WO2007125104A1

WO2007125104A1 - Rotoren oder statoren einer turbomolekularpumpe

Info

Publication number: WO2007125104A1
Application number: PCT/EP2007/054171
Authority: WO
Inventors: Rainer Hölzer; Michael Froitzheim; Lars Etschenberg; Ishan Roth; Gernot Fischer; Dieter Sauer; Gregor Terlinde
Original assignee: Oerlikon Leybold Vacuum Gmbh; Otto Fuchs Kg
Priority date: 2006-04-29
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2007-11-08
Also published as: CN101432525A; RU2455529C2; EP2013483A2; EP2013483B1; CN101438063A; US20100199495A1; WO2007125106A2; JP2009535551A; RU2008146813A; RU2435076C2; RU2008146811A; WO2007125106A3; JP5274446B2; JP2009535550A; JP5274447B2; US20090180890A1; DE502007003011D1; EP2013482A1; EP2013482B1

Abstract

Gegenstand der Erfindung sind Rotoren oder Statoren einer Turbomolekularpumpe mit Rotorschaufeln aus einer speziellen Aluminiumlegierung.

Description

Rotoren oder Statoren einer Turbomolekularpumpe

Für den Bau von Rotoren einer Turbomolekularpumpe mit Rotorschaufeln hat sich Aluminium als Konstruktionswerkstoff durchgesetzt, da sich hierdurch die Forderung nach möglichst geringem spezifischen Gewicht bei gleichzeitig hoher Festigkeit und guter Verarbeitbarkeit am besten vereinen lassen. So ist bereits M. Wutz et. al, Theorie und Praxis der Vakuumtechnik, zweite Aufl., 1982, Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig/Wiesbaden, Seite 207/208 bekannt, den Rotor oder Stator aus speziell ausgesuchten Aluminiumlegierungen herzustellen.

Um leistungsfähige Pumpenrotoren oder -Statoren bauen zu können, sind Aluminiumlegierungen mit hoher Warmfestigkeit überwiegend im Einsatz. Rotoren aus derartigen Werkstoffen werden üblicherweise mit Hilfe spanabhebender Verfahren gefertigt, wie sie beispielsweise in DE 10210404 Al oder DE 29715035 Ul, auf die jeweils in vollem Umfang Bezug genommen wird, beschrieben sind. Insbesondere die Formgebung der Flügelkontur ist dabei zeit- und kostenintensiv.

DE 101 03 230 Al beschreibt Rotoren, bei denen ein Teil der Rotorschaufeln eine Rückseite aufweist, die saugseitig konvex und druckseitig konkav ausgestaltet ist, oder dass zumindest ein Teil der Rotorschaufeln eine Vorderseite aufweist, die saugseitig konkav und druckseitig konvex ausgebildet ist.

Bei der Verwendung hochfester Legierungen ist deren geringes Umformungsvermögen zu berücksichtigen. Dies führt dazu, dass die komplette Formgebung von Vollkörpern oder Scheiben mit Hilfe Span abhebender Verfahren erfolgen muss und kostengünstigere Formgebungsverfahren durch plastische Umformung wie Tordieren, Prägen oder Stanzprägen nicht zum Einsatz kommen können.

Konkret hat sich bei den mittelfesten Legierungen die Kombination aus Span abhebenden (Drehen, Fräsen) und/oder thermischen Abtragsverfahren (Erodieren) mit Verfahren der plastischen Umformung (Tordieren) als wirtschaftlicheres Herstellverfahren für Rotoren oder Statoren bewährt.

Dabei werden zunächst einzelne scheibenförmige Segmente Span abhebend in einen zylindrischen Vollkörper gearbeitet, die anschließend funkenerosiv axial geschlitzt werden. Auf diese Weise entstehen scheibenförmige Strukturen je Scheibensegment, die durch eine nachfolgende plastische Torsion um die Flügellängsachse einen definierten Anstellwinkel erhalten.

Die DE 100 53 664 Al beschreibt eine mechanische kinetische Vakuumpumpe mit einem aus einer AI-Legierung bestehenden Rotor; zur Erhöhung der Warm- und Zeitstandsfestigkeit wird vorgeschlagen, dass der Rotoren Werkstoff eine pulvermetallurgisch hergestellte Leichtmetalllegierung ist, deren Hauptlegierungsbestandteil neben

070545wo HPJ/ko 27.04.2007 Aluminium Kupfer ist, die weiterhin Magnesium, Mangan, Zirkonium und Silber sowie gegebenenfalls Titan enthält.

