EP2830802A1 - Turbinenläufer für eine abgasturbine sowie ein verfahren zur herstellung des turbinenläufers - Google Patents

Turbinenläufer für eine abgasturbine sowie ein verfahren zur herstellung des turbinenläufers

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EP2830802A1
EP2830802A1 EP13711662.0A EP13711662A EP2830802A1 EP 2830802 A1 EP2830802 A1 EP 2830802A1 EP 13711662 A EP13711662 A EP 13711662A EP 2830802 A1 EP2830802 A1 EP 2830802A1
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EP
European Patent Office
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turbine
rotor shaft
rotor
impeller hub
soldering
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13711662.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Achim Koch
Timo MERENDA
Philipp MEHNE
Martin Thomas
Günter Münch
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Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Continental Automotive GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2830802A1 publication Critical patent/EP2830802A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F01D5/3061—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers by welding, brazing
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    • F05D2300/174—Titanium alloys, e.g. TiAl

Definitions

  • Turbine rotor for an exhaust gas turbine and a method for producing the turbine rotor
  • the present invention relates to a turbine runner for an exhaust gas turbine and to a method for producing the turbine runner
  • Such a turbine runner consists of a turbine wheel and a rotor shaft as a structural unit and is, for example, part of the running gear of an exhaust gas turbocharger and serves to convert exhaust gas energy contained in the exhaust gas of an internal combustion engine into rotational energy of the power tool and for transmission thereof
  • Rotational energy to a connected to the turbine rotor compressor wheel, with the aid of the rotational energy is used to generate an increased pressure of the air supply of the internal combustion engine and thus to increase the performance and efficiency of the internal combustion engine.
  • a generator coupled to the turbine rotor, with the aid of which the rotational energy is converted into electrical energy, which in turn can be used in many ways.
  • Exhaust gas turbochargers are increasingly used to increase performance in automotive internal combustion engines. This happens more and more often with the aim of reducing the internal combustion engine with the same or even increased performance in size and weight while reducing consumption and thus the C0 2 emissions, in view of increasingly stringent legal requirements in this regard.
  • the active principle exists It is to use the energy contained in the exhaust stream to increase the pressure in the intake of the engine and thus to better fill the combustion chamber with air-oxygen and thus more fuel, gasoline or diesel to convert per combustion, so the performance of Increase internal combustion engine.
  • An exhaust gas turbocharger has for this purpose a turbine arranged in the exhaust gas line of the internal combustion engine with a turbine rotor driven by the exhaust gas flow and a compressor arranged in the intake tract with a compressor impeller which builds up the pressure.
  • the turbine runner and the rotor shaft are materially connected to each other and thus form a structural unit.
  • the compressor impeller is non-rotatably mounted on the turbine runner opposite end of the rotor shaft of the turbine runner, wherein the rotor shaft is rotatably mounted in a arranged between the turbine and compressor bearing unit.
  • the turbine wheel is in operation in the hot exhaust gas stream and is thus exposed to very large temperature fluctuations, peak temperatures of more than 1000 ° C being achieved.
  • the turbine rotor rotates at very high speeds of up to 300,000 rpm, whereby the turbine wheel and in particular the turbine wheel blading is subjected to very high mechanical stresses due to the high centrifugal forces that occur.
  • the mass of the turbine wheel is of great importance for the dynamic response of the turbine, which is contrary to the high loads corresponding massive design of the turbine runner.
  • the turbine runners are therefore increasingly used high-temperature metal alloys, such as titanium-aluminum alloys (TiAl alloys or titanium aluminide) or Ni-base alloys, which are characterized in particular by their high specific strength at high temperature and yet low specific gravity.
  • TiAl alloys or titanium aluminide titanium-aluminum alloys
  • Ni-base alloys which are characterized in particular by their high specific strength at high temperature and yet low specific gravity.
  • the coefficient of thermal expansion of these refractory metal alloys comes very close to the metals commonly used in turbine construction, which helps avoid problems due to differential thermal expansion. Intermetallic mixtures with a majority of titanium and aluminum or nickel are practically used.
  • TiAl alloys may well vary and also contain further constituents and are typically characterized by a titanium content of between 50 and 60% (weight fraction) and an aluminum fraction> 25%. (weight ratio). Further constituents may be, for example, Cr, Nb, B, C or Mo.
  • TiAl alloys form a so-called ⁇ -TiAl phase (gamma titanium aluminide) with a tetragonal crystal structure and are referred to as gamma, duplex or Lammellare alloys depending on the proportion of other different phases.
  • Ni-base alloys are, for example, Inco 713 C, Inco 713 LC, MAR-M 246, MAR-M 247, B 1964, IN 100 or GMR-235.
  • the rotor shaft is part of the bearing system of the turbine rotor and must be able to accommodate a high alternating bending load and at least in the storage area must have a sufficiently hardened outer layer to seize it to avoid the bearings.
  • the rotor shaft is not exposed to the extremely high temperatures as the turbine runner.
  • materials such as steel, in particular mild steel, low-alloyed or high-alloyed tempering steel, for example 42CrMo4 (1.7225), are suitable for this application.
  • the turbine rotors are thus made of the abovementioned components, turbine runner made of high-temperature metal alloy and rotor shaft made of steel, and must be advantageously joined together by means of a cohesive connection to form a structural unit.
  • connection partners are held together by means of atomic or molecular forces and are non-detachable compounds which can only be broken up in a destructive way.
  • Cohesive connections are in this context in particular welded joints and
  • the friction welding method known in this context in conjunction with other material combinations can only be used to a limited extent.
  • the reason for this is that, when a friction welding method is employed, for example, transformation of the steel at the time of austenite-martensite cooling causes expansion of the steel, causing residual stress, and even if the material of the turbine runner has high rigidity At room temperature, the moldability is about 1%, and therefore the wheels may break.
  • a reaction of TiAl with the carbon, C may occur in the steel, thereby forming titanium carbide at the connection interface, whereby the strength at the interface decreases critically.
  • soldering is, in accordance with DIN 8505 "Soldering", a thermal process for material joining, whereby a liquid phase is produced by melting a solder and a bond by diffusion of the solder at the interfaces Solidus temperature of the base materials of the connection partners is not achieved.
  • a special problem in these bonding processes consists in the control of the thickness of the solder layer between the two connection partners and thus in the control of the total length of the finished turbine rotor.
  • the present invention is therefore an object of the invention to provide a turbine rotor, consisting of a turbine wheel of a high-temperature metal alloy and thus connected in a soldering steel rotor shaft for an exhaust turbine, in which the width of the Lotspaltes and thus the exact length of the finished turbine rotor and the curing, in particular the bearing areas, the rotor shaft are defined without requiring additional post-processing. Furthermore, the object is to provide a method for producing such a turbine rotor which is inexpensive industrially, can be used in mass production.
  • the turbine rotor according to the invention for an exhaust gas turbine has a turbine wheel with an impeller hub and a rotor shaft with a rotor shaft end facing the rotor base.
  • the turbine runner is made of a high-temperature resistant metal alloy and is preferably produced in a conventional fine casting process. It has a base body with a blading on the front, as well as an impeller hub in shape a cylinder section arranged concentrically on the rear side of the main body.
  • the rotor shaft is made of steel and is preferably finished for later use and cured at least in the area of the later bearings.
  • the impeller hub and the rotor shaft end are connected by means of a solder connection cohesively with each other, wherein between the end faces of the impeller hub and the rotor shaft end a filled with a solder alloy soldering is arranged concentric to the turbine rotor axis of rotation.
  • the solder materials used are advantageously mainly metal alloys based on nickel, copper, silver or titanium.
  • the turbine rotor according to the invention is characterized in particular by the fact that the soldering gap width is predetermined by a circular circumferential, from the outer edge over only a portion of the radius extending material removal on the end face of the impeller hub or the end face of the rotor shaft end and that the solder joint by electron beam soldering was generated.
