DE2845716A1 - Anordnung zur thermisch hoch beanspruchbaren verbindung zwischen einem aus einem keramischen werkstoff und einem aus einem metallischen werkstoff bestehenden bauteil - Google Patents
Anordnung zur thermisch hoch beanspruchbaren verbindung zwischen einem aus einem keramischen werkstoff und einem aus einem metallischen werkstoff bestehenden bauteilInfo
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Description
VOLKSWAGEN W E R IC
AKTIENGESELLSCHAFT
5180 Wolfsburg
Unsere Zeichen: K 2626
1702pt-we-jä
1702pt-we-jä
-Anordnung zur thermisch hodibeanspruchbaren
Verbindung zwischen einem aus einem kerami— sehen Werkstoff und einem aus einem metallischen
Werkstoff bestehenden Bauteil
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur thermisch hoch beanspruchbaren Verbindung zv/ischen einen aus einem keramischen
Werkstoff und einem aus einem metallischen Werkstoff bestehenden rotationssymmetrischen Bautexl, insbesondere einem mit einem
Wellenzapfen versehenen keramischen Turbinenrad und einer metallischen Turbinenwelle, durch Hochtemperaturlötung.
Bei temperaturbelasteten Rotoren, wie zum Beispiel bei Läufern
von Gasturbinen oder Turboladern, ist es bereits vorgeschlagen
worden, die Turbinenscheiben, beziehungsweise die Turbinenräder,
aus keramischen Werkstoffen wie Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid zu fertigen. Diese keramischen Bauteile ergeben wesentliche
Vorteile durch Erhöhung der Temperaturfestigkeit und durch Verringerung des Massenträgheitsmomentes.
Pur die Herstellung der Laufzeuge und eine günstige Integration
in die Aggregate ist es vorteilhaft, die zugehörigen Wellen
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Vorsitzender Vorstand: Toni Schmucker, Vorsitzender ■ Horst Badcsmann - Prof. Dr. tecfin. Ernst Fiala - Dr. jur. Peter Frerk
del AufslditsraU: Günter Hartwich · Horst Münzner - Dr. rer.pol. Werner P.Schmidt Gottlieb M. Strobl · Prof. Dr.rer.pol. Friedrich Thomee
Hans Birnbaum Sitz der Gesellschalt: Wollsburg " Amtsgericht Wolfsburg HKB
aus metallischen Werkstoffen auszuführen. Die Verbindung der keramischen Turbinenscheiben mit den metallischen Wellen ist
jedoch wegen der Sprödigkeit der keramischen Werkstoffe und der stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten problematisch
und aufwendig.
So sind Anordnungen bekannt, bei denen die Turbinenscheiben mittels Spannbolzen durch eine zentrale Bohrung der Scheibe
mit der Welle verbunden werden. Die stirnseitige Anlagefläche der Scheibe an der Welle wird dabei zumeist in Form einer Kerbverzahnung
(Hirth-Verzahnung·) ausgeführt. Dia Anlageflächen zwischen
Keramik und Metall erfordern dabei einen hohen !"ertigungsaufwand,
da Punktlasten vermieden werdennüssen. Der Zugbolzen
muß in aufwendiger Weise so gestaltet sein, daß er unterschiedliche Wärmedehnungen von Scheibe und Welle ausgleicht. Weiterhin,
muß bei den genannten Verbindungsarten die festigkeitsmäßig hoch belastete Scheibe mit einer Bohrung versehen werden. Solche
mit durchgehenden Bohrungen versehene Scheiben zeigen jedoch im Betrieb Spannungen, die etwa doppelt so hoch liegen wie die bei
Scheiben ohne Bohrungen auftretenden Spannungen.
