WO2015090680A1 - Turbinenläufer und verfahren zur herstellung des turbinenläufers - Google Patents

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Günter Münch
Martin Thomas
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Definitions

  • Turbine rotor and method of producing the turbine rotor The present invention relates to a turbine rotor for an exhaust gas turbine and a method for producing the Turbi ⁇ nenexrs
  • Such a turbine runner consists of a turbine wheel and a rotor shaft as a structural unit and is for example part of the running gear of an exhaust gas turbocharger and serves to convert exhaust gas energy contained in the exhaust gas of an internal combustion engine into rotational energy of the power tool and for transmission of this rotational energy to a compressor wheel connected to the turbine runner, by means of which the rotational energy is used to generate an increased pressure of the air supply of the internal combustion engine and thus to increase the performance and efficiency of the internal combustion engine.
  • a generator may be coupled to the turbine rotor, with the help of which the Rotati ⁇ ons energie is converted into electrical energy, which in turn can be used in many ways.
  • the operating principle is to use the energy contained in the exhaust gas flow to increase the pressure in the intake tract of the internal combustion engine and so on better filling of the combustion chamber with air-oxygen to be ⁇ act and thus more fuel, gasoline or diesel, to implement per combustion process, so to increase the performance of the engine.
  • An exhaust gas turbocharger has to means disposed in the exhaust system of the engine turbine with a generator driven by the Ab ⁇ gas flow turbine rotor consisting of turbine wheel and the rotor shaft and arranged in the intake compressor arranged with one on the rotor shaft, the pressure constituting compressor impeller.
  • the turbine wheel and the rotor shaft are materially connected to each other and thus form a structural unit.
  • the compressor impeller is non-rotatably mounted on the turbine runner opposite end of the rotor shaft of the turbine runner, wherein the rotor shaft is rotatably mounted in a arranged between the turbine and compressor bearing unit.
  • the turbine wheel is in operation in the hot exhaust gas stream and is thus exposed to very large temperature fluctuations, peak temperatures of more than 1000 ° C being achieved.
  • the turbine runner rotates at very high speeds of up to 300,000 min whereby the turbine impeller and in particular ⁇ sondere the turbine wheel very high mechanical stressing is exposed to the occurring high centrifugal forces U /.
  • the mass of the turbine wheel is of great importance for the dynamic response of the turbine, which precludes a massive design of the turbine wheel corresponding to the high loads.
  • the turbine wheels are therefore increasingly high-temperature metal alloys, such as titanium-aluminum alloys (TiAl alloys or titanium aluminide) or Ni-base alloys are used, which are characterized in particular by their high specific strength at high temperature and a low specific gravity.
  • high-temperature resistant alloys Metallle ⁇ is that of commonly used in turbine metals very close, which helps to avoid problems due to different thermal expansion. Intermetallic mixtures with a majority of titanium and aluminum or nickel are practically used.
  • the specific alloy compositions may well vary and also contain further constituents and are typically characterized by a titanium content of between 50 and 60% (weight fraction) and an aluminum fraction> 25% (weight fraction). Further constituents may be, for example, Cr, Nb, B, C or Mo.
  • TiAl alloys form a so-called ⁇ -TiAl phase (gamma titanium aluminide) with a tetragonal crystal structure and are referred to as gamma, duplex or Lammellare alloys depending on the proportion of other different phases.
  • Ni-base alloys are, for example, Inco 713 C, Inco 713 LC, MAR-M 246, MAR-M 247, B 1964, IN 100 or GMR-235.
  • the rotor shaft on the other hand is part of the bearing system of the turbine rotor and must be able to take a high alternating bending load ⁇ and at least in the storage area on a have sufficiently hardened outer layer to prevent seizure of the bearings. On the other hand, the rotor shaft is not exposed to the extremely high temperatures as the turbine runner.
  • materials such as steel, in particular mild steel, low-alloyed or high-alloyed tempering steel, for example 42CrMo4 (1.7225), are suitable for this application.
  • the turbine rotors are thus made from the above-mentioned components, turbine runner made of high-temperature metal alloy and rotor shaft made of steel, and must be assembled in the sequence advantageously by means of a material connection to a structural unit.
  • connection partners are held together by means of atomic or molecular forces and are non-detachable compounds which can only be broken up in a destructive way.
  • Cohesive connections in this context have so far in particular welded joints and solder joints.
  • the friction welding method known in this connection in connection with other material combinations can only be used to a limited extent.
  • the reason for this is that, when a friction welding method is employed, for example, the transformation of the steel at the time of austenite-martensite cooling causes expansion of the steel, causing residual stress, and even if the material of the turbine runner has high rigidity At room temperature, the moldability is about 1%, and therefore the wheels may break.
  • a reaction of TiAl occur with the carbon, C, in the steel, thereby forming titanium carbide at the junction interface.
  • Soldering is, in accordance with DIN 8505 "Soldering", a thermal process for material joining, whereby a liquid phase is produced by melting a solder and a bond by diffusion of the solder at the interfaces Solidus temperature of the base materials of the connection partners is not achieved.
  • a particular problem with these connecting processes consists in the fact that even at the lower temperatures the austenitic temperature of the Löttempe ⁇ will be exceeded for the rotor shaft the employed steel and takes place by a softening of the steel. This problem is all the more serious the wider the heating area around the soldered connection, possibly even into the storage areas of the floor. ferwelle in stretched. This is especially the case with the commonly used methods for heating by means of burners, induction coils or even heaters. A subsequent subsequent, costly and time-consuming post-processing and hardening of the rotor shaft is thereby unavoidable. This is disadvantageous, above all, for large-scale industrial production.
  • the present invention is therefore an object of the invention to provide a turbine rotor, consisting of a turbine runner made of a high-temperature metal alloy and an associated steel rotor shaft for an exhaust gas turbine, and a method for producing such a turbine rotor, in which the disadvantages of the aforementioned Process manufactured turbine rotors are avoided.
  • the turbine rotor according to the invention for an exhaust gas turbine has a turbine rotor consisting of a highly heat-resistant Me ⁇ talllegleiterswerkstoff and a hub base member and a rotor shaft comprising a steel material, and is characterized in that the turbine wheel of a means of an electron beam melting process in layers on a wheel platform of the hub base member applied, heat-resistant metal alloy material consists and Rotor shaft end of the rotor shaft is connected to the hub base member.
  • the turbine runner has a base body with a blade on the front side. On the opposite side of the blading the hub base member is arranged on the impeller platform of the main body and the blading of the turbine runner are constructed.
  • the hub base ⁇ component has on the side facing away from the main body of the turbine runner side on an impeller hub, which is formed for example as a concentrically arranged cylinder portion.
  • the rotor shaft is made of steel and is connected to the cylinder section of the hub base component.
  • the rotor shaft is preferably finished for later use and cured at least in the area of the later bearings.
  • the highly heat-resistant metal alloy material of the main body of the turbine runner forms a firm connection with the runner platform through the reflow process and is reliably connected to the hub base component.
  • the material of the hub base component can in turn be matched to the material of the rotor shaft, so that when using a mass production welding process, such as friction welding, for making the connection between the impeller hub of the turbine and rotor ⁇ wave, embrittlement of the material in the connection plane and a softening the rotor shaft can be avoided. This increases the overall strength and reliability of the turbine runner.
  • the high-temperature heat-resistant metal alloy material of the turbine runner is a TiAl alloy (titanium aluminide alloy) or a
  • Ni-based alloy nickel-based alloy
  • Both material groups are characterized in particular by high strength at the expected in operation high temperatures (up to 1000 ° C) at the same time as low weight.
  • the steel material of the hub base component and the rotor shaft is a low-alloyed or high-alloy tempered steel or austenitic steel.
  • the hub base member and the rotor shaft made of different steel materials. This allows a selection of the material of the hub base component, both with the high-temperature metal alloy material of the turbine runner and with the steel material of the rotor shaft and thus forms an optimized transition between the turbine impeller and rotor shaft.
  • the hub base member and a rotor shaft end of the rotor shaft are connected by a welded joint.
  • the welded connection between the hub base component and the rotor shaft end is advantageously designed as a frictional welding connection or an electron beam welding connection. Due to the good controllability of these methods through an automated implementation and thus possible
  • the hub base component and the rotor shaft of the same steel material are integrally connected to each other, thus forming a one-piece Nabenba- sis-rotor shaft component. That is hub base component and
  • Rotor shaft are made of one piece, wherein the rotor shaft at its, the turbine wheel facing rotor shaft end has an impeller platform on which the turbine wheel by means of an electron beam Aufsschmelzvons directly layer ⁇ is constructed. This saves a separate Nabenbasis- component and the additional operation of the welding between the hub base member and rotor shaft end and there is a joint so a potential vulnerability less, which has a positive effect on the manufacturing costs and stability of Tur ⁇ binen twitterrs.
  • the turbine rotor may be characterized in an advantageous embodiment in that the hub base ⁇ component or connected to the hub base component Läu ⁇ ferwellenende has a centrally arranged bore, which acts in the transition between the turbine impeller and the rotor shaft as a heat choke.
  • This special bore can be introduced, for example, as a blind hole in the rotor shaft end, which is particularly suitable in the embodiment with a one-piece hub base rotor shaft component.
  • the bore may also be formed as a through bore in the hub base member.
  • This feature reduces the heat transfer of possibly heated to over 1000 ° C turbine impeller on the rotor shaft, whereby overheating of the bearing of the rotor shaft can be effectively prevented during operation.
  • a cavity or more cavities may be formed in the impeller body of the turbine runner, which also act as a heat choke in the heat transfer between Turbi ⁇ nenertonrad and rotor shaft but have the additional advantage that the inertial flywheel of the turbine runner and Thus, the mass moment of inertia of the turbine rotor is significantly further reduced, whereby the response of the exhaust gas turbine, in which this turbine rotor is used, can be significantly improved.
  • the cavity can be located in the impeller body up to the impeller platform of the hub base. Sisbauteils extend and be closed by this.
