WO2011091779A2 - Verfahren zur stoffschlüssigen verbindung eines bauteils aus titanaluminid mit einem bauteil aus einem artfremden metall sowie stoffschlüssige verbindung - Google Patents

Verfahren zur stoffschlüssigen verbindung eines bauteils aus titanaluminid mit einem bauteil aus einem artfremden metall sowie stoffschlüssige verbindung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for the cohesive connection of a component of titanium aluminide with a component of a foreign metal and a cohesive connection.
  • Titanium aluminides abbreviated to TiAl alloys, belong to the intermetallic alloys which, starting from the TiAl compound, are developed from about 50 atomic% titanium and about 50 atomic% aluminum.
  • cohesive compounds are compounds in which the connection partners are held together by means of atomic or molecular forces. They are non-releasable connections that can only be separated by destroying the connecting means. These include solder joints, welded joints and other connections such as adhesive joints.
  • Soldering is a thermal process for the material joining of materials, whereby a liquid phase is formed by melting a solder (melt soldering) or by diffusion at interfaces (diffusion soldering). The solidus temperature of the base materials is not reached (DIN 8505 "Soldering").
  • soldering By means of soldering, a non-detachable, integral connection is produced.
  • connecting material is usually a fusible metal alloy, the solder. With its help, a metallic connection of two metallic or non-metallic workpieces is generated.
  • Welding refers to the permanent joining of components or workpieces using heat or pressure, with or without filler metal (s) (DIN ISO 857-1). Fusion welding processes are mostly used for mostly metallic materials. The connection takes place depending on the welding process in a weld or a spot weld, in friction welding in a surface. The energy required for welding is supplied from the outside For joining between TiAl alloys and similar or dissimilar materials welding procedures were such. B. friction welding proposed.
  • Soldering is also one of the joining methods.
  • the workpieces to be joined together with a suitable solder are heated in an oven to a temperature which causes the solder to melt.
  • the microstructure of the components or workpieces to be joined does not change massively.
  • the meltable solder wets the components to be joined and, assisted by capillary forces, penetrates into the so-called joint gap in order there to produce a chemical bond between the components to be joined due to diffusion processes.
  • the still liquid constituents solidify in the binding zone, the so-called solder seam.
  • the quality of a solder joint is largely determined by the solder used.
  • the titanium aluminide materials are susceptible to thermal stress due to the brittle-ductile transition at 600 to 800 ° C. Almost crack due to the properties of the structural component y-titanium aluminide cracks. Therefore, the specified method is applicable only in narrow process windows.
  • a composite of TiAl and a foreign metal is produced by inserting an intermediate part between a TiAl alloy part and a steel component which consists of an austenitic stainless steel.
  • the intermediate part is welded to the steel component by friction welding.
  • the composite is produced by joining the intermediate part to the TiAl component either by friction welding or by insert molding. It is disadvantageous with no method yet succeeded in providing a permanent bond between a component made of a TiAl alloy and a foreign material, in particular a steel component, such as a shaft.
  • Friction welding is used only to a limited extent because, in particular in the case of the mixed compound, pronounced brittle phase formation occurs which adversely affects the joining zone. High mechanical stresses induce cracks in the joining zone.
  • Furnace brazing or high frequency induction brazing disadvantageously cause a prolonged and intense heating of the joining partners.
  • the soldering process adversely affects the properties of the surface of the steel materials (eg hardening zone as bearing surface).
  • the properties of the shaft material are significantly worsened by the high temperatures of the soldering process.
  • the object of the invention is to provide an alternative method for a cohesive connection between a titanium aluminide component and a component of a foreign metal. Furthermore, it is an object of the invention to provide a cohesive connection between a component made of a titanium aluminide and a component of a foreign metal.
  • the method for materially joining a TiAl alloy part with a dissimilar metallic component provides that both components are materially joined by means of an intermediate part between the Ti Al alloy part and the foreign metal component.
  • the method is advantageously characterized in that the intermediate part is soldered to the TiAl alloy part and welded to the component made of a foreign metal.
  • hitherto customary welding process in particular fusion welding on the TiAl side and friction welding, for many applications does not lead to a permanent connection between the components to be joined. It was recognized that this is mainly due to the formation of brittle and cracking due to high energy input to the TiAl component. During friction welding, there are also high mechanical loads that TiAl components can not withstand.
  • the method it is advantageously possible components of steels, in particular also hot and high-temperature alloys, austenitic steels, martensitic steels, heat-resistant steels, structural steels, such. B.42CrMo4, X45Cr Si 9-3, X22 CrMoV 12 1 as well as nickel-base alloys, or non-ferrous metals as so-called non-related metals, with components made of titanium aluminide materially connect. Accordingly, the method is characterized by the choice of such metals.
