WO2020043394A1 - Verfahren zur herstellung eines bauteils für eine turbomaschine - Google Patents

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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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Definitions

  • the present disclosure relates generally to engine technology.
  • the present disclosure relates to the manufacture of engine components that are subject to particular stress. More particularly, the present disclosure relates to
  • the degree of purity of the starting materials plays a decisive role in the subsequent resilience of these components.
  • the degree of purity can relate in particular to inclusions in the starting material, thus impurities in the starting material, which can be classified, for example, by the number, size, shape, type and distribution of the inclusions. By ensuring a certain degree of purity, material properties can be improved for certain areas of application.
  • improved manufacturing processes for starting material for example improved melting technologies
  • air melting was originally improved to melt under slag in order to minimize the oxidation of the elements present in the melt and thus the formation of non-metallic inclusions.
  • a further improvement in the melting process is, for example, melting under vacuum (Vacuum Induction Melting - VIM) and repeated remelting, for example electroslag remelting (ESU; Electro-Slack Remelting - ESR) or arc vacuum remelting (Vacuum Are Remelting - VAR), which further increases the purity of metallic raw materials.
  • Such melting technologies are preferably used where high purity is required, for example for the production of components for storage applications, but also for the production of e.g.
  • Nickel materials for compressor and turbine disks are Nickel materials for compressor and turbine disks.
  • the determination of the degree of purity for the known melting or remelting processes is based on the determination of
  • Probabilities of occurrence of certain inclusion sizes there is therefore no systematic limitation above a certain inclusion size to increase the purity.
  • a purely statistical-based determinability of purity may be due in particular to the fact that conventional, direct test methods for determining purity or the presence of impurities in certain inclusion sizes can only be carried out up to inclusion sizes of a size of up to approximately 0.4 mm, for example by ultrasonic inspection.
  • these probabilities are included in the calculation of component lifetimes, or a certain inclusion size must be assumed as part of a worst-case estimate when designing the component, for example, a maximum inclusion size of ⁇ 0.4 mm or 1/64 Inch, since smaller inclusions cannot be robustly detected using conventional methods, as explained above.
  • this quantity represents the smallest reference. Depending on the error, however, smaller or only larger errors can be detected.
  • the possibility of identifying minor errors, eg 0.1 mm, depends in particular on the material, workpiece and the measuring equipment. Thus, there may be a need to provide contamination of starting materials for component manufacture through a systematic and process-inherent limitation of the maximum possible non-metallic inclusion size.
  • a method for producing a component for a turbomachine, in particular for an aircraft engine comprising the steps of providing a primary material, sieving the primary material, producing a molded blank using the sieved primary material and producing a blank from the molded blank , wherein the method is carried out at least partially using a protective gas atmosphere.
  • a component for a turbomachine, in particular for a gas turbine engine for an aircraft, furthermore in particular an aircraft engine is provided, produced by the method according to the present disclosure.
  • a gas turbine engine for an aircraft comprising at least one component according to the present disclosure, in particular produced by the method according to the present disclosure.
  • the maximum inclusion size of impurities for example of non-metallic inclusions
  • a suitably designed sieving process Seven in general is to be understood in the context of the present disclosure as a separation method which is suitable for distinguishing starting materials in terms of size and in particular in terms of density and thereby separating them. For example, this may be done using a conventional sieve or by other processes such as air classifiers. Combinations of these two sieve variants are conceivable just like other sieving processes.
  • a maximum inclusion size may be set, for example, via the sieve hole size.
  • inclusions of the same size as the material particles may be separated due to density differences.
  • the sieving may take place within the manufacturing process according to the present disclosure or may already take place when the starting material or the preliminary material is provided.
  • Sieving may be set up as a single work step, or may be formed from several successive steps or independent sieving. These like, for example Realize different screening sizes so that, for example, increasingly fine screening is carried out or several independent screenings with different screening sizes are carried out. These individual batches may be used separately or mixed again to provide a desired starting material.
  • the separation of a size fraction of less than 10 mm from the starting material to be used may lead to a component with preferred VHCF properties.