  • the cavity may be closed ⁇ platform to the impeller by a wall of the highly heat-resistant alloy material of the turbine wheel back. It may also follow, for example, the contour of the cavity of the contour of the impeller body at a distance, whereby the impeller body is formed as a hollow body with certain, the distance corresponding wall thickness.
  • the cavity or the cavities may have almost any desired geometries, so may be arranged in the impeller body and a plurality of interconnected, for example, spherical cavities.
  • Such cavities can be formed particularly simply by using the electron beam reflow method according to the invention directly in the layered structure of the turbine runner as a virtually closed cavity. It should be noted, however, that the respective cavity has at least one opening to the outer space of the turbine runner out and a plurality of cavities between them and at least one opening to the outer space of the turbine runner is present. This is necessary in order to be able to remove after the completion of the turbine runner located in the cavities, not melted, powdered metal alloy material.
  • turbine rotor stiffening structures are formed in the cavity in the impeller body, such as flat or rod-shaped spokes, in particular ⁇ special radial spokes, or amorphous support structures. This gives the turbine runner high strength and stability with reduced moment of inertia.
  • the inventive method for producing a Turbi ⁇ nenannondrs with features as described above, is characterized by the following process steps: - Providing a hub base member made of a steel ⁇ material with an impeller platform;
  • the method of the invention has the advantage of enabling the fabrication of virtually any turbine runner geometry from a refractory metal alloy material while providing a stable, reliable connection between the turbine runner and a hub base member and between the hub base member and a steel rotor shaft.
  • the turbine wheel is built up in a layered material application, wherein in each case one layer of a pulverulent heat-resistant metal alloy material is applied to the impeller platform or a previously produced workpiece layer of a turbine wheel section already constructed on the rotor platform and with the respective substrate se ⁇ tively is merged according to the respective cross section of the desired workpiece contour by means of a controlled electron beam.
  • the first layer of the powdery refractory metal alloy material with the surface of the impeller platform, which faces the turbine wheel fused.
  • a new layered application of material with powdered high-temperature-resistant metal alloy material takes place on the previously produced layer.
  • the newly applied layer is then again melted by means of the electron beam and fused with the underlying layer.
  • the electron beam covers exactly the cross-sectional area of the
  • This method has the advantage that original, ie without subsequent Materialabtragende process, a very complex Workpiece, in this case a turbine wheel with impeller ⁇ blades, impeller body and almost freely framed
  • Cavities within the impeller body can be produced.
  • a further embodiment of the method for manufacturing a turbine rotor with turbine impeller hub base member and rotor shaft connecting the hub base member with the rotor shaft end of the rotor shaft by means of a friction ⁇ welding process or an electron beam welding process running is carried out.
  • a centrally arranged hole is generated in the hub base component or in the rotor shaft end of the rotor shaft or the impeller ⁇ platform of the combined hub base runner wave component in an additional process step. This is done in the rotor shaft end of a blind hole ⁇ bore or in the hub base member as a through hole advantageous prior to connecting the rotor shaft with the Nabenba ⁇ sisbauteil or in the case of a combined Nabenba ⁇ sis runner wave component from the layerwise building the turbine wheel as a blind bore in the impeller platform up to the the rotor shaft inside.
  • the cavity thus created in the transition between turbine runner and rotor shaft acts as a heat choke and thereby reduces the heat transfer and the maximum temperature of the rotor shaft during operation of the turbine rotor, for example in an exhaust ⁇ turbocharger.
  • Fig. 5 shows a greatly simplified means for
  • FIG. 6 A is a flow chart of the method according to the invention for producing a turbine rotor with a separate hub base component
  • Fig. 6 B is a flow diagram of the inventive method for producing a turbine rotor with combined hub base rotor shaft component
  • Fig. 7 is a flow diagram of an electron beam-reflow process for constructing a Turbi ⁇ nenterrorismrades on the platform of a wheel Nabenba- sisbauteils. Function and designation same objects are denoted by the same reference numerals in the figures.
  • FIG. 1 shows a simplified representation of a turbine rotor 1 according to the invention. This has a turbine runner 2 with a hub base member 3 and a rotor shaft
  • the turbine runner 2 is made by a Elektronenstrahl-Germanschmelzvons of a high temperature metal alloy, for example of a TiAl alloy, in a layered material application and has an impeller body 2b with a Laufradbe ⁇ shovel 2a on the front (in the figure on the left) ,
  • the layered structure of the turbine wheel 2 is shown in Figures 1 to
  • the hub base member has a wheel platform 3a, on which the turbine wheel 2 is constructed in layers, as well as a wheel hub 3b in the form of a concentrically on the back arranged (in the figure, right) of the hub base member 3 Zy ⁇ relieving portion.
  • the rotor shaft is also simplified here, for example, consists of a low-alloy or high-alloy tempered steel or austenitic steel, and has at its rotor shaft end 4a a blind hole 7, which virtually forms a cavity in the transition between impeller hub 3b and rotor shaft 4 and so as Dros ⁇ selstelle for the heat transfer from the turbine impeller 2 on the rotor shaft 4, acts as a so-called heat choke.
  • such a heat choke can also be formed by a corresponding centrally arranged through hole in the hub base member 3 (not shown). Furthermore, the rotor shaft 4 in the specific case stages, paragraphs, tapers and similar features on ⁇ wise (also not shown).
  • a welded joint 6 The connection between the impeller hub 3b of the hub base ⁇ component 3 and the rotor shaft end 4a of the rotor shaft 4 is executed in Figure 1 as a welded joint 6, in particular This may be a welded joint produced in a friction welding or an electron beam welding process, but other welded joints such as a welded joint made in the resistance welding process or the laser welding process are also possible.
  • FIG. 2 shows a specific embodiment of the turbine rotor 1 according to the invention, in which the hub base member 3 and the rotor shaft 4 combined in a common, one-piece Nabenba- sis runner wave device 3, 4 from a common steel ⁇ material, are made in particular in one piece.
  • the hub base rotor shaft component 3, 4 has at one end (in the drawing on the left) an integrally molded impeller platform 3a, on which the turbine runner 2 is constructed directly.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the turbine rotor 1 according to the invention from FIG. 2 in a partial sectional view, in which, however, the rotor body 2b has a cavity 8, whereby the mass of the turbine rotor 2 and thus also the mass moment of inertia are further reduced compared to the embodiments of FIGS ,
  • the cavity 8 is closed by a wall of the high-temperature LE gleiterstechnikstoffs of the turbine runner 2 toward the impeller ⁇ platform 3a.
  • the contour of the cavity 8 follows the contour of the impeller body 2b at a distance, whereby the impeller body 2b is formed as a hollow body with a certain, the distance corresponding wall thickness.
  • the cavity 8 further has an opening 8a to the exterior of the turbine runner 1 out to remove the remaining in the manufacturing process in the cavity 8, powdered metal alloy material after completion of the turbine runner 1.
  • Supporting and stiffening structures 9 are formed in the cavity 8 in the impeller body 2b, which are formed here, for example, as flat radial spokes.
  • a blind bore 7 may additionally be arranged in the combined hub-base rotor shaft component 3, 4, as shown in FIG. 2, as an additional heat-conducting throttle.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the turbine rotor 1 according to the invention from FIG. 2 in a partial sectional view, in which, however, the rotor body 2b has a plurality of approximately spherical cavities 8 connected to one another.
  • the cavities may, however, in principle have almost any geometry.
  • Such cavities 8 can be formed particularly simply by using the inventive electron beam melting process directly in the layered structure of the turbine runner 2 as a virtually closed cavity 8.
  • at least one opening 8a to the outer space of the turbine runner 2 out and a plurality of cavities between them is present in order to remove after completion of the turbine wheel which is still in the cavities, not melted, powdered metal alloy material.
  • amorphous support structures may be formed.
  • FIG. 5 shows a greatly simplified illustrated apparatus for performing the electron beam Aufschmelzvons for layered construction of a turbine runner 2 on an impeller platform 3a of a hub base member 3 or a hub base rotor shaft member 3, 4.
  • This device consists essentially of a process container 101 with a therein arranged on the workpiece platform 102 is a base workpiece, in this case the hub base member 3 (not shown here) or the hub base ⁇ rotor shaft component 3, 4 is fixed so that the Laufradddy 3a is at the top.
  • the illustrated turbine runner 2 is already largely constructed and lowered so far in the process vessel 101, that the last melted layered material application 108 is at the height of the upper edge of the process ⁇ container 101.
  • the process vessel 101 is filled with a powdered metal alloy material 107 in which the turbine runner 2 is embedded.
  • the pulverulent metal alloy material 107 consists of the material from which the turbine runner 2 is to be made.
  • the corresponding material is, for example, a Ti-Al alloy (titanium aluminide) or a Ni-base alloy (nickel).
  • a blade carriage 103 is arranged with squeegees 103a, which is loaded with the same powder metal alloy material 107 and on a Ra ⁇ kelschlitten Assembly 104 parallel to the working plane 101a of the process container 101 in two, by the squeegee carriage guide given directions, moved away (in the figure indicated by a double arrow) can be.
  • the layered material application 108 in the process vessel 101 is aligned with the working plane 101a, that is, the process vessel 101 filled to the exact extent and the surface of the powdered metal alloy material 107 with the squeegees 103a of the squeegee carriage 103 flat on the level the working plane 101a stripped off.
  • an electron beam source 105 with an upstream beam deflection unit 106 is arranged.
  • the beam deflecting unit can be controlled by means of a control unit 106a in such a way that the electron beam 105a on the working plane 101a is a desired one Contour or surface successively descends or sweeps and melts the top layer of the powdered metal alloy material 107 or merges with the underlying surface of a base workpiece, here the impeller platform, or a previously molten metal layer.
  • the provision of the rotor shaft 4 can also be made of a steel material having a rotor shaft end 4a in step S2.
  • steps Sl and S2 steps Sla and S2a represent the introduction of a respective bore in the Nabenbasis- components or in the rotor shaft end, to form a heat ⁇ throttle point.
  • the dashed representation indicates that either such a bore can be introduced into either the hub base member 3 or the rotor shaft end 4a or the hub base member 3 and the rotor shaft end 4a or neither the hub base member 3 nor the rotor shaft end 4a.
