WO2007125106A2 - Verfahren zur herstellung von rotoren oder statoren einer turbomolekularpumpe - Google Patents

Verfahren zur herstellung von rotoren oder statoren einer turbomolekularpumpe Download PDF

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Michael Froitzheim
Lars Etschenberg
Ishan Roth
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Definitions

  • the invention relates to a process for the production of rotors or stators of a turbomolecular pump with rotor blades made of a special aluminum alloy.
  • DE 101 03 230 Al describes rotors in which a part of the rotor blades has a rear side, the suction side convex and on the pressure side is concave, or that at least a part of the rotor blades has a front side, which is concave on the suction side and convex on the pressure side.
  • disk-shaped segments are machined Span working in a cylindrical solid body, which are then slotted axially spark erosion. In this way, disk-shaped structures per disk segment, which receive a defined angle of attack by a subsequent plastic torsion about the wing longitudinal axis.
  • Aluminum is copper which further contains magnesium, manganese, zirconium and silver, and optionally titanium.
  • WO 2004/003244 A1 describes an Al-Cu-Mg-Mn alloy for the production of semi-finished products with high static and dynamic strength properties. Surprisingly, it has been found that the alloys described here, on the one hand, are particularly heat-resistant and, on the other hand, have such high ductility in the cold-aged state that cost-effective rotor production by chip removal or thermal removal processes and forming (for example twisting or bending) is possible.
  • the invention therefore relates in a first embodiment to a process for the production of rotors or stators of a turbomolecular pump with rotor blades made of an Al-Cu-Mg-Mn-Knet alloy, which is characterized in that from individual disks or solid bodies, the rotor blades by span prepares abrioldes or thermal removal process and subsequent forming to a desired angle of attack.
  • Multi-stage, one-piece rotors or stators are thus also available with the aid of the present invention, such as rotors or stators which
  • the rotors or stators have a low specific weight with high strength and good processability.
  • the kneading alloy used has the following composition:
  • Si silicon
  • Fe iron
  • zirconium (Zr) 0.1 to 0.25% by weight zirconium (Zr),
  • the kneading alloys used have a higher static and dynamic heat resistance and improved creep resistance with very good fracture mechanical properties compared to other prior art alloys and are therefore particularly suitable for the rotors or stators of turbomolecular pumps according to the invention.
  • the kneading alloy used according to the invention has an elongation at break of at least 14%, in particular 17 to 20% in the cold-aged state, determined in the tensile test according to DIN EN 10002.
  • wrought alloy in the sense of the invention comprises a special treatment of the alloy used according to the invention, in which the cast structure is converted and "kneaded" by, for example, extrusion, rolling or forging at elevated temperature. The light metal is thereby ductile. Wrought alloys therefore also allow further cold working such as rolling, drawing or forging (for example, cold forging).
  • the copper content is preferably in the range of 3.8 and 4.2 wt .-% and the magnesium content in the range of 0.45 and 0.6 wt .-%.
  • the copper content is clearly above the maximum solubility for copper in the presence of the claimed magnesium content. This has the consequence that the proportion of insoluble copper-containing phases is very low, even taking into account the other alloying and accompanying elements. This results in an improvement in the dynamic properties and the fracture toughness of the rotors made from such an alloy.
  • the proportion of the claimed kneading alloy in silver is between 0.3 and 0.7% by weight, preferably 0.45 and 0.6% by weight.
  • silicon 0.3 to 0.7 wt .-%, preferably 0.4 to 0.6 wt .-%) curing takes place via the same mechanisms as in silver-free Al-Cu-Mg alloys.
  • the manganese content of the alloy used is 0.1 to 0.5% by weight, preferably 0.2 to 0.4% by weight.
  • the manganese content is limited to 0.5% by weight. In principle, however, manganese is an alloying constituent required for microstructure control.
  • the alloy contains zirconium in an amount of 0.10 to 0.25 wt .-%, in particular 0.14 to 0.2 wt .-%.
  • the secreting zirconium aluminides are generally even more finely dispersed than manganese aluminides. Moreover, it has been shown that the zirconium aluminides contribute to the thermal stability of the alloy.
  • the alloy is added 0.05 to 0.15 wt .-%, preferably 0.10 to 0.15 wt .-% titanium.
  • the titanium is added to the alloy in the form of an Al-5Ti-1B master alloy, whereby the alloy automatically contains boron. This forms fine
  • the alloy may have a maximum of 0.15% iron, preferably 0.10% iron.
  • Forming in the sense of the present invention includes, for example, twisting, bending, embossing and forging to a desired angle of attack.
  • the production of the desired angle of attack also includes, where appropriate, the production of a defined wing contour.
  • the steps of cutting and forming can also be carried out in one operation, for example by stamping.
  • Separation methods in the sense of the present invention include cutting methods, such as laser or water jet as well as eroding, machining, punching or stamping.
  • the material was in the state "solution-annealed, quenched and cold-aged.” In this state it possessed a high formability.
  • 070546wo HPJ / ko 27.04.2007 included at the wellgelfuß and then carried out a torsional movement about the wing longitudinal axis up to the desired angle of attack.
  • the wing segment experienced a plastic deformation in the area close to the wings. In this way, torsion or angle of attack of about 45 [°] to the starting position was easily achieved without cracks in the wing root area being observed.
  • stator disks are produced by stamping as follows:
  • Semicircular ring segments are punched out of Al sheets in thicknesses between 0.5 and 1.0 [mm]. Condition of the sheets: "solution-annealed, quenched and cold-aged”.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Rotoren oder Statoren einer Turbomolekularpumpe mit Rotorschaufeln aus einer speziellen Aluminiumlegierung.

