WO2014005814A1 - Verfahren zum verbinden einer welle mit einem rad - Google Patents

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WO2014005814A1
WO2014005814A1 PCT/EP2013/062152 EP2013062152W WO2014005814A1 WO 2014005814 A1 WO2014005814 A1 WO 2014005814A1 EP 2013062152 W EP2013062152 W EP 2013062152W WO 2014005814 A1 WO2014005814 A1 WO 2014005814A1
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wheel
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vanadium
nickel
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PCT/EP2013/062152
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Christian Holzschuh
Andreas Haas
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Bosch Mahle Turbo Systems Gmbh & Co. Kg
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    • F05D2300/13—Refractory metals, i.e. Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W

Definitions

  • the present invention relates to a method for connecting a shaft to a wheel according to the preamble of claim 1 and to an arrangement of a shaft on a wheel by means of such a method.
  • a generic method for connecting a shaft to a wheel is known from EP 0 513 646 B1.
  • the shaft is made of steel, while the wheel is made of an aluminum alloy or a titanium alloy.
  • To connect the shaft with the wheel is on a
  • the disadvantage here is in particular that the application of the copper layer and the vanadium layer on the shaft or on the wheel by means of friction welding has a high cost, in particular with respect to the production costs and the materials used, the result.
  • the present invention addresses the problem of providing a method for connecting a shaft to a wheel, an improved or at least alternative embodiment, which is characterized in particular by a lower cost and / or by increased stability. This problem is inventively by the objects of
  • the present invention is based on the general idea of applying a vanadium-containing layer or a nickel-containing layer to at least one connection region of the shaft or wheel connecting the shaft to the wheel, and then the shaft and the wheel by means of a
  • the shaft is made of steel or a nickel-based alloy and has the shaft connection region on a shaft outer contour of the shaft.
  • the wheel is made of a TiAl alloy and has the
  • Vanadium-containing layer the knowledge that vanadium can be simplified and effectively applied to titanium and titanium alloys, since vanadium in particular has a favorable adhesion property on TiAl alloys.
  • vanadium shows advantageous properties for the
  • vanadium prevents the so-called brittle phase formation between titanium and steel, in which metallic constituents of the steel, in particular iron, are mixed into the TiAl alloy, which can lead to an instability of the connection between the shaft and the wheel.
  • the vanadium-containing layer prevents, as they are in
  • the vanadium-containing layer as a vanadium layer on the
  • the vanadium-containing layer may be a vanadium alloy, with a chromium-vanadium layer being preferred. That is, as the vanadium-containing layer, a chromium-vanadium layer is applied to the wheel connection portion and the shaft connection portion, respectively.
  • a chromium-vanadium layer is that, on the one hand, the advantages of vanadium already described are utilized and, on the other hand, a layer which is harder and / or tougher than the vanadium layer is applied.
  • chromium has an advantageous
  • Adhesive property on steel or nickel-based alloys so that the connection between the shaft and the wheel is strengthened overall.
  • nickel has a good adhesive property on steel or
  • the nickel-containing layer can be applied as a nickel layer to the wheel connection portion and the shaft connection portion, respectively.
  • the nickel-containing layer is preferably a nickel-based alloy.
  • Vanadium-containing layer and the nickel-containing layer can be applied. However, preferred are those embodiments in which either the vanadium-containing layer or the nickel-containing layer is applied. Preferably, the vanadium-containing layer or the nickel-containing layer are applied to the Radharms Scheme. Thus, the application of the vanadium-containing layer or the nickel-containing layer can be limited only to the wheel, resulting in an effort reduction. Furthermore, the subsequent welding of the wheel with the shaft in the
  • thermo spraying process in particular a cold gas process.
  • the material to be applied or the coating material is sprayed onto the surface to be coated, here on the Radharms Symposium.
  • Spray method only the cold gas spraying is suitable to achieve sufficient adhesion between the shaft (made of steel or a nickel-based alloy) and the TiAl alloy.
  • the coating material is applied in powder form with preferably 2 to 3 times the speed of sound on the TiAI Radharms Scheme.
  • the spray particles are thereby accelerated to such a high speed that, in contrast to other thermal spraying methods, they form a dense and firmly adhering layer upon impact with the substrate even without prior melting or melting.