  • screening is carried out in such a way that the residual grain size is in the range from 10 mm to 45 mm.
  • This may be achieved by a single sieving / classifying step or by two or more successive steps.
  • a first sieve / sifter step may first perform a separation at 45mm, thus providing two material parts, one> 45mm and one ⁇ 45mm.
  • the material part ⁇ 45mm may be separated in a subsequent sieving / securing step at 10mm, whereby two material parts are obtained, one essentially corresponding to 10mm to 45mm and one ⁇ 10mm.
  • the material part 10mm to 45mm may now be used for further processing and component production.
  • raw material with a particularly reduced number of inclusions is provided, since the main number of usual inclusions is in a size range from 0 to 10 mm. By sieving out the size range smaller than 10mm, disproportionately many inclusions are separated.
  • Impurities, formed as oxides or sulfides, are usually in a size range or diameter range of less than 10 mm, in particular in the range from 3 mm to 6 mm, so that separation this size range provides a particularly pure material for further component production.
  • Repeated melting is also conceivable, for example, through inert gas atomization with subsequent plasma atomization of the materials used, in which non-metallic inclusions are released from the material particles, or the starting material, for example material powder, is divided into different particle sizes after atomization with the aid of a classifier, which also increases it separation of non-metallic inclusions may occur.
  • the targeted order of using different melting processes in the production of the starting material may also influence the size of the inclusions.
  • VI M and VAR sequences such as, for example, VIM-VAR-VAR
  • VIM-VAR-VAR is particularly preferred, which results in a larger amount of sulfide impurities than oxide impurities.
  • the omission of the second VAR step (thus VIM-VAR) or an integration of an ESR step (VIM-ESR-VAR) may result, for example, in more oxide than sulfide impurities.
  • the component is also produced according to the present disclosure by encapsulating individual process steps, in particular encapsulating the transition between individual steps.
  • This may be done, for example, by using a protective gas atmosphere, for example using an inert gas, in order to exclude or at least reduce impurities during the production process, for example by atmospheric oxygen or else by hydrogen.
  • oxygen may lead to the formation of non-metallic inclusions, especially under uncontrolled conditions, while hydrogen may lead to so-called hydrogen embrittlement.
  • Individual process or procedural steps may thus be carried out under a protective gas atmosphere and vacuum.
  • Preparatory steps which can result in partial oxidation of the material upon contact of the starting material with oxygen, are preferably carried out under protective gas and in vacuo.
  • the screening or sifting step is also preferably carried out in this way. If the contact with atmospheric oxygen is no longer significant for a manufacturing quality, for example in the specific manufacturing steps of the component such as forging and subsequent processing steps, these may only be carried out under atmosphere.
  • the production method may in particular be produced by means of hot isostatic pressing or alternatively additive production methods.
  • the sieving step may be a step for separating different grain size fractions, in particular for separating non-metallic inclusions or impurities in the starting material, based on the different grain size fractions or density differences.
  • inclusions or impurities in the primary material do not exceed a certain size.
  • the production of the blank may be designed as a hot isostatic one
  • the primary material may be selected from materials from the group consisting of high-strength gear material, high-strength gear steel, M50NiL alloy, C64 alloy, C61 alloy, Pyrowear 53 alloy and 18CrNiMo7-6 alloy.
  • the component may be a component from the group consisting of a gear component, gear, bearing and blade.
  • the components mentioned here may be used in particular in an aircraft engine and may be subject to VHCF stress, so that their service life may be positively influenced by using the manufacturing method according to the disclosure.
  • the screened primary material may have a grain size smaller than 45 mm, in particular between 10 mm and 45 mm, furthermore in particular between 10 mm and 30 mm.
  • preliminary material may be provided before the blank is produced, using or mixing two or more batches of the preliminary material, in particular batches with different ones
  • the primary material may be set in such a way that a component with a service life required for a specific area of application can be manufactured.