  • the cohesive joining in two preferably simultaneously, but at least thermally significantly separated steps are performed.
  • Clearly separated according to the invention may mean a temperature difference between the two steps of about 100 to about 500 ° Celsius.
  • the temperature should not exceed 1100 degrees Celsius during the process according to the invention in the solder range, otherwise the solder could evaporate.
  • the temperature z. B. at least 1400 degrees Celsius, otherwise the weld is not formed.
  • the TiAl component is connected to a non-similar intermediate part by means of soldering, preferably by beam-assisted soldering.
  • soldering advantageously avoids the brittle phase formation.
  • welding advantageously avoids far-reaching material changes on the shaft side without having to accept the respective disadvantages.
  • the beam jump or multi-beam technique is used.
  • a laser or electron beam as a high-energy particle beam or z.
  • B. a proton beam by means of electron or photo-optical aids such.
  • B. coils or mirrors virtually simultaneously distributed over several work areas. This is done by high-frequency deflection of the beams, so that the temperature or melting process is continuously maintained. Basically, this is also possible with two separately operating beam sources, but causes a considerable machine overhead and costs.
  • an intermediate part of steel or a similar material such as. B. 42CrMo4, X45Cr Si 9-3, X22 CrMoV 12 1, selected as to be joined to the TiAl component material.
  • electron beam welding or laser beam welding is preferably used.
  • the energy present in the electron beam or laser beam or proton beam can be particularly advantageous with the modern methods of electron optics or light optics on both surfaces to be joined are distributed in one process step. As a result, it is advantageously possible to divide the beam so that an energy distribution of about 40% for the soldering area and about 60% for the welding area is set.
  • the method is preferably carried out on a turbine wheel as a TiAl alloy part and a steel shaft as a foreign metal component.
  • the method is characterized in that an intermediate part is selected, the diameter of which offers the largest possible connection zone on the turbine wheel and on the shaft side.
  • an intermediate part adapted to the two diameters of the components to be joined is selected.
  • the intermediate part has on one side a
  • the intermediate part has on another side a diameter which corresponds approximately to that of the TiAl component.
  • an intermediate part that has a maximum connection surface both to the component of a TiAl alloy, as well as a maximum connection surface to the component of the non-type metal.
  • the intermediate part is referred to as diameter-adjusted.
  • a solder material at the soldering zone between the TiAl component and the intermediate part a nickel base solder can preferably be used.
  • the cohesive connection according to the invention between a titanium aluminide component with a diameter d 1 and a component made of a foreign metal with a diameter d 2 is characterized in that an intermediate part is soldered on the connection side to the titanium aluminide component and welded on the connection side to the component of the foreign metal is.
  • the diameter dl of the titanium aluminide component and the diameter d2 of the component of a foreign metal may be different from each other, wherein the diameter of the TiAl component is preferably larger.
  • the intermediate part has on its connection side to the titanium aluminide component approximately its diameter d1.
  • the intermediate part can be introduced into a recess of the TiAl component together with the solder.
  • the intermediate part of the connection particularly advantageously has, on the connection side to the component made of the foreign metal, approximately its diameter d2.
  • the intermediate part is preferably made of steel, in particular of a heat-resistant or highly heat-resistant steel.
  • the compound is characterized in that the TiAl component is a turbine wheel and the component of the foreign metal is a shaft.
  • the intermediate part can, for. B. 42CrMo4, X45Cr Si 9-3, X22 CrMoV 12 1 exist.
  • Figure la shows the individual components prior to assembly in a clamping device. It is in the TiA component 1 right hand the recess 8 recognizable. Therein, the solder 7 and the intermediate part 2 is used. Likewise, Fig. La shows the areas of the heating or joining zones 4, 5, 6 during the later process.
  • Fig. Lb shows the compound of the invention after clamping.
  • a TiAl turbine wheel 1 is connected by means of an intermediate part 2 made of steel with a shaft 3, also made of steel.
  • an intermediate part 2 adapted to the different diameters of the parts 1 and 3 is preferably used. Its diameter points to Turbine towards a maximum possible connection zone and corresponds to the shaft side about the shaft diameter.
  • the respective required temperature field is set, which is required for soldering and welding.
  • the components to be joined turbine wheel 1, intermediate part 2 and shaft 3 with an inserted solder foil 7 of nickel-based solder between Part 1 and Part 2 are clamped together axially (see thick arrows in Fig. Lb).