  • the kinetic energy at the time of impact is insufficient for complete melting of the particles. Since the TiAI wheel remains cold, there is no structural change in the TiAl wheel.
  • PVD physical vapor deposition
  • Friction welding is caused to apply a layer prevented, so that the connection between the shaft and the wheel is stabilized as a whole.
  • the vanadium-containing layer or the nickel-containing layer may have any desired layer thickness.
  • the vanadium-containing layer or the nickel-containing layer is preferably applied with a layer thickness of 0.4 mm to 2 mm, preferably 0.5 mm to 2 mm, onto the wheel connection region and / or onto the shaft connection region.
  • the vanadium-containing layer or the nickel-containing layer has the layer thickness of 0.4 mm to 2 mm.
  • the vanadium-containing layer or the nickel-containing layer on the entire Radharms Scheme and / or on the entire
  • Shaft connection area are applied.
  • the respective layer is applied to a shaft receiving, which is formed in the Radharms Scheme of the wheel.
  • Shaft recording serves the purpose of receiving the wheel through the shaft or to frame, wherein the shaft receiving appropriate centered on the wheel can be formed.
  • the vanadium-containing layer or the nickel-containing layer are applied to a receiving collar which surrounds the wave recording.
  • the shaft preferably has a guide to be inserted into the shaft receptacle of the wheel, wherein the shaft connection area is arranged in the region of the guide.
  • the respective target for example a vanadium target or a nickel target can be thermally evaporated by means of a laser beam or an electron beam, by means of an arc or by ionization.
  • the evaporation of the target takes place by means of a sputtering process with which the vanadium is detached from the target by ion bombardment and is accordingly brought into the gas phase.
  • the application of the vanadium-containing layer and / or the nickel-containing layer by means of the PVD method is expediently carried out in a vacuum chamber, wherein the shaft and / or the wheel, in particular the shaft connection region and / or the
  • Such a preparation can be, for example, a cleaning, in particular by etching and / or heating to a
  • the uncoated areas of the wheel or the shaft can be masked. This masking is expediently carried out in the areas that occur during the physical
  • the heating of the turbine wheel or the connection area by means of an inductor should be above 500 ° C, to improve the adhesion of the subsequent
  • connection area takes place immediately before the coating process.
  • the aim of the heating is to increase the adhesive strength of the coating on the connection area of the turbine wheel.
  • Radharms Symposiums Symposium can therefore be welded together in particular by gas-shielded welding, resistance welding, submerged arc welding and the like.
  • the welding can be carried out by means of friction welding.
  • friction welding is doing by the application the vanadium-containing layer and / or the nickel-containing layer
  • the welding takes place by diffusion welding.
  • Diffusion welding of the shaft to the wheel has the particular advantage that a precise connection with a high stability is achieved. Furthermore, the adhesion of the respective layer to the associated
  • the electron beam welding in particular offers the advantage of a fast welded connection and can be carried out in particular under vacuum.
  • the wave wheel could be designed as a turbine wheel or as a compressor wheel of such an exhaust gas turbocharger.
  • FIG. 1 shows a section through an arrangement of a shaft on a wheel in
  • FIG. 2 is a perspective view of a wheel
  • FIG. 3 shows a section through an arrangement of a shaft on a wheel in FIG
  • FIG. 4 shows a section through an arrangement of a shaft on a wheel in FIG.
  • Figure 1 shows an arrangement 1 of a shaft 2 on a wheel 3, wherein the shaft 2 is made of steel or a nickel-based alloy, while the wheel 3 made a TiAl alloy is made.
  • the shaft 2 points at a
  • Radau typekontur 7 of the wheel 3 is welded. This is before the
  • the vanadium-containing layer 8 may be a vanadium layer 8 'or a chromium-vanadium layer 8 ".
  • the nickel-containing layer 17 may be a nickel layer 17' or a nickel layer 17 '
  • Nickel base alloy layer 17 " is Nickel base alloy layer 17 ".
  • the application of the respective layer 8, 17 takes place here by means of a physical vapor deposition or a thermal spraying, in particular a cold gas process.
  • a physical vapor deposition or a thermal spraying in particular a cold gas process.
  • Gas phase deposition is a corresponding target, for example by sputtering, vaporized and brought into the gas phase and then sits down on the corresponding, to be coated, area, ie on the
  • Diffusion welding or electron beam welding can be done.