  • step S3 the layered structure of the turbine runner wheel 2 then takes place on the runner platform 3a of the hub base component 3 by means of an electron beam melting process.
  • An electron beam melting process is given with reference to FIG. 7.
  • step S4 the merging and the centered alignment of turbine runner 2 with hub base member 3 and the rotor shaft 4 by clamping the workpieces in a device set up for this purpose.
  • step S5 the hub base component, in particular the impeller hub 3b of the hub base component 3, is then connected to the rotor shaft end 4a of the rotor shaft 4.
  • various methods known to the person skilled in the art such as, for example, a friction welding method, an electron beam welding method, can be used Resistance welding process or a laser welding process are used.
  • step S6 the release of the finished turbine runner from the device takes place.
  • Figure 6 B shows the flow of the method for manufacturing a wind turbine rotor with a combined Nabenba- sis runner wave device 3, 4.
  • step Sl / 2 providing the hub base member 3 and the rotor shaft 4 together, since the Nabenba ⁇ sis Rotor shaft component 3, 4 is provided as a one-piece component be ⁇ .
  • step Sl / 2a which is shown in dashed lines in the flow chart, represents the introduction of a bore in the hub base member or in the rotor shaft end to form a heat-choke point.
  • the dotted line indicates that this process can also be omitted, unless a heat choke point is provided.
  • step S3 the layered structure of the turbine impeller 2 to the impeller platform 3a of the rotor shaft Nabenba- sis component 3, 4, by means of an electron beam- ⁇ reflow process then takes place.
  • step S6 the Removal of the completed turbine rotor from the pro ⁇ zess subjecter one hundred and first
  • step PI first the base component, in this case a hub base component 3 or a hub base rotor shaft component 3, 4 with its impeller platform 3a is fastened on top of the workpiece platform 102.
  • the base component in this case a hub base component 3 or a hub base rotor shaft component 3, 4 with its impeller platform 3a is fastened on top of the workpiece platform 102.
  • step P2 the workpiece platform 102 with the base component is lowered into the process container 101 so far that the impeller platform 3a is positioned precisely below the working plane 101a by the thickness of a layered material application 108 of the powdered metal alloy material 107 to be applied in layers Pro ⁇ zess livinger 101 is filled with metal powder to the work plane 101a.
  • the metal powder surface in the process container is then aligned with the working plane 101a by means of the squeegee carriage 103 and the pulverulent metal alloy material 107 therein, ie the process container is filled to the exact extent and the metal powder surface with the squeegees 103a of the squeegee carriage 103 plan at the level of the working level 101a stripped off.
  • step P4 the layered material application 108, that is to say the uppermost powder layer, is first preheated to prepare the following process step.
  • step P5 the selective melting / Ver ⁇ melt of the uppermost layer by layer material application 108 of the powdery metal alloy material 107 to the underlying workpiece surface, that the impeller platform 3a or in the sequence with an applied thereto already in a preceding layer by layer material build-up material layer then takes place. This is carried out by controlled retraction of the successive ge ⁇ desired contour or sweeping the desired cross-sectional area, having the turbine wheel to be established in this layer level, while control / regulation of the electron beam intensity.
  • step E1 it is now determined in step E1 whether the structure of the desired turbine runner 2 has been completely achieved. This can be done, for example, based on a count of the already applied material layers.
  • step P7 the workpiece platform 102 is lowered by the amount of the thickness of another layered material application 108 downwards, ie into the process container 101, and then a return occurs in the process flow to step P3 and steps P3 to El are run through again. This is so often repeated until the construction of the desired turbine runner 2 is completed.
  • step P8 following step El the finished workpiece, that is to say the turbine runner 2 constructed on the hub base part 3, or the finished turbine runner 1 is removed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbinenläufer (1) für eine Abgasturbine sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Turbinenläufers (1), wobei der Turbinenläufer (1) ein Turbinenlaufrad (2) bestehend aus einem hochwarmfesten Metalllegierungswerkstoff und ein Nabenbasisbauteil (3) sowie eine Läuferwelle (4) bestehend aus einem Stahlwerkstoff aufweist. Der Turbinenläufer (1) zeichnet sich dadurch aus, dass das Turbinenlaufrad (2) aus einem, mittels eines Elektronenstrahl-Aufschmelzverfahrens schichtweise auf einer Laufradplattform des Nabenbasisbauteils (3) aufgebrachten, hochwarmfesten Metalllegierungswerkstoff besteht und ein Läuferwellenende (4a) der Läuferwelle (4) mit dem Nabenbasisbauteil (3) verbunden ist.

Description

Beschreibung
Turbinenläufer und Verfahren zur Herstellung des Turbinenläufers Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turbinenläufer für eine Abgasturbine sowie ein Verfahren zur Herstellung des Turbi¬ nenläufers
Ein solcher Turbinenläufer besteht aus einem Turbinenrad und einer Läuferwelle als bauliche Einheit und ist zum Beispiel Teil des Laufzeugs eines Abgasturboladers und dient zur Umsetzung von im Abgas einer Verbrennungsmaschine enthaltener Abgasenergie in Rotationsenergie des Laufzeugs und zur Übertragung dieser Rotationsenergie auf ein mit dem Turbinenläufer verbundenes Verdichterrad, mit dessen Hilfe die Rotationsenergie genutzt wird zur Erzeugung eines erhöhten Druckes der Luftzufuhr der Verbrennungsmaschine und somit zur Steigerung der Leistung und Effizienz der Verbrennungsmaschine. Stattdessen kann beispielsweise auch ein Generator mit dem Turbinenläufer gekoppelt sein, mit dessen Hilfe die Rotati¬ onsenergie in elektrische Energie gewandelt wird, die wiederum vielseitig genutzt werden kann. Der derzeitige Hauptanwendungsbereich betrifft jedoch Abgasturbolader für Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, weshalb im Weiteren in der Beschreibung auf Abgasturbolader Bezug genommen wird sofern zum besseren Verständnis nützlich. Abgasturbolader werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den
C02-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen um den Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu be¬ wirken und somit mehr Treibstoff, Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umsetzen zu können, also die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen.
Ein Abgasturbolader weist dazu eine im Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnete Turbine mit einem durch den Ab¬ gasstrom angetriebenen Turbinenläufer, bestehend aus Turbinenlaufrad und Läuferwelle und einen im Ansaugtrakt angeordneten Verdichter mit einem auf der Läuferwelle angeordneten, den Druck aufbauenden Verdichterlaufrad auf. Das Turbinenlaufrad und die Läuferwelle sind Stoffschlüssig mit einander verbunden und bilden so eine bauliche Einheit. Das Verdichterlaufrad ist drehfest an dem dem Turbinenlaufrad gegenüberliegenden Ende der Läuferwelle des Turbinenläufers befestigt, wobei die Läuferwelle in einer zwischen Turbine und Verdichter angeordneten Lagereinheit drehgelagert ist. Somit wird mit Hilfe des Abgasmas¬ senstroms der Turbinenläufer und über die Läuferwelle wiederum das Verdichterlaufrad angetrieben und die Abgasenergie so zum Druckaufbau im Ansaugtrakt genutzt.
Das Turbinenrad befindet sich im Betrieb im heißen Abgasstrom und ist somit sehr großen Temperaturschwankungen ausgesetzt wobei Spitzentemperaturen bis über 1000°C erreicht werden. Gleich- zeitig rotiert der Turbinenläufer mit sehr hohen Drehzahlen von bis zu 300.000 U/min wodurch das Turbinenlaufrad und insbe¬ sondere die Turbinenradbeschaufelung sehr hohen mechanischen Beanspruchen durch die auftretenden hohen Fliehkräften ausgesetzt ist. Weiterhin ist insbesondere die Masse des Turbi- nenrades von großer Bedeutung für das dynamische Ansprechverhalten der Turbine, was einer den hohen Belastungen entsprechenden massiven Auslegung des Turbinenlaufrades entgegen steht . Bei den Turbinenlaufrädern werden deshalb vermehrt hochwarmfeste Metalllegierungen, wie zum Beispiel Titan-Aluminium-Legierungen (TiAl-Legierungen oder Titanaluminid) oder Ni-Basislegierungen eingesetzt, die sich insbesondere durch ihre hohe spezifische Festigkeit bei hoher Temperatur und ein gleichwohl niedriges spezifisches Gewicht auszeichnen. Darüber hinaus kommt der Wärmeausdehnungskoeffizient dieser hochwarmfesten Metallle¬ gierungen dem von üblicherweise im Turbinenbau verwendeten Metallen sehr nahe, was Probleme aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung zu vermeiden hilft. Praktisch eingesetzt werden intermetallische Gemische mit einem Haupanteil an Titan und Aluminium oder Nickel.
Wie beispielsweise auch aus der DE 102007 048 789 AI bekannt ist, können bei den TiAl-Legierungen die konkreten Legierungszusammensetzungen durchaus variieren und auch weitere Bestandteile enthalten und sind im typischerweise gekennzeichnet durch einen Titananteil zwischen von 50 und 60% (Gewichtsanteil ) und einem Aluminiumanteil >25% (Gewichtsanteil) . Weitere Bestandteile können beispielsweise Cr, Nb, B, Coder Mo sein. TiAl-Legierungen bilden eine sogenannte γ-TiAl-Phase (Gamma-Titanaluminid) mit tetragonaler Kristallstruktur und werden je nach Anteil an weiteren unterschiedlichen Phasen als Gamma-, Duplex- oder Lammellare Legierungen bezeichnet.
Bei den Ni-Basislegierungen handelt es sich beispielsweise um Inco 713 C, Inco 713 LC, MAR-M 246, MAR-M 247, B 1964, IN 100 oder GMR-235.
In den folgenden Ausführungen werden all diese Legierungsgefüge übergreifend unter dem Begriff „hochwarmfeste Metalllegie- rungen" zusammengefasst .