  • the soldering gap is arranged concentrically and is formed by a circular circumferential material removal on one of the end faces, wherein the removal of material and thus the solder gap does not extend over the entire radius of the respective end face, means that a part of the original end face remains, so that the removal of material at adjacent end faces of impeller hub and rotor shaft results in a defined soldering gap.
  • the corresponding material removal can be done either on the front side of the impeller hub as well as on the front side of the rotor shaft end or on both sides.
  • the advantages of the turbine rotor according to the invention lie in the fact that a defined and optimized soldering gap width can be ensured in each case and independently of the applied forces when joining the two workpieces. This contributes to the constant quality of the solder joint and its strength. Nevertheless, due to the spatially limited heat input, the hardening of the rotor shaft in the region of the bearing points is not affected and an additional Hardening process can be omitted. Also occur due to the lower overall temperatures no cracking in the connection area. These are essential prerequisites for the use of the turbine rotor according to the invention in mass-produced products, such as, for example, in turbochargers for internal combustion engines in motor vehicles.
  • a TiAl alloy or a Ni-base alloy is used as the high-temperature metal alloy of the turbine impeller, and a low-alloyed or high-alloyed tempering steel or an austenitic steel is used for the rotor shaft.
  • An advantageous embodiment of the turbine rotor according to the invention is characterized in that the circular circumferential material removal an annular shoulder with a certain paragraph height or at a certain gap angle ⁇ outwardly inclined to the respective workpiece cone surface such that an outwardly open soldering gap and a in the direction of the turbine rotor axis of rotation adjoining circular, end-side contact surface is formed, which rests directly on the opposite end face.
  • the removal of material thus takes place from the outer circumference of the rotor shaft or the impeller hub direction of rotation axis, over only a portion of the radius, so that in the respective center a part of the original face remains standing and forms the contact surface for each opposing workpiece.
  • the impeller hub or the rotor shaft end has a centrically ordered blind hole in the respective end face, which acts as a heat choke in the transition between the turbine runner and rotor shaft.
  • the diameter of the blind bore is so much smaller than the diameter of the front-side contact surface, that an annular contact surface is formed with a ring width of at least 0.5 mm.
  • the blind hole can be arranged both in the same workpiece, turbine rotor or rotor shaft, as the material removal or optionally in the respective other workpiece, which has no material removal.
  • the end-face contact surface is located only in the area against the opposite workpiece in which the contact surface overlaps the blind hole.
  • This embodiment has the advantage that despite the provision of the blind hole as a heat reactor in one of the front sides of the impeller hub or rotor shaft, a defined solder gap width can be ensured.
  • the heel height of the annular shoulder between 0.05 mm and 0.15 mm is selected or the gap angle ⁇ is chosen so that the solder gap on its outer circumference a solder gap width of 0, 20 mm not exceeds.
  • soldering gap widths or geometries within the aforementioned ranges the connection points between turbine runner and rotor shaft have the best strength values.
  • a turbine runner made of a high-temperature metal alloy with an impeller hub, and a rotor shaft made of steel are provided.
  • the turbine runner is preferably produced in a conventional precision casting process and has a main body with a blading on the front side, and an impeller hub in the form of a cylinder section arranged concentrically on the rear side of the main body.
  • an impeller hub in the form of a cylinder section arranged concentrically on the rear side of the main body.
  • a circular, concentric material removal is then produced, wherein the material removal and thus the soldering gap does not extend from the outside over the entire radius of the respective end face, so that the circular circumferential material removal an annular shoulder with certain Heel height or one in a particular
  • Gap angle ⁇ outwardly against the respective workpiece inclined cone surface is formed so that between the
  • solder material is then applied to one of the end faces of the impeller hub or the rotor shaft, in the respective region of the material removal, wherein advantageously metal alloys based on nickel, copper, silver or titanium are used.
  • Electron beam is focused punctiform on a portion of the solder gap and the turbine rotor, so turbine wheel and rotor shaft together, is rotated at a predetermined rotational speed about its axis of rotation.
  • the release of the turbine rotor can be made from the device.
  • the advantages of the method according to the invention for the production of the turbine rotor according to the invention are, above all, that in each case a solder joint with constant quality, with a defined solder gap width and thus defined overall length of the turbine rotor can be produced. Due to the fast and spatially limited heat input short process times can be achieved and no subsequent hardening process of the rotor shaft is required. These are essential prerequisites for the use of the method according to the invention in mass production, for example in turbochargers for internal combustion engines in motor vehicles.
  • An advantageous development of the method for producing a turbine rotor according to the invention is characterized in that in an additional process step, a centrally arranged blind hole in the impeller hub or the rotor shaft end is introduced, such that the diameter of the blind hole is so much smaller than the diameter of the end-face contact surface that an annular contact surface is formed with a ring width of at least 0.5 mm.
  • the introduced blind hole acts as a heat choke between turbine runner and rotor shaft and reduces the heat transfer to the rotor shaft during operation.
  • a solder gap defined in length and width can be achieved and the quality of the solder joint can be increased.
  • the invention relates to a turbine runner for an exhaust gas turbine and a method for producing such a turbine runner, the turbine runner comprising a TiAl alloy turbine runner and a steel runner shaft, and the runner hub and rotor end connected by a soldered connection are connected.
  • soldering gap filled with a solder alloy is arranged concentrically to the turbine rotor axis of rotation, wherein the solder gap width is predetermined by a circular circumferential material removal on the end face of the impeller hub or the end face of the rotor shaft end and generates the solder joint by electron beam soldering becomes .
  • Fig. 1 is a simplified schematic, not to scale
  • Fig. 2 is a characteristic detail of Figure 1 in two different versions in an enlarged Dar position.
  • Fig. 3 is a simplified schematic, not to scale
  • FIG. 4 shows a characteristic detail from FIG. 3 in an enlarged representation.
  • Fig. 5 shows a further embodiment of the characterizing detail
  • Fig. 6 is a simplified schematic, not to scale
  • Fig. 7 is a characteristic detail of Figure 6 in an enlarged view. 8 shows a greatly simplified representation of a device for carrying out at least part of the method according to the invention. Function and naming equals objects are provided in the figures with the same reference numerals.
  • FIG. 1 shows a simplified representation of a turbine rotor 1 according to the invention.
  • This has a turbine runner 2 with an impeller hub 3 and a rotor shaft 4.
  • the turbine runner is preferably made in a conventional precision casting process, from a high heat-resistant metal alloy and has a body with a blading on the front (in the figure on the left), and an impeller hub 3 in the form of a concentric on the back (in the figure right) of the body arranged cylinder section on.
  • the shaft is also shown simplified here and can in concrete cases have steps, paragraphs, tapers and similar features.
  • connection point between the turbine runner and the rotor shaft is shown in "broken-line" representation and marked as a detail X, which is shown in an enlarged view in the following Figure 2.
  • detail X which is shown in an enlarged view in the following Figure 2.
  • Rotor shaft 4 shown in two complementary embodiments, wherein between the end faces of the impeller hub 3 and the end face of the rotor shaft 4 is filled with a solder alloy soldering gap 6 concentric with the axis of rotation 10 of the turbine runner 1 is arranged.
  • solder alloy soldering gap 6 concentric with the axis of rotation 10 of the turbine runner 1 is arranged.
  • the soldering gap width 8 is predetermined by a circular circumferential material removal extending from the outer edge over only a part of the radius, in the form of a right-angled shoulder, on the end face of the rotor shaft end.
  • a contact surface 7 In the center of the stopped part of the rotor shaft end face forms a contact surface 7, with which the rotor shaft end rests directly on the end face of the impeller hub 3. This is easy to see in the lower part of Figure 2, where specifically the area of the soldering gap 6 and the contact surface 7 is shown in a further enlarged view.
  • a soldering gap 6 is shown with the same geometry, which, however, in contrast to the aforementioned embodiment, by material removal on the end face of the impeller hub is predetermined.
  • the solder joint is made by electron beam soldering.
  • FIG. 3 shows, in principle, the same turbine rotor 1 as in FIG. 1.