  • the respective layer 8, 17 is applied to the entire wheel connecting region 6 in the example shown in FIG.
  • FIG. 2 shows a three-dimensional view of a wheel 3 embodied as a turbine wheel 9 which, on the side facing away from turbine blades 10, has said wheel connection region 6, which is arranged centrally on the wheel 3.
  • a shaft receiving 1 1 is formed, which is surrounded by a receiving collar 12. The shaft receiving 1 1 serves to receive the shaft. 2
  • FIG. 3 shows a further embodiment in which the respective layer 8, 17 is applied to the shaft receptacle 11.
  • the layer 8, 17 is limited by the receiving collar 12, wherein a layer thickness 13 in the region of
  • Receiving collar 12 substantially corresponds to the axial height 14 of the receiving collar 12, while the layer 8, 17, the shaft receiving 1 1 in the central region does not completely fills.
  • the layer 8, 17 is applied to the receiving collar 12 of the wheel 3.
  • the shaft 2 on the wheel 3 side facing a guide 15 which is arranged in the shaft receiving 1 1, wherein the shaft connecting portion 5 is formed or arranged on the outer contour 4 of the guide 15.
  • the shaft 2 of the arrangement 1 can be configured in the embodiments shown either as a solid shaft 16 or as a hollow shaft 17.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer aus Stahl oder einer Nickelbasislegierung hergestellten Welle (2) mit einem aus einer TiAl-Legierung hergestellten Rad (3). Erfindungswesentlich ist dabei, dass auf einen Radverbindungsbereich (6) an einer Radaußenkontur (7) des Rades (3) und/oder auf einen Wellenverbindungsbereich (5) an einer Wellenaußenkontur (4) der Welle (2) eine Vanadium-haltige Schicht (8) oder eine Nickelhaltige Schicht (17) aufgebracht wird und der Wellenverbindungsbereich (5) und der Radverbindungsbereich (6) zum Verbinden der Welle (2) mit dem Rad (3) miteinander verschweißt werden. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Anordnung (1) einer Welle (2) an einem Rad (3), insbesondere an einem Turbinenrad (9), gemäß einem solchen Verfahren.

Description

Verfahren zum Verbinden einer Welle mit einem Rad
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer Welle mit einem Rad gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung einer Welle an einem Rad mittels einem solchen Verfahren.
Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verbinden einer Welle mit einem Rad ist aus der EP 0 513 646 B1 bekannt. Dabei ist die Welle aus Stahl hergestellt, während das Rad aus einer Aluminiumlegierung oder einer Titan-Legierung hergestellt ist. Zum Verbinden der Welle mit dem Rad wird auf einen
Wellenverbindungsbereich der Welle mittels Reibschweißen eine Kupferschicht aufgebracht, während auf einem Radverbindungsbereich des Rades mittels Reibverschweißen eine Vanadiumschicht aufgebracht wird. Anschließend werden die Wellen und das Rad am Wellenverbindungsbereich und am
Radverbindungsbereich mittels Reibverschweißen miteinander verbunden.
Nachteilig dabei ist insbesondere, dass das Aufbringen der Kupferschicht und der Vanadiumschicht auf die Welle bzw. auf das Rad mittels Reibverschweißen einen hohen Aufwand, insbesondere bezüglich der Produktionskosten und der verwendeten Materialien, zur Folge hat.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Verfahren zum Verbinden einer Welle mit einem Rad, eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen niedrigeren Aufwand und/oder durch eine erhöhte Stabilität auszeichnet. Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der
unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, auf zumindest einem die Welle mit dem Rad verbindenden Verbindungsbereich der Welle bzw. des Rades eine Vanadium-haltige Schicht oder eine Nickel-haltige Schicht aufzubringen und die Welle und das Rad anschließend mittels eines
Schweißverfahrens über diese Verbindungsbereiche miteinander zu verbinden. Dabei ist die Welle aus Stahl oder einer Nickelbasislegierung hergestellt und weist den Wellenverbindungsbereich an einer Wellenaußenkontur der Welle auf. Zudem ist das Rad aus einer TiAI-Legierung hergestellt und weist den
Radverbindungsbereich an einer Radaußenkontur des Rades auf.