Die Läuferwelle andererseits ist ein Teil des Lagerungssystems des Turbinenläufers und muss eine hohe Wechselbiegelast auf¬ nehmen können und muss zumindest im Lagerungsbereich über eine ausreichend gehärtete Außenschicht verfügen, um ein Festfressen der Lager zu vermeiden. Andererseits ist die Läuferwelle nicht den extrem hohen Temperaturen ausgesetzt wie das Turbinenlaufrad .
Für diesen Einsatz eignen sich dem entsprechend Werkstoffe wie Stahl, insbesondere Baustahl, niedrig- oder hochlegierter Vergütungsstahl, wie zum Beispiel 42CrMo4 (1.7225) ,
X22CrMoV12-l (1.4923) oder X19CrMoNbVNll-l (1.4913) oder auch Superlegierungen wie Inconel oder Incoloy (siehe auch DE 10 2007 048 789 AI) . Diese Materialien werden in den folgenden Ausführungen einfach und übergreifend als Stahl bezeichnet.
Um die jeweiligen Vorteile der entsprechenden Materialien nutzen zu können werden die Turbinenläufer also aus den oben genannten Komponenten, Turbinenlaufrad aus hochwarmfester Metalllegierung und Läuferwelle aus Stahl, gefertigt und müssen in der Folge vorteilhaft mittels einer stoffschlüssigen Verbindung zu einer Baueinheit zusammengefügt werden.
Bei stoffschlüssigen Verbindungen werden die Verbindungspartner mittels atomarer oder molekularer Kräfte zusammengehalten und sind nicht lösbare Verbindungen, die sich nur zerstörend wieder lösen lassen. Stoffschlüssige Verbindungen sind in diesem Zusammenhang bisher insbesondere Schweißverbindungen und Lötverbindungen .
Wie zum Beispiel aus der DE 697 24 730 T2 bekannt, kann das in diesem Zusammenhang in Verbindung mit anderen Materialkombi- nationen bekannte Reibschweißverfahren nur beschränkt eingesetzt werden. Der Grund dafür ist, dass, wenn ein Reibschweißverfahren eingesetzt wird, beispielsweise die Transformation des Stahls zur Zeit der Abkühlung vom Austenit zum Martensit eine Ausdehnung des Stahles verursacht, was eine Restspannung be- wirkt, und auch wenn das Material des Turbinenlaufrads eine hohe Steifigkeit besitzt, liegt die Formbarkeit bei Raumtemperatur ungefähr bei geringen 1% und deshalb kann ein Brechen der Räder auftreten. Des Weiteren kann beispielsweise eine Reaktion von TiAI mit dem Kohlenstoff, C, im Stahl auftreten, wodurch Titancarbid an der Verbindungsschnittstelle gebildet wird. Desweiteren kann es zur Ausbildung von intermetallischen Phasen wie TiFe und TiFe2 in der Verbindungsebene kommen. Beides ist ursächlich dafür dass die Festigkeit an der Schnittstelle in kritischem Maße sinkt.
Zur Vermeidung dieser Problematik wird in der DE 697 24 730 T2 ein Lötverfahren vorgeschlagen, bei dem zwischen den beiden Verbindungspartnern Turbinenlaufrad und Läuferwelle ein Lot¬ material, das zum Beispiel ein austenitisches Gefüge aufweist eingefügt wird.
Löten ist, gemäß DIN 8505 „Löten", ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstoffen, wobei eine flüssige Phase durch Schmelzen eines Lotes und eine Verbindung durch Diffusion des Lotes an den Grenzflächen entsteht. Ein weiterer wesentlicher Unterschied zum Schweißen besteht darin, dass die Solidustemperatur der Grundwerkstoffe der Verbindungspartner dabei nicht erreicht wird.
Somit findet dieser Prozess bei niedrigeren Temperaturen statt als das Schweißen und es werden weniger Eigenspannungen in der Fügestelle erzeugt. Desweiteren kann durch die Verwendung eines entsprechenden Lotes als Zwischenmaterial zwischen den Verbindungspartnern die Ausbildung von für die Festigkeit schädlichen Gefügestrukturen verhindert werden. Als Lotmaterialien werden gemäß DE 697 24 730 T2 vorteilhaft hauptsächlich auf Nickel, Kupfer, Silber oder Titan basierte Metalllegierungen eingesetzt.
Eine spezielle Problematik bei diesen Verbindungsprozessen besteht dabei darin, dass auch bei den niedrigeren Löttempe¬ raturen die Austenittemperatur des für die Läuferwelle ein- gesetzten Stahls möglicherweise überschritten wird und dadurch eine Enthärtung des Stahls stattfindet. Diese Problematik ist umso gravierender desto breiter sich der Erwärmungsbereich um die Lötverbindung herum, ggf. bis in die Lagerbereiche der Läu- ferwelle hinein ausdehnt. Dies ist vor allem der Fall bei den üblicherweise eingesetzten Verfahren zur Erwärmung mittels Brennern, Induktionsspulen oder gar Heizöfen. Eine erneute nachträgliche, kosten- und zeitintensive Nachbearbeitung sowie Härtung der Läuferwelle wird dadurch unumgänglich. Dies ist vor Allem für eine industrielle Großserien-Fertigung von Nachteil.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Turbinenläufer, bestehend aus einem Turbinenlaufrad aus einer hochwarmfesten Metalllegierung und einer damit verbundenen Stahl-Läuferwelle, für eine Abgasturbine, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Turbinenläufers anzugeben, bei denen die Nachteile der nach den vorgenannten Verfahren hergestellten Turbinenläufern vermieden werden.
Insbesondere soll dadurch bei reduziertem Massenträgheitsmoment des Turbinenläufers die Festigkeit der Verbindung zwischen Turbinenlaufrad und Läuferwelle verbessert werden und die Härtung, insbesondere der Lagerbereiche, der Läuferwelle soll durch das Herstellverfahren unbeeinflusst bleiben und eine zusätzliche Nachbearbeitung ersparen.
Diese Aufgabe wird durch einen Turbinenläufer mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung dieses Turbinenläufers mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder, sofern es sich nicht um sich gegenseitig ausschließende Alternativen handelt, in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der erfindungsgemäße Turbinenläufer für eine Abgasturbine weist ein Turbinenlaufrad bestehend aus einem hochwarmfesten Me¬ talllegierungswerkstoff und ein Nabenbasisbauteil sowie eine Läuferwelle bestehend aus einem Stahlwerkstoff auf und zeichnet sich dadurch aus, dass das Turbinenlaufrad aus einem, mittels eines Elektronenstrahl-AufSchmelzverfahrens schichtweise auf einer Laufradplattform des Nabenbasisbauteils aufgebrachten, hochwarmfesten Metalllegierungswerkstoff besteht und ein Läuferwellenende der Läuferwelle mit dem Nabenbasisbauteil verbunden ist.
Das Turbinenlaufrad weist einen Grundkörper mit einer Be- schaufelung auf der Vorderseite auf. Auf der der Beschaufelung gegenüberliegenden Seite ist das Nabenbasisbauteil angeordnet, auf dessen Laufradplattform der Grundkörper und die Beschaufelung des Turbinenlaufrades aufgebaut sind. Das Nabenbasis¬ bauteil weist auf der dem Grundkörper des Turbinenlaufrades abgewandten Seite eine Laufradnabe auf, die beispielsweise als ein konzentrisch angeordneter Zylinderabschnittes ausgebildet ist .
Die Läuferwelle besteht aus Stahl und ist mit dem Zylinder- abschnitt des Nabenbasisbauteils verbunden. Die Läuferwelle ist dabei vorzugsweise für den späteren Einsatz fertig bearbeitet und zumindest im Bereich der späteren Lagerstellen gehärtet.
Dies hat den Vorteil, dass der hochwarmfesten Metalllegie- rungswerkstoff des Grundkörpers des Turbinenlaufrades durch das Aufschmelzverfahren eine feste Verbindung mit der Laufradplattform eingeht und zuverlässig mit dem Nabenbasisbauteil verbunden ist. Der Werkstoff des Nabenbasisbauteils kann wiederum auf den Werkstoff der Läuferwelle abgestimmt werden, so dass bei Anwendung eines massenfertigungstauglichen Schweißverfahrens, wie zum Beispiel Reibschweißen, zur Herstellung der Verbindung zwischen Laufradnabe des Turbinenrads und Läufer¬ welle, eine Versprödung des Werkstoffes in der Verbindungsebene und eine Enthärtung der Läuferwelle vermieden werden können. Dadurch werden die Festigkeit und die Zuverlässigkeit des Turbinenläufers insgesamt erhöht.
In vorteilhafter Ausführung des Turbinenläufers ist der hoch- warmfeste Metalllegierungswerkstoff des Turbinenlaufrads eine TiAl-Legierung (Titanaluminid-Legierung) oder eine
Ni-Basis-Legierung (Nickel-Basis-Legierung) . Beide Werkstoffgruppen zeichnen sich insbesondere durch hohe Festigkeit bei den im Betrieb zu erwartenden hohen Temperaturen (bis über 1000°C)bei gleichzeitig niedrigem Gewicht aus. In vorteilhafter Kombination dazu ist der Stahlwerkstoff des Nabenbasisbauteils und der Läuferwelle ein niedriglegierter oder hochlegierter Vergütungsstahl oder ein austenitischer Stahl.
Dadurch sind die Materialeigenschaften von Turbinenlaufrad, Nabenbasisbauteil und Läuferwelle für den jeweiligen Belas¬ tungsfall besonders gut abgestimmt.
In einer weiteren Ausführung bestehen das Nabenbasisbauteil und die Läuferwelle aus verschiedenen Stahlwerkstoffen. Dies ermöglicht eine Auswahl des Werkstoffes des Nabenbasisbauteils, der sowohl mit dem hochwarmfesten Metalllegierungswerkstoff des Turbinenlaufrads als auch mit dem Stahlwerkstoff der Läuferwelle und bildet so einen optimierten Übergang zwischen Turbinen- laufrad und Läuferwelle.
Bei der oben genannten Kombination von Turbinenlaufrad, Nabenbasisbauteil und Läuferwelle ist in vorteilhafter Weise das Nabenbasisbauteil und ein Läuferwellenende der Läuferwelle mittels einer Schweißverbindung verbunden.