  • the solder foil 7 is introduced with a diameter of also 26 mm and with a thickness of 0.05 mm.
  • the intermediate part 2 has a diameter of likewise 26 mm at its turbine-side end.
  • Part 1 and Part 2 ensures compliance with the manufacturing tolerances. Due to the clamping surfaces on the component 1 and shaft 3 of the manufacturing fair fit of the intermediate part to the shaft is also guaranteed to each other.
  • the assembly of part 1-3 and solder foil 7 clamped in a single or multiple clamping device is introduced into a vacuum chamber of an electron beam welding machine. Upon reaching a vacuum of about ⁇ 10 "2 mbar, the process can be started.
  • an electron beam with a power of 2 kW is used by appropriate adjustment of the assembly and / or a suitable beam deflection of the electron beam so that a heating zone 6 on the intermediate part 2 is heated so that here a sufficient soldering temperature, for example, of about 1050 ° C in the soldering 4 sets and at the same time a weld zone 5 between the intermediate part 2 and shaft 3 is formed.
  • an energy distribution of approximately 40% at the heating zone 6 and 60% at the welding zone 5 is set for this purpose.
  • a defocused electron beam with fast beam deflection is used at the heating zone 6 in order to avoid melting of the material in this area.
  • a sharply focused electron beam is used with exemplary circular oscillation. This leads to a narrow welding process with a high welding depth.
  • the entire cross section of the joining zone 5 can be welded with a diameter of 14 mm without affecting the adjacent functional surface on the shaft 3.
  • the component group In the case of a multiple clamping device, the component group would be twisted and the next joining step started. In a single clamping device, after a cooling time of 30 seconds in the exemplary embodiment, the vacuum chamber of the electron beam welding machine is flooded with air and the component change is performed.

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Abstract

Das Verfahren zur stoffschlüssigen Verbindung eines Bauteils aus Titanaluminid (TiAl) mit einem Bauteil aus einem artfremden Metall, wobei beide Bauteile mittels eines Zwischenteils zwischen dem Bauteil aus Titanaluminid und dem artfremden metallischen Bauteil stoffschlüssig gefügt werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenteil an das Bauteil aus Titanaluminid gelötet und an das Bauteil aus einem artfremden Metall geschweißt wird. Eine entsprechende stoffschlüssige Verbindung ist offenbart.

Description

B e s c h r e i b u n g
Verfahren zur stoffschlüssigen Verbindung eines Bauteils aus Titanaluminid mit
Bauteil aus einem artfremden Metall sowie stoffschlüssige Verbindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur stoffschlüssigen Verbindung eines Bauteils aus Titanaluminid mit einem Bauteil aus einem artfremden Metall sowie eine stoffschlüssige Verbindung.
Titanaluminide, kurz TiAl-Legierungen genannt, gehören zu den intermetallischen Legierun- gen, die ausgehend von der TiAl- Verbindung aus etwa 50 Atom% Titan und etwa 50 Atom% Aluminium entwickelt werden.
Im Sinne der Erfindung sind stoffschlüssige Verbindungen Verbindungen, bei denen die Verbindungspartner mittels atomarer oder molekularer Kräfte zusammengehalten werden. Sie sind nicht lösbare Verbindungen, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel tren- nen lassen. Hierzu zählen Lötverbindungen, Schweißverbindungen und andere Verbindungen wie Klebeverbindungen.
Löten ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstoffen, wobei eine flüssige Phase durch Schmelzen eines Lotes (Schmelzlöten) oder durch Diffusion an Grenzflächen (Diffusionslöten) entsteht. Die Solidustemperatur der Grundwerkstoffe wird nicht erreicht (DIN 8505 "Löten"). Mittels Löten wird eine nichtlösbare, stoffschlüssige Verbindung hergestellt. Als Verbindungsmaterial dient meist eine leicht schmelzbare Metalllegierung, das Lot. Mit dessen Hilfe wird eine metallische Verbindung von zwei metallischen oder nichtmetallischen Werkstücken erzeugt.
Schweißen bezeichnet das unlösbare Verbinden von Bauteilen oder Werkstücken unter Ver- wendung von Wärme oder Druck, mit oder ohne Schweißzusatzwerkstoff(e) (DIN ISO 857- 1). Besonders häufig werden Schmelzschweißverfahren für meist metallische Materialien angewendet. Die Verbindung erfolgt je nach Schweißverfahren in einer Schweißnaht oder einem Schweißpunkt, beim Reibschweißen auch in einer Fläche. Die zum Schweißen notwendige Energie wird von außen zugeführt Zum Fügen zwischen TiAl-Legierungen und artgleichen oder artfremden Werkstoffen wurden Schweiß verfahren, wie z. B. Reibschweißen, vorgeschlagen.
