DE3510940C2 - Turbinenrotor mit einer mit einem Keramik-Turbinenrotor thermisch verbundenen Metallwelle - Google Patents
Turbinenrotor mit einer mit einem Keramik-Turbinenrotor thermisch verbundenen MetallwelleInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract
Für einen rotorkörperseitigen Wellenlagerabschnitt, der durch Hartlöten und/oder Aufschrumpfen mit einem Keramik-Rotorkörper verbunden werden soll, wird ein Metallwerkstoff gewählt, der in nicht-abgeschrecktem, nicht-angelassenem Zustand eine Härte entsprechend Hv 250 oder höher besitzt.
Description
Die Erfindung betrifft einen Turbinenrotor mit einer mit einem Keramik-Turbinenrotor thermisch verbundenen
Metallwelle.
Keramik-Turbinenrotoren dieser Art können für Turbolader, Gasturbinen oder dergleichen verwendet werden.
Bei bisherigen ganz aus Metall hergestellten Turbinenrotoren wurde ein vergleichsweise hochfester Stahl,
z. B. der Sorte SCM, SNCM, SACM oder dergleichen für die Wellenabschnitte verwendet. Dabei wird die
Welle vor oder nach dem Verschweißen mit dem Rotorkörper typischerweise mittels Abschreck- und Anlaßvorgängen
wärmebehandelt, um die erwünschte Härte einzustellen und die Wellenfestigkeit zu erhöhen. Anschließend
erfolgte eine Oberflächenhärtung durch Abschrecken, Nitrieren oder dergleichen am Trag- oder
Lagerabschnitt. Die auf diese Weise hergestellte Welle kann dünn sein, eine hohe Festigkeit erhalten und an der
Lagerfläche abriebbeständig sein.
Es sind Turbinenrotoren bekannt, bei denen ein aus Keramik bestehender Rotorkörper und eine Metallwelle
durch thermische Verbindung, z. B. durch Aufschrumpfen oder Hartlöten miteinander verbunden
werden. Wenn eine derartige Verbindung im Bereich des Wellenlagerabschnittes erfolgt, können aus herkömmlichen
Stahlwerkstoffen hergestellte Wellen unter der beim Verbindungsvorgang entstehende Wärme erweichen
bzw. ihre Härte verlieren. In diesen Fällen kann die Härte im Mittelbereich unter einen Härtegrad von
Hv 250 abfallen, wobei die Festigkeit der Welle insgesamt abnimmt. Wenn nun versucht wird, die Härte
durch Wärmebehandlung und Abschrecken nach der Verbindung zu erhöhen, kann sich die Verbidung lösen
oder es können im Keramik-1 urbinenrotor unter inneren
Spannungen infolge plötzlicher thermischer Verformung Risse auftreten. Aus den genannten Gründen ist
auch eine Abschreckbehandlung zur Oberflächenhärtung des Wellenlagerabschnittes unmöglich.
Es ist auch ein Turbinenrotor der einleitend genannten Art bekannt (DE-OS 27 34 747), bei welchem als
Werkstoff für die Metallwelle Molvbdän. Titan oder eine Legierung dieser Metalle verwendet wird. Auch für
diese Metalle und Legierungen gilt daß sie bei der zur Erzielung der thermischen Verbindung durchgeführten
Wärmebehandlung erweichen bzw. ihre Härte verlieren,
so daß die oben angegebenen Nachteile auftreten.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Turbinenrotor der einleitend angegebenen Art derart auszuführen, daß erhöhte
Härte am Lagerabschnitt der Metallwelle erzielt wird. Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung
ίο dadurch, daß der Werkstoff der Metallwelle nach der
thermischen Verbindung in nichtabgeschrecktem, nichtangelassenem Zustand eine Härte entsprechend Hv 250
oder mehr aufweist
Bei Verwendung eines Werkstoffes gemäß der Erfindung ist gewährleistet daß die Metallwelle insbesondere
am Lagerabschnitt auch nach der thermischen Verbindung ausreichendeFestigkeit hat Metallwerkstoffe,
die diesen Anforderungen genügen, sind beispielsweise Steliit, Wolfram oder dergleichen, die von Haus aus eine
hohe Härte besitzen. Andere den genannten Anforderungen genügende Metallwerkstoffe sind z. B. Inconel,
Nimonic oder dergleichen, deren Härtegrad durch Ausscheidungshärtung
erhöht werden kann. Weitere derartige Werkstoffe sind z. B. martensitaushärtender Stahl
oder dergleichen, dessen Härtegrad durch Alterungshärtung erhöhbar ist
Ein bevorzugter Werkstoff ist Wolfram, weil dessen Wärmeausdehnung gering ist und damit die Restspannungen
klein sind, wenn dieser Werkstoff mit einem Keramikmaterial mit geringer Dehnfähigkeit wie S13N4,
SiC oder dergleichen verbunden wird.
