WO2015090681A1 - Turbinenläufer für eine abgasturbine sowie ein verfahren zur herstellung des turbinenläufers - Google Patents

Turbinenläufer für eine abgasturbine sowie ein verfahren zur herstellung des turbinenläufers Download PDF

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Günter Münch
Martin Thomas
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Definitions

  • Turbine rotor for an exhaust gas turbine and a method for 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 thereof
  • Rotational energy to a connected to the turbine rotor compressor wheel, with the aid of 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.
  • Exhaust gas turbochargers are increasingly used to increase performance in automotive internal combustion engines. This happens more and more often with the aim of reducing the internal combustion engine with the same or even increased performance in size and weight and at the same time the consumption and thus the
  • C02 emissions in view of increasingly stringent legal requirements in this regard, to reduce.
  • the active principle exists It is to use the energy contained in the exhaust stream to increase the pressure in the intake of the engine and so better filling the combustion chamber with air-oxygen to be ⁇ act and thus to convert more fuel, gasoline or diesel, per combustion process, so the Increase the performance of the internal combustion engine.
  • an exhaust-gas turbocharger has a turbine arranged in the exhaust gas line of the internal combustion engine with a turbine runner driven by the exhaust gas flow, comprising a turbine runner and rotor shaft and a compressor arranged in the intake tract with a compressor runner which builds up the pressure on the rotor shaft.
  • 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 U / min whereby the turbine impeller and in particular ⁇ sondere the turbine wheel very high mechanical stressing is exposed to the occurring high centrifugal forces.
  • the mass of the Turbi ⁇ nenrades of great importance for the dynamic response of the turbine, which precludes corresponding to the high loads massive design of the turbine impeller.
  • the turbine runners are therefore increasingly used high-temperature metal alloys, such as titanium-aluminum alloys (TiAl alloys or titanium aluminide) or Ni-base alloys, which are characterized in particular by their high specific strength at high temperature and yet low specific gravity.
  • high-temperature metal alloys such as titanium-aluminum alloys (TiAl alloys or titanium aluminide) or Ni-base alloys, which are characterized in particular by their high specific strength at high temperature and yet low specific gravity.
  • the thermal expansion coefficient of these 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.
  • the 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.
  • high-temperature metal alloys 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 have a sufficiently hardened outer layer to prevent seizure of the bearings.
  • 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 context in conjunction with other material combinations can only be used to a limited extent.
  • the reason for this is that, when a friction welding process is used, for example, the transformation of the steel at the time of austenite-martensite cooling causes expansion of the steel, causing a residual stress, and even if the material of the turbine runner is high Has stiffness, moldability at room temperature is about 1%, and therefore breakage of the wheels may occur. Further, for example, a reaction of TiAl with the carbon, C, may occur in the steel, thereby forming titanium carbide at the interface.
  • intermetallic phases such as TiFe and TiFe 2 in the compound plane. Both factors are responsible for the fact that the strength at the interface decreases critically.
  • 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
  • this process takes place at lower temperatures than welding and produces less residual stresses in the joint, and by using a corresponding solder as intermediate material between the joint partners, the formation of strength can be achieved
  • DE 697 24 730 T2 advantageously uses mainly metal alloys based on nickel, copper, silver or titanium as brazing materials, a special problem with these joining processes that even at the lower
  • 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.
  • this should improve the strength of the connection between the turbine runner and the rotor shaft, and the hardening, in particular of the bearing areas, of the rotor shaft should remain uninfluenced by the manufacturing process and avoid additional reworking.
  • the turbine runner according to the invention for an exhaust gas turbine has a turbine runner with an impeller hub having a hub base surface and a rotor shaft with a rotor shaft end facing the hub base surface.
  • the turbine runner is made of a high temperature metal alloy and is preferably in manufactured a conventional investment casting process. It has a main body with a blading on the front side, as well as an impeller hub in the form of a cylinder section arranged concentrically on the rear side of the main body.
  • the rotor shaft is made of steel and is preferably finished for later use and cured at least in the area of the later bearings.
  • the turbine rotor according to the invention is characterized in that the turbine wheel comprises a vapor by means of an electron beam melting process ⁇ brought connection work fabric layer on its boss base surface and the Läuferwel- end of the line with the connection work fabric layer by a welded ⁇ connection is connected.
  • connection ⁇ material would be matched to the material of the rotor shaft, which upon application of a suitable for mass production welding process, such as friction welding, for the manufacture ⁇ position of the connection between the turbine wheel and the rotor shaft, an embrittlement of the material in the connection level can be avoided. As a result, the strength and reliability of the connection between the turbine wheel and Läu ⁇ ferwelle be increased.
  • the high-temperature-resistant metal alloy of the turbine wheel is a TiAl alloy (titanium aluminide alloy) or a Ni-base alloy (nickel-based alloy). Both material groups are characterized in particular by high strength at the he ⁇ waiting in operation high temperatures (up to over 1000 ° C) at the same time low weight.
  • the steel of the rotor shaft is a low-alloyed or high-alloyed tempered steel or austenitic steel. As a result, the material properties of turbine runner and rotor shaft for the particular load case are particularly well matched.