  • a centrally arranged blind bore 5 is additionally provided in the Läferwellenende, which acts as a heat choke in the transition between turbine runner and rotor shaft.
  • the soldering gap 8 by a circular circumferential extending from the outer edge over only a portion of the radius material removal, in the form of a right-angled paragraph, on the end face the rotor shaft end is predetermined.
  • the area of the soldering gap 6 and the contact surface 7 are shown in a further enlarged representation.
  • the diameter d of the blind bore 5 is smaller than the diameter D of the front-side contact surface 7, so that an annular contact surface 7 is formed with a ring width 9.
  • this ring width 9 should be at least 0.5 mm in order to ensure sufficient load-bearing capacity against a contact pressure to be applied during the joining process.
  • FIG. 5 shows, in an enlarged representation of the detail Y from FIG. 3, a further variant of the design of a defined soldering gap 6 in conjunction with a blind hole 5.
  • Both the material removal for shaping the soldering gap 6 and the blind bore 5 are on the end face of the rotor shaft 4 arranged.
  • the blind hole 5 and the contact surface 7 is shown in a further enlarged view.
  • the soldering gap 6 has wedge shape in this embodiment.
  • FIGS. 6 and 7 show a variant of the turbine rotor 1 in which the material removal for the design of the soldering gap is arranged on the end face of the rotor shaft 4, but the blind hole 5 is arranged in the rotor hub 3.
  • the diameter d of the blind hole 5 is smaller than the diameter D of the end abutment surface 7, so that an annular abutment surface 7 with a sufficient ring width 9 is formed by the overlap region here, too.
  • FIG. 8 shows in a greatly simplified representation a device for carrying out various method steps of the method according to the invention.
  • the device shown serves, in particular, for carrying out the soldering process for the substance conclusive connection between impeller hub 3 and rotor shaft 4.
  • the device comprises, a clamping device 20 and an electron beam source 17 with focusing device 18.
  • the clamping device 20 has the following functional units:
  • a device bed 11 as a basis for the other functional units.
  • An impeller chuck 12 consisting of at least two
  • a clamping slide 14 which is mounted in the device bed 11 axially, in the direction of the turbine rotor axis 10 movable.
  • a rotor shaft chuck 13 consisting of at least two jaws for centering the rotor shaft 4, which is rotatably mounted by means of a rotary bearing 16 about the turbine rotor axis of rotation 10 on the clamping carriage 14.
  • the rotor shaft prepared in accordance with the first method steps is spanned centered in the rotor shaft chuck 13; the arrows 23 show the clamping movement of the individual clamping jaws required for this purpose.
  • the turbine runner 2 As a result, driven by the drive shaft 15, the turbine runner 2, together with the rotor shaft 4 coupled thereto by means of frictional engagement, is set in rotation at a predetermined, regulated speed about the turbine rotor axis of rotation 10, this being indicated by the arrows 21 in FIG , With the help of the electron beam source 17 and the focusing device 18, an electron beam 19 is now generated and directed from the outside onto the soldering gap 6. Due to the uniform rotation of the turbine rotor 1 in cooperation with the electron beam 19, the heating of the solder material and the immediate end face of impeller hub 3 and rotor shaft 4 in the soldering gap 6 is now carried out to a predetermined, above the melting temperature of the soldering material soldering temperature.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbinenläufer (1) für eine Abgasturbine sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Turbinenläufers (1), wobei der Turbinenläufer (1) ein Turbinenlaufrad (2) aus einer hochwarmfesten Metalllegierung und eine Läuferwelle (4) aus Stahl aufweist und die Laufradnabe (3) und das Läuferwellenende mittels einer Lötverbindung stoffschlüssig (6) mit einander verbunden sind. Zwischen den Stirnflächen der Laufradnabe (3) und des Läuferwellenendes ist ein mit einer Lotlegierung gefüllter Lötspalt konzentrisch zur Turbinenläufer-Drehachse angeordnet, wobei die Lötspaltbreite durch einen kreisförmig umlaufenden Materialabtrag auf der Stirnfläche der Laufradnabe oder der Stirnfläche des Läuferwellenendes vorbestimmt ist und die Lötverbindung mittels Elektronenstrahl-Lötverfahren erzeugt wird.

Description

Beschreibung
Turbinenläufer für eine Abgasturbine sowie ein Verfahren zur Herstellung des Turbinenläufers
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turbinenläufer für eine Abgasturbine sowie ein Verfahren zur Herstellung des Turbinenläufers
Ein solcher Turbinenläufer besteht aus einem Turbinenrad und einer Läuferwelle als bauliche Einheit und ist zum Beispiel Teil des Laufzeugs eines Abgasturboladers und dient zur Umsetzung von im Abgas einer Verbrennungsmaschine enthaltener Abgasenergie in Rotationsenergie des Laufzeugs und zur Übertragung dieser
Rotationsenergie auf ein mit dem Turbinenläufer verbundenes Verdichterrad, mit dessen Hilfe die Rotationsenergie genutzt wird zur Erzeugung eines erhöhten Druckes der Luftzufuhr der Verbrennungsmaschine und somit zur Steigerung der Leistung und Effizienz der Verbrennungsmaschine.
Stattdessen kann beispielsweise auch ein Generator mit dem Turbinenläufer gekoppelt sein, mit dessen Hilfe die Rotationsenergie in elektrische Energie gewandelt wird, die wiederum vielseitig genutzt werden kann.
Der derzeitige Hauptanwendungsbereich betrifft jedoch Abgasturbolader für Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, weshalb im Weiteren in der Beschreibung auf Abgasturbolader Bezug genommen wird sofern zum besseren Verständnis nützlich.
Abgasturbolader werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den C02-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen um den Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu bewirken und somit mehr Treibstoff, Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umsetzen zu können, also die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen.
Ein Abgasturbolader weist dazu eine im Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnete Turbine mit einem durch den Abgasstrom angetriebenen Turbinenläufer und einen im Ansaugtrakt angeordneten Verdichter mit einem den Druck aufbauenden Verdichterlaufrad auf. Das Turbinenlaufrad und die Läuferwelle sind stoffschlüssig mit einander verbunden und bilden so eine bauliche Einheit. Das Verdichterlaufrad ist drehfest an dem dem Turbinenlaufrad gegenüberliegenden Ende der Läuferwelle des Turbinenläufers befestigt, wobei die Läuferwelle in einer zwischen Turbine und Verdichter angeordneten Lagereinheit drehgelagert ist. Somit wird mit Hilfe des Abgasmassenstroms der Turbinenläufer und über die Läuferwelle wiederum das
Verdichterlaufrad angetrieben und die Abgasenergie so zum Druckaufbau im Ansaugtrakt genutzt.
Das Turbinenrad befindet sich im Betrieb im heißen Abgasstrom und ist somit sehr großen Temperaturschwankungen ausgesetzt wobei Spitzentemperaturen bis über 1000°C erreicht werden. Gleichzeitig rotiert der Turbinenläufer mit sehr hohen Drehzahlen von bis zu 300.000 U/min wodurch das Turbinenlaufrad und insbesondere die Turbinenradbeschaufelung sehr hohen mechanischen Beanspruchen durch die auftretenden hohen Fliehkräften ausgesetzt ist. Weiterhin ist insbesondere die Masse des Turbinenrades von großer Bedeutung für das dynamische Ansprechverhalten der Turbine, was einer den hohen Belastungen entsprechenden massiven Auslegung des Turbinenlaufrades entgegen steht . Bei den Turbinenlaufrädern werden deshalb vermehrt hochwarmfeste Metallegierungen, wie zum Beispiel Titan-Aluminim-Legierungen ( TiAl-Legierungen oder Titanaluminid) oder Ni-Basislegierungen eingesetzt, die sich insbesondere durch ihre hohe spezifische Festigkeit bei hoher Temperatur und ein gleichwohl niedriges spezifisches Gewicht auszeichnen. Darüber hinaus kommt der Wärmeausdehnungskoeffizient dieser hochwarmfesten Metalllegierungen dem von üblicherweise im Turbinenbau verwendeten Metallen sehr nahe, was Probleme aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung zu vermeiden hilft. Praktisch eingesetzt werden intermetallische Gemische mit einem Haupanteil an Titan und Aluminium oder Nickel.
