EP4584038A1 - Laufrad für eine strömungsmaschine und verfahren zur herstellung eines laufrades - Google Patents

Laufrad für eine strömungsmaschine und verfahren zur herstellung eines laufrades

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Publication number
EP4584038A1
EP4584038A1 EP23726944.4A EP23726944A EP4584038A1 EP 4584038 A1 EP4584038 A1 EP 4584038A1 EP 23726944 A EP23726944 A EP 23726944A EP 4584038 A1 EP4584038 A1 EP 4584038A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
section
impeller
base body
rotor blade
particularly preferably
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23726944.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mansour Mhaede
Hans-Joachim Ring
Frank Brückner
Francesco Bruzzo
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Piller Blowers and Compressors GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Piller Blowers and Compressors GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Piller Blowers and Compressors GmbH, Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Piller Blowers and Compressors GmbH
Publication of EP4584038A1 publication Critical patent/EP4584038A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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    • F05D2230/31—Layer deposition

Definitions

  • this step can include the, preferably successive, application of several, in particular a plurality, of material layers.
  • the second section comprises at least 100, preferably at least 200, particularly preferably at least 500 material layers.
  • the blades arranged on the base body of the impeller which serve at least to guide the flow and/or achieve a desired flow deflection in the impeller, are referred to as rotor blades.
  • a blade passage formed by two rotor blades can serve to at least partially decelerate and/or compress a fluid flow (compressor) or to at least partially expand and/or accelerate a fluid flow.
  • the impeller is an impeller of radial construction, in particular a radial compressor impeller or radial turbine impeller and / or that the impeller is designed such that an inflow of a fluid flow into it Impeller occurs along or substantially along an axial direction and/or an outflow of a fluid stream from the impeller occurs along or substantially along a radial direction.
  • any peripheral components of the speed should not be taken into account in this information.
  • the axial direction is oriented along or parallel to the rotation axis of the impeller and the radial direction is oriented orthogonal to the rotation axis of the impeller.
  • the base body is completely composed of the first subsection and the second subsection or that the first subsection and the second subsection completely form the base body. In other words, it can be provided that the base body does not include any further subsections in addition to the first subsection and the second subsection.
  • first section and the second section are connected in a materially bonded manner at least in sections. It can also be provided within the scope of the invention that at least one rotor blade with the Base body, in particular with the first section and / or the second section, is at least partially cohesively connected. By means of a cohesive connection, a particularly simple and at the same time resilient connection is achieved between the first and second sections or the base body and at least one rotor blade.
  • At least two steps of a method according to the invention run simultaneously at least in sections or overlap in their execution at least in sections. In particular, this can affect at least steps b) and c). So it is conceivable that while at least one layer of material is applied to the first portion of the base body to generate a second portion of the base body, at least one layer of material is already applied to at least the first portion of the base body to generate at least one rotor blade. This can speed up the manufacturing process. It is also conceivable that at least one step, preferably at least step b) and/or c), is carried out repeatedly in the course of producing an impeller.
  • the material layer can be applied in step b) and/or step c) by deposition welding, preferably by laser deposition welding, in particular using an additive.
  • deposition welding preferably by laser deposition welding, the surface of a workpiece, in particular the base body, is locally melted by a laser while an additive is simultaneously applied to the melted surface. Under the influence of the laser or in the immediate vicinity of the melted workpiece surface, the additive also melts and bonds firmly to the workpiece.
  • a local increase in material can be realized on the workpiece, so that, in particular by carrying out this process repeatedly, the build-up of a desired geometry, preferably in layers, on an existing workpiece (in this case the base body) can be carried out.
  • a plurality of welding tracks or weld beads can be arranged at least in sections next to one another and/or one above the other or overlapping on a surface of a workpiece, in particular the first and/or second section of the base body a 3D geometry can be built up on the workpiece surface, preferably in layers.
  • an additive can preferably be supplied in powder form or as a solid, for example as a rod or wire.
  • the additive can be made from the same material as the workpiece to which the additive is applied.
  • the additive can be made from the same material as the first and/or second section of the base body.
  • the deposition welding can be carried out at least partially continuously, in particular along a previously defined contour or a previously defined path, on a workpiece surface or a surface of the first and/or second section.
  • an axis of rotation of the first section and a rotation axis of the second section are arranged coaxially.
  • the first subsection and the second subsection are designed to be rotationally symmetrical at least in sections and the respective axes of rotation of the first and second subsections are arranged coaxially.
  • the second section encloses the first section at least in sections, in particular completely.
  • the material layer applied to the first subsection extends at least in sections over an outer circumference or an outer circumferential surface of the first subsection and thus at least partially encloses the first subsection.
  • the steel has at least one of the following material parameters:
  • Modulus of elasticity from 100 to 300 kN/mm 2 , preferably from 150 to 250 kN/mm 2 , particularly preferably from 180 to 220 kN/mm 2 , in particular from 200 kN/mm 2 ,
  • Hardness (HB30) from 250 to 450 HB, preferably from 300 to 400 HB, particularly preferably from 330 to 390 HB,
  • All information on material characteristics applies at a temperature of 20°C (degrees Celsius).
  • a steel that has at least one of the above-mentioned material characteristics in the specified range has proven to be particularly advantageous in terms of the mechanical strength of the impellers made from it. This applies in particular to a steel that has all of the above-mentioned material characteristics in the specified value ranges, in particular to a steel with a tensile strength of 1070 N/mm2 to 1270 N/ mm2 , a yield strength of at least 1000 N/ mm2 , an elastic modulus of 200 N/mm 2 , an elongation at break of at least 10%, a hardness of 330 HB to 390 HB and a notched impact strength of at least 20 J.
  • At least one section, in particular the first and/or the second section, of the base body and/or at least one rotor blade is made or formed at least in sections from a titanium material.
  • the impeller is made or designed entirely from a titanium material. This results in the advantage of a particularly light construction of the impeller while at the same time having high mechanical strength.
  • such a material has proven to be positive in terms of its processability when used in an additive manufacturing process, in particular deposition welding.
  • the titanium material contains at least one of the following alloying elements in the specified amount:
  • the percentages given refer to the mass fraction of the respective alloy element (mass fraction) contained in the titanium material.
  • a titanium material comprising at least one of the above. Alloying elements in the specified amount have proven to be particularly advantageous in terms of the processability in the context of a method according to the invention as well as the resilience and longevity of the wheels made from them while at the same time keeping the wheels low in weight. Particularly good results were found with a titanium material that contains all alloying elements in the specified amounts, in particular 5.5% to 6.75% aluminum and 3.5% to 4.5% vanadium.
  • the titanium material has at least one of the following material parameters:
  • Hardness (HB30) from 200 HB to 350 HB, preferably from 250 HB to 330 HB, particularly preferably from 300 HB to 320 HB,
  • a titanium material that has at least one of the above-mentioned material characteristics in the specified range has proven to be particularly advantageous in terms of the mechanical strength of the impellers made from it and the processability of this material. This applies in particular to a titanium material that has all of the above-mentioned material characteristics in the specified value ranges, in particular for a titanium material with a tensile strength of at least 895 N/mm 2 , a yield strength of at least 828 N/mm 2 , and a modulus of elasticity of 114 N/mm 2 , an elongation at break of at least 10% and a hardness of 300 HB to 320 HB.
  • the method is at least partially automated, in particular carried out by at least one production robot.
  • at least steps b) and c) are carried out by a welding robot.
  • at least step a) or a machining of the impeller, in particular of the base body is carried out by an at least partially automated turning and/or milling machine.
  • a CAD model of the impeller geometry serves as the basis for at least one step of the method.
  • control commands for at least one manufacturing robot are defined on the basis of a CAD model of the impeller, for at least partial execution of at least one step of the method according to the invention.
  • at least one movement sequence and/or at least one associated movement speed of at least one processing head of at least one manufacturing robot can be defined in order to produce or realize the desired impeller geometry at least in sections.
  • the machining of the first and second subsections is carried out by turning, preferably as part of the turning a finishing of at least one surface of the base body is carried out in order to produce a surface course that is continuous at least in sections over the first and second subsections.
  • the surface quality of the base body can be improved at least in sections in order to reduce flow losses during operation of the impeller.
  • This also allows the base body to be optimally prepared for subsequent generation of at least one rotor blade and the desired final geometry of the first and second sections to be produced with high accuracy or with low tolerances.
  • this processing step can preferably be carried out at least on the section or surface of the base body, in particular the first and/or second section, on which at least one rotor blade is generated in step c).
  • At least section-by-section machining of the first section and/or the second section and/or at least one rotor blade preferably by using a machining manufacturing process, at least to remove unnecessary material and/or produce a required surface quality
  • the impeller is at least temporarily heated to a temperature of at least 400 ° C, preferably at least at least 500 ° C. particularly preferably heated to a temperature of at least 550 ° C or exactly or essentially exactly 550 ° C.
  • the period of time in which the impeller is kept at an elevated temperature is at least 2 hours, preferably at least 3 hours, particularly preferably at least 4 hours or 4 hours. This made it possible to achieve a particularly advantageous precipitation hardening of the steel material and a high mechanical resilience of the impeller.
  • a heat treatment comprising heating the impeller to exactly or essentially exactly 550 ° C and maintaining this impeller temperature over a period of 5 hours proved to be particularly advantageous.
  • the impeller can then be cooled to room temperature.
  • the impeller is at least temporarily heated to a temperature of at least 450 ° C, preferably at least at least 550 ° C. particularly preferably heated to a temperature of at least 600 ° C or exactly or essentially exactly 600 ° C. It can also be provided that the period of time in which the impeller is kept at an elevated temperature is at least 1 hour, preferably at least 1.5 hours, particularly preferably at least 2 hours or 2 hours. This made it possible to achieve a particularly high mechanical load capacity for the impeller.
  • a heat treatment comprising heating the impeller to exactly or essentially exactly 600 ° C and maintaining this impeller temperature over a period of 2 hours proved to be particularly advantageous.
  • the impeller can then be cooled to room temperature. Cooling the impeller can include cooling the impeller to at least an intermediate temperature and at least temporarily holding the impeller at this intermediate temperature. It can be provided that the impeller is kept at an intermediate temperature for a period of at least 0.5 hours, preferably at least 1 hour or at least 2 hours. Preferably, an intermediate temperature can be 200°C. This results in the advantage of a further improvement in the mechanical properties of the impeller.
  • the information essentially refers to tolerances to be taken into account, which may arise due to production or process-related factors.
  • the processing can preferably be carried out by turning and/or milling.
  • the processing can take place at least on a surface of the base body or of the first and/or second section on which no rotor blade is arranged and/or which is opposite the surface on which at least one rotor blade, preferably all rotor blades, is arranged.
  • the machining can be a final machining or can be used to generate the final basic body geometry.
  • a spherical or grain-shaped blasting agent is used.
  • a stainless steel cast blasting medium can be used as the blasting medium or the blasting medium can be at least partially, in particular completely, made of stainless steel.
  • the blasting agent has a diameter or a grain size between 0.05 mm and 0.6 mm, in particular between 0.09 mm and 0.5 mm.
  • the blasting agent can have a diameter or a grain size between 0.05 mm and 0.315 mm or between 0.14 mm and 0.5 mm.
  • step a) is carried out by using at least one machining manufacturing process, preferably by turning and/or milling.
  • the processing can be at least partially automated, which means that the tolerances in relation to the impeller geometry can be reduced.
  • step a) and/or before step b) and/or before step c) at least the following step is carried out:
  • the blank is first introduced into the processing chamber and this is closed and then the inert gas atmosphere is created in the processing chamber.
  • an inert gas atmosphere is first created in the processing chamber and the blank is then introduced into the processing chamber, in particular via a lock.
  • the processing chamber can be closed in such a way that an exchange of atmosphere between the interior of the processing chamber and the external environment of the processing chamber is prevented or essentially prevented, in particular as long as the processing chamber is closed.
  • At least one step of the method according to the invention takes place under an inert gas atmosphere.
  • the impeller is manufactured at least partially while the impeller is surrounded, preferably completely or substantially completely, by an inert gas.
  • Helium or argon can preferably be used as an inert gas.
  • further (different) inert gases or a mixture of at least two inert gases is also covered by the idea of the invention.
  • the oxygen content in the inert gas atmosphere is 100 ppm (parts per million) or less, in particular 80 ppm or less, preferably 50 ppm or less.
  • an oxygen content of 50 ppm or less has proven to be advantageous in terms of effectively preventing oxidation.
  • the water content (H2O) in the inert gas atmosphere is 100 ppm or less, in particular 80 ppm or less, is preferably 50 ppm or less.
  • a water content of 50 ppm or less has proven to be particularly advantageous in the context of a manufacturing process according to the invention with regard to the production of high-quality workpieces.