  • the material for the bonding material would be between Tur ⁇ binenradnabe and rotor shaft end, a Ni-base alloy, a high temperature material or a high-temperature steel can advantageously be used, depending on the material combination. These material groups are particularly well suited for the aforementioned material combinations of turbine runner and rotor shaft and ensure a high-strength connection between impeller hub and rotor shaft end.
  • the bonding material layer applied by means of an electron beam reflow process advantageously has a thickness of between 0.1 and 2.5 mm.
  • a thickness of the bonding material layer within said area is sufficient to avoid the formation of brittle intermediate layers, at the same time such a small thickness of the bonding material layer does not require too long process times when applied to the hub base surface by means of an electron beam melting process.
  • the weld joint between seemsstechnikstoffläge and rotor shaft end is advantageously as a
  • Friction welded connection or an electron beam welding ⁇ compound executed.
  • the good controllability of these methods by an automated implementation and the thus possible monitoring, control and regulation of the process parameters results in a good suitability for mass production with consistently high quality of the connection.
  • the turbine rotor can be characterized in that the hub base surface of the impeller hub or the rotor shaft end has a centrally arranged blind hole which acts as a heat choke in the transition between the turbine impeller and the rotor shaft.
  • This feature reduces the heat transfer of possibly to over 1000 ° C. heated turbine runner on the rotor shaft, whereby overheating of the bearing of the rotor shaft can be effectively prevented during operation.
  • a rotor shaft having a rotor shaft end of steel wherein the steel of the rotor shaft is a low-alloy or high-alloy tempered steel or austenitic steel;
  • the connecting material is preferably made of a nickel-based alloy, a high-temperature material or a high-temperature steel
  • the abovementioned method according to the invention has the advantage that it is suitable for industrial mass production and, as a result, turbine runners can be produced, which are distinguished by increased strength and reliability of the connection between turbine wheel and rotor shaft.
  • the application of the kaustechnikstoffläge by means of an electron beam Uberchen takes place in a layered order, wherein in each case a layer of powdered compound material is applied to the hub base surface or with the hub base surface already fused compound material layer and with the respective surface is selectively fused by means of a controlled electron beam.
  • Selective merging is done by bundling it to one point
  • the layered application and the selective fusion of the bonding material is repeated until the bonding material layer has the desired thickness in a range of 0.1 to 2.5 mm.
  • the abovementioned method of producing a turbine rotor can be supplemented by the generation of a centrally arranged blind hole in the boss base surface of the impeller hub or in the rotor ⁇ shaft end of the rotor shaft. This can be done before, during or after the application of a kaustechnikstoffläge. If a corresponding blind hole is introduced into the hub base surface, this can advantageously take place even before the application of the bonding material layer. The kaustechnikstoffläge is then applied only to the remaining surface of the hub base surface. This saves material and energy.
  • Such a blind hole forms a hollow point in the shaft, ie in the shaft or in the adjoining region of the impeller hub of the finished turbine rotor and thus acts as a heat choke, which reduces the heat transfer from the turbine wheel to the rotor shaft and thus the rotor shaft and the corresponding rotor shaft bearings during operation Overheating protects.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a turbine rotor according to the invention in a simplified, not to scale Dar position.
  • Fig. 2 shows a greatly simplified means for
  • FIG. 3 shows a flow chart of the method according to the invention for producing a turbine rotor
  • FIG. 4 is a flow chart of an electron beam reflow process for applying a bonding material layer to the hub base surface of FIG.
  • FIG. 1 shows a simplified representation of a turbine rotor 1 according to the invention.
  • This has a turbine runner 2 with an impeller hub 3 and a rotor shaft 4 with a rotor shaft end 4a.
  • the turbine impeller is preferably in a conventional investment casting process, from a high-temperature metal alloy, for example from a
  • 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 in the transition between impeller hub
  • the Jenkinsstechnikstoffläge 5 is preferably made of a nickel-based alloy, a high-temperature material or a high-temperature steel and has a thickness between 0.1 to 2.5 mm.
  • the welded joint 6 between dacandmaschinestoffläge 5 and rotor shaft end 4a may, for example, a Reib-Sch Hover bond or an electron beam welded joint, but also other welds such as a prepared in the resistance welding process or laser welding welded joint are possible.
  • FIG. 2 shows a greatly simplified means for performing the application of the Mattstechnikstoffläge 5 by means of an electron beam melting process.
  • This device essentially consists of a process container 101 with a lowerable workpiece platform 102 arranged therein. On the workpiece platform 102, a base workpiece, in this case the turbine runner 2, is fastened so that the runner hub 3 is above with the hub base surface 3a and so far in the process container 101 lowered, that the hub base surface 3a is located at the height of the upper edge of the process container 101.
  • the process vessel 101 is filled with a metal powder 107 in which the turbine runner is embedded.
  • the metal powder consists of the material from which the connecting material layer 5 to be applied to the hub base surface 3a is to be made.
  • the corresponding material is a nickel-base alloy or a high-temperature material or a high-temperature-resistant steel.
  • a squeegee carriage 103 with squeegees 103a which is loaded with the same metal powder 107 and is mounted on a squeegee guide 104 parallel to the squeegee guide 104
  • Working plane 101a can be moved over the process container 101 in both directions, which are predetermined by the squeegee slide guide (indicated by a double arrow in the figure).