Die Schweißverbindung zwischen Nabenbasisbauteil und Läuferwellenende ist in vorteilhafter Weise als eine Reib-Schweiß- verbindung oder eine Elektronenstrahl-Schweißverbindung aus- geführt. Durch die gute Beherrschbarkeit dieser Verfahren durch eine automatisierte Durchführung und die somit mögliche
Überwachung, Steuerung und Regelung der Verfahrensparameter ergibt sich eine gute Eignung für die Großserienproduktion bei gleichbleibend hoher Qualität der Verbindung.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Turbinenläufers bestehen das Nabenbasisbauteil und die Läuferwelle aus dem gleichen Stahlwerkstoff und sind einstückig miteinander verbunden, bilden also ein einstückiges Nabenba- sis-Läuferwellen-Bauteil . Das heißt Nabenbasisbauteil und
Läuferwelle sind aus einem Stück gefertigt, wobei die Läuferwelle an ihrem, dem Turbinenlaufrad zugewandten Läuferwellenende eine Laufradplattform aufweist, auf der das Turbinenlaufrad mittels eines Elektronenstrahl-AufSchmelzverfahrens direkt schicht¬ weise aufgebaut ist. Dies erspart ein separates Nabenbasis- bauteil und den zusätzlichen Arbeitsgang des Verschweißens zwischen Nabenbasisbauteil und Läuferwellenende und es gibt eine Verbindungsstelle also eine potentielle Schwachstelle weniger, was sich auf die Herstellkosten und die Stabilität des Tur¬ binenläufers positiv auswirkt.
Zusätzlich kann der Turbinenläufer in einer vorteilhaften Ausführung dadurch gekennzeichnet sein, dass das Nabenbasis¬ bauteil oder das mit dem Nabenbasisbauteil verbundene Läu¬ ferwellenende eine zentrisch angeordnete Bohrung aufweist, die im Übergang zwischen Turbinenlaufrad und Läuferwelle als Wärmedrossel wirkt.
Diese spezielle Bohrung kann beispielsweise als Sacklochbohrung in das Läuferwellenende eingebracht werden, was insbesondere auch bei der Ausführung mit einem einstückigen Nabenbasis-Läuferwellen-Bauteil geeignet ist. Bei der Ausführung mit einem separaten Nabenbasisbauteil kann die Bohrung auch als Durchgangsbohrung in dem Nabenbasisbauteil ausgebildet sein.
Dieses Merkmal reduziert den Wärmeübergang des ggf. auf über 1000°C erhitzten Turbinenlaufrads auf die Läuferwelle, wodurch eine Überhitzung der Lagerung der Läuferwelle im Betrieb wirkungsvoll verhindert werden kann.
In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Turbinenläufers können in dem Laufradkörper des Turbinenlaufrades ein Hohlraum oder mehrere Hohlräume ausgebildet sein, der bzw. die ebenfalls als Wärmedrossel im Wärmeübergang zwischen Turbi¬ nenlaufrad und Läuferwelle wirken aber den zusätzlichen Vorteil aufweisen, dass die träge Schwungmasse des Turbinenlaufrades und somit das Massenträgheitsmoment des Turbinenläufers signifikant weiter reduziert ist, wodurch das Ansprechverhalten der Ab- gasturbine, in der dieser Turbinenläufer eingesetzt wird, wesentlich verbessert werden kann. Der Hohlraum kann sich dabei im Laufradkörper bis hin zur Laufradplattform des Nabenba- sisbauteils erstrecken und von diesem geschlossen sein. Der Hohlraum kann aber auch durch eine Wandung des hochwarmfesten Legierungswerkstoffs des Turbinenlaufrades hin zur Laufrad¬ plattform geschlossen sein. Es kann auch zum Beispiel die Kontur des Hohlraumes der Kontur des Laufradkörpers in einem Abstand folgen, wodurch der Laufradkörper als einen Hohlkörper mit bestimmter, dem Abstand entsprechenden Wandstärke ausgebildet ist. Der Hohlraum oder die Hohlräume können nahezu beliebige Geometrien aufweisen, so können im Laufradkörper auch mehrerer, miteinander verbunden, zum Beispiel kugelförmige Hohlräume angeordnet sein.
Solche Hohlräume können erst durch Einsatz des Erfindungsgemäßen Elektronenstrahl-Aufschmelzverfahren direkt beim schichtweisen Aufbau des Turbinenlaufrades besonders einfach auch als nahezu geschlossener Hohlraum ausgebildet werden. Dabei ist jedoch zu beachten, dass der jeweilige Hohlraum zumindest eine Öffnung zum Außenraum des Turbinenlaufrades hin aufweist und bei mehreren Hohlräumen eine Verbindung zwischen diesen und zumindest auch eine Öffnung zum Außenraum des Turbinenlaufrades vorhanden ist. Dies ist erforderlich um nach Fertigstellung des Turbinenlaufrades den noch in den Hohlräumen befindlichen, nicht aufgeschmolzenen, pulverförmigen Metalllegierungswerkstoff entfernen zu können.
In einer weiteren Ausgestaltung des Turbinenläufers sind in dem Hohlraum im Laufradkörper Versteifungsstrukturen ausgebildet, wie zum Beispiel flächige oder stabförmige Speichen, insbe¬ sondere Radialspeichen, oder auch amorphe Stützstrukturen. Dies verleiht dem Turbinenlaufrad bei reduziertem Trägheitsmoment hohe Festigkeit und Stabilität.
Zusätzliche spanabhebende Arbeitsschritte sind zur Erzeugung des Hohlraumes oder der Hohlräume nicht erforderlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Turbi¬ nenläufers mit Merkmalen wie oben beschrieben, ist gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: - Bereitstellen eines Nabenbasisbauteils aus einem Stahl¬ werkstoff mit einer Laufradplattform;
- Bereitstellen einer Läuferwelle aus einem Stahlwerkstoff;
- schichtweises Aufbauen des Turbinenrades auf die Laufrad- plattform mittels eines Elektronenstrahl-AufSchmelzverfahrens unter Verwendung eines pulverförmigen hochwarmfesten Metalllegierungswerkstoffs ;
- Zusammenführen und zentriertes Ausrichten von Turbinenlaufrad mit Nabenbasisbauteil und Läuferwelle durch Aufspannen der Werkstücke in einer dafür eingerichteten Vorrichtung;
- Verbinden eines Läuferwellenendes der Läuferwelle mit dem Nabenbasisbauteil ,
- Freigabe des Turbinenläufers aus der Vorrichtung. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es die Herstellung nahezu beliebiger Turbinenlaufradgeometrien aus einem hochwarmfesten Metalllegierungswerkstoff ermöglicht und gleichzeitig eine stabile, zuverlässige Verbindung zwischen dem Turbinenlaufrad und einem Nabenbasisbauteil und zwischen dem Nabenbasisbauteil und einer Stahl-Läuferwelle ermöglicht.
Eine besonders vorteilhaften Ausprägung des Verfahrens zur Herstellung eines Turbinenläufers ist gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
- Bereitstellen eines Nabenbasis-Läuferwellen-Bauteils aus einem Stahlwerkstoff mit einer Laufradplattform;
- schichtweises Aufbauen des Turbinenrades auf die Laufrad¬ plattform mittels eines Elektronenstrahl-AufSchmelzverfahrens unter Verwendung eines pulverförmigen hochwarmfesten Metall- legierungswerkstoffs . Bei dieser Ausprägung des Verfahrens wird auf die Bereitstellung eines separaten Nabenbasisbauteils verzichtet und stattdessen ein kombiniertes Nabenba¬ sis-Läuferwellen-Bauteil bereitgestellt, das an einem Läu¬ ferwellenende eine Laufradplattform aufweist, auf die das Turbinenlaufrad mittels des Elektronenstrahl-Aufschmelzver- fahrens direkt aufgebaut wird. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzliche Verbindung zwischen Läuferwelle und Nabenbasisbauteil erforderlich ist . Dadurch wird die Teileanzahl und die Anzahl der Fertigungs- und Montage¬ schritte und somit die Kosten signifikant reduziert sowie eine mögliche Verbindungs-Schwachstelle eliminiert wodurch die Zuverlässigkeit des Turbinenläufers verbessert wird.