Durch Verwendung einer neuen hoch- und warmfesten Aluminium- Knetlegierung, die im kalt ausgelagerten Zustand eine ungewöhnlich hohe Bruchdehnung aufweist, ist es nun möglich, die oben erwähnten kostengünstigeren Formgebungsverfahren zum Einsatz zu bringen, die bisher nur gering- bis mittelfesten AI-Legierungen vorbehalten waren.

In WO 2004/003244 Al wird eine Al-Cu-Mg-Mn-Legierung zur Herstellung von Halbzeugen mit hohen statischen und dynamischen Festigkeitseigenschaften beschrieben. Überraschenderweise konnte gefunden werden, dass die hier beschriebenen Legierungen einerseits besonders warmfest und andererseits im kaltausgelagerten Zustand eine so hohe Duktilität aufweisen, dass eine kostengünstige Rotorfertigung durch Span abhebende oder thermische Abtragverfahren und Umformen (beispielsweise Tordieren oder Biegen) möglich ist.

Die Erfindung betrifft daher in einer ersten Ausführungsform Rotoren oder Statoren einer Turbomolekularpumpe mit Rotorschaufeln aus einer Aluminiumlegierung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Legierung eine Al-Cu-Mg-Mn-Knet-Legierung umfasst.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung sind somit mehrstufige, einteilige Rotoren oder Statoren ebenso erhältlich, wie Rotoren oder Statoren, die aus einzelnen Stufensegmenten zusammengesetzt sind. Die Rotoren oder Statoren weisen ein geringes spezifisches Gewicht bei gleichzeitig hoher Festigkeit und guter Verarbeitbarkeit auf.

070545wo HPJ/ko 27.04.2007 Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung weist die eingesetzte Knet-Legierung die folgende Zusammensetzung auf:

0,3 bis 0,7 Gew.-% Silizium (Si), bis zu 0,15 Gew.-% Eisen (Fe),

3,5 bis 4,5 Gew.-% Kupfer (Cu),

0,1 bis 0,5 Gew.-% Mangan (Mn),

0,3 bis 0,8 Gew.-% Magnesium (Mg),

0,05 bis 0,15 Gew.-% Titan (Ti),

0,1 bis 0,25 Gew.-% Zirkon (Zr),

0,3 bis 0,7 Gew.-% Silber (Ag), bis zu 0,05 Gew.-% andere, einzeln, bis zu 0,15 Gew.-% andere, insgesamt und

Rest Gew.-% Aluminium (AI).

Die verwendeten Knet-Legierungen weisen gegenüber anderen vorbekannten Legierungen eine höhere statische und dynamische Warmfestigkeit und eine verbesserte Kriechbeständigkeit bei gleichzeitig sehr guten bruchmechanischen Eigenschaften auf und sind daher in besonderem Maße für die erfindungsgemäßen Rotoren oder Statoren von Turbomolekularpumpen geeignet. Insbesondere weist die erfindungsgemäß eingesetzte Knet-Legierung eine Bruchdehnung von mindestens 14 %, insbesondere 17 bis 20 % im kaltausgelagertem Zustand auf, bestimmt im Zugversuch nach DIN EN 10002.

Der Begriff der Knetlegierung im Sinne der Erfindung umfasst eine spezielle Behandlung der erfindungsgemäß eingesetzten Legierung, bei der das Gussgefüge durch beispielsweise Strangpressen, Walzen oder Schmieden bei erhöhter Temperatur umgewandelt und "durchgeknetet"

070545wo HPJ/ko 27.04.2007 wird. Das Leichtmetall wird dadurch duktiler. Knetlegierungen erlauben deshalb auch weitere Kaltverformungen wie beispielsweise Walzen, Ziehen oder auch Schmieden (beispielsweise auch Kaltschmieden).

Aus der WO 2004/003244 Al ist an sich bekannt, dass diese Eigenschaften insbesondere bei einem Kupfer-Magnesium-Verhältnis zwischen 5 und 9,5 insbesondere bei einem Verhältnis zwischen 6,3 und 9,3 erreicht werden.

Der Kupfergehalt liegt bevorzugt im Bereich von 3,8 und 4,2 Gew.-% und der Magnesiumgehalt im Bereich von 0,45 und 0,6 Gew.-%. Der Kupfergehalt liegt deutlicht über der maximalen Löslichkeit für Kupfer in Gegenwart des beanspruchten Magnesiumgehaltes. Dies hat zur Folge, dass der Anteil an unlöslichen kupferhaltigen Phasen auch unter Berücksichtigung der übrigen Legierungs- und Begleitelemente sehr gering ist. Dadurch ergibt sich eine Verbesserung hinsichtlich der dynamischen Eigenschaften und der Bruchzähigkeit der aus einer solchen Legierung hergestellten Rotoren.