  • At least one step of the method is carried out in the interior of a processing chamber, in particular the interior of the processing chamber being hermetically sealed or essentially hermetically sealed from the external environment of the processing chamber at least during the implementation of at least one method step and/or is filled or substantially filled with an inert gas.
  • at least one process step is only carried out in the processing chamber when an inert gas atmosphere has been created in the processing chamber. This can be done by evacuating the processing chamber, in particular using a vacuum pump, and then filling the processing chamber with an inert gas. Also or alternatively, the processing chamber can be flushed with an inert gas until the desired inert gas atmosphere is created.
  • the processing chamber can be hermetically sealed from the external environment of the processing chamber, so that there is no or essentially no exchange of atmosphere between the interior of the processing chamber and the external environment of the processing chamber as long as it is hermetically sealed.
  • the processing chamber can include at least one oxygen sensor with which an oxygen concentration in the processing space of the processing chamber can be detected.
  • the impeller preferably after completion of the method according to the invention, has a diameter of at least 400 mm, in particular at least 450 mm, preferably at least 500 mm, particularly preferably at least 560 mm or exactly or essentially exactly 560 mm.
  • the manufacturing process according to the invention has proven to be particularly effective. This applies in particular to wheels with a diameter of exactly or essentially exactly 560 mm.
  • the impeller preferably after completion of the method according to the invention, has an axial extension, in particular along an axial direction, of at least 150 mm, in particular at least 170 mm, preferably at least 180 mm, particularly preferably at least 190 or exactly or essentially exactly 190.4 mm.
  • the manufacturing method according to the invention has proven to be particularly effective in terms of axial extent. This applies in particular to wheels with an axial extension of exactly or essentially exactly 190.4 mm.
  • At least one rotor blade has a greater material thickness on the side facing the base body than on the opposite side or side facing away from the base body.
  • at least one rotor blade can have a higher material thickness near the base body or at its blade root than at its blade tip.
  • the material thickness can then be gradually reduced to the intended material thickness of the rotor blade, starting from the base body or blade root become.
  • at least one rotor blade has a material thickness that is twice as great on its side facing away from the base body or the blade tip as on its side facing the base body or its blade root.
  • an impeller according to the invention comprising a base body and at least one rotor blade, the impeller being produced by a method according to the invention or by a method according to one of claims 1 to 16.
  • an impeller according to the invention the same advantages arise as were explained with regard to the method according to the invention.
  • turbomachine comprising at least one impeller according to claim 17.
  • the same advantages arise as have been explained with regard to the impeller.
  • Fig. 1 is a perspective view of an impeller according to the invention
  • step a shows a schematic representation of processing according to step a).
  • Fig. 6 is a perspective view of a base body of an impeller according to the invention
  • step c shows a schematic representation of processing according to step c).
  • Fig. 8 shows a blank made of solid material in a processing chamber
  • Fig. 1 shows a perspective view of an impeller 10 according to the invention for use in a turbomachine.
  • the impeller 10 is an impeller 10 of radial design and designed as a radial compressor impeller.
  • the impeller 10 comprises a base body 11 and at least a plurality of blades 12.
  • the base body 11 further comprises a first section 11.1 and a second section 11.2, which will be described in more detail below.
  • the rotor blades 12 are arranged on the base body 11 of the impeller 10 and are cohesively connected to the base body 11.
  • the first section 11.1 and the second section 11.2 are also cohesively connected.
  • the first section 11.1, the second section 11.2 and the blades 12 of the impeller 10 are made of the same material or of the same material.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a method 100 according to the invention for producing an impeller 10 of a turbomachine or for use in a turbomachine, comprising a base body 11 and at least one rotor blade 12, the base body 11 and the rotor blade 12 being connected in a materially bonded manner and where at least the following steps, preferably in the specified order, are carried out: a) processing a blank 1 made of solid material to generate a first section 11.1 of the base body 11, b) applying at least one material layer 13 to the first section 11.1 of the base body 11 for at least Section-wise generation of a second sub-section 11.2 of the base body 11 by using an additive manufacturing process, c) applying at least one material layer 13 to the first sub-section 11.1 and/or the second sub-section 11.2 for at least section-wise generation of at least one rotor blade 12 on the base body 11, by using a additive manufacturing process.
  • step a shows schematically an inventive processing of a blank 1 according to step a).
  • the blank 1 is shown on the left and is made of solid material.
  • the blank 1 is processed in step a), preferably using a machining manufacturing process, so that the first section 11.1 of the base body 11 shown on the right side of FIG. 4 is generated from the blank 1.
  • the first section 11.1 of the base body 11 is rotationally symmetrical.
  • the areas in which material was removed from the blank 1 in order to generate the geometry of the first section 11.1 are marked by dashed lines in the representation of the first section 11.1 in FIG. 4 for the purpose of overview.
  • step b shows schematically an inventive processing of the base body 11 or the first section 11.1 of the base body 11 according to step b).
  • the first section 11.1 of the base body 11 is shown after the processing carried out in step a).
  • the base body is shown, comprising a first section 11.1 and a second section 11.2 after processing in step b).
  • step b) a plurality of material layers 13 are applied 102 to the first section 11.1 of the base body 11 in order to generate or build up a second section 11.2 of the base body 11, in particular in layers. This is done by using an additive manufacturing process to build the second section 11.2 successively starting from the surface of the first section 11.1.
  • the first section 11.1 and the second section 11.2 form at least one common surface 15 of the base body 11, on which at least one blade 12 can subsequently be generated or is generated.
  • the second subsection 11.2 is generated by laser deposition welding and thus by a material build-up on the first subsection 11.1, the second subsection 11.2 being generated by successive application 102 of several material layers 13 or welding traces. This results in a cohesive connection between the first section 11.1 and the second section 11.2.
  • the additive used to generate the second section 11.2 in the context of deposition welding is made of the same material as the solid material blank 1 or the first section 11.1 of the base body 11.
  • the first section 11.1 and the second section 11.2 of the base body 11 are made of the same material.
  • the second section 11.2 completely encloses the first section 11.1.
  • the second section 11.2 is designed to be rotationally symmetrical and the axis of rotation or central axis M2 of the second section 11.2 is arranged coaxially with the axis of rotation or central axis M1 of the first section 11.1.
  • the first section 11.1 and the second section 11.2 can be processed at least in sections in order to ensure a continuous surface course and/or a high surface quality of the surface 15.
  • Fig. 6 shows a perspective view of the base body 11 comprising a first section 11.1 and a second section 11.2.
  • the first section 11.1 and the second section 11.2 form the base body 11 completely.
  • one or more rotor blades 12 can now be generated on the surface 15 of the base body 11.
  • Fig. 7 shows schematically an inventive processing of the base body 11 or the first section 11.1 and the second section 11.2 of the base body 11 according to step c).
  • the base body 11 On the left side of FIG. 7, the base body 11 is shown after the processing carried out in step b).
  • the impeller 10 comprising a base body 11 with a first section 11.1 and a second section 11.2 and at least one blade 12 after processing in step c).
  • a plurality of material layers 13 are applied 103 to the first section 11.1 and the second section 11.2 of the base body 11 in order to generate at least one rotor blade 12, in particular a plurality of rotor blades 12, on the base body 11, preferably in layers .to build. This is done by using an additive manufacturing process to build at least one blade 12 successively starting from the surface 15 of the base body 11.
  • At least one blade 12 extends at least in sections over the first section 11.1 and the second section 11.2 of the base body.
  • At least one rotor blade 12 is generated by laser deposition welding and thus by a material build-up on the surface 15 of the base body 11 formed by the first subsection 11.1 and the second subsection 11.2, the rotor blade 12 being generated by successive application 103 of several material layers 13 or welding traces.
  • the rotor blades 12 are shown in FIG. 7 only schematically and in a geometrically simplified manner.
  • FIG. 8 shows schematically a blank 1 made of solid material in the interior 14.1 of a processing chamber 14, so that at least step a), but in particular also at least steps b) and c), can be carried out in the processing chamber 14.
  • the interior 14.1 can be hermetically sealed from the external environment of the processing chamber 14 or is hermetically sealed when carrying out at least one process step.
  • At least one processing step can be carried out under an inert gas atmosphere, which was previously produced by evacuating the interior 14.1 or filling the interior 14.1 with an inert gas.
  • FIG. 9 shows a highly simplified view of a rotor blade 12 on the surface 15 of the base body, with the viewing direction along the central axis M directed towards the leading edge 18.
  • the illustration shown in FIG. 9 is only intended to illustrate the layered structure of a rotor blade 12.
  • the rotor blade 12 consists of several material layers 13 which are successively applied to the surface 15 or to each other by using an additive manufacturing process previous material layer 13 was applied. By applying each material layer 13, an increase in material is realized on the rotor blade 12 or on the base body 11, whereby the geometry of the rotor blade 12 can be generated reliably and in a material-saving manner.
  • the rotor blade 12 has a higher material thickness T on the side facing the base body 11 or on the blade root 17 than on the side facing away from the base body 11 or the blade tip 16.
  • step c) one or more material layers 13 with a first layer width T were first applied and then at least one material layer 13 with a second layer width T was applied, the second layer width T being smaller is therefore the first layer width T.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur Herstellung eines Laufrades (10) einer Strömungsmaschine, umfassend einen Grundkörper (11) sowie wenigstens eine Laufschaufel (12), wobei die der Grundkörper (11) und die Laufschaufel (12) stoffschlüssig verbunden sind und wobei wenigstens die folgenden Schritte, vorzugsweise in der angegebenen Reihenfolge, durchgeführt werden: a) Bearbeiten (101) eines aus Vollmaterial ausgebildeten Rohlings (1) zur Generierung eines ersten Teilabschnitts (11.1) des Grundkörpers (11), b) Aufbringen (102) wenigstens einer Materialschicht (13) auf den ersten Teilabschnitt (11.1) des Grundkörpers (11) zur zumindest abschnittsweisen Generierung eines zweiten Teilabschnitts (11.2) des Grundkörpers (11) durch Anwendung eines additiven Fertigungsverfahrens, c) Aufbringen (103) wenigstens einer Materialschicht (13) auf den ersten Teilabschnitt (11.1) und/oder den zweiten Teilabschnitt (11.2) zur zumindest abschnittsweisen Generierung wenigstens einer Laufschaufel (12) auf dem Grundkörper (11), durch Anwendung eines additiven Fertigungsverfahrens.

Description

Laufrad für eine Strömungsmaschine und Verfahren zur Herstellung eines Laufrades
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, ein Laufrad mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 17 sowie eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 18.
Laufräder von Strömungsmaschinen sind im Betrieb hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt und verfügen zur Erzielung möglichst hoher Wirkungsgrade und Realisierung des gewünschten Betriebsverhaltens über teils komplexe Geometrien. Insbesondere die Geometrie von Oberflächen, welche im Betrieb mit der Strömung in Interaktion stehen, kann zumindest teilweise das Ergebnis einer strömungstechnischen Optimierung und komplex ausgebildet sein. Dies kann bspw. die Konturierung der auf dem Laufrad angeordneten Laufschaufeln oder der Laufradnabe bzw. des Laufradgrundkörpers betreffen. Diese strömungstechnisch optimierten Geometrien können in den der Herstellung der Laufräder zugrundeliegenden Fertigungsprozessen teils nur mit großem Aufwand ausreichend genau gefertigt werden können, was entsprechend hohe Fertigungskosten bedingt. Auch gilt es stets eine möglichst belastbare Verbindung zwischen Laufschaufeln und Grundkörper sicherzustellen, um ein mechanisches Versagen des Laufrades im Betrieb möglichst zu vermeiden. Gründe für ein mechanisches Versagen können bspw. die aufgrund hoher Umdrehungsgeschwindigkeiten verursachen Fliehkräfte der Schaufeln oder aber auch die Einwirkung von in das Laufrad eingetragenen Fremdkörpern sein.