In weiterer Ausführung des Verfahrens zur Herstellung eines Turbinenläufers, erfolgt das Aufbauen des Turbinenrades in einem schichtweisen Materialauftrag, wobei jeweils eine Schicht eines pulverförmigen hochwarmfesten Metalllegierungswerkstoffs auf die Laufradplattform oder eine zuvor erzeugte Werkstückschicht eines auf der Laufradplattform bereits aufgebauten Turbinenlaufradabschnitts aufgebracht wird und mit dem jeweiligen Untergrund mit Hilfe eines gesteuerten Elektronenstrahls se¬ lektiv entsprechend des jeweiligen Querschnitts der gewünschten Werkstückkontur verschmolzen wird. Dabei wird die erste Schicht des pulverförmigen hochwarmfesten Metalllegierungswerkstoffs mit der Oberfläche der Laufradplattform, die dem Turbinenlaufrad zugewandt ist, verschmolzen. Nach der Verfestigung dieser ersten Schicht erfolgt ein erneuter schichtweiser Materialauftrag mit pulverförmigem hochwarmfesten Metalllegierungswerkstoffs auf die zuvor erzeugte Schicht. Die neu aufgetragene Schicht wird nun wiederum mittels des Elektronenstrahls aufgeschmolzen und mit der darunter liegenden Schicht verschmolzen. Dabei überstreicht der Elektronenstrahl genau die Querschnittsfläche des
schichtweisen Materialaufträges , die der vorgegebenen Werkstückkontur in dieser Werkstückschicht entspricht. In weiterer Fortführung des zuvor beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines Turbinenläufers wird der schichtweise Ma¬ terialauftrag und das selektive Verschmelzen des pulverförmigen hochwarmfesten Metalllegierungswerkstoffs in einzelnen
Schichten so oft wiederholt, bis das Turbinenlaufrad vollständig aufgebaut ist.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass urformend, also ohne nachträgliche Materialabtragende Verfahren, ein sehr komplexes Werkstück, in diesem Fall ein Turbinenlaufrad mit Laufrad¬ schaufeln, Laufradkörper sowie nahezu frei gestaltbaren
Hohlräumen innerhalb des Laufradkörpers hergestellt werden kann. In einer weiteren Ausführung des Verfahrens zur Herstellung eines Turbinenläufers mit Turbinenlaufrad, Nabenbasisbauteil und Läuferwelle, erfolgt das Verbinden des Nabenbasisbauteils mit dem Läuferwellenende der Läuferwelle mittels eines Reib¬ schweißverfahrens oder eines Elektronenstrahl-Schweißver- fahrens . Dies hat den Vorteil, dass mittels dieser bekannten, gut beherrschbaren und automatisierbaren Schweißverfahren besonders zuverlässige Verbindungen zwischen Läuferwelle und Nabenba¬ sisbauteil auch in Großserienfertigung erstellt werden können. In einer weiteren Ausführung des Verfahren zur Herstellung eines Turbinenläufers wird in einem zusätzlichen Verfahrensschritt eine zentrisch angeordnete Bohrung in dem Nabenbasisbauteil oder in dem Läuferwellenende der Läuferwelle oder in der Laufrad¬ plattform des kombinierten Nabenbasis-Läuferwellen-Bauteils erzeugt. Dies erfolgt in dem Läuferwellenende als Sackloch¬ bohrung oder im Nabenbasisbauteil als Durchgangsbohrung vorteilhaft vor dem Verbinden der Läuferwelle mit dem Nabenba¬ sisbauteil oder im Falle eines kombinierten Nabenba¬ sis-Läuferwellen-Bauteils vor dem schichtweisen Aufbauen des Turbinenlaufrades als Sacklochbohrung in die Laufradplattform bis in die Läuferwelle hinein.
Der so im Übergang zwischen Turbinenlaufrad und Läuferwelle erzeugte Hohlraum wirkt als Wärmedrossel und reduziert dadurch die Wärmeübertragung und die Maximaltemperatur der Läuferwelle im Betrieb des Turbinenläufers zum Beispiel in einem Abgas¬ turbolader .
In einer weiteren Ausführung des Verfahrens zur Herstellung eines Turbinenläufers ist die hochwarmfeste Metalllegierung des
Turbinenlaufrads eine TiAl-Legierung oder eine Ni-Basis-Le- gierung und ist der Stahl der Läuferwelle und des Nabenba¬ sisbauteils oder des kombinierten Nabenbasis-Läuferwel- len-Bauteils ein niedriglegierter oder hochlegierter Vergütungsstahl oder ein austenitischer Stahl. Dies gewährleistet eine optimierte Abstimmung der Werkstoffeigenschaften auf die am Turbinenläufer auftretenden sehr unterschiedlichen Belas- tungsfälle.
Die speziellen Merkmale der einzelnen dargestellten Ausführungen des Turbinenläufers und die Verfahrensmerkmale des Verfahrens zur Herstellung des Turbinenläufers sind, soweit sie sich nicht explizit gegenseitig ausschließen auch miteinander kombi¬ nierbar, wodurch sich weitere, nicht explizit dargestellte Ausführungen des Turbinenläufers und des Verfahrens ergeben können .
Ein paar konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung werden Folgenden anhand der Darstellungen in der Zeichnung näher erläutert .
Es zeigen:
Fig. 1 bis Fig. 4
jeweils eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Turbinenläufers in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung;
Fig. 5 eine stark vereinfacht dargestellte Einrichtung zur
Durchführung des Aufbringens der Verbindungswerkstofflage mittels eines Elektronenstrahl-Aufschmelz- verfahrens ;
Fig. 6 A) ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Turbinenläufers mit separatem Nabenbasisbauteil ;
Fig. 6 B) ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Turbinenläufers mit kombiniertem Nabenbasis-Läuferwellen-Bauteil und
Fig. 7 ein Ablaufdiagramm eines Elektronen- strahl-AufSchmelzverfahrens zum Aufbauen eine Turbi¬ nenlaufrades auf die Laufradplattform eines Nabenba- sisbauteils . Funktions- und Benennungsgleiche Gegenstände sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Turbinenläufer 1 in vereinfachter Darstellung gezeigt. Dieser weist ein Turbinenlaufrad 2 mit einem Nabenbasisbauteil 3 und eine Läuferwelle
4 mit einem Läuferwellenende 4a auf. Das Turbinenlaufrad 2 ist mittels eines Elektronenstrahl-AufSchmelzverfahrens aus einer hochwarmfesten Metalllegierung, zum Beispiel aus einer Ti- AI-Legierung, in einem schichtweisen Materialauftrag hergestellt und weist einen Laufradkörper 2b mit einer Laufradbe¬ schaufelung 2a auf der Vorderseite (in der Figur links) auf. Der schichtweise Aufbau des Turbinenrads 2 ist in den Figuren 1 bis
5 durch gestrichelte Linien quer zur Turbinenläuferachse la symbolisch dargestellt.
Das Nabenbasisbauteil weist eine Laufradplattform 3a, auf der das Turbinenlaufrad 2 schichtweise aufgebaut ist, sowie eine Laufradnabe 3b in Form eines konzentrisch auf der Rückseite (in der Figur rechts) des Nabenbasisbauteils 3 angeordneten Zy¬ linderabschnittes auf. Die Läuferwelle ist hier ebenfalls vereinfacht dargestellt, besteht beispielsweise aus einem niedriglegierten oder hochlegierten Vergütungsstahl oder einem austenitischen Stahl, und weist an ihrem Läuferwellenende 4a eine Sacklochbohrung 7 auf, die quasi im Übergang zwischen Laufradnabe 3b und Läuferwelle 4 einen Hohlraum bildet und so als Dros¬ selstelle für den Wärmeübergang vom Turbinenlaufrad 2 auf die Läuferwelle 4, als sogenannte Wärmedrossel wirkt. In alter¬ nativen Ausführungen des Turbinenläufers 1 kann eine solche Wärmedrossel auch durch eine entsprechende zentrisch angeordnete Durchgangsbohrung in dem Nabenbasisbauteil 3 (nicht dargestellt) gebildet werden. Weiterhin kann die Läuferwelle 4 im konkreten Fall Stufen, Absätze, Verjüngungen und ähnlich Merkmale auf¬ weisen (ebenfalls nicht dargestellt) .
Die Verbindung zwischen der Laufradnabe 3b des Nabenbasis¬ bauteils 3 und dem Läuferwellenende 4a der Läuferwelle 4 ist in Figur 1 als Schweißverbindung 6 ausgeführt, insbesondere kann dies eine in einem Reibschweißverfahren oder einem Elektronenstrahl-Schweißverfahren erzeugte Schweißverbindung sein, aber auch andere Schweißverbindungen wie eine im Wieder- stands-Schweißverfahren oder im Laser-Schweißverfahren her- gestellte Schweißverbindung sind möglich.
Figur 2 zeigt eine spezielle Ausführung des erfindungsgemäßen Turbinenläufers 1, bei der das Nabenbasisbauteil 3 und die Läuferwelle 4 in einem gemeinsamen, einstückigen Nabenba- sis-Läuferwellen-Bauteil 3, 4 aus einem gemeinsamen Stahl¬ werkstoff zusammengefasst , insbesondere in einem Stück gefertigt sind. Das Nabenbasis-Läuferwellen-Bauteil 3, 4 weist an einem Ende (in der Zeichnung links) eine einstückig angeformte Laufradplattform 3a auf, auf der das Turbinenlaufrad 2 direkt aufgebaut ist. Auch bei dieser Ausführung ist eine Wärmedrossel im Schaft des Nabenbasis-Läuferwellen-Bauteil 3, 4 in Form einer Sacklochbohrung 7, die sich durch die Laufradplattform 3a in das Läuferwellenende 4a hineinerstreckt. Was die übrigen Merkmale des Turbinenläufers 1 in Figur 2 betrifft, so stimmen diese mit denen des Turbinenläufers 1 aus Figur 1 überein.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Turbinenläufers 1 aus Figur 2 in einer Teilschnittdarstellung, bei der der Laufradkörper 2b jedoch einen Hohlraum 8 aufweist, wodurch die Masse des Turbinenlaufrades 2 und somit auch das Massenträgheitsmoment gegenüber den Ausführungen aus Figur 1 und 2 weiter reduziert ist.
Der Hohlraum 8 ist durch eine Wandung des hochwarmfesten Le- gierungswerkstoffs des Turbinenlaufrades 2 hin zur Laufrad¬ plattform 3a geschlossen. Die Kontur des Hohlraumes 8 folgt der Kontur des Laufradkörpers 2b in einem Abstand, wodurch der Laufradkörper 2b als einen Hohlkörper mit bestimmter, dem Abstand entsprechenden Wandstärke ausgebildet ist. Der Hohlraum 8 weist weiterhin eine Öffnung 8a zum Außenraum des Turbinenlaufrades 1 hin auf, um nach Fertigstellung des Turbinenlaufrades 1 den im Herstellprozess im Hohlraum 8 verbliebenen, pulverförmigen Metalllegierungswerkstoff entfernen zu können. Weiterhin sind in dem Hohlraum 8 im Laufradkörper 2b Stütz- und Versteifungsstrukturen 9 ausgebildet, die hier zum Beispiel als flächige Radialspeichen ausgebildet sind. Was die übrigen Merkmale des Turbinenläufers 1 in Figur 3 betrifft, so stimmen diese mit denen des Turbinenläufers 1 aus Figur 1 oder Figur 2 überein. Insbesondere kann beispielsweise zusätzlich eine Sacklochbohrung 7 (in Fig. 3 nicht dargestellt) in dem kombinierten Nabenbasis-Läuferwellen-Bauteil 3, 4, wie in der Darstellung in Figur 2 gezeigt, als zusätzliche Wärmedrossel angeordnet sein.