  • the metal powder surface is adjusted in Jerusalem ⁇ container with the working plane 101a by means of the present in the blade slide 103 metal powder 107, so the pro ⁇ zess noteder exactly as far replenished and the metal powder surface with the doctor blades 103a of the blade slider 103 plane at the level of 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 so that the electron beam 105a on the working plane 101a successively moves or sweeps over a desired contour or surface and thereby melts the uppermost layer of the metal powder 107 or with the underlying surface of a base workpiece or a previously melted Metal layer merges.
  • a turbine runner 2 is made of a refractory metal alloy with an impeller hub 3 having a hub base surface 3a, which is represented in the flowchart by step S1.
  • step S1 Parallel to step S1, the provision of the rotor shaft 4 made of steel can take place in step S2, which has a rotor shaft end 4a.
  • steps S1 and S2 steps Sla and S2a which are shown in dashed lines in the flow chart, represent the introduction of a respective blind hole in the hub base surface or in the rotor shaft end.
  • the gestri- The representation suggests that either such a blind hole can be made in the hub base surface 3a or in the rotor shaft end 4a or in the hub base surface 3a and in the rotor shaft end 4a or neither in the hub base surface 3a nor in the rotor shaft end 4a.
  • step S4 the merging and the centered alignment of turbine runner and rotor shaft by clamping the workpieces in a device designed for this purpose.
  • step S5 the welding of the connection ⁇ material would be of the boss base surface with the rotor shaft end of the rotor shaft then takes place.
  • Various methods known to the person skilled in the art such as, for example, a friction welding method, an electron beam welding method, a resistance welding method or a laser welding method, can be used for this purpose.
  • step S6 the release of the completed turbine runner from the device takes place.
  • the flow of electron beam melting process for applying the connection ⁇ material would will now be explained in more detail on the boss base surface of the turbine runner, in accordance with step S4 of the method explained above with reference to the device in FIG. 2
  • step PI first, the turbine runner is fixed with its hub base surface 3a up on the workpiece platform 102.
  • step P2 the workpiece platform 102 with the turbine runner is lowered into the process container 101 so far that the hub base surface is exactly the thickness of a Layer application 108 of the layers to be applied Verbin ⁇ tion material layer 5, posi ⁇ tioned below the working level 101 a and the process container 101 is filled with metal powder up to the working level 101 a.
  • step P3 so the process container is then by means of the blade carriage 103, and the metal powder 107 therein matched the metal powder surface in the process container with the Ar ⁇ beitsebene 101a, insofar filled accurately, and the metal powder surface with the doctor blades 103a of the blade carriage 103 plan at the level of the working level 101a stripped off.
  • step P4 the uppermost powder layer will now be first preheated in preparation for the following process ⁇ step.
  • step P5 the selective melting / melting of the uppermost layer application 108 of the metal powder 107 with the underlying workpiece surface, ie the hub base surface 3a or subsequently with a material layer already applied thereto in a preceding layer application, then takes place. This is done by controlled successive departure of the desired contour or sweeping the desired
  • step E1 it is now determined in step E1 whether the desired total thickness of the layers applied
  • step El step P8 the "finished" workpiece, so that for a subsequent welding with a steel rotor shaft 4 waive ⁇ -refined turbine impeller 2 from the apparatus taken.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Turbinenläufer (1) für eine Abgasturbine sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Turbinenläufers (1), wobei das Turbinenlaufrad (2) des Turbinenläufers (1) eine Laufradnabe (3) mit einer Nabenbasisfläche (3a) aufweist und aus einer hochwarmfesten Metalllegierung besteht und wobei die Läuferwelle (4) des Turbinenläufers (1) ein der Nabenbasisfläche (3a) zugewandtes Läuferwellenende (4a) aufweist und aus Stahl besteht. Darüber hinaus ist der Turbinenläufer (1) dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenlaufrad (2) auf seiner Nabenbasisfläche (3a) eine mittels eines Elektronenstrahl-Aufschmelzverfahrens aufgebrachte Verbindungswerkstofflage (5) aufweist und das Läuferwellenende (4a) mit der Verbindungswerkstofflage (5) durch eine Schweißverbindung (6) verbunden ist.

Description

Beschreibung
Turbinenläufer für eine Abgasturbine sowie ein 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. Gleichzeitig 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 Metallegierungen, wie zum Beispiel Titan-Aluminim-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, C oder 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 Metallegierungen" 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 Aus- führungen 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 Materialkombinationen bekannte Reibschweißverfahren nur beschränkt eingesetzt werden. Der Grund dafür ist, dass, wenn ein Reibschweißver- fahren 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
Löttemperaturen die Austenittemperatur des für die Läuferwelle eingesetzten Stahls möglicherweise überschritten wird und dadurch eine Enthärtung des Stahls stattfindet. Diese Prob¬ lematik ist umso gravierender desto breiter sich der Erwärmungsbereich um die Lötverbindung herum, ggf. bis in die Lagerbereiche der Läuferwelle 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 Nach¬ bearbeitung sowie Härtung der Läuferwelle wird dadurch unumgänglich. Dies ist vor Allem für eine industrielle Großse- rien-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 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 7 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 mit einer eine Nabenbasisfläche aufweisende Laufradnabe und eine Läuferwelle mit einem der Nabenbasisfläche zugewandten Läuferwellenende auf. Das Turbinenlaufrad besteht aus einer hochwarmfesten Metalllegierung und ist vorzugsweise in einem gebräuchlichen Feingussverfahren hergestellt. Es weist einen Grundkörper mit einer Beschaufelung auf der Vorderseite, sowie eine Laufradnabe in Form eines konzentrisch auf der Rückseite des Grundkörpers angeordneten Zylinderabschnittes auf .