Eine Art der Herstellung von Laufrädern für Strömungsmaschinen besteht in der spanenden Bearbeitung eines Vollmaterialrohlings, wobei das Laufrad im Ganzen aus dem Rohling hergestellt wird. Da der Vollmaterialrohling die späteren Abmessungen des Laufrades somit vollständig abdecken muss ist die Menge des Materials, welches im Zuge der Fertigung entfernt werden muss entsprechend groß. Der zum Abtragen des Materials erforderliche Zeitaufwand sowie das hohe Maß an Materialüberschuss gestalten eine zeit- und kosteneffiziente Fertigung schwierig.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, wenigstens einen der voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Laufrades einer Strömungsmaschine bereitzustellen, welche eine zeiteffiziente und/oder kostengünstige und/oder materialsparende Fertigung eines, vorzugsweise geometrisch komplexen, Laufrades ermöglicht.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 , durch ein Laufrad mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 17 sowie durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 18. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Laufrad und/oder im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Strömungsmaschine und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Erfindungsgemäß vorgesehen ist ein Verfahren zur Herstellung eines Laufrades einer Strömungsmaschine bzw. zur Verwendung in einer Strömungsmaschine, umfassend einen Grundkörper sowie wenigstens eine Laufschaufel, wobei die der Grundkörper und wenigstens eine bzw. die Laufschaufel stoffschlüssig verbunden sind und wobei wenigstens die folgenden Schritte, vorzugsweise in der angegebenen Reihenfolge, durchgeführt werden: a) Bearbeiten eines aus Vollmaterial ausgebildeten Rohlings zur Generierung eines ersten Teilabschnitts des Grundkörpers, b) Aufbringen wenigstens einer Materialschicht auf den ersten Teilabschnitt des Grundkörpers zur zumindest abschnittsweisen Generierung eines zweiten Teilabschnitts des Grundkörpers durch Anwendung eines additiven Fertigungsverfahrens, c) Aufbringen wenigstens einer Materialschicht auf den ersten Teilabschnitt und/oder den zweiten Teilabschnitt zur zumindest abschnittsweisen Generierung wenigstens einer Laufschaufel auf dem Grundkörper, durch Anwendung eines additiven Fertigungsverfahrens.
In anderen Worten ist es vorgesehen, dass in einem, vorzugsweise ersten, Bearbeitungsschritt zunächst ein Teilabschnitt des Grundkörpers des Laufrades aus einem aus Vollmaterial ausgebildeten Rohling hergestellt wird. Dabei ist der erste Teilabschnitt in seinen geometrischen Abmessungen zumindest in einer Dimension kleiner als der Rohling bzw. der im weiteren Verlaufe des Verfahrens hergestellte vollständige und/oder finale Grundkörper. Der Rohling kann insbesondere wenigstens in Bezug auf eine radiale Erstreckung kleiner sein als der im weiteren Verlaufe des Verfahrens hergestellte vollständige und/oder finale Grundkörper. Entsprechend kann der für diesen Fertigungsschritt verwendete Vollmaterialrohling im Vergleich zu anderen Fertigungsverfahren kleiner gewählt und der Materialüberschuss bei der Laufradfertigung somit reduziert werden.
In einem weiteren, vorzugsweise zweiten, Bearbeitungsschritt erfolgt das Aufbringen wenigstens einer Materialschicht auf den ersten Teilabschnitt des Grundkörpers zur zumindest abschnittsweisen, vorzugsweise vollständigen, Generierung eines zweiten Teilabschnitts des Grundkörpers. Dies erfolgt durch Anwendung eines additiven Fertigungsverfahrens, vorzugsweise zum schichtweisen und/oder präzisen Aufbau einer gewünschten Geometrie bzw. der Geometrie des zweiten Teilabschnitts. Hierdurch kann der zweite Teilabschnitt des Grundkörpers auf besonders materialsparende Art und Weise hergestellt bzw. generiert werden. Gleichzeitig erlaubt die Verwendung eines additiven Fertigungsverfahrens den Aufbau quasi beliebig komplexer Geometrien auf vergleichsweise einfache Art und Weise. Aufwändige Operationen spanender Werkstückbearbeitung wie bspw. komplexe mehrdimensionale Bewegungsabläufe beim Fräsen einer Laufradgeometrie aus einem Vollmaterialrohling können durch die Anwendung eines additiven Fertigungsverfahrens effektiv vermieden bzw. reduziert werden. Somit kann der zur Herstellung eines Laufrades benötigte Zeit- und Kostenaufwand gesenkt werden. Auch kann durch die Verwendung eines additiven Fertigungsverfahrens eine sichere, vorzugsweise stoffschlüssige, Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Teilabschnitt realisiert werden, welche den hohen mechanischen Belastungen des Laufrades im Betrieb standhält. Insbesondere kann dieser Schritt das, vorzugsweise aufeinanderfolgende, Aufbringen mehrerer, insbesondere einer Vielzahl, von Materialschichten umfassen. Vorzugsweise ist es denkbar, dass der zweite Teilabschnitt wenigstens 100, vorzugsweise wenigstens 200, besonders bevorzugt wenigstens 500 Materialschichten umfasst.
In einem weiteren, vorzugsweise dritten, Bearbeitungsschritt erfolgt das Aufbringen wenigstens einer Materialschicht auf den ersten Teilabschnitt des Grundkörpers und/oder den zweiten Teilabschnitt des Grundkörpers zur zumindest abschnittsweisen, insbesondere vollständigen, Generierung wenigstens einer Laufschaufel, insbesondere aller Laufschaufeln, auf dem Grundkörper. Dies erfolgt durch Anwendung eines additiven Fertigungsverfahrens, vorzugsweise zum schichtweisen und/oder präzisen Aufbau einer gewünschten Geometrie bzw. der Geometrie wenigstens einer Laufschaufel. Hierdurch kann wenigstens eine Laufschaufel, vorzugsweise alle Laufschaufeln, des Laufrades auf besonders materialsparende Art und Weise hergestellt werden. Gleichzeitig erlaubt die Verwendung eines additiven Fertigungsverfahrens den Aufbau quasi beliebig komplexer Geometrien, was sich insbesondere im Hinblick auf hochoptimierte 3D- Schaufelkonturierungen als vorteilhaft erweist. Aufwändige Operationen spanender Werkstückbearbeitung wie bspw. komplexe Bewegungsabläufe beim Fräsen einer Laufradgeometrie aus einem Vollmaterialrohling können effektiv vermieden oder reduziert werden. Somit kann der zur Herstellung eines Laufrades benötigte Zeit- und Kostenaufwand gesenkt werden. Auch kann durch die Verwendung eines additiven Fertigungsverfahrens eine sichere, vorzugsweise stoffschlüssige, Verbindung zwischen wenigstens einer Laufgradschaufel und dem Grundkörper des Laufrades bzw. dem ersten und/oder zweiten Teilabschnitt realisiert werden, welche den hohen mechanischen Belastungen des Laufrades im Betrieb standhält. Insbesondere kann dieser Schritt das, vorzugsweise aufeinanderfolgende, Aufbringen mehrerer, insbesondere einer Vielzahl, von Materialschichten umfassen. Es kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine Laufschaufel wenigstens 50, vorzugsweise wenigstens 100, besonders bevorzugt wenigstens 200 Materialschichten umfasst. Es kann ferner vorgesehen sein, dass wenigstens eine in diesem Schritt aufgetragene Materialschicht, insbesondere alle Materialschichten, sowohl den ersten Teilabschnitt als auch den zweiten Teilabschnitt überlappt.
Ein Aufbringen wenigstens einer Materialschicht auf den ersten und/oder zweiten Teilabschnitt des Grundkörpers umfasst den Gedanken, dass lediglich eine erste Materialschicht unmittelbar auf den ersten und/oder zweiten Teilabschnitt aufgetragen wird und wenigstens eine nachfolgende Materialschicht, vorzugsweise im Anschluss, auf die jeweils zuvor aufgetragene Materialschicht und somit lediglich mittelbar auf den ersten und/oder zweiten Teilabschnitt des Grundkörpers aufgetragen wird. Auch ist der Gedanke umfasst, dass zunächst mehrere Materialschichten, bspw. nebeneinander, unmittelbar auf den ersten und/oder zweiten Teilabschnitt aufgetragen werden und erst dann wenigstens eine nachfolgende Schicht auf wenigstens eine zuvor aufgetragene Materialschicht und somit lediglich mittelbar auf den ersten und/oder zweiten Grundkörper aufgetragen wird. In anderen Worten ist jeder, insbesondere sukzessive, Schichtaufbau im Zuge eines additiven Fertigungsverfahrens vom Gedanken dieser Erfindung, insbesondere wenigstens in Bezug auf die Generierung des zweiten Teilabschnitts des Grundkörpers und/oder wenigstens einer Laufschaufel bzw. auf die Schritte b) und/oder c), umfasst.
Es kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Strömungsmaschine eine, vorzugsweise kontinuierlich arbeitende, Strömungsmaschine zur Kompression eines Fluidstroms (Verdichter) ist. Auch kann die Strömungsmaschine eine Strömungsmaschine zur zumindest teilweisen Expansion eines Fluidstroms (Turbine) sein. Bei dem in der Strömungsmaschine geführten Fluid kann es sich vorzugsweise um ein kompressibles Fluid handeln bzw. die Strömungsmaschine kann zur Führung eines kompressiblen Fluids ausgebildet sein. Das Fluid kann insbesondere ein Gas und/oder Dampf sein.
Die Strömungsmaschine kann mehrere, vorzugsweise von einem Fluidstrom aufeinanderfolgend durchströmte bzw. durchströmbare, Stufen aufweisen. Dabei kann es vorgesehen sein, dass jede Stufe wenigstens ein Laufrad und/oder ein Leitrad umfasst. Ferner kann die Strömungsmaschine wenigstens eine Welle umfassen, wobei wenigstens ein Laufrad, vorzugsweise alle Laufräder, mit der Welle derart verbunden sind, dass eine gemeinsame Rotation der Welle und des Laufrads durchführbar ist. Auch kann es vorgesehen sein, dass die Strömungsmaschine mehrere Wellen aufweist und mit jeder Welle wenigstens ein Laufrad verbunden ist.
Bei der Ausführung einer Strömungsmaschine als Verdichter dient ein Laufrad wenigstens dazu kinetische Energie von einer Welle auf einen in der Strömungsmaschine geführten Fluidstrom zu übertragen. Hierzu wird das Laufrad über die mit dem Laufrad verbundene Welle in Rotation versetzt. Die durch die Rotation des Laufrades und insbesondere durch die Beschaufelung bzw. die Laufschaufeln des Laufrades in die Strömung eingebrachte kinetische Energie kann in wenigstens einem Laufrad und/oder wenigstens einem Leitrad durch eine gezielte Umlenkung und Verzögerung zumindest teilweise in Druckenergie umgewandelt und der durch die Strömungsmaschine geführte Fluidstrom somit verdichtet bzw. komprimiert werden.
Bei der Ausführung einer Strömungsmaschine als Turbine dient ein Laufrad wenigstens dazu kinetische Energie und/oder Druckenergie aus einem durch die Strömungsmaschine geführten Fluidstrom zu extrahieren und auf eine mit dem Laufrad verbundene Welle zu übertragen bzw. die Welle hierdurch in Rotation zu versetzen. Hierzu erfolgt eine zumindest teilweise Expansion des in der Strömungsmaschine geführten Fluidstroms in wenigstens einem Laufrad und/oder wenigstens einem Leitrad der Strömungsmaschine. Durch die hierdurch erzielte Beschleunigung des Fluidstroms und eine gezielte Umlenkung der Strömung auf das Laufrad bzw. insbesondere die Laufschaufeln des Laufrads wird ein Drehmoment an der Welle erzeugt und die Welle somit in Rotation versetzt.
Ein Leitrad einer Strömungsmaschine ist ein statisches Bauteil, welches wenigstens der Umlenkung des in der Strömungsmaschine geführten Fluidstroms dient, um eine möglichst optimale Anströmung der Laufschaufeln eines in Fluidstromrichtung nachfolgenden Laufrades zu ermöglichen. Auch kann die Beschaufelung bzw. können die Leitschaufeln eines Leitrades selber zur zumindest teilweisen Expansion bzw. Beschleunigung (Turbine) und/oder Kompression bzw. Verzögerung (Verdichter) der Strömung ausgebildet sein.
Als Laufschaufeln werden die auf dem Grundkörper des Laufrads angeordneten Schaufeln bezeichnet, welche wenigstens der Strömungsführung und/oder Erzielung einer gewünschten Strömungsumlenkung im Laufrad dienen. Je nach Arbeitsweise der Strömungsmaschine (Verdichter oder Turbine) kann eine durch zwei Laufschaufeln gebildete Schaufelpassage der zumindest teilweisen Verzögerung und/oder Kompression eines Fluidstroms (Verdichter) oder der zumindest teilweisen Expansion und/oder Beschleunigung eines Fluidstroms dienen.
Es kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass das Laufrad ein Laufrad radialer Bauweise, insbesondere ein Radialverdichterlaufrad bzw. Radialturbinenlaufrad ist und/oder, dass das Laufrad derart ausgebildet ist, dass eine Einströmung eines Fluidstroms in das Laufrad entlang oder im Wesentlichen entlang einer axialen Richtung erfolgt und/oder eine Abströmung eines Fluidstroms aus dem Laufrad entlang oder im Wesentlichen entlang einer radialen Richtung erfolgt. Vorzugsweise sind etwaige Umfangskomponenten der Geschwindigkeit bei diesen Angaben nicht zu berücksichtigen. Bei der Fertigung von Laufrändern radialer Bauweise zeigen sich die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens in besonders ausgeprägter Form. Prinzipiell sind jedoch auch weitere Laufradbauweisen wie Laufräder axialer Bauweise (Axialverdichterlaufrad bzw. Axialturbinenlaufrad) vom Gedanken der Erfindung umfasst. Dies gilt ebenso für Mischformen der genannten Bauweisen, insbesondere für Laufräder von Diagonalverdichtern.