Im Fall von Metall werkstoff en des aushärtbaren Typs
kann eine vorbestimmte Härte durch Aufrechterhalten der Fällungs- oder Aushärttemperatur unter Abkühlen
nach dem Hartlöten oder durch mäßiges Erwärmen nach dem Abkühlen (wenn die Aushärttemperatur unter
der Hartlöttemperatur liegt), erzielt werden. Bei Verwendung eines martensitaushärtenden Stahls kann dessen
Härte durch Anwendung dieser Verfahren erhöht werden.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen
unter Schutz gestellt.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigt
Fig. 1 eine teilweise im Schnitt gehaltene schemalische
Darstellung eines Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Turbinenrotors,
Fig.2 eine Fig. 1 ähnliche Darstellung einer anderen
Ausführungsform des Turbinenrotors,
Fig.3 eine den Fig. 1 und 2 ähnliche Darstellung einer anderen Ausführungsform des Turbinenrotors
und
Fig.4 eine teilweise im Schnitt gehaltene schemalisehe
Darstellung einer Abwandlung der Ausführungsform nach den F i g. 1 bis 3.
Im folgenden ist die Erfindung in Beispielen erläutert.
Uie axial gerichtete Stob-Verbindungslläche eines
Turbolader-Rotorkörpers 1 aus S13N4 gemäß F i g. 1 wird nach einem physikalischen Aufdampfverfahren mit
einem Ti (0,1 μιη)-Μο (0,1 μΐτι)-Ου (2 μm)-Überzug versehen.
Anschließend wird ein Wellenteil 2a aus Wolfram durch Hartlöten bei 85O0C mit der beschichteten Rotorkörper-Verbindungsfläche
vereinigt und damit am Ende des Wellenteils 2a eine Stoß-Verbindune 4 mit dem Ro-
3
torkörper 1 hergestellt Sodann wird ein anderer WeI- chen des Wellenteils 2c und eines vorher abgeschrecklentcil 3a aus einem SCM-Werkstoff nach dem gleichen ten und angelassenen Wellenteils 36 aus SNCM-Werk-Hartlötverfahren zur Erzeugung einer Stoß-Verbin- stoff miteinander verbunden. Nur der Wellenteil 3b aus
dungssteile 4' zwischen den Wellenteilen ir«it dem ande- dem SNCM-Werkstoff erfährt eine Oberflächenabren Ende des Wellenteils 2a vereinigt. Die Wellenver- 5 schreckung. Nach letzterer Behandlung wird die Welle
bindungsstelle 4' liegt dabei unter Berücksichtigung der auf die vorbestimmten MaBe endbearbeitet worauf ein
anschließend durchzuführenden Wärmebehandlung in (Hoch-)Drehzahltest 200 h lang bei 150000/min durcheinem Abstand von 10 mm von einem zweiten Lagerab- geführt wird. Dieser Versuch beiegt eine zufriedensielschnitt Die Härte des Wolfram-Wellenteils 2a nach dem lende Verbindungsfestigkeit mit nur geringem Abrieb
Hartlöten einspricht Hv 390. 10 am Wellenteil aus martensitaushärtendem Stahl und oh-
teils 3a aus dem SCM-Werkstoff zur Erhöhung der Här- Obgleich vorstehend nur Fälle beschrieben sind, in
te auf Hv 500 wird der Wellenteil 3a auf vorbestimmte denen ein Metallwerkstoff eines hohen Härtegrads für
Maße endbearbeitet und in einen Turbolader eingebaut die Wellenlagerabschnitte 2a, 26 oder 2c verwendet
Bei einer 200 h lang bei 150 000/min durchgeführten 15 wird»umfaßt die Erfindung ausdrücklich auch Turbinen-(Hoch-)Drehzahlprüfung zeigte sich am Wolfram-WeI- rotoren mit Keramikkörpern, bei denen entweder der
!enteil 2a ein Abrieb von 0,5 μπι, aber kein sonstiger gesamte Lagerabschnitt oder die gesamte Metall-Welle
Schaden. 2, wie in F i g. 4 gezeigt aus dem Werkstoff hoher Härte
besteht.