Erfindungsgemäß wird die Vanadium-haltige Schicht oder die Nickel-haltige Schicht auf den Radverbindungsbereich und/oder auf den
Wellenverbindungsbereich aufgebracht und der Wellenverbindungsbereich mit dem Radverbindungsbereich zum Verbinden der Welle mit dem Rad miteinander verschweißt. Die Erfindung nutzt hierbei bezüglich des Aufbringens der
Vanadium-haltigen Schicht die Kenntnis, dass Vanadium vereinfacht und effektiv auf Titan und Titan-Legierungen aufgebracht werden kann, da Vanadium insbesondere eine vorteilhafte Haftungseigenschaft auf TiAI-Legierungen aufweist. Zudem zeigt Vanadium vorteilhafte Eigenschaften für das
Verschweißen von Stahl- bzw. Nickelbasislegierungen und TiAI-Legierungen. Des Weiteren verhindert Vanadium die sogenannte Sprödphasenbildung zwischen Titan und Stahl, bei dem metallische Bestandteile des Stahls, insbesondere Eisen, in die TiAI-Legierung gemischt werden, was zu einer Instabilität der Verbindung zwischen der Welle und dem Rad führen kann. Mit anderen Worten: Die Vanadium-haltige Schicht verhindert, da sie im
Schweißbereich zwischen dem Rad und der Welle angeordnet ist, das Diffundieren von Eisen in die TiAI-Legierung. Dementsprechend kann die Vanadium-haltige Schicht als eine Vanadiumschicht auf den
Radverbindungsbereich bzw. den Wellenverbindungsbereich aufgebracht werden. Optional kann es sich bei der Vanadium-haltigen Schicht um eine Vanadium-Legierung handeln, wobei eine Chrom-Vanadium-Schicht bevorzugt wird. Das heißt, dass als Vanadium-haltige Schicht eine Chrom-Vanadium- Schicht auf den Radverbindungsbereich bzw. den Wellenverbindungsbereich aufgebracht wird. Vorteilhaft bei einer Chrom-Vanadium-Schicht ist, dass einerseits die bereits beschriebenen Vorteile von Vanadium genutzt werden und andererseits eine im Vergleich zur Vanadiumschicht härtere und/oder zähere Schicht aufgebracht wird. Ferner weist Chrom eine vorteilhafte
Haftungseigenschaft auf Stahl bzw. Nickelbasislegierungen auf, so dass die Verbindung zwischen der Welle und dem Rad insgesamt verstärkt wird.
Bezüglich der Verwendung der Nickel-haltigen Schicht wird insbesondere die Kenntnis genutzt, dass Nickel eine gute Hafteigenschaft auf Stahl bzw.
Nickelbasislegierungen aufweist. Der Einsatz der Nickel-haltigen Schicht führt also zu einer verbesserten Verbindung zwischen dem Rad und der Welle.
Dementsprechend kann die Nickel-haltige Schicht als eine Nickelschicht auf den Radverbindungsbereich bzw. den Wellenverbindungsbereich aufgebracht werden. Dabei handelt es sich bei der Nickel-haltigen Schicht verzugsweise um eine Nickelbasislegierung.
Rein theoretisch kann zur Realisierung der Verbindung auch sowohl die
Vanadium-haltige Schicht als auch die Nickel-haltige Schicht aufgebracht werden. Bevorzugt sind jedoch diejenigen Ausführungsformen, bei denen entweder die Vanadium-haltige Schicht oder die Nickel-haltige Schicht aufgebracht wird. Bevorzugt werden die Vanadium-haltige Schicht oder die Nickel-haltige Schicht auf den Radverbindungsbereich aufgebracht. Somit kann das Aufbringen der Vanadium-haltigen Schicht oder der Nickel-haltigen Schicht lediglich auf das Rad beschränkt werden, was zu einer Aufwandsreduzierung führt. Des Weiteren kann das anschließende Verschweißen des Rades mit der Welle im
Radverbindungsbereich und im Wellenverbindungsbereich vereinfacht erfolgen.