Die Läuferwelle besteht aus Stahl und ist vorzugsweise für den späteren Einsatz fertig bearbeitet und zumindest im Bereich der späteren Lagerstellen gehärtet.
Der erfindungsgemäße Turbinenläufer zeichnet sich dadurch aus, dass das Turbinenlaufrad auf seiner Nabenbasisfläche eine mittels eines Elektronenstrahl-AufSchmelzverfahrens aufge¬ brachte Verbindungswerkstoffläge aufweist und das Läuferwel- lenende mit der Verbindungswerkstoffläge durch eine Schwei߬ verbindung verbunden ist.
Dies hat den Vorteil, dass der Werkstoff der Verbindungs¬ werkstoffläge so auf den Werkstoff der Läuferwelle abgestimmt werden kann, das bei Anwendung eines massenfertigungstauglichen Schweißverfahrens, wie zum Beispiel Reibschweißen, zur Her¬ stellung der Verbindung zwischen Turbinenrad und Läuferwelle, eine Versprödung des Werkstoffes in der Verbindungsebene vermieden werden kann. Dadurch werden die Festigkeit und die Zuverlässigkeit der Verbindung zwischen Turbinenrad und Läu¬ ferwelle erhöht.
In vorteilhafter Ausführung des Turbinenläufers ist die hoch- warmfeste Metalllegierung des Turbinenlaufrads eine TiAl-Le- gierung (Titanaluminid-Legierung) oder eine Ni-Basis-Legierung (Nickel-Basis-Legierung) . Beide Werkstoffgruppen zeichnen sich insbesondere durch hohe Festigkeit bei den im Betrieb zu er¬ wartenden hohen Temperaturen (bis über 1000°C)bei gleichzeitig niedrigem Gewicht aus. In vorteilhafter Kombination dazu ist der Stahl der Läuferwelle ein niedriglegierter oder hochlegierter Vergütungsstahl oder ein austenitischer Stahl. Dadurch sind die Materialeigenschaften von Turbinenlaufrad und Läuferwelle für den jeweiligen Belastungsfall besonders gut abgestimmt . Als Werkstoff für die Verbindungswerkstoffläge zwischen Tur¬ binenradnabe und Läuferwellenende kann je nach Werkstoffpaarung vorteilhaft eine Ni-Basis-Legierung, einem Hochtemperaturwerkstoff oder einem hochwarmfesten Stahl zum Einsatz kommen. Diese Materialgruppen eignen sich besonders gut bei den vor- genannten Materialkombinationen von Turbinenlaufrad und Läuferwelle und gewährleisten eine Verbindung hoher Festigkeit zwischen Laufradnabe und Läuferwellenende.
Die mittels eines Elektronenstrahl-Aufschmelzverfahren auf- gebrachte Verbindungswerkstoffläge weist vorteilhaft eine Dicke zwischen 0,1 bis 2,5 mm auf. Eine Dicke der Verbindungswerkstoffläge innerhalb des genannten Bereichs ist ausreichend um die Bildung spröder Zwischenschichten zu vermeiden, gleichzeitig erfordert eine solch geringe Dicke der Verbindungswerkstoffläge keine allzu langen Prozesszeiten beim Aufbringen auf die Na- benbasisfläche mittels eines Elektronenstrahl-Aufschmelzver- fahrens .
Die Schweißverbindung zwischen Verbindungswerkstoffläge und Läuferwellenende ist in vorteilhafter Weise als eine
Reib-Schweißverbindung oder eine Elektronenstrahl-Schwei߬ verbindung ausgeführt. Durch die gute Beherrschbarkeit dieser Verfahren durch eine automatisierte Durchführung und die somit mögliche Überwachung, Steuerung und Regelung der Verfahrens- parameter ergibt sich eine gute Eignung für die Großserienproduktion bei gleichbleibend hoher Qualität der Verbindung.
Zusätzlich kann der Turbinenläufer in einer vorteilhaften Ausführung dadurch gekennzeichnet sein, dass die Nabenbasis- fläche der Laufradnabe oder das Läuferwellenende eine zentrisch angeordnete Sacklochbohrung aufweist, die im Übergang zwischen Turbinenlaufrad und Läuferwelle als Wärmedrossel wirkt. 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. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Turbi¬ nenläufers mit Merkmalen wie oben beschrieben, ist gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
- Bereitstellen eines Turbinenlaufrades mit einer eine Na¬ benbasisfläche aufweisenden Laufradnabe, wobei das Turbinen- laufrad aus einer hochwarmfesten-Metalllegierung, vorzugsweise einer TiAl-Legierung oder eine Ni-Basis-Legierung besteht;
- Bereitstellen einer eine Läuferwellenende aufweisenden Läuferwelle aus Stahl, wobei der Stahl der Läuferwelle ein niedriglegierter oder hochlegierter Vergütungsstahl oder ein austenitischer Stahl ist;
- Aufbringen einer Verbindungswerkstoffläge auf die Nabenba- sisfläche der Laufradnabe mittels eines Elektronen¬ strahl-Aufschmelzverfahrens, wobei der Verbindungswerkstoff vorzugsweise aus einer Nickelbasis-Legierung, einem Hochtem- peraturwerkstoff oder einem hochwarmfesten Stahl besteht;
- Zusammenführen und zentriertes Ausrichten von Turbinenlaufrad und Läuferwelle durch Aufspannen der Werkstücke in einer dafür eingerichteten Vorrichtung;
- Verschweißen der Verbindungswerkstoffläge der Nabenbasis- fläche mit dem Läuferwellenende der Läuferwelle, wobei das
Verschweißen der Verbindungswerkstoffläge der Nabenbasisfläche mit dem Läuferwellenende der Läuferwelle vorzugsweise mittels eines Reibschweißverfahrens oder eines Elektronen¬ strahl-Schweißverfahrens erfolgt; und
- Freigabe des Turbinenläufers aus der Vorrichtung.