Vorliegend soll gelten, dass die axiale Richtung entlang bzw. parallel zu der Rotationsachse des Laufrades orientiert ist und die radiale Richtung orthogonal zur Rotationsachse des Laufrades orientiert ist.
Es kann vorgesehen sein, dass sich der Grundkörper aus dem ersten Teilabschnitt und dem zweiten Teilabschnitt vollständig zusammensetzt bzw. der erste Teilabschnitt und der zweite Teilabschnitt den Grundkörper vollständig ausbilden. In anderen Worten kann es vorgesehen sein, dass der Grundkörper neben dem ersten Teilabschnitt und dem zweiten Teilabschnitt keine weiteren Teilabschnitte umfasst.
Es kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass der Grundkörper zur zumindest abschnittsweisen Verbindung mit einer Welle ausgebildet ist. Der Grundkörper kann zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig oder im Wesentlichen vollständig, rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Ferner kann es vorgesehen sein, dass der Grundkörper als Trägerelement für wenigstens eine, insbesondere alle Laufschaufeln ausgebildet ist bzw. fungiert. In anderen Worten kann es vorgesehen sein, dass der Grundkörper schaufellos ausgebildet ist bzw. keine Schaufeln, insbesondere Laufschaufeln, umfasst. Ferner kann es vorgesehen sein, dass sich wenigstens eine Laufschaufel des Laufrades zumindest abschnittsweise über den ersten und den zweiten Teilabschnitt erstreckt.
Es ist im Rahmen der Erfindung denkbar, dass der erste Teilabschnitt und der zweite Teilabschnitt zumindest abschnittsweise stoffschlüssig verbunden sind. Auch kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass wenigstens eine Laufschaufel mit dem Grundkörper, insbesondere mit dem ersten Teilabschnitt und/oder dem zweiten Teilabschnitt, zumindest abschnittsweise stoffschlüssig verbunden ist. Durch eine stoffschlüssige Verbindung wird eine besonders einfache und zugleich belastbare Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Teilabschnitt bzw. dem Grundkörper und wenigstens einer Laufschaufel erzielt.
Es kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass zumindest zwei Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zumindest abschnittsweise simultan ablaufen bzw. sich zumindest abschnittsweise in ihrer Ausführung zeitlich überlappen. Insbesondere kann dies wenigstens die Schritte b) und c) betreffen. So ist es denkbar, dass während wenigstens eine Materialschicht zur Generierung eines zweiten Teilabschnitts des Grundkörpers auf den ersten Teilabschnitt des Grundkörpers aufgetragen wird, auch bereits wenigstens eine Materialschicht zumindest auf den ersten Teilabschnitt des Grundkörpers zur Generierung wenigstens einer Laufschaufel aufgetragen wird. Hierdurch kann eine Beschleunigung des Herstellungsverfahrens erzielt werden. Auch ist es denkbar, dass wenigstens ein Schritt, vorzugsweise wenigstens Schritt b) und/oder c), im Zuge der Herstellung eines Laufrades wiederholt ausgeführt werden.
Im Rahmen der Erfindung kann es von Vorteil sein, dass das Aufbringen der Materialschicht in Schritt b) und/oder Schritt c) durch Auftragsschweißen, bevorzugt durch Laserauftragsschweißen, insbesondere unter Verwendung eines Additivs, erfolgt. Beim Laserauftragsschweißen erfolgt ein lokales Aufschmelzen der Oberfläche eines Werkstücks, insbesondere des Grundkörpers, durch einen Laser bei gleichzeitigem Aufbringen eines Additivs auf die aufgeschmolzene Oberfläche. Unter Einwirkung des Lasers bzw. in unmittelbarer Nähe der aufgeschmolzenen Werkstückoberfläche schmilz das Additiv ebenfalls auf und verbindet sich stoffschlüssig mit dem Werkstück. Durch die Zufuhr des Additivs kann ein lokaler Materialzuwachs an dem Werkstück realisiert werden, sodass, insbesondere durch eine wiederholte Durchführung dieses Prozesses, der, vorzugsweise schichtweise, Aufbau einer gewünschten Geometrie auf ein bestehendes Werkstück (vorliegend den Grundkörper) durchführbar ist. In anderen Worten kann dadurch, dass mehrere Schweißspuren bzw. Schweißraupen zumindest abschnittsweise nebeneinander und/oder übereinander bzw. überlappend auf einer Oberfläche eines Werkstücks, insbesondere des ersten und/oder zweiten Teilabschnitts des Grundkörpers, angeordnet werden, eine 3D-Geometrie auf der Werkstückoberfläche, vorzugsweise schichtweise, aufgebaut werden.
Ein Additiv kann beim Laserauftragsschweißen vorzugsweise in Pulverform oder als Festkörper, bspw. als Stab oder Draht, zugeführt werden. Das Additiv kann aus dem gleichen Material ausgebildet sein wie das Werkstück auf das das Additiv aufgebracht wird. Insbesondere kann das Additiv aus dem gleichen Material ausgebildet sein wie der erste und/oder zweite Teilabschnitt des Grundkörpers. Das Auftragsschweißen kann zumindest teilweise kontinuierlich, insbesondere entlang einer zuvor festgelegten Kontur bzw. eines zuvor festgelegten Pfades, auf einer Werkstückoberfläche bzw. einer Oberfläche des ersten und/oder zweiten Teilabschnitts durchgeführt werden. Durch die, vorzugsweise schichtweise, Generierung einer Geometrie durch Anwendung eines additiven Fertigungsverfahrens, insbesondere durch Auftragsschweißen, kann die gewünschte Geometrie des Grundkörpers zuverlässig und mit einem lediglich geringen bzw. keinem Materialüberschuss generiert werden.
Es kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass eine Rotationsachse des ersten Teilabschnitts und eine Rotationsachse des zweiten Teilabschnitts koaxial angeordnet sind. In anderen Worten kann es vorgesehen sein, dass der erste Teilabschnitt und der zweite Teilabschnitt zumindest abschnittsweise rotationssymmetrisch ausgebildet sind und die jeweiligen Rotationsachsen des ersten und zweiten Teilabschnitts koaxial angeordnet sind.
Ferner kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass der zweite Teilabschnitt den ersten Teilabschnitt zumindest abschnittsweise, insbesondere vollumfänglich umschließt. In anderen Worten kann es vorgesehen sein, dass wenigstens in Schritt b) auf den ersten Teilabschnitt aufgebrachte Materialschicht sich zumindest abschnittsweise über einen äußeren Umfang bzw. eine äußere Umfangsfläche des ersten Teilabschnitts erstreckt und den ersten Teilabschnitt somit zumindest abschnittsweise umschließt.
Es ist denkbar, dass sich der erste Teilabschnitt wenigstens zwischen einem ersten Innenradius und einem ersten Außenradius erstreckt und dass sich der zweite Teilabschnitt wenigstens zwischen einem zweiten Innenradius und einem zweiten Außenradius erstreckt, wobei vorzugsweise der erste Außenradius gleich dem zweiten Innenradius ist. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass der zweite Teilabschnitt auf einer sich axial oder im Wesentlichen axial erstreckenden Außenfläche des ersten Teilabschnitts generiert wird.
Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass der erste Teilabschnitt und der zweite Teilabschnitt des Grundkörpers zumindest abschnittsweise aus dem gleichen Material bzw. materialeinheitlich ausgebildet sind und/oder dass wenigstens ein Teilabschnitt, insbesondere der erste und/oder der zweite Teilabschnitt, des Grundkörpers und wenigstens eine Laufschaufel zumindest abschnittsweise aus dem gleichen Material bzw. materialeinheitlich ausgebildet sind. Hierdurch ergibt sich eine besonders hohe Belastbarkeit und/oder Langlebigkeit des Laufrades. Ferner ergibt sich insbesondere mit dem Hinblick auf die Herstellung unter Verwendung eines additiven Fertigungsverfahrens, insbesondere Auftragsschweißen, eine besonders zuverlässige Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Teilabschnitt und/oder wenigstens einer Laufschaufel und dem ersten und/oder zweiten Teilabschnitt.
Es kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass wenigstens ein Teilabschnitt des Grundkörpers, insbesondere der erste und/oder der zweite Teilabschnitt, und/oder wenigstens eine Laufschaufel zumindest abschnittsweise aus einem martensitischen und/oder ausscheidungsgehärteten Stahl hergestellt bzw. ausgebildet sind. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Laufrad vollständig aus einem martensitischen und/oder ausscheidungsgehärteten Stahl hergestellt bzw. ausgebildet ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer kostengünstigen Herstellung des Laufrades bei gleichzeitig hoher mechanischer Belastbarkeit. Außerdem hat sich ein solcher Werkstoff im Hinblick auf seine Verwendung im Rahmen eines additiven Fertigungsverfahrens, insbesondere Auftragsschweißen, als positiv in Bezug auf seine Verarbeitbarkeit erwiesen.
Es ist erfindungsgemäß denkbar, dass der Stahl wenigstens eines der folgenden Legierungselemente in der angegebenen Menge enthält:
• 10 % bis 20%, vorzugsweise 13 % bis 18 %, besonders bevorzugt 15 % bis 17 % Chrom,
• 1 % bis 7 %, vorzugsweise 2 % bis 6 %, besonders bevorzugt 3 % bis 5 % Nickel,
• 1 % bis 7 %, vorzugsweise 2 % bis 6 %, besonders bevorzugt 3 % bis 5 % Kupfer. Die angegebenen Prozentsätze beziehen sich auf den in dem Stahl enthaltenen Massenanteil des jeweiligen Legierungselementes (Massenbruch). Ein Stahl umfassend wenigstens eines der o. g. Legierungselemente in der jeweils angegebenen Menge hat sich als besonders vorteilhaft in Bezug auf die Verarbeitbarkeit im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens sowie auf die Belastbarkeit und Langlebigkeit der daraus gefertigten Laufräder gezeigt. Besonders gute Ergebnisse wurden bei einer Stahllegierung festgestellt, die alle Legierungselemente in den angegebenen Mengen enthält, insbesondere 15 % bis 17 % Chrom, 3 % bis 5 % Nickel und 3 % bis 5 % Kupfer.
Auch ist es denkbar, dass der Stahl über zumindest eine der folgenden Werkstoffkenngrößen verfügt:
• Zugfestigkeit (Rm) von 900 bis 1400 N/mm2, vorzugsweise von 1000 bis 1300 N/mm2, besonders bevorzugt von 1070 bis 1270 N/mm2,
• Streckgrenze (RPo,2) von wenigstens 800 N/mm2, vorzugsweise von wenigstens 900 N/mm2, besonders bevorzugt von wenigstens 1000 N/mm2,
• E-Modul von 100 bis 300 kN/mm2, vorzugsweise von 150 bis 250 kN/mm2, besonders bevorzugt von180 bis 220 kN/mm2 insbesondere von 200 kN/mm2,
• Bruchdehnung (As) von wenigstens 5 %, vorzugsweise von wenigstens 8 %, besonders bevorzugt von wenigstens 10 %,
• Härte (HB30) von 250 bis 450 HB, vorzugsweise von 300 bis 400 HB, besonders bevorzugt von 330 bis 390 HB,
• Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 10J, bevorzugt wenigstens 15J, besonders bevorzugt wenigstens 20J.
Alle Angaben zu Werkstoffkennwerten gelten bei einer Temperatur von 20°C (Grad Celsius). Ein Stahl der wenigstens einen der o. g. Werkstoffkennwerte in dem jeweils angegebenen Bereich aufweist hat sich als besonders vorteilhaft in Bezug auf die mechanische Belastbarkeit der daraus gefertigten Laufräder gezeigt. Dies gilt in besonderem Maße für einen Stahl der alle der o. g. Werkstoff kenn werte in den angegebenen Wertebereichen aufweist, insbesondere für einen Stahl mit einer Zugfestigkeit von 1070 N/mm2 bis 1270 N/mm2, einer Streckgrenze von wenigstens 1000 N/mm2, einem E-Modul von 200 N/mm2 einer Bruchdehnung von wenigstens 10 %, einer Härte von 330 HB bis 390 HB und einer Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 20 J. Ferner kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass wenigstens ein Teilabschnitt, insbesondere der erste und/oder der zweite Teilabschnitt, des Grundkörpers und/oder wenigstens eine Laufschaufel zumindest abschnittsweise aus einem Titanwerkstoff hergestellt bzw. ausgebildet ist. Auch kann es vorgesehen sein, dass das Laufrad vollständig aus einem Titanwerkstoff hergestellt bzw. ausgebildet ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer besonders leichten Bauweise des Laufrades bei gleichzeitig hoher mechanischer Belastbarkeit. Außerdem hat sich ein solcher Werkstoff im Hinblick auf seine Verwendung im Rahmen eines additiven Fertigungsverfahrens, insbesondere Auftragsschweißen, als positiv in Bezug auf seine Verarbeitbarkeit erwiesen.