Es ist auch bereits vorgeschlagen worden (Patentanmeldung P 28 22 627.9) einen dem keramischen Bauteil zugehörigen Wellenzapfen
mit einem diesen Zapfen umschließenden metallischen Wellenteil direkt zu verlöten. Dabei zeigt sich, daß infolge der großen
Tinterschiede in der Wärmedehnung der miteinander zu verbindenden
Bauteile beim Abkühlen nach dem Lötprozeß hohe Schrumpfspannungen an den Lötstellen auftreten. Diese Schrumpfspannungen
ergeben hohe Druckspannungen in dem keramischen Zapfen.die prinzipiell
von der Keramik gut aufgenommen werden können. Am Übergang der Lötstelle zum freien Wellenzapfen treten dann aber Spannungsspitzen
mit hohen von der Keramik nicht ertragenen Zugspannungen auf. Bei Betriebsbedingungen mit zyklischer Temperaturbelastung
können diese Druckspannungen durch plastische Deformation abgebaut werden. Bei weiteren thermischen Belastungen werden
dann aber an der Terbindungsetall· höh· Zugspannungen tntstehen,
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die bis zum Bruch an der Lötstelle beziehungsweise dem keramischen
Wellenzapfen führen können.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine Anordnung zur Lötverbindung einer metallischen
Welle mit einer temperaturbelasteten keramischen Scheibe so zu gestalten, daß die zuvor beschriebenen Nachteile weitgehend vermieden
werden.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein einerseits mit dem metallischen Bauteil und andererseits mit dem
keramischen Bauteil verbundenes, radial und axial federnd elastisches Verbindungsteil vorgesehen ist, dessen Elastizität so bemessen
sein soll, daß die beim Löten durch Differenzdehnung der Bauteile
entstehenden Kräfte im wesentlichen durch elastische Deformation des Yerbindungsteils aufgenommen werden. Durch eine derartige
Gestaltung der Verbindung zwischen, der keramischen Scheibe und der metallischen Welle ist gewährleistet, daß auch bei den
während des Lötvorganges auftretenden höchsten Temperaturbelastungen keine unzulässigen Spannungen, insbesondere in dem keramischen
Bauteil auftreten, die zu einer Zerstörung desselben führen könnten.
Zweckmäßigerueise soll das Verbindungsteil als ein einen Wellenzapfen
des keramischen Bauteils hülsenförmig umfassendes Teil ausgebildet sein und vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff bestehen.
Um die nach dem Lötvorgang auftretenden Schrumpfspannungen an der Lötstelle möglichst klein zu halten, sollen zumindest die das Verbindungsteil
mit dem keramischen Bauteil verbindenden Lötstellen eine geringe axiale Erstreckung aufweisen, die zum Beispiel insgesamt
weniger als 20 % der gesamten Wellenzapfenlänge beträgt.
In einer Ausführungsform der Erfindung soll das Verbindungsteil
einstückig mit dem metallischen Bauteil ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich und vorteilhaft, wenn das Verbindung»teiLdurch
wenigstens ein zwischen dem Wellenzapfen des keraaischon Bauteils
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und einem den Wellenzapfen umgebenden starren Hülsenteil des
metallischen Bauteils eingefügtes, beiderseits durch Lötung verbundenes elastisches Federelement gebildet ist. Dieses Federelement
kann dabei durch ein über den Weilenzapfen des keramischen Bauteils geschobenes, gewelltes dünnwandiges Rohr gebildet
sein. Eine weitere Ausführungsforin der Erfindung sieht
vor, daß das Federe!ement einen in Umfangsrichtung verlaufenden
S-förmigen Querschnitt aufweist und mit seinem radial äußeren Schenkel an der Innenkontur des metallischen Hülsenteils und
mit seinem radial inneren Schenkel an der Außenkontur des kern mischen Wellenzapfens angelötet ist. Das ITederelement kann aber
auch einen in Uinfangsrichtung verlaufenden rohrförmigen Querschnitt
aufweisen. Dabei ist es möglich, sowohl das im Querschnitt rohrförmige als auch das S-förmige Federelement als
einen oder mehrere geschlossene Ringe oder als Spirale auszuführen. Für den Fall der Ausbildung als geschlossene Ringe ist
es dabei zweckmäßig, axiale Durchgangslöcher vorzusehen, um
einen Druckausgleich des die Lötstellen umgebenden Gases sowohl beim Löten als auch im Betrieb herbeizuführen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in teils
schematischer Darstellungsweise gezeigt, die im folgenden näher erläutert sind. Die Zeichnung zeigt in
Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Verbindung zwischen einer metallischen Welle und einem keramischen
Turbinenrad, bei der das Verbindungs-• teil durch ein mit der metallischen Welle einstückig
verbundenes, hülsenförmiges Bauteil gebildet ist und
Figuren verschiedene Ausführungen von gesondert vor-2 bis 6 gesehenen Federelementen, die zwischen dem
keramischen Wellenzapfen und einem mit der metallischen Welle verbundenen starren Hülsenteil
eingelötet sind.