  • a particularly high quality may be required for one component so that particularly low contamination of the primary material is required, while for another component a higher contamination, for example contamination with larger contaminants, may still be sufficient or tolerable.
  • At least one further processing step for obtaining the component may be carried out from the group consisting of forging, machining and heat treatment.
  • One or more of these further steps may be suitable for further processing a manufactured blank or for further improving its properties, in particular with regard to VHCF exposure.
  • heat treatment may cause internal stresses in the
  • FIG. 1 shows a side sectional view of a gas turbine engine in accordance with the present disclosure
  • FIG. 2 is a side sectional view of a gas turbine engine
  • FIG. 3 is a view of a transmission for a gas turbine engine
  • FIG. 4 is an exemplary overview / comparison of stresses in a conventional cycle range versus an ultra-high cycle range in accordance with the present disclosure
  • FIG. 5 shows a method for manufacturing a component in accordance with the present disclosure.
  • 1 shows a gas turbine engine 10 with a main axis of rotation 9.
  • the engine 10 includes an air inlet 12 and a fan 23 that generates two air streams: a core air stream A and a bypass air stream B.
  • the gas turbine engine 10 includes a core 11 that is the core air stream A records.
  • the core engine 1 1 comprises, in axial flow order, a low-pressure compressor 14, a high-pressure compressor 15, a combustion device 16, a high-pressure turbine 17, a Low-pressure turbine 19 and a core thrust nozzle 20.
  • An engine nacelle 21 surrounds the gas turbine engine 10 and defines a bypass duct 22 and a bypass thrust nozzle 18.
  • the bypass air flow B flows through the bypass duct 22.
  • the fan 23 is attached to the low-pressure turbine 19 via a shaft 26 and is attached to it driven.
  • the core air flow A is accelerated and compressed by the low-pressure compressor 14 and passed into the high-pressure compressor 15, where further compression takes place.
  • the compressed air discharged from the high pressure compressor 15 is conducted into the combustion device 16, where it is mixed with fuel and the mixture is burned.
  • the resulting hot combustion products then propagate through and drive the high pressure and low pressure turbines 17, 19 before being expelled through the nozzle 20 to provide some thrust.
  • the high-pressure compressor 15 is driven by the high-pressure turbine 17 through a connecting shaft. Fan 23 generally provides most of the thrust.
  • low pressure turbine and “low pressure compressor” as used herein can be understood to mean the turbine stage with the lowest pressure and the compressor stage with the lowest pressure (ie not the fan 23) and / or the turbine and compressor stage connected by the lowest speed link shaft 26 in the engine (ie, not including the transmission output shaft that drives the fan 23)
  • the "low pressure turbine” and the “low pressure compressor” referred to here may alternatively be known as the “medium pressure turbine” and “medium pressure compressor”.
  • the fan 23 can be referred to as a first compression stage or compression stage with the lowest pressure.
  • Other gas turbine engines to which the present disclosure may apply may have alternative configurations.
  • such engines can have an alternative number of compressors and / or turbines and / or an alternative number of connecting shafts.
  • the gas turbine engine shown in FIG. 1 has a split flow nozzle 20, 22, which means that the flow through the bypass passage 22 has its own nozzle, which is separate from the engine core nozzle 20 and radially outward therefrom.
  • this is not limitative, and any aspect of the present disclosure may apply to engines in which the flow through the bypass passage 22 and the flow through the core 11 are in front of (or upstream) a single nozzle, which may be referred to as a mixed flow nozzle, can be mixed or combined.
  • One or both nozzles can have a fixed or variable range.
  • FIG. 1 relates to a turbofan engine
  • the disclosure may apply to any type of gas turbine engine, such as a turbofan engine.
  • B in an open rotor (in which the fan stage is not surrounded by an engine nacelle) or a turboprop engine.
  • the gas turbine engine can comprise a gear that is driven via the core shaft and whose output drives the fan in such a way that it has a lower speed than the core shaft.
  • the input for the transmission can take place directly from the core shaft or indirectly via the core shaft, for example via a spur shaft and / or a spur gear.