Auch Löten gehört zu den Fügeverfahren. Beim Löten werden die zu fügenden Werkstücke zusammen mit einem geeigneten Lot in einem Ofen auf eine Temperatur erwärmt, die das Lot zum Schmelzen bringt. Die Gefügestruktur der zu fügenden Bauteile oder Werkstücke verändert sich nicht massiv. Das schmelzfähige Lot benetzt die zu fügenden Bauteile und dringt, unterstützt von Kapillarkräften, in den sogenannten Fügespalt ein, um dort aufgrund von Diffusionsprozessen eine chemische Verbindung zwischen den zu fügenden Bauteilen zu erzeugen. Beim anschließenden Abkühlvorgang erstarren die noch flüssigen Bestandteile in der Bindezone, der sogenannten Lötnaht. Die Qualität einer Lötverbindung wird maßgeblich durch das verwendete Lot bestimmt.
Die genannten Verbindungen und auf diese Weise gefügten Bauteile werden z. B. im Bereich der Turbinenrotoren in heißer Umgebung verwendet. Daher müssen die fertig hergestellten, miteinander gefügten Bauteile auch im Einsatz hohen Temperaturen standhalten können. Ferner muss das Bauteil, insbesondere wenn es sich um Turbinenrotoren aus TiAl an Stahlwellen handelt, hohen Umfangsbelastungen, die durch Zentrifugalkräfte im Einsatz des Bauteils auftreten, widerstehen können. Daher wurden auf Grund empirisch erhobener Daten Zwischenteile zwischen einen TiAl-Rotor und einer Stahlwelle eingesetzt, die das frühzeitige Brechen und den Fortbestand der Verbindung zwischen den einzelnen Teilen verhindern soll. Aus der US 5,431 ,752 ist es bekannt, ein Zwischenteil zwischen einen Stahlkörper und ein
TiAl-Bauteil einzusetzen und dieses jeweils durch Reibschweißen mit den beiden Körpern zu verbinden.
Nachteilig werden in den zu fügenden Werkstoffen relativ hohe thermomechanische Spannungen induziert. Die Titanaluminidwerkstoffe sind anfällig gegenüber thermischen Span- nungen wegen des spröd-duktil Überganges bei 600 bis 800°C. Leicht treten auf Grund der Eigenschaften des Gefügebestandteils y-Titanaluminid Risse auf. Daher ist das angegebene Verfahren nur in engen Prozessfenstern anwendbar.
In EP 0 368 642 Bl wird ein Verbund aus TiAl und einem artfremden Metall hergestellt, indem zwischen einem TiAl-Legierungsteil und einem Stahlbauteil ein Zwischenteil eingefügt wird, welches aus einem austenitischen rostfreien Stahl besteht. Das Zwischenteil wird durch Reibschweißen an das Stahlbauteil angeschweißt. Im Weiteren wird der Verbund dadurch hergestellt, dass das Zwischenteil entweder durch Reibschweißen oder durch Einfügungsgie- ßen an das TiAl-Bauteil gefügt wird. Nachteilig ist es mit bisher keinem Verfahren gelungen, einen dauerhaften Verbund zwischen einem Bauteil aus einer TiAl-Legierung und einem artfremden Material, insbesondere einem Stahlbauteil, wie einer Welle, bereit zu stellen.
Reibschweißen kommt nur bedingt zum Einsatz, da es insbesondere bei der Mischverbindung zu der genannten ausgeprägten Sprödphasenbildung kommt, die die Fügezone nachteilig beeinträchtigt. Hohe mechanische Spannungen induzieren Risse in der Fügezone.
Ofenlöten oder Hochfrequenzinduktionslöten bewirken nachteilig eine längere und intensive Erwärmung der Fügepartner. Der Lötprozess beeinflusst die Eigenschaften der Oberfläche der Stahl Werkstoffe (z. B. Härtezone als Lagerlauffläche) nachteilig. Die Eigenschaften des Wellenwerkstoffs werden durch die hohen Temperaturen des Lötprozesses deutlich verschlech- tert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein alternatives Verfahren für eine stoffschlüssige Verbindung zwischen einem Bauteil aus Titanaluminid und einem Bauteil aus einem artfremden Metall bereit zu stellen. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine stoffschlüssige Verbindung zwischen einem Bauteil aus einem Titanaluminid und einem Bauteil aus einem artfremden Metall bereit zu stellen.