Im Gegensatz zu im Stand der Technik weiterhin bekannten Aluminiumlegierungen ist der Anteil der beanspruchten Knet-Legierung an Silber mit Gehalten zwischen 0,3 und 0,7 Gew.-%, bevorzugt 0,45 und 0,6 Gew.-%. Im Zusammenspiel mit Silizium (0,3 bis 0,7 Gew.-%, bevorzugt 0,4 bis 0,6 Gew.-%) erfolgt eine Aushärtung über die gleichen Mechanismen wie in silberfreien Al-Cu-Mg-Legierungen. Bei kleineren Siliziumgehalten ist jedoch durch die Silberzugabe der Ausscheidungsverlauf anders. Die aus einer solchen Legierung hergestellten Rotoren weisen zwar gute Warmfestigkeiten und Kriechbeständigkeiten bei kühleren Bedingungen auf; sie entsprechen

070545wo HPJ/ko 27.04.2007 jedoch nicht den gewünschten Anforderungen. Erst Siliziumgehalte ab 0,3 Gew.-% unterdrücken die ansonsten typische Änderung des Ausscheidungsverhaltens von Al-Cu-Mg-Ag-Legierungen, so dass höhere Festigkeitswerte ohne Einbuße der Warmbeständigkeiten und der Kriechbeständigkeiten bei den Cu- und Mg-Gehalten erzielbar sind.

Der Mangangehalt der eingesetzten Legierung beträgt 0,1 bis 0,5 Gew.- % bevorzugt 0,2 bis 0,4 Gew.-%. Bei Legierungen mit höheren Mangangehalten wurden bei einer Langzeit-Hochtemperaturbeanspruchung unerwünschte Ausscheidungsvorgänge gefunden, die zu einer Verringerung der Festigkeit führten. Aus diesem Grund ist der Mangangehalt auf 0,5 Gew.-% begrenzt. Grundsätzlich ist Mangan jedoch ein für die Gefügekontrolle benötigter Legierungsbestandteil.

Zum Ausgleich der reduzierten Lücken des Mangans hinsichtlich der Gefügekontrolle enthält die Legierung Zirkon in einer Menge von 0,10 bis 0,25 Gew.-%, insbesondere 0,14 bis 0,2 Gew.-%. Die sich ausscheidenden Zirkon-Aluminide sind in der Regel sogar feindisperser ausgebildet als Mangan-Aluminide. Überdies hat sich gezeigt, dass die Zirkon-Aluminide zur thermischen Stabilität der Legierung beitragen.

Zur Kornfeinung ist der Legierung 0,05 bis 0,15 Gew.-%, bevorzugt 0,10 bis 0,15 Gew.-% Titan zugefügt. Zweckmäßigerweise wird das Titan der Legierung in Form einer AI-5Ti-lB-Vorlegierung zugesetzt, wodurch die Legierung automatisch Bor enthält. Daraus bilden sich fein verteilte, nicht lösliche Titandiboride. Diese leisten einen Beitrag zur thermischen Stabilität der Legierung.

070545wo HPJ/ko 27.04.2007 Als unvermeidbare Verunreinigung kann die Legierung maximal 0,15 % Eisen, bevorzugt 0,10 % Eisen aufweisen.

Die erfindungsgemäßen Rotoren oder Statoren einer Turbomolekularpumpe mit Rotorschaufeln aus der oben definierten Aluminiumlegierung können beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass man aus einzelnen Scheiben oder Vollkörpern die Rotorschaufeln durch radiales Trennen erzeugt, die anschließend durch Umformen (beispielsweise Tordieren, Biegen, Prägen, Schmieden usw.) auf einen gewünschten Anstellwinkel hergestellt werden. Die Herstellung des gewünschten Anstellwinkels umfasst dabei auch gegebenenfalls die Herstellung einer definierten Flügelkontur. Alternativ können die Schritte des Trennens und des Umformens auch in einem Arbeitsgang, beispielsweise durch Stanzprägen durchgeführt werden.

Die Arbeitsschritte dieses Verfahrens an sich sind bekannt, waren jedoch bisher auf gering- und mittelfeste Aluminiumlegierungen beschränkt, da nur diese das erforderliche Umformungsvermögen aufweisen. Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung ist dieses Verfahren jedoch auch auf die definierten hochfesten Aluminiumlegierungen anwendbar.

Üblicherweise geht man beim Umformen von scheibenförmigen Flügelstufen aus, bei denen zuvor durch radiales Trennen einzelne Flügelsegmente erzeugt werden. Trenn -Verfahren im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen Schneidverfahren, wie Laser oder Wasserstrahl sowie Erodieren, Spanen, Stanzen oder Stanzprägen.