Wie beispielsweise auch aus der DE 102007048789 AI bekannt ist, können bei den TiAl-Legierungen die konkreten Legierungszusammensetzungen durchaus variieren und auch weitere Bestandteile enthalten und sind im typischerweise gekennzeichnet durch einen Titananteil zwischen von 50 und 60% ( Gewichtsanteil ) und einem Aluminiumanteil >25% (Gewichtsanteil). Weitere Bestandteile können beispielsweise Cr, Nb, B, C oder Mo sein. TiAl-Legierungen bilden eine sogenannte γ-TiAl-Phase (Gamma-Titanaluminid) mit tetragonaler Kristallstruktur und werden je nach Anteil an weiteren unterschiedlichen Phasen als Gamma-, Duplex- oder Lammellare Legierungen bezeichnet.
Bei den Ni-Basislegierungen handelt es sich beispielsweise um Inco 713 C, Inco 713 LC, MAR-M 246, MAR-M 247, B 1964, IN 100 oder GMR-235.
In den folgenden Ausführungen werden all diese Legierungsgefüge übergreifend unter dem Begriff„hochwarmfeste Metallegierungen" zusammengefas st .
Die Läuferwelle andererseits ist ein Teil des Lagerungssystems des Turbinenläufers und muss eine hohe Wechselbiegelast aufnehmen können und muss zumindest im Lagerungsbereich über eine ausreichend gehärtete Außenschicht verfügen, um ein Festfressen der Lager zu vermeiden. Andererseits ist die Läuferwelle nicht den extrem hohen Temperaturen ausgesetzt wie das Turbinenlaufrad .
Für diesen Einsatz eignen sich dem entsprechend Werkstoffe wie Stahl, insbesondere Baustahl, niedrig- oder hochlegierter Vergütungsstahl, wie zum Beispiel 42CrMo4 ( 1.7225 ) ,
X22CrMoVl2-l( 1.4923) oder Xl9CrMoNbVNll-l ( 1.4913 ) oder auch Superlegierungen wie Inconel oder Incoloy (siehe auch DE 102007 048 789 AI) . Diese Materialien werden in den folgenden Aus- führungen einfach und übergreifend als Stahl bezeichnet.
Um die jeweiligen Vorteile der entsprechenden Materialien nutzen zu können werden die Turbinenläufer also aus den oben genannten Komponenten, Turbinenlaufrad aus hochwarmfester Metalllegierung und Läuferwelle aus Stahl, gefertigt und müssen in der Folge vorteilhaft mittels einer Stoffschlüssigen Verbindung zu einer Baueinheit zusammengefügt werden.
Bei stoffschlüssigen Verbindungen werden die Verbindungspartner mittels atomarer oder molekularer Kräfte zusammengehalten und sind nicht lösbare Verbindungen, die sich nur zerstörend wieder lösen lassen. Stoffschlüssige Verbindungen sind in diesem Zusammenhang insbesondere Schweißverbindungen und
Lötverbindungen .
Wie zum Beispiel aus der DE 697 24 730 T2 bekannt, kann das in diesem Zusammenhang in Verbindung mit anderen Materialkombinationen bekannte Reibschweißverfahren nur beschränkt eingesetzt werden. Der Grund dafür ist, dass, wenn ein Reibschweißver- fahren eingesetzt wird, beispielsweise die Transformation des Stahls zur Zeit der Abkühlung vom Austenit zum Martensit eine Ausdehnung des Stahles verursacht, was eine Restspannung bewirkt, und auch wenn das Material des Turbinenlaufrads eine hohe Steifigkeit besitzt, liegt die Formbarkeit bei Raumtemperatur ungefähr bei geringen 1% und deshalb kann ein Brechen der Räder auftreten. Des Weiteren kann beispielsweise eine Reaktion von TiAI mit dem Kohlenstoff, C, im Stahl auftreten, wodurch Titancarbid an der Verbindungsschnittstelle gebildet wird, wodurch die Festigkeit an der Schnittstelle in kritischem Maße sinkt .
Bei Schweißverfahren allgemein kommt es, aufgrund der hohen Temperaturen bis zum Überschreiten des Schmelzpunktes der zu verbindenden Materialien und der entstehenden Eigenspannungen beim Abkühlen, vermehrt zur Rissbildung im Bereich der
Schweißnaht und somit zur Schwächung der Verbindung.
Zur Vermeidung dieser Problematik wird in der DE 697 24 730 T2 ein Lötverfahren vorgeschlagen, bei dem zwischen den beiden Verbindungspartnern Turbinenlaufrad und Läuferwelle ein Lotmaterial, das zum Beispiel ein austenitisches Gefüge aufweist eingefügt wird. Löten ist, gemäß DIN 8505 „Löten", ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstoffen, wobei eine flüssige Phase durch Schmelzen eines Lotes und eine Verbindung durch Diffusion des Lotes an den Grenzflächen entsteht. Ein weiterer wesentlicher Unterschied zum Schweißen besteht darin, dass die Solidustemperatur der Grundwerkstoffe der Verbindungspartner dabei nicht erreicht wird.
Somit findet dieser Prozess bei niedrigeren Temperaturen statt als das Schweißen und es werden weniger Eigenspannungen in der Fügestelle erzeugt. Desweiteren kann durch die Verwendung eines entsprechenden Lotes als Zwischenmaterial zwischen den Verbindungspartnern die Ausbildung von für die Festigkeit schädlichen Gefügestrukturen verhindert werden. Als Lotmaterialien werden gemäß DE 697 24 730 T2 vorteilhaft hauptsächlich auf Nickel, Kupfer, Silber oder Titan basierte Metalllegierungen eingesetzt.
Eine spezielle Problematik bei diesen Verbindungsprozessen besteht dabei in der Kontrolle der Dicke der Lotschicht zwischen den beiden Verbindungspartnern und somit in der Kontrolle der Gesamtlänge des fertigen Turbinenläufers.
Eine weitere Problematik besteht darin, dass auch bei den niedrigeren Löttemperaturen die Austenittemperatur des für die Läuferwelle eingesetzten Stahls möglicherweise überschritten wird und dadurch eine Enthärtung des Stahls stattfindet. Diese Problematik ist umso gravierender desto breiter sich der Erwärmungsbereich um die Lötverbindung herum, ggf. bis in die Lagerbereiche der Läuferwelle hinein ausdehnt. Dies ist vor allem der Fall bei den üblicherweise eingesetzten Verfahren zur Erwärmung mittels Brennern, Induktionsspulen oder gar Heizöfen. Eine erneute nachträgliche, kosten- und zeitintensive Nachbearbeitung sowie Härtung der Läuferwelle wird dadurch unumgänglich. Dies ist vor Allem für eine industrielle Großserien-Fertigung von Nachteil.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Turbinenläufer, bestehend aus einem Turbinenlaufrad aus einer hochwarmfesten Metalllegierung und einer damit in einem Lötverfahren verbundenen Stahl-Läuferwelle, für eine Abgas- turbine anzugeben, bei der die Breite des Lotspaltes und somit die genaue Länge des fertigen Turbinenläufers sowie die Härtung, insbesondere der Lagerbereiche, der Läuferwelle definiert sind, ohne eine zusätzliche Nachbearbeitung zu erfordern. Weiterhin besteht die Aufgabe darin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Turbinenläufers anzugeben das kostengünstig industriell, in der Großserienfertigung einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Turbinenläufer mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung dieses Turbinenläufers mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder, sofern es sich nicht um sich gegenseitig ausschließende Alternativen handelt, in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der erfindungsgemäße Turbinenläufer für eine Abgasturbine weist ein Turbinenlaufrad mit einer Laufradnabe und eine Läuferwelle mit einem der Laufradbasis zugewandten Läuferwellenende auf. Das Turbinenlaufrad besteht aus einer hochwarmfesten Metalllegierung und ist vorzugsweise in einem gebräuchlichen Feingus sverfahren hergestellt. Es weist einen Grundkörper mit einer Beschaufelung auf der Vorderseite, sowie eine Laufradnabe in Form eines konzentrisch auf der Rückseite des Grundkörpers angeordneten Zylinderabschnittes auf.