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In der Figur 1 ist mit 1 das aus einem keranischen Werkstoff,
beispielsweise Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid, hergestellte Turbinenrad und mit 2 eine metallische Turbinenwelle bezeichnet.
3 stellt die hier in radialer Bauweise ausgeführte Beschaufelung des beispielsweise für einen Abgasturbolader bestimmten
Turbinenrades 1 dar, die zusammen mit einem Ifabenkörper 4 und
einem an dessen Stirnseite angebrachten Weilenzapfen 5 einstückig;
nach an sich bekannten Herstellungsverfahren,, beispielsweise
durch Druckguß oder Schlickerguß, sowie durch anschließendes Brennen und Sintern beziehungsweise !Titrieren einstückig aus dem
keramischen Werkstoff hergestellt ist.
6 bezeichnet ein über den Wellenzapfen 5 des keramischen Habenkörpers
4 geschobenes Hülsenteil, das mit der metallischen Welle 2 einstückig oder durch an sich bekannte Yerbindungsverfahren, wie
Schweißen oder dergleichen, verbunden ist. Dieses Hülsenteil 6 hat
eine im wesentlichen wellenförmige Kontur mit radial nach innen sowie radial nach außen ragenden Bereichen 7 ^md 8, von denen die
radial nach innen ragenden Bereiche 7 durch eine Lötung 9 mit dem
keramischen Wellenzapfen 5 verbunden sind. Durch die relativ dünnwandigen,
gewellten Querschnitte der Hülse ergibt sich eine hohe Elastizität, die so groß sein soll, daß die beim Löten durch Differenzdehnung
der Bauteile auftretenden Kräfte zwischen dem metallischen lind dem keramischen Bauteil im v.-esentlichen durch elastische
Deformation aufgenommen v/erden. Wenn dies aber der Fall ist, dann
können weder beim Löten noch während des Betriebs der Turbine schädliche
Zugspannungen auf das keramische Bauteil übertragen werden.
Die Ausführungen nach den Figuren 2 bis 6, in denen die Verbindungsstelle
in.vergrößertem Maßstab dargestellt ist, unterscheiden sich von der Ausführung nach Figur 1 dadurch, daß anstelle eines mit der
Turbinenwelle von vornherein verbundenen Verbindungsteils separate und sowohl mit dem metallischen Wellenteil als auch mit dem keramischen
V/ellenzapfen durch Lötung verbindöare Federelemente vorgesehen sind, die die beim Löten durch Differenzdehnung auftretenden
Kräfte aufnehmen sollen.
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So zeigt die Figur 2 ein Federelement in Form eines gewellten, dünnwandigen Rohres 10, das mit seiner radial inneren Kontur
durch Lot; .3 teil an 12 mit das keramischen './elieiuiapi^i j uzid da
seinen radial äußeren Konturen durch Lötstellen 13 mit der Innenkontur
einer mit der metallischen Welle 2 einstückig verbundenen starren Hülse 11 verbunden sind. Im mittleren Bereich
der Wellenkontur sind jeweils Durchbrüche 14 vorgesehen, die als Entlüftungslöcher für die beim Löten entstehenden Gase vorgesehen
In dan Figuren 3 und 4 weisen die Federelemente S-förmige Querschnitte auf, wobei bei der Ausführung nach der Figur 3 entweder
mehrere Einzelringe oder aber ein spiralförmig aufgewickeltes Federband mit dem S-förmigen Querschnitt 15 vorgesehen ist. In beiden
Fällen sind die radial äußeren Schenkel des S-förmigen Querschnitts
an der Innenkontur des Hülsenteils 11 der metallischen Welle 2 durch eine Lötung 17 und der radial innere Schenkel durch
eine Lötung 16 an dem Wellenzapfen 5 des keramischen Turbinenrades
befestigt. Der mittlere Teil dieses Querschnitts 15 weist wiederum
Durchgangslöcher 18 zum Druckausgleich und zur Belüftung der zwischen den einzelnen Querschnitten eingeschlossenen Eäume auf.