Es ist denkbar, dass der Titanwerkstoff wenigstens eines der folgenden Legierungselemente in der angegebenen Menge enthält:
• 3 % bis 10 %, vorzugsweise 5 % bis 8 %, besonders bevorzugt 5,5 % bis 6,75 % Aluminium,
• 1 % bis 7 %, vorzugsweise 3 % bis 6 %, besonders bevorzugt 3,5 % bis 4,5 % Vanadium.
Die angegebenen Prozentsätze beziehen sich auf den in dem Titanwerkstoff enthaltenen Massenanteil des jeweiligen Legierungselementes (Massenbruch). Ein Titanwerkstoff umfassend wenigstens eines der o. g. Legierungselemente in der jeweils angegebenen Menge hat sich als besonders vorteilhaft in Bezug auf die Verarbeitbarkeit im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens sowie auf die Belastbarkeit und Langlebigkeit der daraus gefertigten Laufräder bei gleichzeitig geringem Gewicht der Laufräder gezeigt. Besonders gute Ergebnisse wurden bei einem Titanwerkstoff festgestellt, der alle Legierungselemente in den angegebenen Mengen enthält, insbesondere 5,5 % bis 6,75 % Aluminium und 3,5 % bis 4,5 % Vanadium.
Auch ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass der Titanwerkstoff über zumindest eine der folgenden Werkstoffkenngrößen verfügt:
• Zugfestigkeit (Rm) von wenigstens 700 N/mm2, vorzugsweise von wenigstens 850 N/mm2, besonders bevorzugt von wenigstens 895 N/mm2,
• Streckgrenze (RPo,2) von wenigstens 700 N/mm2, vorzugsweise von wenigstens 800 N/mm2, besonders bevorzugt von wenigstens 828 N/mm2, • E-Modul von 80 kN/mm2 bis 130 kN/mm2, vorzugsweise von 100 kN/mm2 bis 120 kN/mm2, besonders bevorzugt von 110 kN/mm2 bis 115 kN/mm2 insbesondere von 114 kN/mm2,
• Bruchdehnung (As) von wenigstens 5%, vorzugsweise von wenigstens 8%, besonders bevorzugt von wenigstens 10 %,
• Härte (HB30) von 200 HB bis 350 HB, vorzugsweise von 250 HB bis 330 HB, besonders bevorzugt von 300 HB bis 320 HB,
Alle Angaben zu Werkstoffkennwerten gelten bei einer Temperatur von 20°C (Grad Celsius). Ein Titanwerkstoff der wenigstens einen der o. g. Werkstoff kenn werte in dem jeweils angegebenen Bereich aufweist hat sich als besonders vorteilhaft in Bezug auf die mechanische Belastbarkeit der daraus gefertigten Laufräder sowie die Verarbeitbarkeit dieses Werkstoffs gezeigt. Dies gilt in besonderem Maße für einen Titanwerkstoff der alle der o. g. Werkstoffkennwerte in den angegebenen Wertebereichen aufweist, insbesondere für einen Titanwerkstoff mit einer Zugfestigkeit von wenigstens 895 N/mm2, einer Streckgrenze von wenigstens 828 N/mm2, einem E-Modul von 114 N/mm2, einer Bruchdehnung von wenigstens 10 % und einer Härte von 300 HB bis 320 HB.
Es kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass das Verfahren zumindest teilweise automatisiert, insbesondere durch wenigstens einen Fertigungsroboter durchgeführt wird. Insbesondere ist es denkbar, dass wenigstens die Schritte b) und c) durch einen Schweißroboter durchgeführt werden. Auch kann es vorgesehen sein, dass wenigstens der Schritt a) bzw. eine spanende Bearbeitung des Laufrades, insbesondere des Grundkörpers, durch eine zumindest teilautomatisierte Dreh- und/oder Fräsmaschine durchgeführt wird.
Ferner kann es vorgesehen sein, dass als Grundlage für wenigstens einen Schritt des Verfahrens ein CAD-Modell der Laufradgeometrie dient. In anderen Worten kann es vorgesehen sein, dass, insbesondere vor dem Schritt a), auf Grundlage eines CAD-Modells des Laufrads Steuerungsbefehle für wenigstens einen Fertigungsroboter definiert werden, zur zumindest teilweisen Ausführung wenigstens eines Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens. So kann auf Grundlage des CAD Modells wenigstens ein Bewegungsablauf und/oder wenigstens eine zugehörige Bewegungsgeschwindigkeit wenigstens eines Bearbeitungskopfes wenigstens eines Fertigungsroboters definiert werden um die gewünschte Laufradgeometrie zumindest abschnittsweise herzustellen bzw. zu realisieren. Im Rahmen der Erfindung ist es optional möglich, dass zusätzlich, vorzugsweise nach Schritt b), wenigstens der nachfolgenden Schritte durchgeführt wird:
• Zumindest abschnittsweises Bearbeiten des ersten und/oder zweiten Teilabschnitts
(11.1 , 11.2), vorzugsweise durch Anwendung eines spanenden
Fertigungsverfahrens, zur Herstellung eines zumindest abschnittsweise kontinuierlichen Oberflächen Verlaufs über den ersten und zweiten Teilabschnitt (11.1 , 11.2).
Es kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass das Bearbeiten des ersten und zweiten Teilabschnitts durch Drehen erfolgt, wobei vorzugsweise im Rahmen des Drehens ein Schlichten wenigstens einer Oberfläche des Grundkörpers durchgeführt wird, um einen zumindest abschnittsweise kontinuierlichen Oberflächenverlauf über den ersten und zweiten Teilabschnitt herzustellen. Hierdurch die Oberflächengüte des Grundkörpers zumindest abschnittsweise verbessert werden um Strömungsverluste im Betrieb des Laufrades zu reduzieren. Auch kann hierdurch der Grundkörper für eine nachfolgende Generierung wenigstens einer Laufschaufel optimal vorbereitet bzw. die gewünschte finale Geometrie des ersten und zweiten Teilabschnitts mit hoher Genauigkeit bzw. mit geringen Toleranzen hergestellt werden. Entsprechend kann dieser Bearbeitungsschritt vorzugsweise zumindest auf dem Abschnitt bzw. der Oberfläche des Grundkörpers, insbesondere des ersten und/oder zweiten Teilabschnitts, durchgeführt werden, auf welcher im Schritt c) eine Generierung wenigstens einer Laufschaufel erfolgt.
Ferner kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass zusätzlich, vorzugsweise nach Schritt c), wenigstens der nachfolgenden Schritte durchgeführt wird:
• Durchführen wenigstens einer Wärmebehandlung zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Laufrads,
• Zumindest abschnittsweises Bearbeiten des ersten Teilabschnitts und/oder des zweiten Teilabschnitts und/oder wenigstens einer Laufschaufel vorzugsweise durch Anwendung eines spanenden Fertigungsverfahrens, wenigstens zur Entfernung überflüssigen Materials und/oder Herstellung einer geforderten Oberflächengüte,
• Auswuchten des Laufrads,
• Reinigen des Laufrades, vorzugsweise durch Reinigungsstrahlen. In Bezug auf das Durchführen einer Wärmebehandlung, insbesondere bei einem Laufrad welches zumindest abschnittsweise oder vollständig aus einem Stahl hergestellt ist, kann es vorgesehen sein, dass das Laufrad zumindest temporär auf eine Temperatur von wenigstens 400 °C, vorzugsweise wenigstens von wenigstens 500 °C, besonders bevorzugt auf eine Temperatur von wenigstens 550 °C oder genau bzw. im Wesentlichen genau 550 °C erwärmt wird. Auch kann es vorgesehen sein, dass die Zeitspanne in der das Laufrad auf einer erhöhten Temperatur gehalten wird wenigstens 2 Stunden, vorzugsweise wenigstens 3 Stunden, besonders bevorzugt wenigstens 4 Stunden oder 4 Stunden beträgt. Hierdurch konnte eine besonders vorteilhafte Ausscheidungshärtung des Stahlwerkstoffes und eine hohe mechanischen Belastbarkeit des Laufrads erzielt werden. Besonders vorteilhaft zeigte sich eine Wärmebehandlung umfassend eine Erwärmung des Laufrads auf genau bzw. im Wesentlichen genau 550°C und halten dieser Laufradtemperatur über einen Zeitraum von 5 Stunden. Anschließend kann eine Abkühlung des Laufrads auf Raumtemperatur erfolgen.
In Bezug auf das Durchführen einer Wärmebehandlung, insbesondere bei einem Laufrad welches zumindest abschnittsweise oder vollständig aus einem Titanwerkstoff hergestellt ist, kann es vorgesehen sein, dass das Laufrad zumindest temporär auf eine Temperatur von wenigstens 450 °C, vorzugsweise wenigstens von wenigstens 550 °C, besonders bevorzugt auf eine Temperatur von wenigstens 600 °C oder genau bzw. im Wesentlichen genau 600 °C erwärmt wird. Auch kann es vorgesehen sein, dass die Zeitspanne in der das Laufrad auf einer erhöhten Temperatur gehalten wird wenigstens 1 Stunde, vorzugsweise wenigstens 1 ,5 Stunden, besonders bevorzugt wenigstens 2 Stunden oder 2 Stunden beträgt. Hierdurch konnte eine besonders hohe mechanischen Belastbarkeit des Laufrads erzielt werden. Besonders vorteilhaft zeigte sich eine Wärmebehandlung umfassend eine Erwärmung des Laufrads auf genau bzw. im Wesentlichen genau 600°C und halten dieser Laufradtemperatur über einen Zeitraum von 2 Stunden. Anschließend kann eine Abkühlung des Laufrads auf Raumtemperatur erfolgen. Die Abkühlung des Laufrads kann die Abkühlung des Laufrads auf wenigstens eine Zwischentemperatur und das zumindest temporäre Halten des Laufrads auf dieser Zwischentemperatur umfassen. Es kann vorgesehen sein, dass das Halten des Laufrades auf einer Zwischentemperatur für eine Zeitspanne von wenigstens 0,5 Stunden, vorzugsweise wenigstens 1 Stunde oder wenigstens 2 Stunden durchgeführt wird. Vorzugsweise kann eine Zwischentemperatur 200°C betragen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer weiteren Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Laufrades. Die Angabe im Wesentlichen bezieht sich auf zu berücksichtigende Toleranzen, welche sich fertigungsbedingt bzw. prozessbedingt ergeben können. So kann es bspw. bei einer Erwärmung in einem Ofen zu geringfügigen zeitlichen und/oder lokalen Temperaturschwankungen kommen. Auch ist eine Geometrie eines Werkstücks stets behaftet mit fertigungsbedingten Ungenauigkeiten (Toleranzen), deren Größenordnung von den eingesetzten Verfahren und/oder Werkzeugen und/oder Maschinen abhängt.
Die Wärmebehandlung des Laufrades, insbesondere bei einem Laufrad welches zumindest abschnittsweise oder vollständig aus einem Titanwerkstoff hergestellt ist, kann zumindest teilweise im Vakuum erfolgen. Es ist denkbar, dass die Wärmebehandlung des Laufrads zumindest teilweise in einem Vakuumofen durchgeführt wird bzw. durchführbar ist. Hierdurch kann insbesondere eine Oxidation des Laufrads während der Wärmebehandlung und daraus resultierende Nachteile in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften des Laufrads vermieden werden.
In Bezug auf ein zumindest abschnittsweises Bearbeiten des ersten Teilabschnitts und/oder des zweiten Teilabschnitts und/oder wenigstens einer Laufschaufel wenigstens zur Entfernung überflüssigen Materials und/oder Herstellung einer geforderten Oberflächengüte ergibt sich der Vorteil, einer besonders leichten Bauweise des Laufrades und/oder einer hohen Oberflächengüte zur Vermeidung von Strömungsverlusten. Die Bearbeitung kann vorzugsweise durch Drehen und/oder Fräsen erfolgen.