Die Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und durch eine Verbindung nach dem Nebenanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen rückbezogenen Ansprüchen.
Das Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen eines TiAl-Legierungsteils mit einem artfremden metallischen Bauteil sieht vor, dass beide Bauteile mittels eines Zwischenteils zwischen dem Ti AI- Legierungsteil und dem artfremden metallischen Bauteil stoffschlüssig gefügt werden. Das Verfahren ist vorteilhaft dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenteil an das TiAl- Legierungsteil gelötet und an das Bauteil aus einem artfremden Metall geschweißt wird. Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass der bisher übliche Schweißvorgang, insbesondere das Schmelzschweißen an der TiAl Seite und das Reibschweißen, für viele Anwendungen nicht zu einer dauerhaften Verbindung zwischen den zu fügenden Bauteilen führt. Es wurde erkannt, dass dies im Wesentlichen der Spröd- und Rissbildung durch hohen Energie- eintrag an das TiAl-Bauteil geschuldet ist. Beim Reibschweißen kommt es überdies zu hohen mechanischen Belastungen, denen TiAl Bauteile nicht standhalten.
Mit dem Verfahren ist es vorteilhaft möglich, Bauteile aus Stählen, insbesondere auch warm- und hochwarmfeste Legierungen, austenitische Stähle, martensitische Stähle, hitzebeständige Stähle, Baustähle, wie z. B.42CrMo4, X45Cr Si 9-3, X22 CrMoV 12 1 sowie Nickel-Basis- Legierungen, oder Nichteisenmetalle als so genannte artfremde Metalle, mit Bauteilen aus Titanaluminid stoffschlüssig zu verbinden. Entsprechend ist das Verfahren durch die Wahl derartiger Metalle gekennzeichnet.
Zur Vermeidung der Sprödphasenbildung bei der Verbindung von TiAl mit dem artfremden metallischen Werkstoffen und bevorzugt einem Stahlwerkstoff und gleichzeitiger Erhaltung der Werkstoffeigenschaften des metallischen Werkstoffs wird das stoffschlüssige Fügen in zwei vorzugsweise gleichzeitig, jedenfalls aber thermisch deutlich separierten Schritten durchgeführt. Deutlich separiert im Sinne der Erfindung kann ein Temperaturunterschied zwischen den beiden Schritten von etwa 100 bis etwa 500 °Celsius bedeuten.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sollte während des erfindungsgemäßen Verfahrens im Lotbereich die Temperatur 1100 Grad Celsius nicht übersteigen, da sonst das Lot verdampfen könnte. Im Schweißbereich wiederum sollte die Temperatur z. B. mindestens 1400 Grad Celsius betragen, da sonst die Schweißnaht nicht ausgebildet wird.
In einem ersten Schritt wird hierzu beispielsweise das TiAl-Bauteil mit einem artfremden Zwischenteil mittels Löten, bevorzugt durch strahlunterstütztes Löten, verbunden. In einem zweiten, vorzugsweise gleichzeitig hierzu ausgeführten Schritt erfolgt eine Schweißverbindung des Zwischenteils an das artfremde, metallische Material. Hierdurch werden die Vorteile von Löten und Schweißen ausgenutzt. Es kann selbstverständlich auch die umgekehrte Reihenfolge gewählt werden. Das Löten vermeidet vorteilhaft die Sprödphasenbildung. Das Schweißen vermeidet vorteilhaft weit reichende Werkstoffveränderungen an der Wellenseite ohne die jeweiligen Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Hinzu kommt eine vorteilhafte Nutzung der Temperatureinbringung von Löt- bzw. Schweißprozess beim jeweils anderen, vorzugsweise zeitgleich, ablau- fenden Prozess.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Strahlsprung- oder Mehrstrahltechnik genutzt. Dabei wird ein Laser- oder Elektronenstrahl als energiereicher Teilchenstrahl oder auch z. B. ein Protonenstrahl mittels elektronen- oder lichtoptischer Hilfsmittel, wie z. B. Spulen bzw. Spiegel, quasi gleichzeitig auf mehrere Arbeitsbereiche verteilt. Dies erfolgt durch hochfrequentes Ablenken der Strahlen, so dass der Temperatur- bzw. Schmelzprozess kontinuierlich aufrechterhalten wird. Grundsätzlich ist dies auch mit zwei getrennt arbeitenden Strahlquellen möglich, verursacht aber einen erheblichen maschinellen Mehraufwand und -kosten.
