeigt) zugeführt wird. Das Abgas strömt von der Einlaufspirale 7 über einen ringförmigen Einlasskanal 9 und das Turbinenrad 5 zu einem axialen Auslasskanal 8. Der Einlasskanal 9 wird auf einer Seite durch eine Fläche 10 einer radialen Wand eines beweglichen ringförmigen Wandglieds 11, gemeinhin als ”Düsenring” bezeichnet, und auf der gegenüberliegenden Seite durch ein ringförmiges Deckband 12, das die Wand des Einlasskanals 9, die dem Düsenring 11 zugewandt ist, bildet, definiert. Das Deckband 12 bedeckt die Öffnung einer ringförmigen Aussparung 13 im Turbinengehäuse 1.
Der Düsenring 11 stützt eine Anordnung von um den Umfang gleichmäßig beabstandeten Eintrittsschaufeln 14, von denen sich jede über den Einlasskanal 9 erstreckt. Die Schaufeln 14 sind dahingehend ausgerichtet, durch den Einlasskanal 9 strömendes Gas zu der Drehrichtung des Turbinenrads 5 abzulenken. Wenn sich der Düsenring 11 nahe dem ringförmigen Deckband 12 befindet, ragen die Schaufeln 14 durch geeignet konfigurierte Schlitze im Deckband 12 in die Aussparung 13.
Die Position des Düsenrings 11 wird durch eine Aktuatoranordnung der in der US 5 868 552 offenbarten Art gesteuert. Ein Aktuator (nicht gezeigt) ist dahingehend betreibbar, die Position des Düsenrings 11 über eine Aktuatorausgangswelle (nicht gezeigt), die mit einem Joch 15 verbunden ist, einzustellen. Das Joch 15 nimmt wiederum sich axial erstreckende Betätigungsstangen 16 in Eingriff, die den Düsenring 11 stützen. Demgemäß kann durch geeignete Steuerung des Aktuators (der beispielsweise pneumatisch oder elektrisch sein kann) die axiale Position der Stangen 16 und somit des Düsenrings 11 gesteuert werden. Die Drehzahl des Turbinenrads 5 ist von der Geschwindigkeit des den ringförmigen Einlasskanal 9 durchströmenden Gases abhängig. Bei einem festen Massendurchsatz des in den Einlasskanal 9 strömenden Gases ist die Gasgeschwindigkeit eine Funktion der Breite des Einlasskanals 9, wobei die Breite durch Steuern der axialen Position des Düsenrings 11 einstellbar ist. 1 zeigt den vollständig geöffneten ringförmigen Einlasskanal 9. Der Einlasskanal 9 kann durch Bewegen der Fläche 10 des Düsenrings 11 zum Deckband 12 bis auf ein Minimum geschlossen werden.
Der Düsenring 11 weist sich axial erstreckende radial innere und äußere ringförmige Flansche 17 und 18 auf, die sich in einen im Turbinengehäuse 1 vorgesehenen ringförmigen Hohlraum 19 erstrecken. Ein innerer und äußerer Dichtungsring 20 und 21 sind dazu vorgesehen, den Düsenring 11 bezüglich der inneren bzw. äußeren ringförmigen Oberfläche des ringförmigen Hohlraums 19 abzudichten, während ein Gleiten des Düsenrings 11 in dem ringförmigen Hohlraum 19 gestattet wird. Der innere Dichtungsring 20 wird in einer in der radial inneren ringförmigen Oberfläche des Hohlraums 19 ausgebildeten Ringnut gestützt und liegt am inneren ringförmigen Flansch 17 des Düsenrings 11 an. Der äußere Dichtungsring 21 wird in einer in der radial äußeren ringförmigen Oberfläche des Hohlraums 19 ausgebildeten Ringnut gestützt und liegt am äußeren ringförmigen Flansch 18 des Düsenrings 11 an.
Von der Einlaufspirale 7 zum Auslasskanal 8 strömendes Gas strömt über das Turbinenrad 5, und infolgedessen wird Drehmoment an die Welle 4 angelegt, um das Verdichterrad 6 anzutreiben. Durch Drehung des Verdichterrads 6 im Verdichtergehäuse 2 wird in einem Lufteinlass 22 vorhandene Umgebungsluft mit Druck beaufschlagt und die Druckluft zu einer Luftauslassspirale 23 geliefert, von wo aus sie einem Verbrennungsmotor (nicht gezeigt) zugeführt wird.
Das in 1 gezeigte Turbinenrad 5 wurde wie unten unter Bezugnahme auf 2 erläutert hergestellt. In Schritt 201 wird das Turbinenrad unter Verwendung eines herkömmlichen Präzisionsgussprozesses aus einer geeigneten austenitischen Superlegierung auf Nickel-Chrom-Basis, wie zum Beispiel Inconel 713C, gegossen. In Schritt 202 wird das gegossene Turbinenrad heißisostatischem Pressen für eine Zeitdauer von 240 ± 15 Minuten bei einem Druck von 103 ± 5 MPa und einer Temperatur von 1200 ± 10°C unterzogen. In Schritt 203 wird das Turbinenrad auf 18 bis 25°C mit einer Rate von weniger als 10°C pro Minute abgekühlt. In Schritt 204 wird eine Oberfläche des Turbinenrads unter Verwendung eines Strahls Gusseisen mit hohem Kohlenstoffgehalt gemäß SAEJ827 mit einer Mindestgröße von S110 gemäß SAEJ444 und einer Intensität zum Erzielen einer Almen-'A'-Prüfstreifen-Bogenhöhe von 0,127 bis 0,203 mm, gemessen gemäß SAEJ442, kugelbestrahlt. In Schritt 204 wird bevorzugt, dass so weit wie möglich 100% der Außenfläche des Turbinenrads Kugelstrahlen unterzogen wird, mit Ausnahme des rückseitigen Schweißwarzenbereichs des Turbinenrads, der idealerweise nicht kugelbestrahlt wird, beispielsweise durch irgendeine Form einer geeigneten Abdeckung, die vor dem Kugelstrahlen auf diese Region des Turbinenrads aufgebracht wird.
SAEJ827 ist der internationale Standard, der die Anforderungen an chemische Zusammensetzung, Härte, Mikrostruktur und physikalische Eigenschaften für das Strahlen von Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt für den Einsatz in Kugelstrahlanwendungen beschreibt. Die Strahleigenschaften gemäß SAEJ827 und mit einer Mindestgröße von S110 entsprechend SAEJ444 werden unten dargelegt. Chemische Zusammensetzung:

Element %

Kohlenstoff 0,8–1,2

Mangan 0,6–1,2

Silizium mindest. 0,4

Schwefel höchst. 0,05

Phosphor höchst. 0,05

Mikrostruktur: Gleichförmiges getempertes Martensit
Härte: SAEJ827-Spezifikation. 40 bis 51 HRC.
Rohdichte: mind. 7 glee
Mängel: ISO 11124/3 und SAEJ827 einzuhalten
Nenngröße: 0,30 mm

Toleranz Siebnummer mm

Alles durchgelassen 30 Sieb 0,600

Min. 10% zurückgehalten 35 Sieb 0,500

Min. 80% zurückgehalten 50 Sieb 0,300

Min. 90% zurückgehalten 80 Sieb 0,180
Die Eigenspannung in verschiedenen Tiefen unter der Oberfläche der Turbinenräder, die (a) allein mit HIP, (b) mit HIP und Kugelstrahlen, kombiniert gemäß der vorliegenden Erfindung, (c) allein mit Kugelstrahlen und (d) mit Kugel- und Sandstrahlen beaufschlagt wurden, wird in 3 dargestellt. Wie zu sehen, wies das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Turbinenrad über einen großen Tiefenbereich von 16 bis 224 Mikrometer (μm) eine Eigenspannung auf, deren Höhe größer als die der drei unter Verwendung alternativer Verfahren, die nur HIP oder plastische Verformung alleine umfassen, hergestellten Turbinenräder war.

Es wurde ein Vergleichstest von unter Verwendung verschiedener Verfahren hergestellten Turbinenrädern durchgeführt, um die ungefähre Lebensdauer bei Ermüdung bei hoher Lastspielzahl (HCF-Lebensdauer, HCF – High Cycle Fatigue) zu untersuchen. Die Ergebnisse werden unten dargelegt. Die Ergebnisse für das gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellte Turbinenrad sind unterstrichen und zeigen deutlich eine Verbesserung der Dauerhaltbarkeit.

Herstellungsverfahren	~ Mindest. Lebensd. (Std.)	~ Höchst. Lebensd. (Std.)	~ Durchschnittl. Lebensd. (Std.)	Anzahl Datenpunkte
Kein HIP o. Kugel-strahlen	1,5	18	10	30
Nur HIP	2	9	5,5	10
Nur Kugelstrahlen	< 1	12	6,5	10
HIP & Kugelstrahlen	4	40	22	20