  • the core shaft can be rigidly connected to the turbine and the compressor so that the turbine and the compressor rotate at the same speed, with the fan rotating at a lower speed. Components this turbine, in particular the transmission, may have been manufactured in accordance with the present disclosure.
  • the geometry of the gas turbine engine 10 and components thereof is defined by a conventional axis system that includes an axial direction (which is aligned with the axis of rotation 9), a radial direction (in the bottom-up direction in FIG. 1) and one Circumferential direction (perpendicular to the view in Fig. 1) includes.
  • the axial (X direction), the radial (Y direction) and the circumferential direction (Z direction) are perpendicular to each other.
  • FIG. 2 An exemplary arrangement for a transmission fan gas turbine engine is shown in FIG. 2.
  • the low-pressure turbine 19 drives the shaft 26, which is coupled to a sun gear 28 of the epicyclic planetary gear 30.
  • a plurality of planet gears 32 which are coupled to one another by a planet carrier 34, are located radially on the outside of the sun gear 28 and mesh therewith.
  • the planet carrier 34 guides the planet gears 32 so that they rotate in synchronism around the sun gear 28, while allowing each planet gear 32 to rotate about its own axis.
  • the planet carrier 34 is coupled to the fan 23 via linkages 36 to drive its rotation about the engine axis 9.
  • An outer gear or ring gear 38 which is coupled to a stationary support structure 24 via linkages 40, is located radially outside of the planet gears 32 and meshes therewith.
  • the epicyclic planetary gear 30 is shown in more detail by way of example in FIG. 3.
  • the sun gear 28, the planet gears 32 and the ring gear 38 each include teeth on their periphery to enable meshing with the other gears. However, for the sake of clarity, only exemplary sections of the teeth are shown in FIG. 3. Although four planet gears 32 are shown, one of ordinary skill in the art it is obvious that more or fewer planet gears 32 can be provided within the scope of the claimed invention.
  • Practical applications of an epicyclic planetary gear 30 generally include at least three planet gears 32.
  • the epicyclic planetary gear 30 shown by way of example in FIGS. 2 and 3 is a planetary gear in which the planet carrier 34 is coupled to an output shaft via linkages 36, the ring gear 38 being fixed.
  • any other suitable type of planetary gear 30 can be used.
  • the planetary gear 30 can be used as another example, the planetary gear
  • the transmission 30 may be a star arrangement in which the planet carrier 34 is held fixed, allowing the ring gear (or outer gear) 38 to rotate. With such an arrangement, the fan 23 is driven by the ring gear 38.
  • the transmission 30 may be a differential transmission that allows both the ring gear 38 and the planet carrier 34 to rotate.
  • FIGS. 2 and 3 is only exemplary, for example any suitable arrangement for positioning the gear 30 in the engine 10 and / or for connecting the gear 30 to the engine 10 can be used.
  • the connections (e.g., linkages 36, 40) between transmission 30 and other parts of engine 10 may have some degree of rigidity or flexibility.
  • any suitable arrangement of the bearings between rotating and stationary parts of the engine 10 e.g., between the input and output shafts of the transmission and the defined structures such as the transmission housing
  • the disclosure is not limited to the exemplary arrangement of FIG. 2.
  • the arrangement of the exit and support rods and Bearing positions in a star arrangement (described above) of the transmission 30 would generally differ from those which are shown by way of example in FIG. 2.
  • the present disclosure extends to a gas turbine engine with any arrangement of the transmission types (for example star-shaped or epicyclic planetary), support structures, input and output shaft arrangement and bearing positions.
  • transmission types for example star-shaped or epicyclic planetary
  • support structures for example star-shaped or epicyclic planetary
  • input and output shaft arrangement and bearing positions for example star-shaped or epicyclic planetary
  • the transmission can drive auxiliary and / or alternative components (e.g. the medium pressure compressor and / or a secondary compressor).
  • auxiliary and / or alternative components e.g. the medium pressure compressor and / or a secondary compressor.