Die Läuferwelle besteht aus Stahl und ist vorzugsweise für den späteren Einsatz fertig bearbeitet und zumindest im Bereich der späteren Lagerstellen gehärtet.
Die Laufradnabe und das Läuferwellenende sind mittels einer Lötverbindung Stoffschlüssig mit einander verbunden, wobei zwischen den Stirnflächen der Laufradnabe und des Läuferwellenendes ein mit einer Lotlegierung gefüllter Lötspalt kon- zentrisch zur Turbinenläufer-Drehachse angeordnet ist. Als Lotmaterialien werden vorteilhaft hauptsächlich auf Nickel, Kupfer, Silber oder Titan basierte Metalllegierungen eingesetzt. Der erfindungsgemäße Turbinenläufer zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass die Lötspaltbreite durch einen kreisförmig umlaufenden, sich vom Außenrand her über nur einen Teil des Radius erstreckenden Materialabtrag auf der Stirnfläche der Laufradnabe oder der Stirnfläche des Läuferwellenendes vorbestimmt ist und dass die Lötverbindung mittels Elektronenstrahl-Lötverfahren erzeugt wurde. Dass der Lötspalt konzentrisch angeordnet ist und durch einen kreisförmig umlaufenden Materialabtrag auf einer der Stirnflächen gebildet ist, wobei sich der Materialabtrag und somit der Lötspalt nicht über den gesamten Radius der jeweiligen Stirnfläche erstreckt, bedeutet, dass ein Teil der ursprünglichen Stirnfläche stehen bleibt, so dass der Materialabtrag bei aneinander liegenden Stirnflächen von Laufradnabe und Läuferwelle einen definierten Lötspalt ergibt. Der entsprechende Materialabtrag kann wahlweise sowohl auf der Stirnseite der Laufradnabe als auch auf der Stirnseite des Läuferwellenendes oder auf beiden Seiten erfolgen.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Turbinenläufers liegen vor allem darin, dass in jedem Fall und unabhängig von den aufgebrachten Kräften beim Aneinanderfügen der beiden Werkstücke, eine definierte und optimierte Lötspaltbreite gewährleistet werden kann. Dies trägt zur konstanten Qualität der Lötverbindung und deren Festigkeit bei. Gleichwohl wird, durch den räumlich begrenzten Wärmeeintrag, die Härtung der Läuferwelle im Bereich der Lagerstellen nicht beeinträchtigt und ein zusätzlicher Härteprozess kann entfallen. Auch treten aufgrund der insgesamt niedrigeren Temperaturen keine Rissbildungen im Verbindungsbereich auf. Dies sind wesentliche Voraussetzungen für den Einsatz des erfindungsgemäßen Turbinenläufers in Großserien- produkten, wie zum Beispiel in Turboladern für Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen.
In vorteilhafter Ausführung des erfindungsgemäßen Turbinenläufers wird als hochwarmfeste Metalllegierung des Turbinen- laufrads eine TiAl-Legierung oder eine Ni-Basislegierung eingesetzt und für die Läuferwelle ein niedriglegierter oder hochlegierter Vergütungsstahl oder ein austenitischer Stahl verwendet. Dies hat den Vorteil, dass aus einer großen Vielzahl bekannter Materialien die optimale Kombination zusammengestellt werden kann.
Eine vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Turbinenläufers ist dadurch gekennzeichnet, dass der kreisförmig umlaufende Materialabtrag einen ringförmigen Absatz mit bestimmter Absatzhöhe oder eine in einem bestimmten Spalt-Winkel α nach außen gegen das jeweilige Werkstück geneigte Konusfläche derart ausbildet, dass ein nach außen offener Lötspalt und eine sich in Richtung Turbinenläufer-Drehachse daran anschließende kreisförmige, stirnseitige Anlagefläche ausgebildet ist, die un- mittelbar an der gegenüberliegenden Stirnfläche anliegt. Der Materialabtrag erfolgt also vom Außenumfang der Läuferwelle oder der Laufradnabe her Richtung Drehachse, über nur einen Teil des Radius, so dass im jeweiligen Zentrum ein Teil der ursprünglichen Stirnfläche stehen bleibt und die Anlagefläche für das jeweils gegenüberliegende Werkstück bildet.
Dadurch ist ein Lötspalt mit definierter Breite und Länge vorgegeben und somit die Verbindungsfläche definiert. Dies ergibt gleichbleibende Festigkeitswerte der Lötverbindungen in der Serienproduktion. Gleichzeitig weisen die Turbinenläufer eine konstante Gesamtlänge auf.
In Weiterbildung der vorgenannten vorteilhaften Ausführung weist die Laufradnabe oder das Läuferwellenende eine zentrisch an- geordnete Sacklochbohrung in der jeweiligen Stirnfläche auf, die im Übergang zwischen Turbinenlaufrad und Läuferwelle als Wärmedrossel wirkt. Dabei ist der Durchmesser der Sacklochbohrung um so viel kleiner als der Durchmesser der stirnseitigen Anlagefläche, dass eine ringförmige Anlagefläche mit einer Ringbreite von mindestens 0,5 mm ausgebildet ist. Die Sacklochbohrung kann sowohl im selben Werkstück, Turbinenläufer oder Läuferwelle, angeordnet sein wie der Materialabtrag oder wahlweise auch in dem jeweils anderen Werkstück, das keinen Materialabtrag aufweist. Im zweiten Fall liegt die stirnseitige Anlagefläche nur in dem Bereich gegen das gegenüberliegende Werkstück an in dem die Anlagefläche die Sacklochbohrung überlappt .
Diese Ausführung hat den Vorteil, dass trotz Anordnung der Sacklochbohrung als Wärmedrossel in einer der Stirnseiten von Laufradnabe oder Läuferwelle eine definierte Lötspaltbreite gewährleistet werden kann.
In Fortsetzung der erstgenannten vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Turbinenläufers ist die Absatzhöhe des ringförmigen Absatzes zwischen 0,05 mm und 0,15 mm gewählt oder der Spalt-Winkel α ist so gewählt, dass der Lötspalt an seinem Außenumfang eine Lötspaltbreite von 0, 20 mm nicht überschreitet . Bei Lötspaltbreiten bzw. Geometrien innerhalb der vorgenannten Bereiche weisen die Verbindungsstellen zwischen Turbinenlaufrad und Läuferwelle die besten Festigkeitswerte auf.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des zuvor beschriebenen Turbinenläufers ist gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
- Zunächst werden ein Turbinenlaufrad aus einer hochwarmfesten Metalllegierung mit einer Laufradnabe, und eine Läuferwelle aus Stahl bereitgestellt. Das Turbinenlaufrad ist vorzugsweise in einem gebräuchlichen Feingussverfahren hergestellt und weist einen Grundkörper mit einer Beschaufelung auf der Vorderseite, sowie eine Laufradnabe in Form eines konzentrisch auf der Rückseite des Grundkörpers angeordneten Zylinderabschnittes auf. Auf einer der Stirnflachen der Laufradnabe oder der Lauferwelle wird dann ein kreisförmiger, konzentrischer Materialabtrag hergestellt, wobei sich der Materialabtrag und somit der Lötspalt von außen beginnend nicht über den gesamten Radius der jeweiligen Stirnfläche erstreckt, so dass der kreisförmig umlaufende Materialabtrag einen ringförmigen Absatz mit bestimmter Absatzhöhe oder eine in einem bestimmten
Spalt-Winkel α nach außen gegen das jeweilige Werkstück geneigte Konusfläche so ausbildet, dass zwischen den
Stirnflächen der Laufradnabe und der Läuferwelle ein nach außen offener Lötspalt und eine sich in Richtung Turbinenläufer-Drehachse daran anschließende kreisförmige, stirnseitige Anlagefläche entsteht.