Besonders vorteilhaft erfolgt das Aufbringen der jeweiligen Schicht mit Hilfe eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere eines Kaltgasverfahrens. Dabei wird das aufzubringende Material bzw. der Beschichtungswerkstoff auf die zu beschichtende Oberfläche, hier also auf den Radverbindungsbereich gespritzt. Durch Versuche wurde herausgefunden, dass sich als thermisches
Spritzverfahren nur das Kaltgasspritzen geeignet ist, um eine ausreichende Haftfestigkeit zwischen der Welle (aus Stahl oder einer Nickelbasislegierung) und der TiAI-Legierung zu erreichen. Dabei wird der Beschichtungswerkstoff in Pulverform mit vorzugsweise 2- bis 3-fache Schallgeschwindigkeit auf den TiAI- Radverbindungsbereich aufgebracht. Die Spritzpartikel werden dabei auf eine so hohe Geschwindigkeit beschleunigt, dass sie im Gegensatz zu anderen thermischen Spritzverfahren auch ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen beim Aufprall auf das Substrat eine dichte und fest haftende Schicht bilden. Die kinetische Energie zum Zeitpunkt des Aufpralls reicht für ein vollständiges Aufschmelzen der Partikel nicht aus. Da das TiAI-Rad kalt bleibt, erfolgt keine Gefügeveränderung im TiAI-Rad. Die Haftfestigkeit zwischen der Welle (aus Stahl oder einer Nickelbasislegierung) und der TiAI-Legierung wird dadurch verbessert, und eine Verbindung zwischen der Welle (aus Stahl oder einer Nickelbasislegierung) und der TiAI-Legierung kann ausschließlich mittels einer Vanadium-haltigen Schicht oder einer Nickel-haltigen Schicht erfolgen. Das Aufbringen der jeweiligen Schicht auf den Radverbindungsbereich erfolgt gemäß alternativen Ausführungsformen mit Hilfe eines physikalischen
Gasphasenabscheidens, kurz eines PVD-Verfahrens (PVD = physical vapour deposition). Das Aufbringen erfolgt also durch das Verdampfen eines
entsprechenden Targets, wobei sich das verdampfte Material auf den
Radverbindungsbereich absetzt um die Vanadium-haltige Schicht oder die Nickel-haltige Schicht auszubilden. Somit wird ein durch das Aufbringen der jeweiligen Schicht auf diese Verbindungsbereiche bedingtes Schmelzen des Rades bzw. der Welle, insbesondere in den Verbindungsbereichen, das beispielsweise durch das aus dem Stand der Technik bekannte
Reibverschweißen zum Aufbringen einer Schicht verursacht wird, verhindert, so dass die Verbindung zwischen der Welle und dem Rad insgesamt stabilisiert wird.
Im Allgemeinen kann die Vanadium-haltige Schicht oder die Nickel-haltige Schicht eine beliebige Schichtdicke aufweisen. Bevorzugt wird die Vanadium- haltige Schicht oder die Nickel-haltige Schicht jedoch mit einer Schichtdicke von 0,4 mm bis 2 mm, bevorzugt 0,5 mm bis 2mm auf den Radverbindungsbereich und/oder auf den Wellenverbindungsbereich aufgebracht. Hierbei ist die
Schichtdicke bezüglich der jeweiligen Schicht gegeben. Das heißt die Vanadium- haltige Schicht oder die Nickel-haltige Schicht hat die Schichtdicke von 0,4 mm bis 2 mm.
Prinzipiell kann die Vanadium-haltige Schicht oder die Nickel-haltige Schicht auf dem gesamten Radverbindungsbereich und/oder auf dem gesamten
Wellenverbindungsbereich aufgebracht werden. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform wird die jeweilige Schicht auf eine Wellenaufnahme, die im Radverbindungsbereich des Rades ausgebildet ist, aufgebracht. Die
Wellenaufnahme dient dabei dem Zweck, das Rad durch die Welle aufzunehmen bzw. zu umrahmen, wobei die Wellenaufnahme zweckmäßig mittig am Rad ausgebildet sein kann.
Alternativ oder zusätzlich werden die Vanadium-haltige Schicht oder die Nickel- haltige Schicht auf einen Aufnahmebund aufgebracht, der die Wellenaufnahme umgibt. In diesem Fall weist die Welle bevorzugt eine in die Wellenaufnahme des Rades einzusetzende Führung auf, wobei der Wellenverbindungsbereich im Bereich der Führung angeordnet ist.