  • LCF area I an LCF area I
  • HCF area II an HCF area II
  • a transition area III which may already be a VHCF area
  • VHCF area IV Cycles in the LCF area are exemplarily below 10 5 cycles, less than 10 8 cycles in the HCF range, while range III is in the range of 10 8 to 10 9 cycles.
  • VHCF range IV may be in particular in the range of 10 9 to 10 11 cycles and above.
  • a cycle may in particular be understood to mean any repetitive load or recurring loads on a component. In the case of a gearwheel, this may correspond, for example, to a complete rotation of the gearwheel, or else only in relation to the engagement of a single tooth with a counter element, the smallest repetitive load. While components with conventional loads in the range of 10 2 to 10 7 cycles mainly show failure mechanisms such as surface breaks, breaks or cracks in the interior of the component may be responsible for failure in the VHCF range from 10 8 cycles.
  • Such breaks occur in particular on inclusions, for example oxides such as aluminum oxide, nitrides, for example titanium nitride, carbides or sulfides, for example calcium or manganese sulfide.
  • inclusions for example oxides such as aluminum oxide, nitrides, for example titanium nitride, carbides or sulfides, for example calcium or manganese sulfide.
  • the size, shape, type and distribution of the contamination or inclusion are relevant here.
  • Chemical gradients can also lead to different local mechanical properties due to the solidification kinetics of the alloy. Chemical gradients may lead to increased dispersion of the material properties and thus to an increased weight if the design takes these into account.
  • control of oxygen, nitrogen and sulfur is helpful in reducing impurities, since e.g. the presence of oxygen correlates with the size of the oxides.
  • FIG. 5 shows a method 130 for producing a component, for example for a turbomachine, in particular for a gas turbine engine for an aircraft or an aircraft engine.
  • Pre-material or starting material is provided 132. It is also conceivable to provide a semi-finished product and melt it under vacuum or arc vacuum remelting. Melt 134 is thus produced and preferably kept in vacuum or using a protective gas 154 in a protective gas atmosphere. The melt material is then atomized 36, preferably with nitrogen, also using protective gas 154.
  • the screening step can be carried out in combination with or alternatively as views.
  • the step of screening 138 is also preferably carried out under a protective gas atmosphere.
  • 140 different batches are subsequently mixed, also under protective gas 154.
  • the material for producing the component can be provided in a desired or required quality in order to influence the later properties of the component in this way.
  • a molded blank can be produced by filling 142 a capsule with the material to produce the component.
  • the capsule may, for example, specify the final shape of the component, thus defining its dimensions and geometric structure. Filling is also preferably carried out under vacuum.
  • the blank of the component is subsequently produced 144 from the molded blank in the capsule, for example by hot isostatic pressing.
  • Hot isostatic pressing is a manufacturing technique in which powders and solids, such as ceramics and metals, are simultaneously hot pressed and then sintered.
  • the component is inserted into a deformable, sealed container, the capsule mentioned above.
  • the container In a heatable pressure vessel, the container is exposed to temperatures of up to 2000X and pressures of 100 to 200 MPa, preferably under protective gas, and compressed in the process.
  • the gas pressure acts on the component from all sides so that it can have isotropic properties after production.
  • an additive manufacturing process is conceivable for producing a blank from the blank or the primary material.
  • the blank can subsequently be further processed by forging 146, machining 148, and / or a heat treatment 150 to obtain a finished component 152.

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Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Triebwerkstechnologie. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung die Herstellung von Triebwerksbauteilen, welche einer besonderen Belastung unterliegen. Weiter insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung ein Herstellungsverfahren (130) eines Bauteils für eine Turbomaschine, insbesondere für ein Flugzeugtriebwerk, mit einer sehr hohen Festigkeit im sehr hohen Zyklenbereich, aufweisend die Schritte Bereitstellen (132) eines Vormaterials; Sieben (138) des Vormaterials; Herstellen (142) eines Formrohlings unter Verwendung des gesiebten Vormaterials; und Herstellen (144) eines Rohlings aus dem Formrohling; wobei das Verfahren zumindest teilweise unter Verwendung einer Schutzgasatmosphäre (154) durchgeführt wird.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für eine Turbomaschine
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Triebwerkstechnologie. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung die Herstellung von Triebwerksbauteilen, welche einer besonderen Belastung unterliegen. Weiter insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung ein
Herstellungsverfahren für eine Triebwerkskomponente mit einer sehr hohen Festigkeit im sehr hohen Zyklenbereich.