Im Anschluss an den vorausgehenden Schritt wird dann ein Lotmaterial auf eine der Stirnflächen der Laufradnabe oder der Läuferwelle, im jeweiligen Bereich des Materialabtrages, aufgebracht, wobei vorteilhaft auf Nickel, Kupfer, Silber oder Titan basierende Metalllegierungen eingesetzt werden.
- Dann werden die beiden Werkstücke, Turbinenlaufrad und Läuferwelle, zusammengeführt und zu einander zentriert ausgerichtet. Dies erfolgt durch Aufspannen der Werkstücke in einer dafür eingerichteten Vorrichtung, derart, dass die stirnseitige Anlagefläche unmittelbar an der gegenüberliegenden Stirnseite des jeweils anderen Werkstückes anliegt und das Lotmaterial im Lötspalt positioniert ist.
Sodann erfolgt die Erwärmung des Lotmaterials und des unmittelbaren Stirnflächenbereichs von Laufradnabe und Läuferwelle im Lötspalt mit Hilfe eines Elektronenstrahls, bis auf eine vorbestimmte, über der Schmelztemperatur des Lotmaterials liegende Löttemperatur.
Nach Erreichen der Löttemperatur wird diese, mittels geregelter Energiezufuhr durch den Elektronenstrahl, über eine vorbestimmte Zeit möglichst konstant gehalten. Dies ermöglicht das Benetzen der Verbindungsflächen durch das Lot und verbessert somit den Diffusionsvorgang des Lotes in die sich gegenüberliegenden Verbindungsflächen .
Eine Möglichkeit der Durchführung des Erwärmungs- und Temperaturhaltevorgangs besteht zum Beispiel darin, dass der Elektronenstrahl punktförmig auf einen Abschnitt des Lötspalts fokussiert wird und der Turbinenläufer, also Turbinenlaufrad und Läuferwelle zusammen, in vorbestimmter Drehgeschwindigkeit um seine Drehachse gedreht wird.
- Durch das anschließende Abkühlen der Werkstücke erstarrt die Lotschmelze, wodurch die Lötverbindung zwischen Turbinenlaufrad und Läuferwelle erzeugt wird.
- Nach Verfestigung der Lötstelle kann die Freigabe des Turbinenläufers aus der Vorrichtung erfolgen.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Turbinenläufers liegen vor allem darin, dass in jedem Fall eine Lötverbindung mit konstanter Qualität, bei definierter Lötspaltbreite und somit definierter Gesamtlänge des Turbinenläufers hergestellt werden kann. Durch die schnelle und räumlich begrenzte Wärmeeinbringung können kurze Prozesszeiten erzielt werden und es wird kein nachträglicher Härtevorgang der Läuferwelle erforderlich. Dies sind wesentliche Voraussetzungen für den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Großserienproduktion, wie zum Beispiel in Turboladern für Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen.
Eine vorteilhaften Weiterbildung des Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Turbineläufers ist dadurch gekenn- zeichnet, dass in einem zusätzlichen Verfahrensschritt eine zentrisch angeordnete Sacklochbohrung in die Laufradnabe oder das Läuferwellenende eingebracht wird, derart, dass der Durchmesser der Sacklochbohrung um so viel kleiner ist als der Durchmesser der stirnseitigen Anlagefläche, dass eine ring- förmige Anlagefläche mit einer Ringbreite von mindestens 0,5 mm ausgebildet wird.
Die eingebrachte Sacklochbohrung wirkt als Wärmedrossel zwischen Turbinenlaufrad und Läuferwelle und reduziert den Wärmeübergang auf die Läuferwelle im Betrieb. Gleichzeitig kann ein in Länge und Breite definierter Lötspalt erzielt und die Qualität der Lötverbindung dadurch gesteigert werden. In Kürze zusammengefasst betrifft die Erfindung einen Turbinenläufer für eine Abgasturbine sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Turbinenläufers, wobei der Turbinenläufer ein Turbinenlaufrad aus einer TiAl-Legierung und eine Läu- ferwelle aus Stahl aufweist und die Laufradnabe und das Läuferwellenende mittels einer Lötverbindung Stoffschlüssig mit einander verbunden sind. Zwischen den Stirnflächen der Laufradnabe und des Läuferwellenendes ist ein mit einer Lotlegierung gefüllter Lötspalt konzentrisch zur Turbinenläufer-Drehachse angeordnet, wobei die Lötspaltbreite durch einen kreisförmig umlaufenden Materialabtrag auf der Stirnfläche der Laufradnabe oder der Stirnfläche des Läuferwellenendes vorbestimmt ist und die Lötverbindung mittels Elektronenstrahl-Lötverfahren erzeugt wird .
Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Darstellungen in der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte schematische, nicht maßstäbliche
Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turbinenläufers .
Fig. 2 eine kennzeichnende Einzelheit aus Figur 1 in zwei unterschiedlichen Ausführungen in vergrößerter Dar- Stellung.
Fig. 3 eine vereinfachte schematische, nicht maßstäbliche
Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Turbinenläufers.
Fig. 4 eine kennzeichnende Einzelheit aus Figur 3 in vergrö- ßerter Darstellung.
Fig. 5 eine weitere Ausführung der kennzeichnende Einzelheit aus
Figur 3 in vergrößerter Darstellung.
Fig. 6 eine vereinfachte schematische, nicht maßstäbliche
Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen Turbinenläufers.
Fig. 7 eine kennzeichnende Einzelheit aus Figur 6 in vergrößerter Darstellung. Fig. 8 eine stark vereinfachte Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung zumindest eines Teils des erfindungsgemäßen Verfahrens . Funktions- und Benennungsgleiche Gegenstände sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Turbinenläufer 1 in vereinfachter Darstellung gezeigt. Dieser weist ein Turbi- nenlaufrad 2 mit einer Laufradnabe 3 und eine Läuferwelle 4 auf. Das Turbinenlaufrad ist vorzugsweise in einem gebräuchlichen Feingussverfahren, aus einer hochwarmfesten Metallegierung hergestellt und weist einen Grundkörper mit einer Beschaufelung auf der Vorderseite (in der Figur links), sowie eine Laufradnabe 3 in Form eines konzentrisch auf der Rückseite (in der Figur rechts) des Grundkörpers angeordneten Zylinderabschnittes auf. Die Welle ist hier ebenfalls vereinfacht dargestellt und kann im konkreten Fall Stufen, Absätze, Verjüngungen und ähnlich Merkmale aufweisen.
Die Verbindungsstelle zwischen Turbinenlaufrad und Läuferwelle ist in „aufgebrochener" Darstellung gezeigt und als Einzelheit X gekennzeichnet, die in der folgenden Figur 2 zur besseren Übersicht in vergrößerter Darstellung gezeigt ist. In Figur 2 ist die Schnittstelle zwischen Laufradnabe 3 und
Läuferwelle 4 in zwei komplementären Ausführungsformen gezeigt, wobei zwischen den Stirnflächen der Laufradnabe 3 und der Stirnfläche der Läuferwelle 4 ein mit einer Lotlegierung gefüllter Lötspalt 6 konzentrisch zur Drehachse 10 des Turbi- nenläufers 1 angeordnet ist. In der oberen Hälfte der als
Einzelheit X gekennzeichneten Darstellung ist die Lötspaltbreite 8 durch einen kreisförmig umlaufenden sich vom Außenrand über nur einen Teil des Radius erstreckenden Materialabtrag, in Form eines rechtwinkligen Absatzes, auf der Stirnfläche des Läuferwel- lenendes vorbestimmt. Im Zentrum bildet der stehen gebliebene Teil der Läuferwellen-Stirnfläche eine Anlagefläche 7, mit der das Läuferwellenende unmittelbar an der Stirnfläche der Laufradnabe 3 anliegt. Dies ist gut zu erkennen im unteren Teil der Figur 2, wo speziell der Bereich des Lötspalts 6 und der Anlagefläche 7 in nochmals vergrößerter Darstellung gezeigt ist. In der unteren Hälfte der als Einzelheit X gekennzeichneten Darstellung ist ein Lötspalt 6 mit gleicher Geometrie gezeigt, der jedoch, im Gegensatz zur vorgenannten Ausführung, durch Materialabtrag auf der Stirnfläche der Laufradnabe vorbestimmt ist .