Die Prozesse Löten des Zwischenteils an das TiAl-Bauteil und Schweißen des Zwischenteils an das artfremde Metall können auch zeitlich nacheinander durchgeführt werden. Auch hierdurch werden die erfindungsgemäßen Aufgaben der Erfindung gelöst. Allerdings bleiben die vorteilhaften Synergien einer gleichzeitigen Temperaturführung und Einbringung der Temperaturen aus der Lötzone in die Schweißzone und umgekehrt ungenutzt und die Prozessdauer verlängert sich entsprechend. Da erfindungsgemäß mit einem im Vergleich zum Schweißprozess niedrigen Energieeintrag die Lötzone zwischen TiAl-Bauteil und Zwischenteil erwärmt wird, wird die nachteilige Rissbildung an dieser Fügeseite vermieden, wohingegen auf der anderen Fügeseite des Zwischenteils zum artfremden Metall das Schweißen größtmögliche Festigkeit bietet.
Hierzu wird vorzugsweise ein Zwischenteil aus Stahl oder einem ähnlichen Material, wie z. B. 42CrMo4, X45Cr Si 9-3, X22 CrMoV 12 1, als an das TiAl-Bauteil zu fügende Material gewählt.
Als Schweißverfahren wird vorzugsweise das Elektronenstrahlschweißen oder Laserstrahlschweißen angewendet. Die im Elektronenstrahl bzw. Laserstrahl bzw. Protonenstrahl vorhandene Energie kann besonders vorteilhaft mit den modernen Verfahren der Elektronenoptik oder Lichtoptik auf beide zu fügenden Flächen in einem Verfahrensschritt verteilt werden. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, den Strahl so aufzuteilen, dass eine Energieverteilung von etwa 40% für den Lötbereich und von etwa 60% für den Schweißbereich eingestellt wird.
Das Verfahren wird vorzugsweise an einem Turbinenrad als TiAl-Legierungsteil und einer Stahlwelle als artfremdes metallisches Bauteil durchgeführt. Diese Bauteile sind bisher trotz großer Bemühungen und Alternatiworschläge noch nicht zufriedenstellend fügbar.
Besonders vorteilhaft zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass ein Zwischenteil gewählt wird, dessen Durchmesser am Turbinenrad und an der Wellenseite die größtmögliche Verbindungszone bietet. Hierzu wird ein an die beiden Durchmesser der miteinander zu fügenden Bauteile angepasstes Zwischenteil gewählt. Das Zwischenteil weist an einer Seite einen
Durchmesser auf, der etwa dem der Welle entspricht. Das Zwischenteil weist an einer anderen Seite einen Durchmesser auf, der etwa dem des TiAl-Bauteil entspricht.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass im Falle einer TiAl-Turbine diese bisher nur mittels relativ kleiner Anbindungsflächen an den Schaft einer Welle aus einem artfremden Metall verbunden wurde.
Es wird daher in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, ein Zwischenteil einzusetzen, dass eine maximale Verbindungsfläche sowohl zum Bauteil aus einer TiAl- Legierung, als auch eine maximale Verbindungsfläche zum Bauteil aus dem artfremden Metall aufweist. Das Zwischenteil wird als durchmesserangepasst bezeichnet. Als Lotmaterial an der Lötzone zwischen TiAl-Bauteil und Zwischenteil kann vorzugsweise ein Nickel-Basislot verwendet werden.
Die erfindungsgemäße stoffschlüssige Verbindung zwischen einem Bauteil aus Titanaluminid mit einem Durchmesser dl und einem Bauteil aus einem artfremden Metall mit einem Durchmesser d2 ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenteil an der Verbindungsseite zum Bauteil aus Titanaluminid gelötet und an der Verbindungsseite zum Bauteil aus dem artfremden Metall geschweißt ist. Der Durchmesser dl des Bauteils aus Titanaluminid und der Durchmesser d2 des Bauteils aus einem artfremden Metall können voneinander verschiedenen sein, wobei der Durchmesser des TiAl-Bauteils vorzugsweise größer ist.
Das Zwischenteil weist an seiner Verbindungsseite zum Bauteil aus Titanaluminid etwa des- sen Durchmesser dl auf. Hierdurch wird vorteilhaft die größtmögliche Verbindungszone geschaffen. Vorteilhaft kann das Zwischenteil in eine Vertiefung des TiAl-Bauteils zusammen mit dem Lot eingebracht sein.
Ferner weist das Zwischenteil der Verbindung besonders vorteilhaft an der Verbindungsseite zum Bauteil aus dem artfremden Metall etwa dessen Durchmesser d2 auf. Das Zwischenteil ist vorzugsweise aus Stahl, insbesondere aus einem warmfesten oder hoch- warmfesten Stahl.