Im Rahmen der Herstellung von Bauteilen spielt der Reinheitsgrad der Ausgangsmaterialien eine entscheidende Rolle für die spätere Belastbarkeit dieser Bauteile. Der Reinheitsgrad kann sich dabei insbesondere auf Einschlüsse im Ausgangsmaterial, somit Verunreinigungen im Ausgangsmaterial, beziehen, welche sich beispielsweise nach Anzahl, Größe, Form, Art und Verteilung der Einschlüsse klassifizieren lassen. Durch das Sicherstellen eines gewissen Reinheitsgrades lassen sich Materialeigenschaften für bestimmte Anwendungsbereiche verbessern.
Hiervon ausgehend wurden verbesserte Herstellungsverfahren für Ausgangsmaterial, beispielsweise verbesserte Schmelzungstechnologien, entwickelt, die heute für verschiedene Anwendungen zum Einsatz kommen. Beispielsweise wurde ursprünglich Schmelzen an Luft zu Schmelzen unter Schlacke verbessert, um die Oxidation der in der Schmelze vorhandenen Elemente und damit die Bildung nicht-metallischer Einschlüsse zu minimieren. Eine weitere Verbesserung der Schmelzverfahren stellen beispielsweise das Schmelzen unter Vakuum (Vacuum Induction Melting - VIM) sowie das wiederholte Umschmelzen, beispielsweise das Elektroschlackeumschmelzen (ESU; Electro-Slack Remelting - ESR) oder Lichtbogenvakuumumschmelzen (Vacuum Are Remelting - VAR), dar, wodurch sich die Reinheit metallischer Ausgangswerkstoffe weiter steigern lässt.
Derartige Schmelztechnologien finden bevorzugt dort Anwendung, wo eine hohe Reinheit gefordert wird, beispielsweise zur Herstellung von Bauteilen für Lageranwendungen, aber auch zur Herstellung von z.B.
Nickelwerkstoffen für Kompressor- bzw. Turbinenscheiben.
Die Bestimmung des Reinheitsgrades basiert dabei für die bekannten Schmelz- bzw. Umschmelzverfahren auf der Bestimmung von
Wahrscheinlichkeiten für das Auftreten bestimmter Einschlussgrößen; es erfolgt somit keine systematische Begrenzung oberhalb einer bestimmten Einschlussgröße zur Steigerung der Reinheit. Eine lediglich statistikbasierte Bestimmbarkeit der Reinheit mag dabei besonders der Tatsache geschuldet sein, dass sich herkömmliche, direkte Prüfverfahren zur Bestimmung von Reinheit bzw. dem Vorhandensein von Verunreinigungen bestimmter Einschlussgrößen nur bis zu Einschlussgrößen von einer Größe bis ca. 0,4 mm durchführen lassen, beispielsweise durch Ultraschallinspektion. Dies hat zur Folge, dass diese Wahrscheinlichkeiten zur Berechnung von Bauteillebensdauern mit einbezogen werden oder im Rahmen einer Worst-Case-Abschätzung bei der Bauteilauslegung von einer bestimmten Einschlussgröße ausgegangen werden muss, beispielsweise einer maximalen Einschlussgröße von ~0,4 mm bzw. 1/64 Inch, da sich kleinere Einschlüsse wie zuvor dargelegt mit herkömmlichen Verfahren nicht robust detektieren lassen. Gemäß FOB- Standard (FOB flat bottom hole) stellt diese Größe die kleinste Referenz dar. Je nach Fehler können aber durchaus kleinere oder aber nur größere Fehler detektiert werden. Die Möglichkeit kleinere Fehler festzustellen, z.B. 0.1 mm, ist dabei insbesondere abhängig vom Werkstoff, Werkstück sowie der Mess-Ausrüstung. Somit mag sich ein Bedarf ergeben, eine Verunreinigung von Ausgangsmaterialien für die Bauteilherstellung durch eine systematische und prozessin härente Begrenzung der maximal möglichen nichtmetallischen Einschlussgröße bereitzustellen.