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Turbinenläufers 1 aus Figur 2 in einer Teilschnittdarstellung, bei der der Laufradkörper 2b jedoch mehrere miteinander verbunden näherungsweise kugelförmige Hohlräume 8 aufweist. Die Hohlräume können jedoch prinzipiell nahezu beliebige Geometrien aufweisen.
Solche Hohlräume 8 können erst durch Einsatz des Erfindungs- gemäßen Elektronenstrahl-Aufschmelzverfahren direkt beim schichtweisen Aufbau des Turbinenlaufrades 2 besonders einfach auch als nahezu geschlossener Hohlraum 8 ausgebildet werden. Auch dabei ist jedoch zu beachten, dass zumindest eine Öffnung 8a zum Außenraum des Turbinenlaufrades 2 hin und bei mehreren Hohlräumen eine Verbindung zwischen diesen vorhanden ist, um nach Fertigstellung des Turbinenlaufrades den noch in den Hohlräumen befindlichen, nicht aufgeschmolzenen, pulverförmigen Metalllegierungswerkstoff entfernen zu können. So können insbesondere auch amorphe Stützstrukturen ausgebildet sein .
Figur 5 zeigt eine stark vereinfacht dargestellte Einrichtung zur Durchführung des Elektronenstrahl-AufSchmelzverfahrens zum schichtweisen Aufbau eines Turbinenlaufrades 2 auf einer Laufradplattform 3a eines Nabenbasisbauteils 3 oder eines Nabenbasis-Läuferwelle-Bauteils 3, 4. Diese Einrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Prozessbehälter 101 mit einer darin angeordneten absenkbaren Werkstückplattform 102. Auf der Werkstückplattform 102 ist ein Basiswerkstück, in diesem Fall das Nabenbasisbauteil 3 (hier nicht dargestellt) oder das Naben¬ basis-Läuferwelle-Bauteil 3, 4 so befestigt, dass die Lauf- radplattform 3a oben liegt. Das gezeigte Turbinenlaufrad 2 ist bereits weitgehend aufgebaut und so weit im Prozessbehälter 101 abgesenkt, dass sich der zuletzt aufgeschmolzene schichtweise Materialauftrag 108 auf der Höhe der Oberkante des Prozess¬ behälters 101 befindet. Der Prozessbehälter 101 ist mit einem pulverförmigen Metalllegierungswerkstoff 107 angefüllt, in dem das Turbinenlaufrad 2 eingebettet ist. Der pulverförmigen Metalllegierungswerkstoff 107 besteht dabei aus demjenigen Material aus dem das Turbinenlaufrad 2 bestehen soll. In diesem Fall ist der entsprechende Werkstoff zum Beispiel eine Ti- AI-Legierung (Titan-Aluminid) oder eine Ni-Basis-Legierung (Nickel) .
Oberhalb der durch die Oberkannte des Prozessbehälters 101 gebildeten Arbeitsebene 101a ist ein Rakelschlitten 103 mit Rakeln 103a angeordnet, der mit dem gleichen pulverförmigen Metalllegierungswerkstoff 107 beladen ist und auf einer Ra¬ kelschlittenführung 104 parallel zur Arbeitsebene 101a über den Prozessbehälter 101 in beiden, durch die Rakelschlittenführung vorgegebenen Richtungen, hinwegbewegt (in der Figur durch einen Doppelpfeil angedeutet) werden kann. Dabei wird mittels des im Rakelschlitten 103 befindlichen pulverförmigen Metalllegierungswerkstoff 107 der schichtweise Materialauftrag 108 im Prozessbehälter 101 mit der Arbeitsebene 101a abgeglichen, also der Prozessbehälter 101 genau soweit aufgefüllt, und die Oberfläche des pulverförmigen Metalllegierungswerkstoffs 107 mit den Rakeln 103a des Rakelschlittens 103 plan auf dem Niveau der Arbeitsebene 101a abgestrichen.
Weiter oberhalb der Arbeitsebene 101a des Prozessbehälters 101 ist eine Elektronenstrahlquelle 105 mit einer vorgeschalteten Strahlablenkeinheit 106 angeordnet. Die Strahlablenkeinheit ist mittels einer Steuereinheit 106a so ansteuerbar, dass der Elektronenstrahl 105a auf der Arbeitsebene 101a eine gewünschte Kontur oder Fläche sukzessive abfährt bzw. überstreicht und dabei die oberste Lage des pulverförmigen Metalllegierungswerkstoffs 107 aufschmilzt bzw. mit der darunter liegenden Fläche eines Basiswerkstückes, hier der Laufradplattform, oder einer zuvor aufgeschmolzenen Metallschicht verschmilzt.
Der Ablauf des Verfahrens zur Herstellung eines Turbinenläufers mit dem oben beschriebenen Aufbau aus Turbinenlaufrad, Na- benbasisbauteil und Läuferwelle erfolgt in mehreren Prozess- schritten, die in Figur 6 A) anhand eines einfachen Ablaufdiagramms dargestellt sind.
Zu Beginn des Verfahren steht die Bereitstellung eines eine Laufradplattform 3a aufweisenden Nabenbasisbauteils 3 aus einem Stahlwerkstoff was im Ablaufdiagramm durch Schritt Sl darge¬ stellt ist.
Parallel zu Schritt Sl kann im Schritt S2 die Bereitstellung der Läuferwelle 4 ebenfalls aus einem Stahlwerkstoff erfolgen, die ein Läuferwellenende 4a aufweist.
Die an die Schritte Sl und S2 anschließenden Schritte Sla bzw. S2a, die im Ablaufdiagramm gestrichelt dargestellt sind, stellen das Einbringen einer jeweiligen Bohrung in das Nabenbasis- bauteile bzw. in das Läuferwellenende dar, um eine Wärme¬ drosselstelle auszubilden. Die gestrichelte Darstellung deutet darauf hin, dass entweder in das Nabenbasisbauteil 3 oder in das Läuferwellenende 4a oder in das Nabenbasisbauteil 3 und in das Läuferwellenende 4a oder auch weder in das Nabenbasisbauteil 3 noch in das Läuferwellenende 4a eine solche Bohrung eingebracht werden kann.
In dem auf den Schritt Sl und ggf. Sla folgenden Schritt S3 erfolgt dann der schichtweise Aufbau des Turbinenlaufrades 2 auf die Laufradplattform 3a des Nabenbasisbauteils 3 mittels eines Elektronenstrahl-Aufschmelzverfahrens . Eine detailliertere Darstellung des Elektronenstrahl-Aufschmelzverfahrens erfolgt anhand von Figur 7. Folgend auf die Schritte S3 und S2 (S2a) erfolgt in Schritt S4 das Zusammenführen und das zentrierte Ausrichten von Turbinenlaufrad 2 mit Nabenbasisbauteil 3 und der Läuferwelle 4 durch Aufspannen der Werkstücke in einer dafür eingerichteten Vor- richtung.
In Schritt S5 erfolgt dann das Verbinden des Nabenbasisbauteils, insbesondere der Laufradnabe 3b des Nabenbasisbauteils 3 mit dem Läuferwellenende 4a der Läuferwelle 4. Hierzu können ver- schiedene, dem Fachmann bekannte Verfahren, wie zum Beispiel ein Reib-Schweißverfahren, ein Elektronenstrahl-Schweißverfahren, ein Wiederstands-Schweißverfahren oder ein Laser-Schweißverfahren, zum Einsatz kommen. Im Anschluss an den Schritt S5 erfolgt im Schritt S6 die Freigabe des fertiggestellten Turbinenläufers aus der Vorrichtung.
Figur 6 B) zeigt den Ablauf des Verfahrens zur Herstellung eines Turbinenläufers mit einem kombinierten Nabenba- sis-Läuferwellen-Bauteil 3, 4. Hier sind im Verfahrensschritt Sl/2 die Bereitstellung des Nabenbasisbauteils 3 und der Läuferwelle 4 zusammengefasst , da das Nabenba¬ sis-Läuferwellen-Bauteil 3, 4 als einstückiges Bauteil be¬ reitgestellt wird.
Der Schritt Sl/2a, der im Ablaufdiagramm gestrichelt dargestellt ist, stellt das Einbringen einer Bohrung in das Nabenbasisbauteil bzw. in das Läuferwellenende dar, um eine Wärmedrosselstelle auszubilden. Die gestrichelte Darstellung deutet darauf hin, dass dieser Vorgang auch entfallen kann, sofern eine Wärmedrosselstelle nicht vorgesehen ist.
Im folgenden Schritt S3 erfolgt dann der schichtweise Aufbau des Turbinenlaufrades 2 auf die Laufradplattform 3a des Nabenba- sis-Läuferwelle-Bauteils 3, 4, mittels eines Elektronen¬ strahl-Aufschmelzverfahrens. Eine detailliertere Darstellung des Elektronenstrahl-AufSchmelzverfahrens erfolgt anhand von Figur 7. Im Anschluss an den Schritt S3 erfolgt im Schritt S6 die Entnahme des fertiggestellten Turbinenläufers aus dem Pro¬ zessbehälter 101.
Mit Hilfe des Ablaufdiagramms in Figur 7 wird nun unter Bezugnahme auf die Vorrichtung in Figur 5 der Ablauf des Elektronenstrahl-Aufschmelzverfahrens zum Aufbau des Turbinenlaufrades 2 auf die Laufradplattform 3a eines Nabenbasisbauteils 3 oder eines Nabenbasis-Läuferwelle-Bauteils 3, 4 , gemäß Schritt S3 der zuvor erläuterten Verfahren, näher erläutert.
In Schritt PI wird zunächst das Basisbauteil, hier ein Na- benbasisbauteil 3 bzw. ein Nabenbasis-Läuferwelle-Bauteil 3, 4 mit seiner Laufradplattform 3a nach oben auf der Werkstückplattform 102 befestigt.