Es versteht sich, dass an den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen zahlreiche Modifikationen durchgeführt werden können, ohne von den zu Grunde liegenden erfinderischen Konzepten, die in den verschiedenen Aspekten der vorliegenden Erfindung definiert werden, abzuweichen. Des Weiteren könnte eine beliebige oder könnten mehrere beliebige der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen mit einer oder mehreren der anderen bevorzugten Ausführungsformen kombiniert werden, um einer bestimmten Anwendung zu entsprechen.
Die beschriebenen und veranschaulichten Ausführungsformen sollen als beispielhaft und nicht einschränkend betrachtet werden, wobei auf der Hand liegt, dass nur die bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden sind und dass alle Änderungen und Modifikationen, die in den Schutzumfang der Erfindungen, wie in den Ansprüchen definiert, fallen, geschützt werden sollen. Es sollte auf der Hand liegen, dass die Verwendung von Ausdrücken, wie zum Beispiel ”vorzuziehen”, ”vorzugsweise”, ”bevorzugt” oder ”besonders bevorzugt” in der Beschreibung nahelegt, dass ein so beschriebenes Merkmal zwar wünschenswert sein kann, es aber nichtsdestotrotz nicht zwangsweise erforderlich ist, und dass Ausführungsformen die kein solches Merkmal aufweisen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung, wie in den angehängten Ansprüchen definiert, liegend betrachtet werden können. In Bezug auf die Ansprüche ist beabsichtigt, dass wenn Ausdrücke, wie zum Beispiel ”ein/e/er/es”, ”mindestens ein/e/er/es” oder ”mindestens ein Teil” als Einleitung für ein Merkmal verwendet werden, es nicht beabsichtigt ist, den Anspruch auf nur ein einziges solches Merkmal zu beschränken, sofern im Anspruch nicht ausdrücklich anders angegeben. Wenn die Ausdrucksweise ”mindestens ein Teil” und/oder ”ein Teil” verwendet wird, kann das Objekt einen Teil und/oder das gesamte Objekt umfassen, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Turbinenrads, umfassend Gießen des Turbinenrads aus einer austenitischen Superlegierung auf Nickel-Chrom-Basis, Beaufschlagen des gegossenen Turbinenrads mit heißisostatischem Pressen und dann Beaufschlagen einer Oberfläche des heißisostatisch gepressten Turbinenrads mit plastischer Verformung, wobei das heißisostatische Pressen für eine Zeitdauer von 225 bis 300 Minuten bei einem Druck von 98 bis 200 MPa und einer Temperatur von 1160 bis 1220°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das heißisostatische Pressen bei einem Druck von 98 bis 108 MPa durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das heißisostatische Pressen bei einer Temperatur von 1190 bis 1210°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das heißisostatische Pressen für eine Zeitdauer von 225 bis 255 Minuten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das Turbinenrad nach dem heißisostatischen Pressen und vor der plastischen Verformung auf eine Temperatur von ca. 18 bis 25°C abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Turbinenrad nach dem heißisostatischen Pressen und vor der plastischen Verformung mit einer Rate von kleiner gleich ca. 100°C pro Minute abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Turbinenrad nach dem heißisostatischen Pressen und vor der plastischen Verformung mit einer Rate von kleiner gleich ca. 10°C pro Minute abgekühlt wird.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die plastische Verformung unter Verwendung von Kugelstrahlen erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Kugelstrahlen Gussstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt gemäß SAEJ827 einsetzt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Strahl eine Mindestgröße von S070 bis S240 gemäß SAEJ444 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Strahl eine Mindestgröße von S110 gemäß SAEJ444 aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei das Kugelstrahlen mit einer Intensität zum Erzielen einer Almen-'A'-Prüfstreifen-Bogenhöhe von 0,127 bis 0,305 mm, gemessen gemäß SAEJ442, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei das Kugelstrahlen mit einer Intensität zum Erzielen einer Almen-'A'-Prüfstreifen-Bogenhöhe von 0,127 bis 0,203 mm, gemessen gemäß SAEJ442, durchgeführt wird.
Heißisostatisch gepresstes gegossenes Turbinenrad, das aus einer austenitischen Superlegierung auf Nickel-Chrom-Basis hergestellt ist, wobei das Turbinenrad eine plastisch verformte Oberfläche aufweist.
Turbinenrad nach Anspruch 14, wobei die plastisch verformte Oberfläche des Turbinenrads eine Druckeigenspannung von –1000 bis –1500 MPa in einer Tiefe von 25 bis 90 Mikrometer unter der Oberfläche des Turbinenrads aufweist.
Turbinenrad nach Anspruch 14, wobei die plastisch verformte Oberfläche des Turbinenrads eine Druckeigenspannung von –1100 bis –1500 MPa in einer Tiefe von 30 bis 60 Mikrometer unter der Oberfläche des Turbinenrads aufweist.
Turbinenrad nach Anspruch 14, 15 oder 16, wobei die plastisch verformte Oberfläche des Turbinenrads eine Druckeigenspannung von –500 bis –1200 MPa in einer Tiefe von 100 bis 190 Mikrometer unter der Oberfläche des Turbinenrads aufweist.
Turbinenrad nach Anspruch 14, 15 oder 16, wobei die plastisch verformte Oberfläche des Turbinenrads eine Druckeigenspannung von –600 bis –900 MPa in einer Tiefe von 112 bis 160 Mikrometer unter der Oberfläche des Turbinenrads aufweist.
Turbolader, umfassend: ein Gehäuse; ein Turbinenrad, das auf einer Welle in dem Gehäuse zur Drehung um eine Turbinenachse gestützt wird; und ein Verdichterrad, das auf der Welle in dem Gehäuse gestützt wird, wobei das Turbinenrad ein heißisostatisch gepresstes gegossenes Turbinenrad ist, das aus einer austenitischen Superlegierung auf Nickel-Chrom-Basis hergestellt ist, wobei das Turbinenrad eine plastisch verformte Oberfläche aufweist.
Turbolader nach Anspruch 19, wobei das Turbinenrad einem der Ansprüche 15 bis 18 entspricht.