Weiterhin mag ein Bedarf gegeben sein, während des
Herstellungsprozesses eines Bauteils durch erweiterte Maßnahmen sicherzustellen, dass eine nachträgliche bzw. während des
Herstellungsprozesses auftretende Verunreinigung der Materialien unterbleibt.
Zumindest einem solchen Bedarf mag mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche entsprochen werden. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und werden in der weiteren Beschreibung näher erläutert.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils für eine Turbomaschine, insbesondere für ein Flugzeugtriebwerk, bereitgestellt, aufweisend die Schritte Bereitstellen eines Vormaterials, Sieben des Vormaterials, Herstellen eines Formrohlings unter Verwendung des gesiebten Vormaterials und Herstellen eines Rohlings aus dem Formrohling, wobei das Verfahren zumindest teilweise unter Verwendung einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird. Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Bauteil für eine Turbomaschine, insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug, weiter insbesondere ein Flugzeugtriebwerk, bereitgestellt, hergestellt durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung. Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug, aufweisend zumindest ein Bauteil gemäß der vorliegenden Offenbarung, insbesondere hergestellt durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung.
Ideen und Konzepte der vorliegenden Offenbarung mögen als auf folgenden Beobachtungen und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung findet eine systematische bzw. prozessinhärente Begrenzung der maximalen Einschlussgröße von Verunreinigungen, beispielsweise von nicht-metallischen Einschlüssen, durch einen geeignet ausgebildeten Siebprozess statt. Sieben allgemein soll im Rahmen der vorliegenden Offenbarung als ein Trennverfahren verstanden werden, welches geeignet ist, Ausgangsmaterialien größenmäßig und insbesondere dichtemäßig zu unterscheiden und hierdurch zu separieren. Exemplarisch mag dies unter Verwendung eines konventionellen Siebes erfolgen oder aber durch anders ausgebildete Prozesse wie beispielsweise Windsichtern. Kombinationen dieser beiden Siebvarianten sind denkbar ebenso wie andere Siebverfahren. Beim konventionellen Sieben mag eine maximale Einschlussgröße beispielsweise über die Sieblochgröße eingestellt werden. Beim Windsichterverfahren mag sich aufgrund von Dichteunterschieden eine Abtrennung von Einschlüssen gleicher Größe als die Materialpartikel realisieren lassen. Das Sieben mag innerhalb des Herstellungsverfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung stattfinden oder aber auch bereits bei der Bereitstellung des Ausgangsmaterials bzw. des Vormaterials erfolgen.
Das Sieben mag dabei ein einzelner Arbeitsschritt eingerichtet sein, oder aber mag aus mehreren aufeinanderfolgenden Schritten bzw. unabhängigen Siebungen ausgebildet sein. Diese mögen z.B. jeweils unterschiedliche Siebungsgrößen realisieren, so dass z.B. eine zunehmend feine Siebung durchgeführt wird oder aber mehrere voreinander unabhängige Siebungen mit unterschiedlichen Siebungsgrößen durchführen. Diese einzelnen Chargen mögen separat verwendet oder wieder gemischt werden um ein gewünschtes Ausgangsmaterial bereitzustellen.