Anschließend wird dann in Schritt P2 die Werkstückplattform 102 mit dem Basisbauteil so weit in den Prozessbehälter 101 ab¬ gesenkt, dass die Laufradplattform 3a genau um die Dicke eines schichtweisen Materialauftrags 108 des schichtweise aufzu- tragenden pulverförmigen Metalllegierungswerkstoffs 107, unterhalb der Arbeitsebene 101a positioniert ist und der Pro¬ zessbehälter 101 wird mit Metallpulver bis auf die Arbeitsebene 101a aufgefüllt. In dem daran anschließenden Schritt P3 wird dann mittels des Rakelschlittens 103 und des darin befindlichen pulverförmigen Metalllegierungswerkstoffs 107 die Metallpulver-Oberfläche im Prozessbehälter mit der Arbeitsebene 101a abgeglichen, also der Prozessbehälter genau soweit aufgefüllt und die Metallpul- ver-Oberfläche mit den Rakeln 103a des Rakelschlittens 103 plan auf dem Niveau der Arbeitsebene 101a abgestrichen. Dadurch entsteht auch auf der Laufradplattform 3a des Basisteils ein schichtweiser Materialauftrag 108 mit pulverförmigen Metall¬ legierungswerkstoffs 107.
Im folgenden Schritt P4 wird nun der schichtweise Materialauftrag 108, also die oberste Pulverschicht zunächst vorgewärmt zur Vorbereitung des folgenden Prozessschrittes. Im Schritt P5 erfolgt dann das selektive Aufschmelzen/Ver¬ schmelzen des obersten schichtweise Materialauftrags 108 des pulverförmigen Metalllegierungswerkstoffs 107 mit der darunter liegenden Werkstückfläche, also der Laufradplattform 3a oder in der Folge mit einer darauf bereits in einem vorhergehenden schichtweisen Materialauftrag aufgebrachten WerkstoffSchicht . Dies erfolgt durch gesteuertes sukzessives Abfahren der ge¬ wünschten Kontur bzw. Überstreichen der gewünschten Querschnittsfläche, die das aufzubauende Turbinenlaufrad in dieser Schichtebene aufweist, bei gleichzeitiger Steuerung/Regelung der Elektronenstrahlintensität .
Im darauffolgenden Schritt P6 kühlt nun der nunmehr mit der darunterliegenden Schicht verschmolzene letzte schichtweise Materialauftrag 108 ab und verfestigt sich dabei.
Folgend auf Schritt P6 wird nun im Schritt El festgestellt, ob der Aufbau des gewünschten Turbinenlaufrades 2 komplett erreicht ist. Dies kann zum Beispiel anhand einer Zählung der bereits aufgetragenen Werkstoffschichten erfolgen.
Im Falle dass der Aufbau des gewünschten Turbinenlaufrades 2 noch nicht erreicht ist, wird in einem folgenden Schritt P7 die Werkstückplattform 102 um den Betrag der Dicke eines weiteren schichtweisen Materialaufträges 108 nach unten, also in den Prozessbehälter 101 hinein, abgesenkt und es erfolgt anschließend ein Rücksprung im Verfahrensablauf zum Schritt P3 und die Schritte P3 bis El werden erneut durchlaufen. Dies wird so oft weiderholt, bis der Aufbau des gewünschten Turbinenlaufrades 2 abgeschlossen ist.
Im Falle dass der Aufbau abgeschlossen ist, wird in dem auf Schritt El folgenden Schritt P8 das fertiggestellte Werkstück, also das auf das Nabenbasisteil 3 aufgebaute Turbinenlaufrad 2 oder der fertiggestellte Turbinenläufer 1 entnommen.
Sämtliche beschriebenen Abläufe können dabei automatisiert mit Hilfe entsprechender Antriebsvorrichtungen und einer zentralen programmierbaren Steuer-/Regel-Einrichtung durchgeführt werden .

Claims

Patentansprüche
1. Turbinenläufer (1) für eine Abgasturbine, der ein Turbinenlaufrad (2) bestehend aus einem hochwarmfesten Metall- legierungswerkstoff und ein Nabenbasisbauteil (3) sowie eine
Läuferwelle (4) bestehend aus einem Stahlwerkstoff aufweist, dadurch gekennzeichnet,
dass das Turbinenlaufrad (2) aus einem, mittels eines Elektronenstrahl-AufSchmelzverfahrens schichtweise auf einer Laufradplattform (3a) des Nabenbasisbauteils (3) aufgebrachten, hochwarmfesten Metalllegierungswerkstoff besteht und ein Läuferwellenende (4a) der Läuferwelle (4) mit dem Nabenbasisbauteil (3) verbunden ist. 2. Turbinenläufer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hochwarmfeste Metalllegierungswerkstoff des Tur¬ binenlaufrads (2) eine TiAl-Legierung oder eine
Ni-Basis-Legierung ist und dass der Stahlwerkstoff des Nabenbasisbauteils (3) und der Läuferwelle (4) ein nied- riglegierter oder hochlegierter Vergütungsstahl oder ein austenitischer Stahl ist.
3. Turbinenläufer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nabenbasisbauteil (3) und die Läuferwelle aus verschiedenen Stahlwerkstoffen bestehen.
4. Turbinenläufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nabenbasisbauteil und ein Läuferwellenende der Läu¬ ferwelle mittels einer Schweißverbindung, insbesondere einer Reib-Schweißverbindung oder eine Elektronenstrahl-Schwei߬ verbindung verbunden sind.
5. Turbinenläufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nabenbasisbauteil und die Läuferwelle aus dem gleichen Stahlwerkstoff bestehen und ein einstückiges Nabenba¬ sis-Läuferwellen-Bauteil bilden. Turbinenläufer nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Nabenbasisbauteil oder das mit dem Nabenbasisbauteil verbundene Läuferwellenende eine zentrisch angeordnete Bohrung aufweist, die im Übergang zwischen Turbinenlaufrad und Läuferwelle als Wärmedrossel wirkt.
Turbinenläufer nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenlaufrad einen Laufradkörper mit einem direkt im Elektronenstrahl-Aufschmelzverfahren beim schichtweisen Aufbau des Turbinenlaufrades erzeugten Hohlraum oder mehreren Hohlräumen, insbesondere einem oder mehreren geschlossenen Hohlräumen aufweist.
Turbinenläufer nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hohlraum oder in den mehreren Hohlräumen Stützstrukturen oder Versteifungsstrukturen angeordnet sind, die insbesondere als flächige oder stabförmige Speichen oder amorphe Stützstrukturen ausgebildet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Turbinenläufers (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte :
- Bereitstellen eines Nabenbasisbauteils (3) aus einem Stahlwerkstoff mit einer Laufradplattform (3a) ;
- Bereitstellen einer Läuferwelle (4) aus einem Stahlwerkstoff;
- schichtweises Aufbauen des Turbinenlaufrades (2) auf die Laufradplattform (3a) mittels eines Elektronenstrahl-Auf- Schmelzverfahrens unter Verwendung eines pulverförmigen hochwarmfesten Metalllegierungswerkstoffs (107);
- Zusammenführen und zentriertes Ausrichten von Turbinenlaufrad (2) mit Nabenbasisbauteil (3) und Läuferwelle (4) durch Aufspannen der Werkstücke in einer dafür eingerichteten Vorrichtung;
- Verbinden eines Läuferwellenendes (4a) der Läuferwelle (4) mit dem Nabenbasisbauteil (3) ,
- Freigabe des Turbinenläufers (1) aus der Vorrichtung. Verfahren zur Herstellung eines Turbinenläufers (1) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrens¬ schritte :
- Bereitstellen eines Nabenbasis-Läuferwellen-Bauteils (3, 4) aus einem Stahlwerkstoff mit einer Laufradplattform (3a) ;
- schichtweises Aufbauen des Turbinenrades (2) auf die Laufradplattform (3a) mittels eines Elektronenstrahl-Auf- Schmelzverfahrens unter Verwendung eines pulverförmigen hochwarmfesten Metalllegierungswerkstoffs (107).
Verfahren zur Herstellung eines Turbinenläufers (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbauen des Turbinenrades (2) in einem schichtweisen Materialauftrag (108) erfolgt, wobei jeweils eine Schicht eines pulver- förmigen hochwarmfesten Metalllegierungswerkstoffs (107) auf die Laufradplattform (3a) oder eine zuvor erzeugte Werkstückschicht eines auf der Laufradplattform (3a) bereits aufgebauten Turbinenlaufradabschnitts aufgebracht wird und mit dem jeweiligen Untergrund mit Hilfe eines gesteuerten Elektronenstrahls (105a) selektiv entsprechend des jewei¬ ligen Querschnitts der gewünschten Werkstückkontur verschmolzen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Turbinenläufers (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der schichtweise Materialauftrag (108) und das selektive Verschmelzen des pulverförmigen hochwarmfesten Metalllegierungswerkstoffs (107) in dieser Schicht so oft wiederholt wird, bis das Turbinenlaufrad (1) vollständig aufgebaut ist.
Verfahren zur Herstellung eines Turbinenläufers (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden des Nabenbasisbauteils (3) mit dem Läuferwellenende (4a) der Läuferwelle (4) mittels eines Reibschweißverfahrens oder eines Elektronenstrahl-Schweißverfahrens erfolgt.
14. Verfahren zur Herstellung eines Turbinenläufers (1) nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Verfahrensschritt :
- Erzeugen einer zentrisch angeordnete Bohrung (7) in dem Nabenbasisbauteil (3) oder in dem Läuferwellenende (4a) der Läuferwelle (4),
vor dem Verbinden der Läuferwelle (4) mit dem Nabenbasis¬ bauteil (3) oder vor dem schichtweisen Aufbauen des Turbinenlaufrades (2) auf der Laufradplattform (3a).
15. Verfahren zur Herstellung eines Turbinenläufers (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die hochwarmfeste Metalllegierung des Turbinenlaufrads (2) eine TiAl-Legierung oder eine Ni-Basis-Legierung ist und dass der Stahl der Läuferwelle (4) und des Nabenbasisbauteils (3) oder des kombinierten Nabenbasis-Läuferwellen-Bauteils (3, 4) ein niedriglegierter oder hochlegierter Vergütungsstahl oder ein austenitischer Stahl ist.
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