Das vorgenannte erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es für eine industrielle Großserienfertigung geeignet ist und im Ergebnis Turbinenläufer erzeugt werden können, die sich aus- zeichnen durch eine erhöhte Festigkeit und Zuverlässigkeit der Verbindung zwischen Turbinenrad und Läuferwelle. In vorteilhafter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahres zur Herstellung eines Turbinenläufers erfolgt das Aufbringen der Verbindungswerkstoffläge mittels eines Elektronenstrahl-Auf- Schmelzverfahrens in einem schichtweisen Auftrag, wobei jeweils eine Schicht eines pulverförmigen Verbindungswerkstoffs auf die Nabenbasisfläche oder eine mit der Nabenbasisfläche bereits verschmolzenen VerbindungswerkstoffSchicht aufgebracht wird und mit dem jeweiligen Untergrund mit Hilfe eines gesteuerten Elektronenstrahls selektiv verschmolzen wird. Das selektive Verschmelzen erfolgt indem der auf einen Punkt gebündelte
Elektronenstrahl sukzessive gesteuert die Querschnittsfläche der gewünschten Kontur der VerbindungswerkstoffSchicht , in diesem Fall beispielsweise die Kontur der Nabenbasisfläche, in der aufgetragenen Schicht des pulverförmigen Verbindungs- Werkstoffs überstreicht (abscannt) und dabei den pulverförmigen Verbindungswerkstoff örtlich aufschmilzt, wodurch sich dieser wiederum mit der darunterliegenden Werkstückfläche bzw. mit der zuvor aufgetragenen WerkstoffSchicht stoffschlüssig verbindet. Solche oder ähnliche Verfahren sind auch als „Selective Electron Beam Melting" (SEBM) , „Rapid-Prototyping-Verfahren" oder „Rapid Manufacturing-Verfahren" bekannt .
Der schichtweise Auftrag und das selektive Verschmelzen des Verbindungswerkstoffes wird so oft wiederholt, bis die Ver- bindungswerkstoffläge die gewünschte Dicke in einem Bereich von 0,1 bis 2,5 mm aufweist.
Dies hat den Vorteil, dass die erforderliche Erwärmung des Werkstoffs räumlich sehr begrenzt und genau in der erforderlichen Dosis erfolgt und der übrige Werkstoff nicht durch Überhitzung belastet wird. Dadurch werden auch Verspannungen im Material weitgehend vermieden. Auch die letztendliche Dicke der Ver¬ bindungswerkstoffläge kann auf diese Weise sehr genau bestimmt werden .
Durch den räumlich begrenzten Wärmeeintrag wird die Härtung der Läuferwelle im Bereich der Lagerstellen nicht beeinträchtigt und ein zusätzlicher Härteprozess kann entfallen. Auch treten aufgrund der insgesamt niedrigeren Temperaturbedingten Spannungen keine Rissbildungen im Verbindungsbereich auf. Dies sind wesentliche Voraussetzungen für den Einsatz des erfindungsgemäßen Turbinenläufers in Großserienprodukten, wie zum Beispiel in Turboladern für Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen.
In für das Endprodukt vorteilhafter Weise kann das vorgenannte Verfahren zur Herstellung eines Turbinenläufers ergänzt werden durch das Erzeugen einer zentrisch angeordneten Sacklochbohrung in der Nabenbasisfläche der Laufradnabe oder in dem Läufer¬ wellenende der Läuferwelle. Dies kann erfolgen vor, während oder nach dem Aufbringen einer Verbindungswerkstoffläge . Wird ein entsprechendes Sackloch in die Nabenbasisfläche eingebracht, so kann dies vorteilhaft bereits vor dem Aufbringen der Verbin- dungswerkstoffläge erfolgen. Die Verbindungswerkstoffläge wird dann nur auf die Restfläche der Nabenbasisfläche aufgebracht. Dies spart Material und Energie.
Ein solches Sackloch bildet eine Hohlstelle im Schaft, also in der Welle oder in dem daran angrenzenden Bereich der Laufradnabe des fertigen Turbinenläufers und wirkt so als Wärmedrossel, die den Wärmeübergang vom Turbinenrad auf die Läuferwelle reduziert und so die Läuferwelle und die entsprechenden Läuferwellenlager im Betrieb vor Überhitzung schützt.
Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Darstellungen in der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Turbinenläufers in vereinfachter, nicht maßstäblicher Dar Stellung;
Fig. 2 eine stark vereinfacht dargestellte Einrichtung zur
Durchführung des Aufbringens der Verbindungswerkstofflage mittels eines Elektronenstrahl-Aufschmelz- verfahrens . Fig. 3 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Turbinenläufers; und
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines Elektronenstrahl-Aufschmelzverfahrens zum Aufbringen einer Verbindungswerkstoffläge auf die Nabenbasisfläche der
Laufradnabe .
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 einer Laufradnabe 3 und eine Läuferwelle 4 mit einem Läuferwellenende 4a auf. Das Turbinenlaufrad ist vor- zugsweise in einem gebräuchlichen Feingussverfahren, aus einer hochwarmfesten Metallegierung, zum Beispiel aus einer
TiAl-Legierung, hergestellt und weist einen Grundkörper mit einer Beschaufelung auf der Vorderseite (in der Figur links) , sowie eine Laufradnabe 3 in Form eines konzentrisch auf der Rückseite (in der Figur rechts) des Grundkörpers angeordneten Zylinderabschnittes 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
3 und Läuferwelle 4 einen Hohlraum bildet und so als Drosselstelle für den Wärmeübergang vom Turbinenlaufrad 2 auf die Läuferwelle 4, als sogenannte Wärmedrossel wirkt. In alternativen Aus¬ führungen des Turbinenläufers 1 (nicht dargestellt) kann eine solche Wärmedrossel auch durch eine entsprechende Sackloch¬ bohrung in der Nabenbasisfläche 3a der Laufradnabe 3 oder durch Sacklochbohrungen sowohl im Läuferwellenende 4a als auch in der Nabenbasisfläche 3a gebildet werden. Weiterhin kann die Läu¬ ferwelle im konkreten Fall Stufen, Absätze, Verjüngungen und ähnlich Merkmale (nicht dargestellt) aufweisen.
Die Verbindungsstelle zwischen Turbinenlaufrad 2 und Läuferwelle
4 ist in Figur 1 in„aufgebrochener" Darstellung gezeigt und macht so die Sacklochbohrung 7 im Läuferwellenende 4a, die mittels eines Elektronenstrahl-Aufschmelzverfahren auf die Nabenba- sisfläche 3a aufgebrachte Verbindungswerkstoffläge 5 und die Schweißverbindung 6 zwischen Verbindungswerkstoffläge 5 und Läuferwellenende 4a erkennbar. Die Verbindungswerkstoffläge 5 besteht vorzugsweise aus einer Nickelbasis-Legierung, einem Hochtemperaturwerkstoff oder einem hochwarmfesten Stahl und weist eine Dicke zwischen 0,1 bis 2,5 mm auf. Die Schweißverbindung 6 zwischen Verbindungswerkstoffläge 5 und Läuferwellenende 4a kann beispielsweise eine Reib-Schweißver bindung oder eine Elektronenstrahl-Schweißverbindung sein, aber auch andere Schweißverbindungen wie eine im Wiederstands- Schweißverfahren oder im Laser-Schweißverfahren hergestellte Schweißverbindung sind möglich.
Figur 2 zeigt eine stark vereinfacht dargestellte Einrichtung zur Durchführung des Aufbringens der Verbindungswerkstoffläge 5 mittels eines Elektronenstrahl-Aufschmelzverfahrens . 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 Turbinenlaufrad 2, so befestigt, dass die Laufradnabe 3 mit der Nabenbasisfläche 3a oben liegt und so weit im Prozessbehälter 101 abgesenkt, dass sich die Nabenbasisfläche 3a auf der Höhe der Oberkante des Prozessbehälters 101 befindet. Der Prozessbehälter 101 ist mit einem Metallpulver 107 angefüllt, in das das Turbinenlaufrad eingebettet ist. Das Metallpulver besteht dabei aus demjenigen Material aus dem die auf die Nabenbasisfläche 3a aufzutragende Verbindungswerkstoffläge 5 bestehen soll. In diesem Fall ist der entsprechende Werkstoff eine Nickelbasis-Legierung oder ein Hochtemperaturwerkstoff oder ein hochwarmfester Stahl. Oberhalb der durch die Oberkannte des Prozessbehälters 101 gebildeten Arbeitsebene 101a ist ein Rakelschlitten 103 mit Rakeln 103a angeordnet, der mit dem gleichen Metallpulver 107 beladen ist und auf einer Rakelschlittenführung 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 Metallpulvers 107 die Metallpulver-Oberfläche im Prozessbe¬ hälter mit der Arbeitsebene 101a abgeglichen, also der Pro¬ zessbehälter genau soweit aufgefüllt und die Metallpulver- Oberfläche 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 Metallpulvers 107 aufschmilzt bzw. mit der darunter liegenden Fläche eines Basiswerkstückes oder einer zuvor aufgeschmolzenen Metallschicht verschmilzt.
Der Ablauf des Verfahrens zur Herstellung eines Turbinenläufers mit dem oben beschriebenen Aufbau erfolgt in mehreren Prozessschritten, die in Figur 3 anhand eines einfachen Ablaufdiagramms dargestellt sind.
Zu Beginn des Verfahren steht die Bereitstellung eines Turbinenlaufrades 2 aus einer hochwarmfesten-Metalllegierung mit einer eine Nabenbasisfläche 3a aufweisenden Laufradnabe 3, was im Ablaufdiagramm durch Schritt Sl dargestellt ist.