Das Aufbringen der Vanadium-haltigen Schicht oder der Nickel-haltigen Schicht mit Hilfe des physikalischen Gasphasenabscheidens kann beliebig realisiert sein. So kann das jeweilige Target, beispielsweise ein Vanadiumtarget oder ein Nickeltarget thermisch, mit Hilfe eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls, mittels eines Lichtbogens oder durch Ionisation verdampft werden. Bevorzugt erfolgt das Verdampfen des Targets, mit Hilfe eines Sputtervorgangs, mit dem das Vanadium durch lonenbeschuss vom Target abgelöst und dementsprechend in die Gasphase gebracht wird. Das Aufbringen der Vanadium-haltigen Schicht und/oder der Nickel-haltigen Schicht mit Hilfe des PVD-Verfahrens erfolgt zweckmäßig in einer Vakuumkammer, wobei die Welle und/oder das Rad, insbesondere der Wellenverbindungsbereich und/oder der
Radverbindungsbereich, vor dem Aufbringen des Vanadiums entsprechend präpariert werden kann. Eine derartige Präparation kann beispielsweise eine Reinigung, insbesondere durch Ätzen und/oder das Aufheizen auf eine
entsprechende Temperatur beinhalten.
Entsprechendes gilt für das Aufbringen der Vanadium-haltigen Schicht oder der Nickel-haltigen Schicht auf den Radverbindungsbereich mit Hilfe des thermischen Spritzverfahrens. Dies kann wie zuvor erwähnt mit Hilfe des Spritzbrenners durch Schmelzen/Verdüsen des aufzubringenden Vanadium-haltigen oder Nickel- haltigen Materials geschehen, welches anschließend auf den
Radverbindungsbereich aufgebracht wird.
Zum Verhindern der Beschichtung bzw. zur Unterbindung des Aufbringens der Vanadium-haltige Schicht der der Nickel-haltige Schicht auf entsprechenden, unerwünschten Bereichen der Welle bzw. des Rades, insbesondere von
Bereichen außerhalb des Wellenverbindungsbereiches und/oder außerhalb des Radverbindungsbereiches, können die nicht zu beschichtenden Bereiche des Rades bzw. der Welle maskiert werden. Diese Maskierung erfolgt dabei zweckmäßig in den Bereichen, die während des physikalischen
Gasphasenabscheidens bzw. des thermischen Spritzverfahrens dem
aufzubringenden Material ausgesetzt sind.
Bevor das TiAI-Turbinenrad beschichtet wird, kann eine lokale Erwärmung mittels Induktor am Anbindungsbereich des Turbinenrades erfolgen. Die Erwärmung des Turbinenrades bzw. der Anbindungsbereich mittels Induktor sollte über 500°C betragen, um eine Verbesserung der Haftfestigkeit der anschließend
aufzubringenden Nickel- oder Vanadiumschicht zu erzeugen. Die Erwärmung des Anbindungsbereiches erfolgt unmittelbar vor dem Beschichtungsprozess. Ziel der Erwärmung ist es die Haftfestigkeit der Beschichtung auf dem Anbindungsbereich des Turbinenrades zu erhöhen.
Das Verschweißen des Wellenverbindungsbereichs und des
Radverbindungsbereichs zum Verbinden der Welle mit dem Rad kann im
Allgemeinen beliebig erfolgen. Der Wellenverbindungsbereich und der
Radverbindungsbereich können also insbesondere durch Schutzgasschweißen, Widerstandsschweißen, Unterpulververschweißen und dergleichen miteinander verschweißt werden. Insbesondere kann das Verschweißen mit Hilfe eines Reibschweißens erfolgen. Beim Reibschweißen ist dabei durch das Aufbringen der Vanadium-haltigen Schicht und/oder der Nickel-haltigen Schicht
sichergestellt, dass die Sprödphasenbildung zwischen Fe-Anteilen von der Stahlwelle mit dem TiAl verhindert oder zumindest reduziert wird. Zudem wird das Schmelzen des Rades bzw. der Welle verhindert oder zumindest reduziert.
Alternativ erfolgt das Verschweißen durch Diffusionsschweißen. Das
Diffusionsschweißen der Welle mit dem Rad hat insbesondere den Vorteil, dass eine präzise Verbindung mit einer hohen Stabilität erreicht wird. Des Weiteren kann die Haftfestigkeit der jeweiligen Schicht an den zugehörigen
Verbindungsbereich durch erhöht werden.