Besonders vorteilhaft ist die Verbindung dadurch gekennzeichnet, dass das TiAl-Bauteil ein Turbinenrad und das Bauteil aus dem artfremden Metall eine Welle ist.
Das Zwischenteil kann z. B. aus 42CrMo4, X45Cr Si 9-3, X22 CrMoV 12 1 bestehen.
Im Weiteren wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels und der beigefügten Figur näher beschrieben.
Die Figuren la und lb zeigen grob schematisch im Querschnitt die Anordnungen der Bauteile vor bzw. während des Fügeverfahrens.
Figur la zeigt die einzelnen Bauteile vor dem Zusammensetzen in einer Spannvorrichtung. Es ist im TiA-Bauteil 1 rechterhand die Vertiefung 8 erkennbar. Darin wird das Lot 7 und das Zwischenteil 2 eingesetzt. Ebenso zeigt Fig. la die Bereiche der Erwärmungs- bzw. Fügezonen 4, 5, 6 während des späteren Verfahrens.
Fig. lb zeigt die erfindungsgemäße Verbindung nach dem Einspannen.
Ein TiAl Turbinenrad 1 wird mittels eines Zwischenteils 2 aus Stahl mit einer Welle 3, eben- falls aus Stahl, verbunden. Hierbei kommt vorzugsweise ein an die verschiedenen Durchmesser der Teile 1 und 3 angepasstes Zwischenteil 2 zum Einsatz. Dessen Durchmesser weist zum Turbinenrad hin eine größtmögliche Verbindungszone auf und entspricht zur Wellenseite hin etwa dem Wellendurchmesser.
Somit kann an der jeweiligen Fügezone 4, 5 (Fig. lb) eine prozess- und belastungsangepasste Geometrie genutzt werden, ohne dass es zu der kritischen Sprödphasenbildung am TiAl kommt.
Im Ausführungsbeispiel wird mit einer Energieverteilung von etwa 40% im Lötbereich 4 und von etwa 60% im Schweißbereich 5 unter Ausnutzung elektronenoptischer Ablenktechniken das jeweils erforderliche Temperaturfeld eingestellt, das zum Löten und Schweißen erforderlich ist. Im Ausführungsbeispiel werden die miteinander zu fügenden Bauteile Turbinenrad 1 , Zwischenteil 2 und Welle 3 mit einer eingelegten Lötfolie 7 aus Nickel-Basislot zwischen Teil 1 und Teil 2 gemeinsam axial verspannt (siehe dicke Pfeile in Fig. lb). In einen Zentrierabsatz als Vertiefung 8 mit einem Durchmesser von etwa 26 mm wird die Lotfolie 7 mit einem Durchmesser von ebenfalls 26 mm und mit einer Dicke von 0,05 mm eingebracht. Das Zwi- schenteil 2 hat an seinem turbinenseitigen Ende einen Durchmesser von ebenfalls 26 mm.
Durch Zentrierungen an Teil 1 und Teil 2 ist die Einhaltung der Fertigungstoleranzen gewährleistet. Durch die Spannflächen an Bauteil 1 und an Welle 3 ist der fertigungsgerechte Sitz des Zwischenteils an die Welle ebenfalls zueinander gewährleistet. Die in einer Einfach- oder Mehrfachspannvorrichtung eingespannte Baugruppe aus Teil 1-3 und Lotfolie 7 wird in eine Vakuumkammer einer Elektronenstrahlschweißmaschine eingebracht. Mit Erreichen eines Vakuums von etwa < 10"2 mbar kann das Verfahren gestartet werden. Hierzu wird ein Elektronenstrahl mit einer Leistung von 2 kW durch geeignete Anstellung der Baugruppe und / oder eine geeignete Strahlablenkung des Elektronenstrahls so eingesetzt, dass eine Erwärmungszone 6 am Zwischenteil 2 so erwärmt wird, dass sich hier eine hinreichende Löttempe- ratur z. B. von etwa 1050 °C auch im Lötbereich 4 einstellt und gleichzeitig eine Schweißzone 5 zwischen Zwischenteil 2 und Welle 3 entsteht.
Im Ausführungsbeispiel wird hierzu eine Energieverteilung von ca. 40% an der Erwärmungszone 6 und 60% an der Schweißzone 5 eingestellt. Gleichzeitig wird an der Erwärmungszone 6 ein defokussierter Elektronenstrahl mit schneller Strahlablenkung eingesetzt, um eine Schmelzung des Materials in diesem Bereich zu vermeiden. Im Schweißbereich 5 wird hingegen ein scharf fokussierter Elektronenstrahl mit beispielhafter Kreisoszillation eingesetzt. Hier kommt es dadurch zu einem engbegrenzten Schweißprozess mit hoher Einschweißtiefe. So kann der gesamte Querschnitt der Fügezone 5 mit einem Durchmesser von 14 mm verschweißt werden, ohne dass die angrenzende Funktionsfläche auf der Welle 3 beeinträchtigt wird.