070545wo HPJ/ko 27.04.2007 Durch die Kombination von Span abhebender Formgebung mit Verfahren der plastischen Umformung lassen sich die Herstellungskosten der Rotoren oder Statoren reduzieren.

Ausführunqsbeispiele:

Beispiel 1 :

Herstellung der Flüαelanstellunα von Pumpenrotoren einer TMP durch Umformen

Aus einem zylindrischen Vollkörper der Legierung AA 2016 (siehe WO 2004/003244) wurden konzentrisch übereinander angeordnet scheibenförmige Segmente entsprechend der gewünschten Anzahl an Pumpstufen Span abhebend herausgearbeitet. Hierdurch entstand ein rotationssymmetrischer Körper, der aus übereinander angeordneten, scheibenförmigen Rippen bestand, die im Nabenbereich miteinander verbunden waren. Die Rippendicke entsprach der späteren Flügeldicke. Jede Rippenscheibe wurde nun in axialer Richtung bis in die Nähe der Nabe in regelmäßigen Abständen über den Umfang geschlitzt, wodurch einzelne Flügelsegmente entstanden.

Der Werkstoff lag dabei im Zustand „lösungsgeglüht, abgeschreckt und kalt ausgelagert" vor. In diesem Zustand besaß er ein hohes Umformvermögen.

In demselben Zustand wurden nun die Flügelsegmente um ihre Längsachse tordiert. Die Tordierung erfolgte dabei mit einem gabelförmigen Greifarm, der ein betreffendes Flügelsegment bis nahe

070545wo HPJ/ko 27.04.2007 an den Flügelfuß umfasste und dann eine Torsionsbewegung um die Flügellängsachse bis zu dem gewünschten Anstellwinkel ausführte. Das Flügelsegment erfuhr dabei eine plastische Umformung im flügelfußnahen Bereich. Auf diese Weise waren Torsions- oder Anstellwinkel von etwa 45 [ °] zur Ausgangsposition leicht erreicht worden, ohne dass Anrisse im Flügelfußbereich zu beobachten waren.

Mit herkömmlichen warmfesten AI-Legierungen sind solche Winkel nicht zu erreichen.

Zur Erlangung der für den späteren Betrieb erforderlichen Festigkeit erfolgte eine Warmauslagerung zum Erreichen der maximalen Festigkeit entsprechend Zustand T6.

Beispiel 2:

Stanzpräqen von Statorscheiben

Aus AI- Blechen des in Beispiel 1 genannten Werkstoffs werden Statorscheiben durch Stanzprägen wie folgt hergestellt:

Halbkreisförmige Ringsegmente werden aus AI-Blechen in Dicken zwischen 0,5 und 1,0 [mm] ausgestanzt. Zustand der Bleche: „lösungsgeglüht, abgeschreckt und kalt ausgelagert".

Diese Ringsegmente werden nun in eine Stanz-Prägeform eingelegt, die durch Pressen der Gegenform auf diese Stanz-Prägeform die Flügelkontur herausarbeitet.

070545wo HPJ/ko 27.04.2007 Dabei werden die Anströmkanten der radialsymmetrisch angeordneten Flügelsegmente herausgestanzt, während der Anstellwinkel der Flügel hingegen durch plastische Umformung in der Prägeform entsteht. Die maximale Umformung tritt dabei im Bereich des Übergangs der freien Flügelanströmkante zum unverformten Blech ein.

Zur Erlangung der für den späteren Betrieb erforderlichen Festigkeit erfolgt die Warmauslagerung auf maximale Festigkeit entsprechend Zustand T6.

070545wo HPJ/ko 27.04.2007

Claims

Patentansprüche:

1. Rotoren oder Statoren einer Turbomolekularpumpe mit Rotorschaufeln aus einer Aluminiumlegierung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Legierung eine Al-Cu-Mg-Mn-Knet- Legierung umfasst.

2. Rotoren oder Statoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Knet-Legierung mit folgender Zusammensetzung umfassen :

0,3 bis 0,7 Gew.-% Silizium (Si) bis zu 0,15 Gew.-% Eisen (Fe) 3,5 bis 4,5 Gew.-% Kupfer (Cu) 0,1 bis 0,5 Gew.-% Mangan (Mn) 0,3 bis 0,8 Gew.-% Magnesium (Mg) 0,05 bis 0,15 Gew.-% Titan (Ti) 0,1 bis 0,25 Gew.-% Zirkon (Zr) 0,3 bis 0,7 Gew.-% Silber (Ag) bis zu 0,05 Gew.-% andere, einzeln bis zu 0,15 Gew.-% andere, insgesamt Rest Gew.-% Aluminium (AI).