In Bezug auf ein zumindest abschnittsweises Bearbeiten des ersten Teilabschnitts und/oder des zweiten Teilabschnitts wenigstens zur Entfernung überflüssigen Materials und/oder Herstellung einer geforderten Oberflächengüte kann vorgesehen sein, dass diese wenigstens auf einer schaufellosen Oberfläche des Grundkörpers bzw. des ersten und/oder zweiten Teilabschnitts erfolgt. In anderen Worten kann die Bearbeitung zumindest auf einer Oberfläche des Grundkörpers bzw. des ersten und/oder zweiten Teilabschnitts erfolgen, auf dem keine Laufschaufel angeordnet ist und/oder derjenigen Oberfläche auf der wenigstens eine Laufschaufel, vorzugsweise alle Laufschaufeln, angeordnet ist gegenüberliegt. Die Bearbeitung kann eine Endbearbeitung sein bzw. zur Generierung der finalen Grundkörpergeometrie dienen. In Bezug auf ein Auswuchten des Laufrades kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Ausgleichsgewicht zum Ausgleichen einer Unwucht an dem Laufrad angeordnet wird. Vorzugsweise kann das Ausgleichsgewicht angeschweißt werden. Zusätzlich oder alternativ kann an wenigstens einer Position an dem Laufrad Material entfernt werden, vorzugsweise unter Verwendung eines spanenden Fertigungsverfahrens wie Bohren oder Fräsen, um eine Unwucht an dem Laufrad auszugleichen. Es kann ferner vorgesehen sein, dass während des Auswuchtens das Laufrad wenigstens einmal auf eine Umdrehungsgeschwindigkeit von 1000 Umdrehungen pro Minute beschleunigt und anschließend wieder abgebremst wird, insbesondere auf eine Umdrehungsgeschwindigkeit von 0 Umdrehungen pro Minute abgebremst wird.
In Bezug auf ein Reinigen des Laufrades durch Reinigungsstrahlen kann vorgesehen sein, dass ein Kugelförmiges bzw. Kornförmiges Strahlmittel verwendet wird. Insbesondere kann als Strahlmittel ein Edelstahlgußstrahlmittel verwendet werden bzw. das Strahlmittel zumindest teilweise, insbesondere vollständig aus Edelstahl ausgebildet bzw. hergestellt sein. Es kann vorgesehen sein, dass das Strahlmittel einen Durchmesser bzw. eine Korngröße zwischen 0,05 mm und 0,6 mm, insbesondere zwischen 0,09 mm und 0,5 mm aufweist. Besonders bevorzugt kann das Strahlmittel einen Durchmesser bzw. eine Korngröße zwischen 0,05 mm und 0,315 mm oder zwischen 0,14 mm und 0,5 mm aufweisen. Bei der Verwendung eines Strahlmittels gemäß den obigen Angaben hat sich der Vorteil einer besonders hohen Reinigungsgrades sowie einer besonders hohen Oberflächengüte des Laufrads gezeigt.
In Bezug auf die vorliegende Erfindung ist es vorstellbar, dass wenigstens das Bearbeiten in Schritt a) durch Anwendung wenigstens eines spanenden Fertigungsverfahrens erfolgt, vorzugsweise durch Drehen und/oder Fräsen. Das Bearbeiten kann zumindest teilweise automatisiert erfolgen, wodurch die Toleranzen in Bezug auf die Laufradgeometrie reduziert werden können.
Es kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass zusätzlich, vorzugsweise vor dem Schritt a) und/oder vor dem Schritt b) und/oder vor dem Schritt c), wenigstens der nachfolgende Schritt durchgeführt wird:
• Einbringen des aus Vollmaterial ausgebildeten Rohlings und/oder des ersten und/oder zweiten Teilabschnitts in den Innenraum einer Bearbeitungskammer, • Verschließen der Bearbeitungskammer,
• Herstellen einer Inertgasatmosphäre in dem Innenraum der Bearbeitungskammer, wobei insbesondere der Sauerstoffanteil in der Inertgasatmosphäre 100 ppm oder weniger beträgt und/oder der Wasseranteil in der Inertgasatmosphäre 100 ppm oder weniger beträgt,
• Öffnen der Bearbeitungskammer und Entnahme des Grundkörpers bzw. wenigstens eines Teilabschnitts des Grundkörpers und/oder des Laufrads.
Dabei kann es vorgesehen sein, dass der Rohling zunächst in die Bearbeitungskammer eingebracht wird und diese verschlossen wird und anschließend die Inertgasatmosphäre in der Bearbeitungskammer hergestellt wird. Alternativ ist es denkbar, dass zunächst eine Inertgasatmosphäre in der Bearbeitungskammer hergestellt wird und der Rohling anschließend, insbesondere über eine Schleuse, in die Bearbeitungskammer eingebracht wird. Ferner kann das Verschließen der Bearbeitungskammer derart erfolgen, dass ein Atmosphärenaustausch zwischen dem Innenraum der Bearbeitungskammer und der äußeren Umgebung der Bearbeitungskammer unterbunden bzw. im Wesentlichen unterbunden wird, insbesondere solange die Bearbeitungskammer verschlossen ist.
Es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass wenigstens ein Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens unter einer Inertgasatmosphäre erfolgt. In anderen Worten kann es vorgesehen sein, dass die Herstellung des Laufrades zumindest teilweise erfolgt, während das Laufrad, vorzugsweise vollständig oder im Wesentlichen vollständig, von einem Inertgas umgeben ist. Vorzugsweise kann Helium oder Argon als Inertgas verwendet werden. Die Verwendung weiterer (abweichender) Inertgase oder eines Gemisches aus wenigstens zwei Inertgasen ist ebenfalls durch den Gedanken der Erfindung umfasst. Durch die Bearbeitung des Laufradrohlings bzw. des Grundkörpers unter einer Inertgasatmosphäre kann eine Oxidation der Werkstückoberfläche effektiv vermieden werden. Die Bearbeitung unter einer Inertgasatmosphäre hat sich besonders bei der Verwendung eines Titanwerkstoffes als vorteilhaft erwiesen. Es kann vorgesehen sein, dass der Sauerstoffanteil in der Inertgasatmosphäre 100 ppm (parts per million) oder weniger, insbesondere 80 ppm oder weniger, vorzugsweise 50 ppm oder weniger beträgt. Insbesondere ein Sauerstoffanteil von 50 ppm oder weniger hat sich als Vorteilhaft in Bezug auf eine effektive Vermeidung einer Oxidation erwiesen. Auch ist es denkbar, dass der Wasseranteil (H2O) in der Inertgasatmosphäre 100 ppm oder weniger, insbesondere 80 ppm oder weniger, vorzugsweise 50 ppm oder weniger beträgt. Insbesondere ein Wasseranteil von 50 ppm oder weniger hat sich im Rahmen eines erfindungsgemäßen Fertigungsverfahrens als besonders vorteilhaft in Bezug auf die Fertigung qualitativ hochwertiger Werkstücke erwiesen.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass wenigstens ein Schritt des Verfahrens in dem Innenraum einer Bearbeitungskammer durchgeführt wird, wobei insbesondere der Innenraum der Bearbeitungskammer gegenüber der äußeren Umgebung der Bearbeitungskammer wenigstens während der Durchführung wenigstens eines Verfahrensschrittes gegenüber der Umgebung hermetisch verschlossen bzw. im Wesentlichen hermetisch verschlossen ist und/oder mit einem Inertgas gefüllt bzw. im Wesentlichen gefüllt ist. In anderen Worten kann es vorgesehen sein, dass die Durchführung wenigstens eines Verfahrensschrittes in der Bearbeitungskammer erst dann erfolgt, wenn in der Bearbeitungskammer eine Inertgasatmosphäre hergestellt wurde. Dies kann durch eine Evakuierung der Bearbeitungskammer, insbesondere unter Verwendung einer Vakuumpumpe, und eine anschließende Befüllung der Bearbeitungskammer mit einem Inertgas erfolgen. Auch oder alternativ kann die Bearbeitungskammer mit einem Inertgas gespült werden, bis die gewünschte Inertgasatmosphäre hergestellt ist. Die Bearbeitungskammer kann gegenüber der äußeren Umgebung der Bearbeitungskammer hermetisch verschließbar sein, sodass kein oder im Wesentlichen kein Atmosphärenaustausch zwischen dem Innenraum der Bearbeitungskammer und der äußeren Umgebung der Bearbeitungskammer erfolgt solange diese hermetisch verschlossen ist. Die Bearbeitungskammer kann wenigsten einen Sauerstoffsensor umfassen, mit dem eine Sauerstoffkonzentration im Bearbeitungsraum der Bearbeitungskammer erfassbar ist.
Es kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass alle Verfahrensschritte oder nur einzelne Verfahrensschritte in der Bearbeitungskammer durchgeführt werden. Auch kann es vorgesehen sein, dass das Werkstück (das Laufrad) zwischen einzelnen Verfahrensschritten aus der Bearbeitungskammer entfernt und vor einem nachfolgenden Verfahrensschritt wieder in die Bearbeitungskammer eingebracht wird oder das Werkstück für mehrere nacheinander ausgeführte Verfahrensschritte in der Bearbeitungskammer verbleibt. In Bezug auf Schritt a) kann vor dem Schritt a) ein aus Vollmaterial ausgebildeter Rohling in die Bearbeitungskammer eingebracht und nach dem Schritt a) der erste Teilabschnitt des Grundkörpers aus der Bearbeitungskammer entnommen werden. In Bezug auf Schritt b) kann vor dem Schritt b) der erste Teilabschnitt des Grundkörpers in die Bearbeitungskammer eingebracht und nach dem Schritt b) der Grundkörper bestehend aus dem ersten und zweiten Teilabschnitt entnommen werden. In Bezug auf Schritt c) kann vor dem Schritt c) der Grundkörper in die Bearbeitungskammer eingebracht und nach dem Schritt c) das Laufrad umfassend den Grundkörper und wenigstens eine Laufschaufel entnommen werden.
Ferner kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass das Laufrad, vorzugsweise nach Abschluss des erfindungsgemäßen Verfahrens, einen Durchmesser von wenigstens 400 mm, insbesondere wenigstens 450 mm, vorzugsweise wenigstens 500 mm, besonders bevorzugt wenigstens 560 mm oder genau bzw. im Wesentlichen genau 560 mm aufweist. In Bezug auf Laufräder mit dem o. g. Durchmesser hat sich das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren als besonders effektiv anwendbar gezeigt. Dies gilt insbesondere für Laufräder mit einem Durchmesser von genau bzw. im Wesentlichen genau 560 mm.
Auch ist es denkbar, dass das Laufrad, vorzugsweise nach Abschluss des erfindungsgemäßen Verfahrens eine axiale Erstreckung, insbesondere entlang einer axialen Richtung, von wenigstens 150 mm, insbesondere wenigstens 170 mm, vorzugsweise wenigstens 180 mm, besonders bevorzugt wenigstens 190 oder genau bzw. im Wesentlichen genau 190,4 mm. In Bezug auf Laufräder mit der o. g. axialen Erstreckung hat sich das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren als besonders effektiv anwendbar gezeigt. Dies gilt insbesondere für Laufräder mit einer axialen Erstreckung von genau bzw. im Wesentlichen genau 190,4 mm.
Es kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass wenigstens eine Laufschaufel an der dem Grundkörper zugewandten Seite eine größere Materialstärke aufweist als an der gegenüberliegenden bzw. dem Grundkörper abgewandten Seite. In anderen Worten kann wenigstens eine Laufschaufel in der Nähe des Grundkörpers bzw. an ihrem Schaufelfuß eine höhere Materialstärke aufweisen als an ihrer Schaufelspitze. Durch eine Erhöhung der Materialstärke im Bereich des Schaufelfußes kann eine belastbarere Verbindung der Laufschaufel mit dem Grundkörper erzielt und ein Versagen der Laufschaufel im Betrieb des Laufrades vermieden werden. Die Materialstärke kann dann ausgehend vom Grundkörper bzw. Schaufelfuß sukzessive auf die angedachte Materialstärke der Laufschaufel reduziert werden. Insbesondere ist es denkbar, dass wenigstens eine Laufschaufel an ihrer dem Grundkörper abgewandten Seite bzw. der Schaufelspitze eine doppelt so große Materialstärke aufweist wie an ihrem dem Grundkörper zugewandten Seite bzw. ihrem Schaufelfuß.