Description

Verfahren zur Herstellung von Rotoren oder Statoren einer
Turbomolekularpumpe
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Rotoren oder Statoren einer Turbomolekularpumpe mit Rotorschaufeln aus einer speziellen Aluminiumlegierung.
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
070546wo 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 ein Verfahren zur Herstellung von Rotoren oder Statoren einer Turbomolekularpumpe mit Rotorschaufeln aus einer Al-Cu-Mg-Mn-Knet- Legierung, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man aus einzelnen Scheiben oder Vollkörpern die Rotorschaufeln durch Span abhebendes oder thermisches Abtragverfahren und anschließendes Umformen auf einen gewünschten Anstellwinkel herstellt.
Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung sind somit mehrstufige, einteilige Rotoren oder Statoren ebenso erhältlich, wie Rotoren oder Statoren, die
070546wo HPJ/ko 27.04.2007 - A -
aus einzelnen Stufensegmenten zusammengesetzt sind. Die Rotoren oder Statoren weisen ein geringes spezifisches Gewicht bei gleichzeitig hoher Festigkeit und guter Verarbeitbarkeit auf.
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.
070546wo HPJ/ko 27.04.2007 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" 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
070546wo HPJ/ko 27.04.2007 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 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
070546wo HPJ/ko 27.04.2007 verteilte, nicht lösliche Titandiboride. Diese leisten einen Beitrag zur thermischen Stabilität der Legierung.
Als unvermeidbare Verunreinigung kann die Legierung maximal 0,15 % Eisen, bevorzugt 0,10 % Eisen aufweisen.
Umformen im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst beispielsweise Tordieren, Biegen, Prägen und Schmieden auf einen gewünschten Anstellwinkel. 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 erfindungsgemäßen 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.
070546wo 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
070546wo 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 zur Erreichung der maximalen Festigkeit entsprechend Zustand T6.
Beispiel 2:
Stanzpräαen 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.
070546wo 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.
070546wo HPJ/ko 27.04.2007

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Rotoren oder Statoren einer Turbomolekularpumpe mit Rotorschaufeln aus einer Al-Cu-Mg-Mn-Knet- Legierung, dadurch gekennzeichnet, dass man aus einzelnen Scheiben oder Vollkörpern die Rotorschaufeln durch Span abhebendes oder thermisches Abtragverfahren und anschließendes Umformen auf einen gewünschten Anstellwinkel herstellt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Knet-Legierung mit folgender Zusammensetzung einsetzt:
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).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die Rotoren oder Statoren durch Prägen, Stanzprägen oder Tordieren herstellt.
070546wo HPJ/ko 27.04.2007
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