Eine weitere bevorzugte Variante zur Realisierung des Verschweißens ist das Elektronenstrahlschweißen. Das Elektronenstrahlschweißen bietet insbesondere den Vorteil einer schnellen Schweißverbindung und kann insbesondere unter Vakuum erfolgen.
Es versteht sich, dass die Welle und das Rad in beliebigen
Anwendungsbereichen einsetzbar sind. Insbesondere kann das Rad ein
Wellenrad einer Ladeeinrichtung, insbesondere eines Abgasturboladers, sein. Dementsprechend könnte das Wellenrad als ein Turbinenrad oder als ein Verdichterrad eines solchen Abgasturboladers ausgebildet sein.
Ferner wird darauf hingewiesen, dass die jeweilige Schicht nicht ausschließlich aus den benannten Bestandteilen bestehen muss. Es können insbesondere andere Bestandteile, beispielsweise in Form von Verunreinigungen und dergleichen, vorhanden sein. Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Anordnung einer Welle an einem Rad in
Explosionsdarstellung gemäß einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 eine räumliche Ansicht eines Rades,
Fig. 3 einen Schnitt durch eine Anordnung einer Welle an einem Rad in
Explosionsdarstellung, gemäß einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 4 einen Schnitt durch eine Anordnung einer Welle an einem Rad in
Explosionsdarstellung, gemäß einer dritten Ausführungsform.
Figur 1 zeigt eine Anordnung 1 einer Welle 2 an einem Rad 3, wobei die Welle 2 aus Stahl oder einer Nickelbasislegierung hergestellt ist, während das Rad 3 aus einer TiAI-Legierung hergestellt ist. Die Welle 2 weist an einer
Wellenaußenkontur 4 einen Wellenverbindungsbereich 5 auf, der zum Verbinden der Welle 2 mit dem Rad 3 mit einem Radverbindungsbereich 6 an einer
Radaußenkontur 7 des Rades 3 verschweißt wird. Hierbei wird vor dem
Verschweißen des Wellenverbindungsbereiches 5 mit dem
Radverbindungsbereich 6 auf den Radverbindungsbereich 6 und/oder auf den Wellenverbindungsbereich 5 zumindest bereichsweise eine Vanadium-haltige Schicht 8 oder eine Nickel-haltige Schicht 17 aufgebracht, wobei beim in der Figur 1 gezeigten Beispiel die die Vanadium-haltige Schicht 8 oder die Nickel- haltige Schicht 17 auf den Radverbindungsbereich 6 aufgebracht ist. Bei der Vanadium-haltigen Schicht 8 kann es sich hierbei um eine Vanadiumschicht 8' oder um eine Chrom-Vanadium-Schicht 8" handeln. Bei der Nickel-haltigen Schicht 17 kann es sich um eine Nickelschicht 17' oder einer
Nickelbasislegierungsschicht 17".
Das Aufbringen der jeweiligen Schicht 8, 17 erfolgt hierbei mittels eines physikalischen Gasphasenabscheidens oder eines thermischen Spritzens, insbesondere eines Kaltgasverfahrens. Beim physikalischen
Gasphasenabscheiden wird ein entsprechendes Target, beispielsweise durch Sputtern, verdampft und in die Gasphase gebracht und setzt sich anschließend auf den entsprechenden, zu beschichtenden, Bereich, also auf den
Radverbindungsbereich 6 und/oder auf den Wellenverbindungsbereich 5, ab. Hierzu kann/können die nicht zu beschichtenden Bereiche des Rades 3 bzw. der Welle 2 maskiert werden. Anschließend erfolgt besagtes Verschweißen des Wellenverbindungsbereichs 5 mit dem Radverbindungsbereich 6, wobei das Verschweißen beispielsweise in Form von Reibschweißen oder
Diffusionsschweißen oder Elektronenstrahlschweißen erfolgen kann. Dabei ist die jeweilige Schicht 8, 17 beim in der Figur 1 gezeigten Beispiel auf den gesamten Radverbindungsbereich 6 aufgebracht.