Es kann ferner im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass der Schritt c) mehrfach ausgeführt wird und wenigstens eine Materialschicht wenigstens einer Laufschaufel eine kleinere Schichtbreite aufweist als die zuvor aufgetragene Materialschicht der gleichen Laufschaufel. Die Schichtbreite bestimmt die Materialstärke der Laufschaufel in dem durch die Materialschicht ausgebildeten Abschnitt der Laufschaufel. So kann die Materialstärke der Laufschaufel durch eine Variation der Schichtbreite der aufgetragenen Materialschichten zumindest abschnittsweise gezielt variiert werden bspw. um die mechanische Belastbarkeit der Laufschaufel im Bereich des Schaufelfußes bzw. an der dem Grundkörper zugewandten Seite zu erhöhen. In anderen Worten kann es also vorgesehen sein, dass wenigstens eine Laufschaufel entlang ihrer Erstreckung ausgehend vom Grundkörper bzw. ihrem Schaufelfuß in Richtung ihrer Schaufelspitze eine zumindest abschnittsweise variierende, vorzugsweise eine zumindest abschnittsweise abnehmende, Materialstärke aufweist, wobei vorzugsweise die Materialstärke am Schaufelfuß höher ist als an der Schaufelspitze.
Die obenstehende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein erfindungsgemäßes Laufrad umfassend einen Grundkörper sowie wenigstens eine Laufschaufel wobei das Laufrad nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde bzw. nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 hergestellt wurde. In Bezug auf ein erfindungsgemäßes Laufrad ergeben sich die gleichen Vorteile, wie sie in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren erläutert wurden.
Die obenstehende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine umfassend wenigstens ein Laufrad nach Anspruch 17. In Bezug auf die Strömungsmaschine ergeben sich die gleichen Vorteile wie sie in Bezug auf das Laufrad erläutert worden sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Laufrades
Fig. 2 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Laufrades,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Bearbeitung gemäß Schritt a),
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Bearbeitung gemäß Schritt b),
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines Grundkörpers eines erfindungsgemäßen Laufrads
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Bearbeitung gemäß Schritt c)
Fig. 8 einen Rohling aus Vollmaterial in einer Bearbeitungskammer und
Fig. 9 einen schematischen Aufbau einer Laufschaufel.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Laufrades 10 zur Verwendung in einer Strömungsmaschine. Das Laufrad 10 ist ein Laufrad 10 radialer Bauart und als Radialverdichterlaufrad ausgebildet. Das Laufrad 10 umfasst einen Grundkörper 11 sowie wenigstens eine Vielzahl von Laufschaufeln 12. Der Grundkörper 11 umfasst ferner einen ersten Teilabschnitt 11.1 und einen zweiten Teilabschnitt 11.2, die nachfolgend noch näher beschrieben werden. Die Laufschaufeln 12 sind auf dem Grundkörper 11 des Laufrades 10 angeordnet und mit dem Grundkörper 11 stoffschlüssig verbunden. Auch der erste Teilabschnitt 11.1 und der zweite Teilabschnitt 11.2 sind stoffschlüssig verbunden. Ferner sind der erste Teilabschnitt 11.1, der zweite Teilabschnitt 11.2 und die Laufschaufeln 12 des Laufrades 10 aus dem gleichen Material bzw. materialeinheitlich ausgebildet. Die Durchströmung des Laufrades 10 erfolgt entlang der Laufschaufeln 12 von der Vorderkante 18 in Richtung der Hinterkante 19. Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Laufrades 10, wobei die Schnittebene die Rotationsachse bzw. Mittelachse des Laufrads 10 schneidet. Das Laufrad 10 ist derart ausgebildet, dass eine Einströmung eines Fluidstroms in das Laufrad 10 entlang einer axialen Richtung X erfolgt bzw. erfolgen kann und eine Abströmung eines Fluidstroms aus dem Laufrad 10 entlang einer radialen Richtung R erfolgt bzw. erfolgen kann. Die axiale Richtung X ist parallel zu der Rotationsachse M des Laufrades 10 orientiert und die radiale Richtung R ist orthogonal zu der Rotationsachse M des Laufrades 10 orientiert. Die Rotationsachse M ist koaxial mit der Rotationsachse M1 des ersten Teilabschnitts 11.1 und mit der Rotationsachse M2 des zweiten Teilabschnitts 11.2 angeordnet.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zur Herstellung eines Laufrades 10 einer Strömungsmaschine bzw. zur Verwendung in einer Strömungsmaschine, umfassend einen Grundkörper 11 sowie wenigstens eine Laufschaufel 12, wobei die der Grundkörper 11 und die Laufschaufel 12 stoffschlüssig verbunden sind und wobei wenigstens die folgenden Schritte, vorzugsweise in der angegebenen Reihenfolge, durchgeführt werden: a) Bearbeiten eines aus Vollmaterial ausgebildeten Rohlings 1 zur Generierung eines ersten Teilabschnitts 11.1 des Grundkörpers 11 , b) Aufbringen wenigstens einer Materialschicht 13 auf den ersten Teilabschnitt 11.1 des Grundkörpers 11 zur zumindest abschnittsweisen Generierung eines zweiten Teilabschnitts 11.2 des Grundkörpers 11 durch Anwendung eines additiven Fertigungsverfahrens, c) Aufbringen wenigstens einer Materialschicht 13 auf den ersten Teilabschnitt 11.1 und/oder den zweiten Teilabschnitt 11.2 zur zumindest abschnittsweisen Generierung wenigstens einer Laufschaufel 12 auf dem Grundkörper 11 , durch Anwendung eines additiven Fertigungsverfahrens.
Das Verfahren 100 wird nachfolgend näher erläutert. Fig. 4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Bearbeitung eines Rohlings 1 gemäß Schritt a). der Rohling 1 ist auf der linken Seite dargestellt und aus Vollmaterial ausgebildet. Der Rohling 1 wird in Schritt a), vorzugsweise unter Anwendung eines spanenden Fertigungsverfahrens, bearbeitet, sodass aus dem Rohling 1 der auf der rechten Seite der Fig. 4 dargestellte erste Teilabschnitt 11.1 des Grundkörpers 11 generiert wird. Der erste Teilabschnitt 11.1 des Grundkörpers 11 ist rotationssymmetrisch ausgebildet. Die Bereiche in denen Material von dem Rohling 1 entfernt wurde um die Geometrie des ersten Teilabschnitts 11.1 zu generieren, sind zum Zwecke der Übersicht in der Darstellung des ersten Teilabschnitts 11.1 in Fig. 4 durch gestrichelte Linien gekennzeichnet.
Fig. 5 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Bearbeitung des Grundkörpers 11 bzw. des ersten Teilabschnitts 11.1 des Grundkörpers 11 gemäß Schritt b). Auf der linken Seite der Fig. 5 ist der erste Teilabschnitt 11.1 des Grundkörpers 11 nach der in Schritt a) durchgeführten Bearbeitung dargestellt. Auf der rechten Seite ist der Grundkörper, umfassend einen ersten Teilabschnitt 11.1 und einen zweiten Teilabschnitt 11.2 nach der Bearbeitung in Schritt b) dargestellt. In Schritt b) erfolgt das Aufbringen 102 einer Vielzahl von Materialschichten 13 auf den ersten Teilabschnitt 11.1 des Grundkörpers 11 um einen zweiten Teilabschnitt 11.2 des Grundkörpers 11, insbesondere schichtweise, zu generieren bzw. aufzubauen. Dies erfolgt durch Anwendung eines additiven Fertigungsverfahrens um den zweiten Teilabschnitt 11.2 sukzessive ausgehend von der Oberfläche des ersten Teilabschnitts 11.1 aufzubauen. Dabei bilden der erste Teilabschnitt 11.1 und der zweite Teilabschnitt 11.2 wenigstens eine gemeinsame Oberfläche 15 des Grundkörpers 11 aus, auf der nachfolgend wenigstens eine Laufschaufel 12 generiert werden kann bzw. generiert wird.
Vorliegend wird der zweiten Teilabschnitt 11.2 durch Laserauftragsschweißen und somit durch einen Materialaufbau auf dem ersten Teilabschnitt 11.1 generiert, wobei der zweite Teilabschnitt 11.2 durch sukzessives Aufbringen 102 mehrerer Materialschichten 13 bzw. Schweißspuren generiert wird. Es resultiert folglich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Teilabschnitt 11.1 und dem zweiten Teilabschnitt 11.2.
Das zur Generierung des zweiten Teilabschnitts 11.2 im Rahmen des Auftragsschweißen verwendete Additiv ist materialeinheitlich mit dem Vollmaterialrohling 1 bzw. dem ersten Teilabschnitt 11.1 des Grundkörpers 11 ausgebildet. Somit sind der erste Teilabschnitt 11.1 und der zweite Teilabschnitt 11.2 des Grundkörpers 11 materialeinheitlich ausgebildet.
Fig. 5 ist zu entnehmen, dass der zweite Teilabschnitt 11.2 den ersten Teilabschnitt 11.1 vollumfänglich umschließt. Der zweite Teilabschnitt 11.2 ist rotationssymmetrisch ausgebildet und die Rotationsachse bzw. Mittelachse M2 des zweiten Teilabschnitts 11.2 ist koaxial mit der Rotationsachse bzw. Mittelachse M1 des ersten Teilabschnitts 11.1 angeordnet.
Ausgehend von Fig. 5 kann eine zumindest abschnittsweise Bearbeitung des ersten Teilabschnitts 11.1 und des zweiten Teilabschnitts 11.2 erfolgen, um einen kontinuierlichen Flächenverlauf und/oder eine hohe Oberflächengüte der Oberfläche 15 sicherzustellen.
Fig. 6 zeigt zur Verdeutlichung eine perspektivische Ansicht des Grundkörpers 11 umfassend einen ersten Teilabschnitt 11.1 und einen zweiten Teilabschnitt 11.2. Dabei bilden der erste Teilabschnitt 11.1 und der zweite Teilabschnitt 11.2 den Grundkörper 11 vollständig aus. Ausgehend von der in Fig. 6 dargestellten Grundkörpergeometrie können nun eine oder mehrere Laufschaufeln 12 auf der Oberfläche 15 des Grundkörpers 11 generiert werden.
Fig. 7 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Bearbeitung des Grundkörpers 11 bzw. des ersten Teilabschnitts 11.1 und des zweiten Teilabschnitts 11.2 des Grundkörpers 11 gemäß Schritt c). Auf der linken Seite der Fig. 7 ist der Grundkörper 11 nach der in Schritt b) erfolgten Bearbeitung dargestellt. Auf der rechten Seite ist das Laufrad 10, umfassend einen Grundkörper 11 mit einem ersten Teilabschnitt 11.1 und einem zweiten Teilabschnitt 11.2 sowie wenigstens eine Laufschaufel 12 nach der Bearbeitung in Schritt c) dargestellt. In Schritt c) erfolgt das Aufbringen 103 einer Vielzahl von Materialschichten 13 auf den ersten Teilabschnitt 11.1 und den zweiten Teilabschnitt 11.2 des Grundkörpers 11 um wenigstens eine Laufschaufel 12, insbesondere eine Vielzahl von Laufschaufeln 12, auf dem Grundkörper 11, vorzugsweise schichtweise, zu generieren bzw. aufzubauen. Dies erfolgt durch Anwendung eines additiven Fertigungsverfahrens um wenigstens eine Laufschaufel 12 sukzessive ausgehend von der Oberfläche 15 des Grundkörpers 11 aufzubauen. Dabei erstreckt sich wenigstens eine Laufschaufel 12 zumindest abschnittsweise über den ersten Teilabschnitt 11.1 und den zweiten Teilabschnitt 11.2 des Grundkörpers.
Vorliegend wird wenigstens eine Laufschaufel 12 durch Laserauftragsschweißen und somit durch einen Materialaufbau auf der durch den ersten Teilabschnitt 11.1 und den zweiten Teilabschnitt 11.2 gebildeten Oberfläche 15 des Grundkörpers 11 generiert, wobei die Laufschaufel 12 durch sukzessives Aufbringen 103 mehrerer Materialschichten 13 bzw. Schweißspuren generiert wird. Es resultiert folglich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper 11 und wenigstens einer Laufschaufel 12, insbesondere aller Laufschaufeln 12. Die Laufschaufeln 12 sind in Fig. 7 lediglich schematisch und geometrisch vereinfacht abgebildet.
Das zur Generierung des zweiten Teilabschnitts 11.2 im Rahmen des Auftragsschweißen verwendete Additiv ist materialeinheitlich mit dem ersten T eilabschnitt 11.1 und dem zweiten Teilabschnitt 11.2 des Grundkörpers 11 ausgebildet. Somit sind der erste Teilabschnitt 11.1 und der zweite Teilabschnitt 11.2 und die Laufschaufeln 12 des Grundkörpers 11 materialeinheitlich ausgebildet.
Ausgehend von Fig. 7 können weitere Bearbeitungsschritte an dem Laufrad 10 durchgeführt werden. So kann wenigstens eine zumindest abschnittsweise Bearbeitung des ersten Teilabschnitts 11.1 und/oder des zweiten Teilabschnitts 11.2 und/oder wenigstens einer Laufschaufel 12 erfolgen, um überflüssiges Material zu entfernen. Auch kann eine Wärmebehandlung des Laufrads 10 durchgeführt werden, ein Auswuchten des Laufrads 10 durchgeführt werden und/oder eine Reinigung des Laufrads 10 durchgeführt werden.