Die Lötverbindung ist mittels Elektronenstrahl-Lötverfahren hergestellt .
Figur 3 zeigt prinzipiell den gleichen Turbinenläufer 1 wie Figur 1. Im Bereich der hier als Einzelheit Y gekennzeichneten Schnittstelle zwischen Laufradnabe 3 und Läuferwelle 4 ist jedoch zusätzlich eine zentrisch angeordnete Sacklochbohrung 5 im Läferwellenende vorgesehen, die im Übergang zwischen Turbinenlaufrad und Läuferwelle als Wärmedrossel wirkt.
In der vergrößerten Darstellung der Einzelheit Y aus Figur 3 in Figur 4 ist zu erkennen, dass auch in dieser Ausführung die Lötspaltbreite 8 durch einen kreisförmig umlaufenden sich vom Außenrand über nur einen Teil des Radius erstreckenden Materialabtrag, in Form eines rechtwinkligen Absatzes, auf der Stirnfläche des Läuferwellenendes vorbestimmt ist. Auch hier ist im unteren Teil der Figur 4 speziell der Bereich des Lötspalts 6 und der Anlagefläche 7 in nochmals vergrößerter Darstellung gezeigt. Hier ist gut zu erkennen, dass der Durchmesser d der Sacklochbohrung 5 kleiner ist als der Durchmesser D der stirnseitigen Anlagefläche 7, so dass eine ringförmige Anlagefläche 7 mit einer Ringbreite 9 ausgebildet ist. In der speziellen Ausführung soll diese Ringbreite 9 mindestens 0,5 mm betragen, um eine ausreichende Tragfähigkeit gegen einen im Fügeprozess aufzubringenden Anpressdruck zu gewährleisten.
Figur 5 zeigt in vergrößerter Darstellung der Einzelheit Y aus Figur 3 eine weitere Variante der Gestaltung eines definierten Lötspalts 6 in Verbindung mit einer Sacklochbohrung 5. Sowohl der Materialabtrag zur Gestaltung des Lötspalts 6 als auch die Sacklochbohrung 5 sind auf der Stirnfläche der Läuferwelle 4 angeordnet. Auch hier ist im unteren Teil der Figur 5 speziell der Bereich des Lötspalts 6, des Sackloches 5 und der Anlagefläche 7 in nochmals vergrößerter Darstellung gezeigt. Der Lötspalt 6 weist in dieser Ausführung Keilform auf. Zur Gestaltung des Lötspalts 6 ist eine in einem bestimmten Spalt-Winkel α nach außen gegen die Läuferwelle hin geneigte Konusfläche derart ausbildet, dass ein nach außen offener Lötspalt entsteht, der sich keilförmig in Richtung Turbinenläufer-Drehachse 10 verjüngt und bereits vor Erreichen des Randes der Sacklochbohrung ausläuft, so dass eine sich daran anschließende kreisförmige Anlagefläche 7 auf der Stirnseite der Läuferwelle 4 stehen bleibt, die unmittelbar an der gegenüberliegenden Stirnfläche der Laufradnabe anliegt. Auch hier ist der Durchmesser d der Sacklochbohrung 5 kleiner ist als der Durchmesser D der stirnseitigen Anlagefläche 7, so dass eine ringförmige Anlagefläche 7 mit einer ausreichenden Ringbreite 9 ausgebildet ist.
Die gezeigten Beispiele der möglichen Anordnungen und Kombinationen von Materialabtrag und Sacklochbohrung sind lediglich als Beispiel für die weiteren möglichen Kombinationen und weitere Geometrien der Materialabtragung bzw. Gestaltung des Lötspalts zu verstehen.
Dies wird nochmals verdeutlicht in den Figuren 6 und 7, die eine Variante des Turbinenläufers 1 zeigen, bei der die Materialabtragung zur Gestaltung des Lötspalts auf der Stirnfläche der Läuferwelle 4, die Sacklochbohrung 5 jedoch in der Läufernabe 3 angeordnet ist. Auch hier ist der Durchmesser d der Sacklochbohrung 5 kleiner ist als der Durchmesser D der stirnseitigen Anlagefläche 7, so dass durch den Überlappungsbereich auch hier eine ringförmige Anlagefläche 7 mit einer ausreichenden Ringbreite 9 ausbildet ist.
Figur 8 zeigt in stark vereinfachter Darstellung eine Vorrichtung zur Durchführung verschiedener Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens . Die dargestellte Vorrichtung dient insbesondere zur Durchführung des Lötprozesses zur Stoff- schlüssigen Verbindung zwischen Laufradnabe 3 und Läuferwelle 4. Nach separater Durchführung der ersten Verfahrensschritte:
- Bereitstellen von Turbinenlaufrad und Läuferwelle,
- Herstellen eines kreisförmigen, konzentrischen Material- abtrages auf einer der Stirnflächen der Laufradnabe oder der
Läuferwelle, und
- Aufbringen eines Lotmaterials auf einer der Stirnflächen, erfolgen zumindest die folgenden Verfahrens schritte unter Verwendung einer Vorrichtung wie zum Beispiel in Figur 8 dargestellt.
Die Vorrichtung weist auf, ein AufSpannvorrichtung 20 und eine Elektronenstrahlguelle 17 mit Fokusiereinrichtung 18. Die AufSpannvorrichtung 20 weist die folgend genannten Funktionseinheiten auf:
- Ein Vorrichtungsbett 11 als Basis für die weiteren Funktionseinheiten .
- Ein Laufradspannfutter 12 bestehend aus zumindest zwei
Spannbacken zur zentrierten Aufnähme des Turbinenlaufrades 2, wobei das Laufradspannfutter 12 mittels eines Rotationslagers 16 drehbar um die Turbinenläufer-Drehachse 10 am Vorrichtungsbett 11 gelagert und über eine Antriebswelle 15 antreibbar ist.
- Einen Spannschlitten 14, der im Vorrichtungsbett 11 axial, in Richtung der Turbinenläufer-Drehachse 10 verfahrbar gelagert ist.