Parallel zu Schritt Sl kann im Schritt S2 die Bereitstellung der Läuferwelle 4 aus Stahl 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 Sacklochbohrung in die Nabenbasisfläche bzw. in das Läuferwellenende dar. Die gestri- chelte Darstellung deutet darauf hin, dass entweder in die Nabenbasisflache 3a oder in das Läuferwellenende 4a oder in Nabenbasisfläche 3a und in das Läuferwellenende 4a oder auch weder in die Nabenbasisfläche 3a noch in das Läuferwellenende 4a eine solche Sacklochbohrung eingebracht werden kann.
In dem auf den Schritt Sl und ggf. Sla folgenden Schritt S3 erfolgt dann das Aufbringen einer Verbindungswerkstoffläge auf die Nabenbasisfläche der Laufradnabe mittels eines Elektronen¬ strahl-Aufschmelzverfahrens. Eine detailliertere Darstellung des Elektronenstrahl-AufSchmelzverfahrens erfolgt anhand von Figur 4.
Folgend auf die Schritte S3 und S2 (S2a) erfolgt in Schritt S4 das Zusammenführen und das zentrierte Ausrichten von Turbinenlaufrad und Läuferwelle durch Aufspannen der Werkstücke in einer dafür eingerichteten Vorrichtung.
In Schritt S5 erfolgt dann das Verschweißen der Verbindungs¬ werkstoffläge der Nabenbasisfläche mit dem Läuferwellenende der Läuferwelle. Hierzu können verschiedene, dem Fachmann bekannte Verfahren, wie zum Beispiel ein Reib-Schweißverfahren, ein Elektronenstrahl-Schweißverfahren, ein Wiederstands-Schweiß- verfahren 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. Mit Hilfe des Ablaufdiagramms in Figur 4 wird nun unter Bezugnahme auf die Vorrichtung in Figur 2 der Ablauf des Elektronenstrahl-Aufschmelzverfahrens zum Aufbringen der Verbindungs¬ werkstoffläge auf die Nabenbasisfläche des Turbinenlaufrades, gemäß Schritt S4 des zuvor erläuterten Verfahrens, näher er- läutert.
In Schritt PI wird zunächst das Turbinenlaufrad mit seiner Nabenbasisfläche 3a nach oben auf der Werkstückplattform 102 befestigt .
Anschließend wird dann in Schritt P2 die Werkstückplattform 102 mit dem Turbinenlaufrad so weit in den Prozessbehälter 101 abgesenkt, dass die Nabenbasisfläche genau um die Dicke eines Schichtauftrags 108 der schichtweise aufzutragenden Verbin¬ dungswerkstoffläge 5, unterhalb der Arbeitsebene 101a posi¬ tioniert ist und der Prozessbehälter 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 Metallpulvers 107 die Metallpulver-Oberfläche im Prozessbehälter mit der Ar¬ beitsebene 101a abgeglichen, also der Prozessbehälter genau soweit aufgefüllt und die Metallpulver-Oberfläche mit den Rakeln 103a des Rakelschlittens 103 plan auf dem Niveau der Arbeitsebene 101a abgestrichen. Dadurch entsteht auch auf der Nabenbasis- fläche 3a der Laufradnabe 3 ein Schichtauftrag 108 mit Me¬ tallpulver . Im folgenden Schritt P4 wird nun die oberste Pulverschicht zunächst vorgewärmt zur Vorbereitung des folgenden Prozess¬ schrittes .
Im Schritt P5 erfolgt dann das selektive Aufschmelzen/Ver- schmelzen des obersten Schichtauftrages 108 des Metallpulvers 107 mit der darunter liegenden Werkstückfläche, also der Na- benbasisfläche 3a oder in der Folge mit einer darauf bereits in einem vorhergehenden Schichtauftrag aufgebrachten Werkstoffschicht. Dies erfolgt durch gesteuertes sukzessives Abfahren der gewünschten Kontur bzw. Überstreichen der gewünschten
Querschnittsfläche (in diesem Fall die kreisförmige Nabenba- sisfläche) bei gleichzeitiger Steuerung/Regelung der Elekt- ronenstrahlintensität. Im darauffolgenden Schritt P6 kühlt nun der nunmehr mit der darunter liegenden Schicht verschmolzene letzte Schichtauftrag ab und verfestigt sich dabei.
Folgend auf Schritt P6 wird nun im Schritt El festgestellt, ob die gewünschte Gesamtdicke der schichtweise aufgetragenen
Verbindungswerkstoffläge 5 erreicht ist. Dies kann zum Beispiel anhand einer Zählung der bereits aufgetragenen Werkstoffschichten erfolgen. Im Falle dass die gewünschte Gesamtdicke der Verbindungs¬ werkstoffläge 5 noch nicht erreicht ist, wird in einem folgenden Schritt P7 die Werkstückplattform 102 um den Betrag der Dicke eines weiteren Schichtauftrages nach unten, also in den Pro¬ zessbehälter 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 die gewünschte Dicke der Verbindungswerk- stofflage erreicht ist.
Im Falle dass die gewünschte Gesamtdicke der Verbindungs¬ werkstoffläge 5 erreicht ist, wird in dem auf Schritt El folgenden Schritt P8 das „fertiggestellte" Werkstück, also das für eine folgende Verschweißung mit einer Stahl-Läuferwelle 4 vorbe¬ reitete Turbinelaufrad 2, aus der Vorrichtung entnommen.