Bei der Ausführung nach der Figur 4 besteht das Federelement aus einem einzigen im Querschnitt S-fÖrmigen Ring 20, der wiederum mit
seinem radial inneren Rand durch eine Lötung 21 mit dem keramischen
Bauteil 41 5 und mit seinem radial äußeren Rand durch eine Lötung
mit dem metallischen Bauteil 2, 11 verbunden ist. Auch hier sind in dem mittleren Bereich des Ringquerschnittes Durchgangslöcher
vorgesehen.
Schließlich ist in der Figur 5 noch eine Ausführung der Erfindung
dargestellt, bei dem das, beziehungsweise die Federelemente durch ein rohrförmiges Element 25 gebildet ist, das an seinem Außenmantel
Durchgangslöcher 28 aufweist und das an dem radial inneren Rand durch eine Hartlötung 26 mit dem Wellenzapfen 5 des keramischen
Turbinenrades 4 und an seinem radial äußeren Rand durch eine
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Lötung 27 mit dem Hülsenteil 11 der metallischen Turbinenwel-Ie
2 verbunden ist. Auch hier kann ähnlich wie bei der Ausführung nach der Figur 3 das Padereiemant aus einzsiaen Singen
oder einem spiralförmig über den Wellenzapfen. 5 aufgewickelten Element bestehen, wobei im letzteren Fall Torteile hinsichtlich
einer größeren Herstellungstolsrans des keramischen,
bzw. des metallischen Bauteils möglich sind.
Eine weitere Ausfuhrungsform der Jederelemente ist in der Figur 6
dargestellt, bei der zungenartige im wesentlichen axial gerichtete Lappen 31 eines am keramischen Zapfen durch eine Lötung 32 befestigten
Hülsenteils ^C axt der metallischen Hülse 11 ebenx-iis
durch eine Lötung 33 verbunden sind.
In allen Fällen soll die Elastizität der Federelemente so bemessen
sein, daß die bei den höchsten Temperaturbelastungen, beispielsweise also beim Löten, durch Differenzdehnung der Bauteile
entstehenden Kräfte im wesentlichen durch elastische Deformation der Federelemente aufgenommen v/erden und keine unzulässigen Zugspannungen,
insbesondere auf das keramische Bauteil, ausgeübt werden. Ein weiterer Vorteil der von der Erfindung vorgeschlagenen Ausführung
besteht darin, daß an dem keramischen ¥eilenzapfen 5 des Turbinenrades
keine mechanische Bearbeitung mit hoher Fertigungsgenauigkeit vorgenommen zu werden braucht, da etwa vorhandene Fertigungstoleranzen
weitgehend durch den Lötspalt aufgenommen werden können und im übrigen die Federelemente entsprechend angepaßt werden können.
Auch etwa vorhandene Uhrundheiten an dem keramischen Bauteil könnten dadurch beseitigt werden, daß zunächst das oder die Federelemente
auf dem Wellenzapfen durch Lötung befestigt werden und anschließend
deren Außendurchmesser mechanisch bearbeitet wird. Die Federelemente, die eine freie Gestaltung der Außenkontur der mit
der Welle 2 verbundenen Hülse 11 z.B. für Dichtungszwecke ermöglichen,
sollten, um axiale Schrumpfspannungen in den Lötstellen möglichst klein zu halten, zweckmäßigerweise auf weniger als 20 f>
der gesamten Länge des Wellenzapfens mit diesem verbunden sein.