- Ein Läuferwellenspannfutter 13 bestehend aus zumindest zwei Spannbacken zur zentrierten Aufnahme der Läuferwelle 4, welches mittels eines Rotationslagers 16 drehbar um die Turbineläufer-Drehachse 10 am Spannschlitten 14 gelagert ist. Das bereitgestellte, entsprechend den ersten Verfahrensschritten vorbereitete Turbinenlaufrad 2 wird im Laufradspannfutter 12 zentriert aufgespannt, die Pfeile 22 zeigen die dazu erforderliche Spannbewegung der einzelnen Spannbacken. Ebenfalls wird die bereitgestellte, entsprechend den ersten Verfahrensschritten vorbereitete Läuferwelle im Läuferwellenspannfutter 13 zentriert aufgespannt, die Pfeile 23 zeigen die dazu erforderliche Spannbewegung der einzelnen Spannbacken. Dann erfolgt über eine lineare Bewegung des Spannschlittens 14, die in der Figur 8 mittels des Pfeils 24 angedeutet ist, das zentriert zueinander ausgerichtete Zusammenführen von Turbinenlaufrad 2 und Läuferwelle 4, derart, dass die stirnseitige Anlagefläche unmittelbar an der gegenüberliegenden Stirnseite des jeweils anderen Werkstückes anliegt und das Lotmaterial im Lötspalt 6 positioniert ist. Der Spannschlitten 14 bringt dann eine vordefinierte Spannkraft auf, mit der die beiden Werkstücke gegeneinander gedrückt werden. In der Folge wird nun, angetrieben über die Antriebswelle 15, das Turbinenlaufrad 2 zusammen mit der mittels Kraftschluss daran gekoppelten Läuferwelle 4 in Rotation mit vorgegebener, geregelter Drehzahl um die Turbinenläufer-Drehachse 10 versetzt, dies ist in der Figur 8 mit den Pfeilen 21 angedeutet. Mit Hilfe der Elektronenstrahlguelle 17 und der Fokusiereinrichtung 18 wird nun eine Elektronenstrahl 19 erzeugt und von außen auf den Lötspalt 6 gerichtet . Durch die gleichmäßige Drehung des Turbinenläufers 1 in Zusammenwirken mit dem Elektronenstrahl 19 erfolgt nun die Erwärmung des Lotmaterials und des unmittelbaren Stirnflächenbereichs von Laufradnabe 3 und Läuferwelle 4 im Lötspalt 6, bis auf eine vorbestimmte, über der Schmelztemperatur des Lotmaterials liegende Löttemperatur. Dabei kann durch die Drehzahl des Turbinenläufers und die Intensität des Elektronenstrahls 19 Einfluss genommen werden auf die Erwärmungsgeschwindigkeit und das zu erreichende Temperaturniveau. Um eine gute Benetzung der sich gegenüberliegenden Stirnseiten durch das Lot zu gewährleisten erfolgt nun ein Halten der Löttemperatur über eine vorbestimmte Zeit, mittels geregelter Energiezufuhr durch den Elektronenstrahl 19, bei gleichbleibender Drehgeschwindigkeit des Turbinenläufers. Im Anschluss daran erfolgt dann das Abkühlen der Werkstücke und das damit verbundene Erzeugen der Lötverbindung zwischen Turbinenlaufrad und Läuferwelle. Dabei wird die vom Spannschlitten 14 erzeugte Spannkraft zumindest so lange aufrecht gehalten, bis das Lot erstarrt und die Verbindung stabil ist. Erst dann erfolgt die Freigabe des Turbinenläufers aus der Vorrichtung.
Sämtliche beschriebenen Abläufe können dabei automatisiert mit Hilfe entsprechender Antriebsvorrichtungen und einer zentralen programmierbaren Steuer-/Regel-Einrichtung durchgeführt wer- den. Durch die Anordnung weiterer Funktionseinheiten können auch die vorgelagerten Verfahrensschritte, wie zum Beispiel das Herstellen des kreisförmigen, konzentrischen Materialabtrages und das Aufbringen eines Lotmaterials, zumindest teilweise in der beschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Turbinenläufer für eine Abgasturbine, der ein Turbinenlaufrad mit einer Laufradnabe, bestehend aus einer hochwarmfesten Metalllegierung und eine Läuferwelle mit einem der Laufradbasis zugewandten Läuferwellenende, bestehend aus Stahl, aufweist, wobei die Laufradnabe und das Läuferwellenende mittels einer Lötverbindung Stoffschlüssig mit einander verbunden sind, wobei zwischen den Stirnflächen der Lauf- radnabe und des Läuferwellenendes ein mit einer Lotlegierung gefüllter Lötspalt konzentrisch zur Turbinenläufer-Drehachse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die Lötspaltbreite durch einen kreisförmig umlaufenden sich vom Außenrand über nur einen Teil des Radius erstre- ckenden Materialabtrag auf der Stirnfläche der Laufradnabe oder der Stirnfläche des Läuferwellenendes vorbestimmt ist und dass die Lötverbindung mittels Elektronenstrahl-Lötverfahren erzeugt wurde.
2. Turbinenläufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hochwarmfeste Metalllegierung des Turbinenlaufrads eine TiAl-Legierung oder eine Ni-Basislegierung ist und dass der Stahl der Läuferwelle ein niedriglegierter oder hochlegierter Vergütungsstahl oder ein austenitischer Stahl ist.
3. Turbinenläufer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der kreisförmig umlaufende Materialabtrag einen ringförmigen Absatz mit bestimmter Absatzhöhe oder eine in einem bestimmten Spalt-Winkel α nach außen gegen das jeweilige Werkstück geneigte Konusfläche derart ausbildet, dass ein nach außen offener Lötspalt und eine sich in Richtung Turbinenläufer-Drehachse daran anschließende kreisförmige, stirnseitige Anlagefläche ausgebildet ist, die unmittelbar an der gegenüberliegenden Stirnfläche anliegt.
Turbinenläufer nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradnabe oder das Läuferwellenende eine zentrisch angeordnete Sacklochbohrung aufweist, die im Übergang zwischen Turbinenlaufrad und Läuferwelle als Wärmedrossel wirkt, wobei der Durchmesser der Sacklochbohrung um so viel kleiner ist als der Durchmesser der stirnseitigen Anlagefläche, dass eine ringförmige Anlagefläche mit einer Ringbreite von mindestens 0,5 mm ausgebildet ist.
Turbinenläufer nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Absatzhöhe des ringförmigen Absatzes zwischen 0,05 mm und 0,15 mm gewählt ist oder der Spalt-Winkel α so gewählt ist, dass der Lötspalt an seinem Außenumfang eine Lötspaltbreite von 0,20 mm nicht überschreitet.
Verfahren zur Herstellung eines Turbinelaufers nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
- Bereitstellen eines Turbinenlaufrades aus einer hoch- warmfesten-Metalllegierung mit einer Laufradnabe und einer Läuferwelle aus Stahl,
- Herstellen eines kreisförmigen, konzentrischen Materialabtrages auf einer der Stirnflächen der Laufradnabe oder der Läuferwelle derart, dass der kreisförmig umlaufende Materialabtrag einen ringförmigen Absatz mit bestimmter Absatzhöhe oder eine in einem bestimmten Spalt-Winkel nach außen gegen das jeweilige Werkstück geneigte Konusfläche so ausbildet, dass zwischen den Stirnflächen der Laufradnabe und der Läuferwelle ein nach außen offener Lötspalt und eine sich in Richtung Turbinenläufer-Drehachse daran anschließende kreisförmige, stirnseitige Anlagefläche entsteht,
- Aufbringen eines Lotmaterials auf eine der Stirnflächen der Laufradnabe oder der Läuferwelle im jeweiligen Bereich des Materialabtrages ,
- Zusammenführen und zentriertes Ausrichten von Turbinenlaufrad und Läuferwelle durch Aufspannen der Werkstücke in einer dafür eingerichteten Vorrichtung, derart, dass die stirnseitige Anlagefläche unmittelbar an der gegenüberliegenden Stirnseite des jeweils anderen Werkstückes anliegt und das Lotmaterial im Lötspalt positioniert ist,
- Erwärmung des Lotmaterials und des unmittelbaren Stirnflächenbereichs von Laufradnabe und Läuferwelle im Lötspalt mit Hilfe eines Elektronenstrahls, bis auf eine vorbestimmte über der Schmelztemperatur des Lotmaterials liegende Löttemperatur,
- Halten der Löttemperatur über eine vorbestimmte Zeit, mittels geregelter Energiezufuhr durch den Elektronenstrahl
- Abkühlen der Werkstücke und damit verbundenes Erzeugen de Lötverbindung zwischen Turbinenlaufrad und Läuferwelle,
- Freigabe des Turbinenläufers aus der Vorrichtung. 7. Verfahren zur Herstellung eines Turbineläufers nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Verfahrens schritt : - Im Anschluss an die Herstellung des konzentrischen Materialabtrages, Auftragen eines Flußmittels auf die beiden zu verbindenden Stirnflächen von Laufradnabe und Läuferwelle im Bereich des Materialabtrages.
Verfahren zur Herstellung eines Turbinelaufers nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Verfahrens schritt : - Erzeugen einer zentrisch angeordnete Sacklochbohrung in die Laufradnabe oder das Läuferwellenende derart, dass der Durchmesser der Sacklochbohrung um so viel kleiner ist als der Durchmesser der stirnseitigen Anlagefläche, dass eine ringförmige Anlagefläche mit einer Ringbreite von mindestens 0,5 mm ausgebildet wird.
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