Fig. 8 zeigt schematisch einen Rohling 1 aus Vollmaterial in dem Innenraum 14.1 einer Bearbeitungskammer 14, sodass wenigstens der Schritt a), insbesondere aber auch wenigstens die Schritte b) und c), in der Bearbeitungskammer 14 durchführbar sind. Der Innenraum 14.1 ist gegenüber der äußeren Umgebung der Bearbeitungskammer 14 hermetisch verschließbar bzw. bei der Durchführung wenigstens eines Verfahrensschrittes hermetisch verschlossen. So kann die Durchführung wenigstens eines Bearbeitungsschrittes unter einer Inertgasatmosphäre erfolgen, die zuvor durch eine Evakuierung des Innenraums 14.1 bzw. eine Füllung des Innenraums 14.1 mit einem Inertgas hergestellt wurde. Durch die Bearbeitung des Laufradrohlings bzw. des Grundkörpers 11 unter einer Inertgasatmosphäre kann eine Oxidation der Werkstückoberfläche effektiv vermieden werden.
Fig. 9 zeigt eine stark vereinfachte Ansicht einer Laufschaufel 12 auf der Oberfläche 15 des Grundkörpers, wobei die Blickrichtung entlang der Mittelachse M auf die Vorderkante 18 gerichtet ist. Die in Fig. 9 gezeigte Darstellung soll lediglich der Verdeutlichung des schichtweisen Aufbaus einer Laufschaufel 12 dienen. Die Laufschaufel 12 besteht aus mehreren Materialschichten 13 welche durch Anwendung eines additiven Fertigungsverfahrens nacheinander auf die Oberfläche 15 bzw. auf die jeweils vorangegangene Materialschicht 13 aufgetragen wurden. Durch das Aufträgen einer jeden Materialschicht 13 wird ein Materialzuwachs an der Laufschaufel 12 bzw. auf dem Grundkörper 11 realisiert, wodurch die Geometrie der Laufschaufel 12 zuverlässig und materialsparend generiert werden kann.
Die Laufschaufel 12 weist an der dem Grundkörper 11 zugewandten Seite bzw. an dem Schaufelfuß 17 eine höhere Materialstärke T auf als an der dem Grundkörper 11 abgewandten Seite bzw. der Schaufelspitze 16. Durch eine Erhöhung der Materialstärke im Bereich des Schaufelfußes 17 kann eine belastbarere Verbindung der Laufschaufel 12 mit dem Grundkörper 11 erzielt und ein Versagen der Laufschaufel 12 im Betrieb des Laufrades 10 vermieden werden.
Die höhere Materialstärke im Bereich des Schaufelfußes 17 wurde dadurch realisiert, dass in Schritt c) zunächst eine oder mehrere Materialschichten 13 mit einer ersten Schichtbreite T aufgetragen wurden und nachfolgend wenigstens eine Materialschicht 13 mit einer zweiten Schichtbreite T aufgetragen wurde, wobei die zweite Schichtbreite T kleiner ist also die erste Schichtbreite T. Durch eine Veränderung der Schichtbreite T der auf den Grundkörper 11 aufgetragenen Materialschichten 13 kann die Mate rial stärke T der Laufschaufel 12 ausgehend vom Grundkörper 11 entlang der Erstreckung der Laufschaufel 12 zwischen dem Schaufelfuß 17 und der Schaufelspitze 16 variiert werden.
B ez u q s ze i c h e n l i ste
1 Rohling
10 Laufrad
11 Grundkörper
11.1 Erster Teilabschnitt
11.2 Zweiter Teilabschnitt
12 Laufschaufel
13 Materialschicht
14 Bearbeitungskammer
14.1 Innenraum
15 Oberfläche
16 Schaufelspitze
17 Schaufelfuß
18 Vorderkante
19 Hinterkante
100 Verfahren
101 Bearbeiten
102 Aufbringen
103 Aufbringen
M Mittelachse / Rotationsachse
M1 Mittelachse / Rotationsachse
M2 Mittelachse / Rotationsachse
R Radiale Richtung
T Materialstärke / Schichtbreite
X Axiale Richtung

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Verfahren (100) zur Herstellung eines Laufrades (10) einer Strömungsmaschine, umfassend einen Grundkörper (11) sowie wenigstens eine Laufschaufel (12), wobei die der Grundkörper (11) und die Laufschaufel (12) stoffschlüssig verbunden sind und wobei wenigstens die folgenden Schritte, vorzugsweise in der angegebenen Reihenfolge, durchgeführt werden: a) Bearbeiten (101) eines aus Vollmaterial ausgebildeten Rohlings (1) zur Generierung eines ersten Teilabschnitts (11.1) des Grundkörpers (11), b) Aufbringen (102) wenigstens einer Materialschicht (13) auf den ersten Teilabschnitt (11.1) des Grundkörpers (11) zur zumindest abschnittsweisen Generierung eines zweiten Teilabschnitts (11.2) des Grundkörpers (11) durch Anwendung eines additiven Fertigungsverfahrens, c) Aufbringen (103) wenigstens einer Materialschicht (13) auf den ersten Teilabschnitt (11.1) und/oder den zweiten Teilabschnitt (11.2) zur zumindest abschnittsweisen Generierung wenigstens einer Laufschaufel (12) auf dem Grundkörper (11), durch Anwendung eines additiven Fertigungsverfahrens. Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen (102, 103) der Materialschicht (13) in Schritt b) und/oder Schritt c) durch Auftragsschweißen, bevorzugt durch Laserauftragsschweißen erfolgt. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rotationsachse (M1) des ersten Teilabschnitts (11.1) und eine Rotationsachse (M2) des zweiten Teilabschnitts (11.2) koaxial angeordnet sind und/oder dass der zweite Teilabschnitt (11.2) den ersten Teilabschnitt (11.1) zumindest abschnittsweise umschließt. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilabschnitt (11.1) und der zweite Teilabschnitt (11.2) des Grundkörpers (11) zumindest abschnittsweise aus dem gleichen Material ausgebildet sind und/oder dass wenigstens ein Teilabschnitt (11.1, 11.2) des Grundkörpers (11) und wenigstens eine Laufschaufel (12) zumindest abschnittsweise aus dem gleichen Material ausgebildet sind. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teilabschnitt (11.1, 11.2) des Grundkörpers (11) und/oder wenigstens eine Laufschaufel (12) zumindest abschnittsweise aus einem martensitischen, ausscheidungsgehärteten Stahl ausgebildet sind. Verfahren (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl wenigstens eines der folgenden Legierungselemente in der angegebenen Menge enthält:
• 10 % bis 20%, vorzugsweise 13% bis 18%, besonders bevorzugt 15% bis 17% Chrom,
• 1 % bis 7 %, vorzugsweise 2 % bis 6 %, besonders bevorzugt 3 % bis 5 % Nickel,
• 1 % bis 7 %, vorzugsweise 2 % bis 6 %, besonders bevorzugt 3 % bis 5 % Kupfer.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl über zumindest eine der folgenden Werkstoffkenngrößen verfügt:
• Zugfestigkeit (Rm) von 900 N/mm2 bis 1400 N/mm2, vorzugsweise von 1000 N/mm2 bis 1300 N/mm2, besonders bevorzugt von 1070 N/mm2 bis 1270 N/mm2,
• Streckgrenze (RPo,2) von wenigstens 800 N/mm2, vorzugsweise von wenigstens 900 N/mm2, besonders bevorzugt von wenigstens 1000 N/mm2,
• E-Modul von 100 bis 300 kN/mm2, vorzugsweise von 150 kN/mm2 bis 250 kN/mm2, besonders bevorzugt von 180 kN/mm2 bis 220 kN/mm2 insbesondere von 200 kN/mm2,
• Bruchdehnung (As) von wenigstens 5 %, vorzugsweise von wenigstens 8 %, besonders bevorzugt von wenigstens 10 %,
• Härte (HB30) von 250 HB bis 450 HB, vorzugsweise von 300 HB bis 400 HB, besonders bevorzugt von 330 HB bis 390 HB,
• Kerbschlagzähigkeit von wenigstens 10 J, bevorzugt wenigstens 15 J, besonders bevorzugt wenigstens 20 J. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teilabschnitt (11.1 , 11.2) des Grundkörpers (11) und/oder wenigstens eine Laufschaufel (12) zumindest abschnittsweise aus einem Titanwerkstoff hergestellt ist. Verfahren (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Titanwerkstoff wenigstens eines der folgenden Legierungselemente in der angegebenen Menge enthält:
• 3 % bis 10 %, vorzugsweise 5 % bis 8 %, besonders bevorzugt 5,5 % bis 6,75 % Aluminium,
• 1 % bis 7 %, vorzugsweise 3% bis 6%, besonders bevorzugt 3,5 % bis 4,5 % Vanadium. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Titanwerkstoff über zumindest eine der folgenden Werkstoffkenngrößen verfügt:
• Zugfestigkeit (Rm) von wenigstens 700 N/mm2, vorzugsweise von wenigstens 850 N/mm2, besonders bevorzugt von wenigstens 895 N/mm2,
• Streckgrenze (RPo,2) von wenigstens 700 N/mm2, vorzugsweise von wenigstens 800 N/mm2, besonders bevorzugt von wenigstens 828 N/mm2,
• E-Modul von 80 kN/mm2 bis 130 kN/mm2, vorzugsweise von 100 kN/mm2 bis 120 kN/mm2, besonders bevorzugt von 110 kN/mm2 bis 115 kN/mm2 insbesondere von 114 kN/mm2,
• Bruchdehnung (As) von wenigstens 5 %, vorzugsweise von wenigstens 8 %, besonders bevorzugt von wenigstens 10 %,
• Härte (HB30) von 200 HB bis 350 HB, vorzugsweise von 250 HB bis 330 HB, besonders bevorzugt von 300 HB bis 320 HB. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich, vorzugsweise nach Schritt b), wenigstens der nachfolgenden Schritte durchgeführt wird:
• Zumindest abschnittsweises Bearbeiten des ersten und/oder zweiten Teilabschnitts (11.1, 11.2), vorzugsweise durch Anwendung eines spanenden Fertigungsverfahrens, wenigstens zur Herstellung eines zumindest abschnittsweise kontinuierlichen Oberflächenverlaufs über den ersten und zweiten T eilabschnitt (11.1, 11.2) und/oder einer geforderten Oberflächengüte.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich, vorzugsweise nach Schritt c), wenigstens der nachfolgenden Schritte durchgeführt wird:
• Durchführen wenigstens einer Wärmebehandlung zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Laufrads (10),
• Zumindest abschnittsweises Bearbeiten des ersten Teilabschnitts (11.1) und/oder des zweiten Teilabschnitts (11.2) und/oder wenigstens einer Laufschaufel (12) vorzugsweise durch Anwendung eines spanenden Fertigungsverfahrens, wenigstens zur Entfernung überflüssigen Materials (11) und/oder Herstellung einer geforderten Oberflächengüte,
• Auswuchten des Laufrads (10),
• Reinigen des Laufrades (10), vorzugsweise durch Reinigungsstrahlen. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens das Bearbeiten (101) in Schritt a) durch Anwendung wenigstens eines spanenden Fertigungsverfahrens erfolgt, vorzugsweise durch Drehen und/oder Fräsen. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich, vorzugsweise vor dem Schritt a) und/oder vor dem Schritt b) und/oder vor dem Schritt c), wenigstens der nachfolgende Schritt durchgeführt wird:
• Einbringen des aus Vollmaterial ausgebildeten Rohlings (1) und/oder des ersten und/oder zweiten Teilabschnitts in den Innenraum (14.1) einer Bearbeitungskammer (14),
• Herstellen einer Inertgasatmosphäre in dem Innenraum (14.1) der Bearbeitungskammer (14), wobei insbesondere der Sauerstoffanteil in der Inertgasatmosphäre 100 ppm oder weniger beträgt und/oder der Wasseranteil in der Inertgasatmosphäre 100 ppm oder weniger beträgt. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (10) einen Durchmesser von wenigstens 400 mm und/oder eine axiale Erstreckung von wenigstens 150 mm aufweist. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt c) mehrfach ausgeführt und wenigstens eine Materialschicht (13) wenigstens einer Laufschaufel (12) eine kleinere Schichtbreite (T) aufweist als die zuvor aufgetragene Materialschicht (13) der gleichen Laufschaufel (12). Laufrad (10) umfassend einen Grundkörper (11) sowie wenigstens eine Laufschaufel (12) wobei das Laufrad (10) nach einem Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 hergestellt wurde. Strömungsmaschine umfassend wenigstens ein Laufrad (10) nach Anspruch 17.
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