Es kann eine Fügezeit von 60 Sekunden gewählt werden.
Im Falle einer Mehrfachspannvorrichtung würde die Bauteilgruppe verdreht und der nächste Fügeschritt gestartet. Bei einer Einfachspannvorrichtung wird nach einer Abkühldauer von 30 Sekunden im Ausführungsbeispiel die Vakuumkammer der Elektronenstrahlschweißmaschine mit Luft geflutet und der Bauteilwechsel durchgeführt.
Es ist ohne Einschränkung der Erfindung möglich, auch ein Bauteil 3 aus einer Keramik vorzusehen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur stoffschlüssigen Verbindung eines Bauteils aus Titanaluminid (TiAl) (1) mit einem Bauteil aus einem artfremden Metall (3), wobei beide Bauteile (1, 3) mittels eines Zwischenteils (2) zwischen dem Bauteil aus Titanaluminid und dem artfremden metallischen Bauteil stoffschlüssig gefügt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Zwischenteil (2) an das Bauteil aus Titanaluminid (1) gelötet und an das Bauteil aus einem artfremden Metall (3) geschweißt wird.
2. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch,
gekennzeichnet durch
Elektronenstrahlschweißen oder Laserstrahlschweißen als Schweißverfahren.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
Wahl eines Turbinenrads als Bauteil aus Titanaluminid und / oder Wahl einer Welle als artfremdes metallisches Bauteil.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein durchmesserangepasstes Zwischenteil (2) gewählt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Zwischenteil gewählt wird, dessen Durchmesser zur Seite des Turbinenrads ausgerichtet etwa dem Durchmesser des Turbinenrads und zur Seite der Welle ausgerichtet, etwa dem Wellendurchmesser entspricht.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Zwischenteil gewählt wird, dessen Durchmesser eine größtmögliche Verbindungszone an das Bauteil aus Titanaluminid und / oder an das Bauteil aus artfremden Metall bietet.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
Wahl eines Nickel-Basislot als Lotmaterial (7).
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
Wahl eines hochschmelzenden Lots (7) mit einer Liquidustemperatur größer als 800 °C.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
Einlegen einer Lotfolie (7) und des Zwischenteils (2) in eine Zentrierung als Vertiefung (8) des Bauteils aus Titanaluminid (1).
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mittels elektronenoptischer Ablenktechniken für den Elektronenstrahlschweißprozess der Schweißvorgang und der Lötvorgang gleichzeitig durchgeführt werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
mittels lichtoptischer Ablenktechniken für den Laserstrahlschweißprozess der Schweißvorgang und der Lötvorgang gleichzeitig durchgeführt werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 oder 1 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schweißstrahl so aufgeteilt wird, dass eine Energieverteilung von etwa 40% im Lötbereich (4) und von etwa 60% im Schweißbereich (5) eingestellt wird.
13. Stoffschlüssige Verbindung zwischen einem Bauteil aus Titanaluminid (1) und einem Bauteil aus einem artfremden Metall (3),
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Zwischenteil (2) an der Verbindungsseite zum Bauteil aus Titanaluminid gelötet und an der Verbindungsseite zum Bauteil aus dem artfremden Metall geschweißt ist.
14. Stoffschlüssige Verbindung nach vorherigem Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser dl des Bauteils aus Titanaluminid und der Durchmesser d2 des Bauteils aus einem artfremden Metall voneinander verschiedenen sind.
15. Stoffschlüssige Verbindung nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Zwischenteil (2) an der Verbindungsseite zum Bauteil aus Titanaluminid (1) etwa dessen Durchmesser dl aufweist.
16. Stoffschlüssige Verbindung nach Anspruch 13 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Zwischenteil (2) an der Verbindungsseite zum Bauteil aus dem artfremden Metall (3) etwa dessen Durchmesser d2 aufweist.
17. Verbindung nach Anspruch 13 bis 16,
gekennzeichnet durch
ein Zwischenteil aus Stahl, insbesondere aus warmfesten oder hochwarmfesten Stahl.
18. Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 17
umfassend
ein Turbinenrad als Bauteil aus Titanaluminid (1) und eine Welle als Bauteil aus artfremden Metall.
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