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Bei der Gestaltung der Verbindung kann der Wellenzapfen auch
koaxial ausgeführt sein. Dadurch erreicht man eine günstigere
am übergang des v/ellenaapiens zur i-.aana.es.
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Claims (1)
- VOLKSWAGENWERK '"AKTIENGESELLSCHAFT 2845/165180 WolfsburgUnsere Zeichen: K 2626
1702pt-ve-jäASSPHtCEE1. Anordnung zur thermisch hoch beanspruchbaren Verbindung zwischen einem aus einem keramischen Werkstoff und einem aus einem metallischen Werkstoff bestehenden rotationssymmetrischen Bauteil, insbesondere einem mit einem Wellenzapfen versehenen keramischen Turbinenrad und einer metallischen Turbinenwelle, durch Hochtemperaturlötung, gekennzeichnet durch ein einerseits mit dem metallischen Bauteil (2) und andererseits mit dem keramischen Bauteil (4) verbundenes, radial und axial federnd elastisches Verbindungsteil (6; 10; 15; 20; 25) dessen Elastizität so bemessen ist, daß die beim Löten durch Differenzdehnung der Bauteile entstehenden Kräfte im wesentlichen durch elastische Deformation des Verbindungsteils aufgenommen werden.2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsteil (6; 10; 15; 20; 25) als ein den Wellenzapfen (5) des keramischen Bauteils (4) hülsenförmig umfassendes Teil ausgebildet ist.030(Π8/030·V«rjitz»n#»r - VarsMnrf: Tont SchmQdcer, Vortllzcntfar ■ Horst l«dc»m«nn · Pr«f. Br. twHii. Irnil fi»l* · »f. Jur. Ptl«r Frirk«ti Aufildiltf»t»: 3*11*1 Hjrtwidt · Hont MUnzntr ■ »f. r»r. pol. W»rn«r P. S*ml* G«tlli·* M. SWafel · Plot. Ir. r«t. pol. FHcriridt Th»m*«H.nt limkium Sitz dar (ScMHuhatt: Walfsburfl Amtn«ri*t WaKsburf HM 21JORIGINAL INSPECTEDJ. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsteil aus einem metallischen Werkstoff besteht.4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch-gekennzeichnet, daß zumindest die das Verbindungsteil mit den keramischen Bauteil verbindenden Lötstellen eine geringe axiale Srstreckung aufweisen.5· Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Terbindungsteil (6) einstückig mit dem metallischen Baut9xl("2) ausgebildet ist.6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Yerbindungsteil durch wenigstens ein zwischen dem Wellenzapfen (5) des keramischen Bauteils (4) und einem den Wellenzapfen umgebenden Hülsenteil (11) des metallischen Bauteils (2) eingefügtes, beiderseits durch Lotung verbundenes elastisches Pederelement (10; 15; 20; 25) gebildet ist.7· Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Jederelement durch ein über den Wellenzapfen (5) des keramischen Bauteils (4) geschobenes, gewelltes, dünnwandiges Hohr (1O) gebildet ist.8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (15; 20) einen in Umfangsrichtung verlaufenden S-förmigen Querschnitt aufweist und mit seinem radial äußeren Schenkel an der Innenkontur des metallischen Hülsenteils (11) und mit seinem radial inneren Schenkel an der Außenkontur des keramischen Wellenzapfens (5) angelötet ist.9. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (25) einen in Umfangsrichtung verlaufenden, rohrförmigen Querschnitt aufweist.0 3 0018/030810. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9» dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (15» 20; 25) durch wenigstens einen geschlossenen Sing gebildet ist.11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß isr Hing (15; 20; 25) über den Umfang verteilte axiale Durchgangslöcher (18; 25; 28) aufweisen.12. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9j dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente spiralförmig um den Wellenzapfen (5) verlaufen .15· Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente als im wesentlichen axial verlaufende, zungenförmige und mit einem der Bauteile verbundene Lappen (51) einer mit dem anderen Bauteil verbundenen Hülse (50) ausgebildet sind.03001 8/0308
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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