Sämtliche beschriebenen Abläufe können dabei automatisiert mit Hilfe entsprechender Antriebsvorrichtungen und einer zentralen programmierbaren Steuer-/Regel-Einrichtung durchgeführt werden .

Claims

Turbinenläufer (1) für eine Abgasturbine, der ein Turbinenlaufrad (2) mit einer eine Nabenbasisflache (3a) auf¬ weisenden Laufradnabe (3) bestehend aus einer hochwarmfesten Metalllegierung und
eine Läuferwelle (4) mit einem der Nabenbasisfläche (3a) zugewandten Läuferwellenende (4a) bestehend aus Stahl, aufweist, dadurch gekennzeichnet,
dass das Turbinenlaufrad (2) auf seiner Nabenbasisfläche (3a) eine mittels eines Elektronenstrahl-AufSchmelzverfahrens aufgebrachte Verbindungswerkstoffläge (5) aufweist und das Läuferwellenende (4a) mit der Verbindungswerkstoffläge (5) durch eine Schweißverbindung (6) verbunden ist.
Turbinenläufer (1) nach Anspruch 1, 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) ein niedriglegierter oder hochlegierter Vergütungsstahl oder ein austenitischer Stahl ist .
Turbinenläufer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungswerkstoffläge (5) aus einer Nickelba¬ sis-Legierung, einem Hochtemperaturwerkstoff oder einem hochwarmfesten Stahl besteht.
Turbinenläufer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungswerkstoffläge (5) eine Dicke zwischen 0, 1 bis 2,5 mm aufweist.
Turbinenläufer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung (6) zwischen Verbindungswerkstofflage (5) und Läuferwellenende (4a) eine Reib- Schweißverbindung oder eine Elektronenstrahl-Schwei߬ verbindung ist. Turbinenläufer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Nabenbasisflache (3a) der Lauf¬ radnabe oder das Läuferwellenende (4a) eine zentrisch angeordnete Sacklochbohrung (7) aufweist, die im Übergang zwischen Turbinenlaufrad (2) und Läuferwelle (4) als Wär¬ medrossel wirkt.
Verfahren zur Herstellung eines Turbinenläufers (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte :
- Bereitstellen eines Turbinenlaufrades (2) aus einer hochwarmfesten-Metalllegierung mit einer eine Nabenbasis- fläche (3a) aufweisenden Laufradnabe (3) ;
- Bereitstellen einer ein Läuferwellenende (4a) aufweisenden Läuferwelle (4) aus Stahl,
- Aufbringen einer Verbindungswerkstoffläge (5) auf die Nabenbasisfläche (3a) der Laufradnabe (3) mittels eines Elektronenstrahl-Aufschmel z erfahrens ;
- Zusammenführen und zentriertes Ausrichten von Turbinenlaufrad (2) und Läuferwelle (4) durch Aufspannen der
Werkstücke in einer dafür eingerichteten Vorrichtung;
- Verschweißen der Verbindungswerkstoffläge (5) der Na¬ benbasisfläche (3a) mit dem Läuferwellenende (4a) der Läuferwelle (4),
- Freigabe des Turbinenläufers (1) aus der Vorrichtung.
Verfahren zur Herstellung eines Turbineläufers (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Verbindungswerkstoffläge (5) in einem schichtweisen Auftrag erfolgt, wobei jeweils eine Schicht eines pulverförmigen Verbindungswerkstoffs auf die Nabenbasisfläche oder eine mit der Nabenbasisfläche (3a) bereits verschmolzenen Verbin¬ dungswerkstoffSchicht aufgebracht wird und mit dem jeweiligen Untergrund mit Hilfe eines gesteuerten Elektronenstrahls selektiv verschmolzen wird.
9. Verfahren zur Herstellung eines Turbinenläufers (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtauftrag (108) und das selektive Verschmelzen des Verbindungswerkstoffes so oft wiederholt wird, bis die Verbindungswerk¬ stofflage (5) eine Dicke von 0,1 bis 2,5 mm aufweist. 10. Verfahren zur Herstellung eines Turbinenläufers (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen der Verbindungswerkstoffläge (5) der Nabenbasisflache (3a) mit dem Läuferwellenende (4a) der Läuferwelle (4) mittels eines Reibschweißverfahrens oder eines Elektronen- strahl-Schweißverfahrens erfolgt.
11. Verfahren zur Herstellung eines Turbineläufers (1) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Verfahrensschritt :
- Erzeugen einer zentrisch angeordnete Sacklochbohrung (7) in der Nabenbasisfläche (3a) der Laufradnabe (3) oder in dem Läuferwellenende (4a) der Läuferwelle (4),
vor, während oder nach dem Aufbringen einer Verbindungswerkstoffläge (5) .
12. Verfahren zur Herstellung eines Turbinenläufers (1) nach Anspruch 7, 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) ein niedriglegierter oder hochlegierter
Vergütungsstahl oder ein austenitischer Stahl ist.
13. Verfahren zur Herstellung eines Turbinenläufers nach
Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der pulverförmige Verbindungswerkstoff aus einer Nickelbasis-Legierung, einem
Hochtemperaturwerkstoff oder einem hochwarmfesten Stahl besteht .
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