Figur 2 zeigt eine räumliche Ansicht eines als ein Turbinenrad 9 ausgebildeten Rades 3, das auf der von Turbinenschaufeln 10 abgewandten Seite besagten Radverbindungsbereich 6 aufweist, der mittig am Rad 3 angeordnet ist. Dabei ist im Radverbindungsbereich 6 des Rades 3 eine Wellenaufnahme 1 1 ausgebildet, die von einem Aufnahmebund 12 umgeben ist. Die Wellenaufnahme 1 1 dient dabei der Aufnahme der Welle 2.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die jeweilige Schicht 8, 17 auf die Wellenaufnahme 1 1 aufgebracht ist. Dabei wird die Schicht 8, 17 durch den Aufnahmebund 12 begrenzt, wobei eine Schichtdicke 13 im Bereich des
Aufnahmebundes 12 im Wesentlichen der axialen Höhe 14 des Aufnahmebundes 12 entspricht, während die Schicht 8, 17 die Wellenaufnahme 1 1 im mittigen Bereich nicht gänzlich auffüllt.
Bei der in der Figur 4 gezeigten Ausführungsform ist die Schicht 8, 17 auf den Aufnahmebund 12 des Rades 3 aufgebracht. Zudem weist die Welle 2 auf der dem Rad 3 zugewandten Seite eine Führung 15 auf, die in der Wellenaufnahme 1 1 angeordnet ist, wobei der Wellenverbindungsbereich 5 an der Außenkontur 4 der Führung 15 ausgebildet bzw. angeordnet ist.
Die Welle 2 der Anordnung 1 kann bei den gezeigten Ausführungsformen wahlweise als eine Vollwelle 16 oder als eine Hohlwelle 17 ausgestaltet sein.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Verbinden einer Welle (2) mit einem Rad (3), wobei
-die Welle (2) aus Stahl oder einer Nickelbasislegierung hergestellt ist und einen Wellenverbindungsbereich (5) an einer Wellenaußenkontur (4) der
Welle (2) aufweist,
-das Rad (3) aus einer TiAI-Legierung hergestellt ist und einen
Radverbindungsbereich (6) an einer Radaußenkontur (7) des Rades (3) aufweist,
-die Welle(2) und das Rad (3) am Wellenverbindungsbereich (5) und dem
Radverbindungsbereich (6) miteinander verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet,
-dass auf den Radverbindungsbereich (6) und/oder auf den
Wellenverbindungsbereich (5) zumindest bereichsweise eine Vanadium- haltige Schicht (8) oder eine Nickel-haltige Schicht (17) aufgebracht wird,
-dass der Wellenverbindungsbereich (5) und der Radverbindungsbereich (6) zum Verbinden der Welle (2) mit dem Rad (3) miteinander
verschweißt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Vanadium-haltige Schicht (8) eine reine Vanadiumschicht (8') oder eine Chrom-Vanadium-Schicht (8") aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Nickel-haltige Schicht (17) eine Nickelbasislegierungsschicht (17") aufgebracht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vanadium-haltige Schicht (8) oder die Nickel-haltige Schicht (17) mittels eines physikalischen Gasphasenabscheidens (PVD) aufgebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das physikalische Gasphasenabscheiden mit Hilfe eines
Sputterverfahrens erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vanadium-haltige Schicht (8) oder die Nickel-haltige Schicht (17) mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere eines
Kaltgasverfahrens, aufgebracht wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vanadium-haltige Schicht (8) oder die Nickel-haltige Schicht (17) mit einer Schichtdicke (13) von 0,4 mm bis 2 mm aufgebracht wird.
8. Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass im Radverbindungsbereich (6) eine zum Wellenverbindungsbereich (5) komplementäre Wellenaufnahme (1 1 ) ausgebildet ist, auf die die Vanadium-haltige Schicht (8) und/oder die Nickel-haltige Schicht (17) aufgebracht wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Radverbindungsbereich (6) ein die Wellenaufnahme (1 1 ) umgebender Aufnahmebund (12) ausgebildet ist, auf die die Vanadium- haltige Schicht (8) oder die Nickel-haltige Schicht (17) aufgebracht wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verschweißen mittels Elektronenstrahlschweißen realisiert wird.
1 1 . Anordnung einer Welle (2) an einem Rad (3), insbesondere einer Welle (2) an einem Turbinenrad (9), gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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