fahren zur Herstellung der Turbinenrotoren gemäß der
Nach dem Beschichten einer Stoß-Verbindungsfläche Erfindung angewandt wurden, kann die Verbindung
eines aus S13N4 hergestellten Turbolader-Rotorkörpers (von Rotorkörper und Wellenteil) auch durch Auff gemäß F i g. 2 mit Ti (0,1 μΐη)-Μο (01, μπι)-Οι (2 μπι) schrumpfen oder mittels einer Kombination von Hartlönach einem physikalischen Aufdampfveiiahren wird ei- 25 ten und Aufschrumpfen erfolgen. Zur Erzielung eines
ne Puffer- oder Zwischenscheibe 5 aus Kupfer einer einwandfreien Schrumpfsitzes kann es jedoch erforder-Dicke von 1 mm zwischen den Rotorkörper und einen Hch sein (beim Aufschrumpfvorgang), die gesamte WeI-Hohlwellenteil 2b aus Inconel eingefügt. Die Zwischen- Ie auf 6000C oder mehr zu erwärmen.
scheibe 5 wird sodann mit dem Rotorkörper t hartver- ____
lötet, während gleichzeitig der Wellenteil 26 zur Her- 30 Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
stellung einer Verbindung 4 durch Hartlöten mit der
Zwischenscheibe 5 verbunden wird. Wahlweise kann zunächst die Zwischenscheibe 5 mit dem Rotorkörper 1
hartverlötet werden, worauf durch eine zweite, bei niedrigerer Temperatur durchgeführte Hartlötung der
Hohlwellenteil 2b mit der bereits angebrachten Zwischenscheibe 5 verbunden wird. Der Inconel-Wellenteil
2b besitzt nach der Verbindung eine Härte entsprechend Hv 400. Sodann wird durch Reibungsschweißung
eine Stoß-Verbindung 6Zj zwischen den jeweiligen Stirnflächen eines vorher abgeschreckten und angelassenen
Wellenteils 3a aus dem SCM-Werkstoft und dem Wellenteil 2b aus Inconel hergestellt. Der Wellenteil 3a aus
dem SCM-Werkstoff wird hieraus einer Oberflächenabschreckung unterworfen. Nach der Endbearbeitung auf
vorbestimmte Maße wird der Rotor einem 200 h langen (Hoch-)Drehzahltest bei 150 000/min unterworfen, wobei ein Abrieb von 0,5 μπι oder weniger am Wellenteil
aus Inconel 713c, aber kein sonstiger Schaden feststellbar ist.
Gemäß F i g. 3 wird nach dem Beschichten der Stoß-Verbindungsfläche eines Turbolader-Rotorkörpers 1
aus S13N4 mit Ti (0,1 μιη)-Μο (0,1 μπι)-^ (2 μηι) nach
einem physikalischen Aufdampfverfahren ein Wellenteil 2c aus martensitaushärtendem 18Ni-S)Co-O^Ti-O1OeA-Stahl mittels Silberlots bei 10000C bei 4 mit einer zwischen die beschichtete Stoß-Fläche des Rotorkörpers 1 en
und den Wellenteil 2c eingefügten Puffer- oder Zwischenscheibe 5 aus Covar einer Dicke von 0,5 mm hartverlötet. Nach einer Luftkühlung erfolgt eine Alterungsbehandlung bei 450° C. Die Härte des so geformten Wellenteils 2c aus martensitaushärtendem Stahl entspricht
Hv 520.
Anschließend werden bei 6c durch Elektronenstrahlverbindung oder -schweißung die jeweiligen Stirnflä-
Claims (5)
1. Turbinenrotor mit einer mit einem Keramik-Turbinenrotor thermisch verbundenen Metallwelle,
dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Metallwelle nach der thermischen Verbindung
in nichtabgeschrecktem, nichtangelassenem Zustand eine Härte entsprechend Hv 250 oder mehr
aufweist
2. Turbinenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Metallwelle
durch Alterungshärtung härtbar ist
3. Turbinenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Metallwelle
durch Ausfällungshärtung härtbar ist
4. TJirbinenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die endgültige Härte zumindest des rotorseitigen Wellenlagerabschnittes mehr als
etwa Hv 500 beträgt
5. Turbinenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Metallwelle
aus Wolfram besteht.
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