Insbesondere mag die Abtrennung einer Größenfraktion von kleiner 10mm aus dem zu verwendenden Ausgangsmaterial zu einem Bauteil mit bevorzugten VHCF-Eigenschaften führen. Mit anderen Worten wird eine Siebung derart durchgeführt, so dass die Restkorngröße im Bereich von 10mm bis 45mm liegt. Dies mag durch einen einzelnen Sieb-/Sichterschritt oder aber durch zwei oder mehrere nacheinander folgende Schritte realisiert werden. Beispielsweise mag zunächst ein erster Sieb/Sichterschritt eine Abtrennung bei 45mm durchführen, somit zwei Materialteile, einen > 45mm und einen < 45mm, bereitstellen. Der Materialteil < 45mm mag in einem nachfolgenden Sieb/Sicherschritt bei 10mm getrennt werden, wodurch zwei Materialteile erhalten werden, einer im Wesentlichen 10mm bis 45mm entsprechend und einer < 10mm. Für die weitere Verarbeitung und Bauteil-Herstellung mag nun im Weiteren der Materialteil 10mm bis 45mm Verwendung finden.
Hierdurch wird Vormaterial mit einer besonders reduzierten Anzahl von Einschlüssen bereitgestellt, da die Hauptanzahl üblicher Einschlüsse in einem Größenbereich von 0 bis 10mm liegt. Durch Heraussieben des Größenbereichs kleiner 10mm werden somit überproportional viele Einschlüsse abgetrennt.
Verunreinigungen, ausgebildet als Oxide bzw. Sulfide liegen üblicherweise in einem Größenbereich bzw. Durchmesserbereich von kleiner 10 mm, insbesondere im Bereich von 3mm bis 6mm, so dass eine Abtrennung dieses Größenbereichs ein besonders reines Material für die weitere Bauteil-Herstellung liefert. Weiterhin denkbar ist das wiederholte Aufschmelzen zum Beispiel durch Inertgasverdüsung mit anschließender Plasmaverdüsung der verwendeten Materialien bei der sich nicht- metallische Einschlüsse aus den Materialpartikeln lösen oder das Ausgangsmaterial, beispielsweise Materialpulver, wird nach der Verdüsung mithilfe eines Sichters in unterschiedliche Partikelgrößen aufgeteilt, wodurch es ebenfalls zu einer Abtrennung nicht-metallischer Einschlüsse kommen mag. Auch die gezielte Reihenfolge der Verwendung unterschiedlicher Schmelzverfahren bei der Herstellung des Ausgangsmaterials mag die Größe der Einschlüsse beeinflussen. Besonders bevorzugt ist dabei eine Kombination von VI M und VAR Abfolgen, wie z.B. VIM-VAR-VAR, was in einer größeren Menge von Sulfid- Verunreinigungen gegenüber Oxid-Verunreinigungen resultiert. Demgegenüber mag das Weglassen des zweiten VAR Schrittes (somit VIM-VAR) bzw. eine Integration eines ESR Schrittes (VIM-ESR-VAR) z.B. in mehr Oxid- als Sulfid-Verunreinigungen resultieren.
Neben dem systematischen Ausschluss von Verunreinigungen bestimmter Einschlussgrößen erfolgt die Herstellung des Bauteils gemäß der vorliegenden Offenbarung im Weiteren durch eine Kapselung einzelner Prozessschritte, insbesondere die Kapselung bei Übergang zwischen einzelnen Schritten. Dies mag beispielsweise durch Verwendung einer Schutzgasatmosphäre erfolgen, beispielsweise unter Verwendung eines Inertgases, um Verunreinigungen während des Herstellungsverfahrens, beispielsweise durch Luftsauerstoff oder aber auch durch Wasserstoff, auszuschließen bzw. zumindest zu reduzieren. Sauerstoff mag in diesem Zusammenhang zur Bildung nicht-metallischer Einschlüsse, insbesondere unter unkontrollierten Bedingungen führen, während Wasserstoff zu einer sogenannten Wasserstoffversprödung führen mag. Einzelne Prozess- bzw. Verfahrensschrite mögen somit unter Schutzgasatmosphäre und Vakuum durchgeführt werden. Bevorzugt werden vorbereitende Schrite, die bei Kontakt des Ausgangsmaterials mit Sauerstoff in einer teilweisen Oxidation des Materials resultieren können, unter Schutzgas und im Vakuum durchgeführt. Auch der Sieb- bzw. Sichterschrit wird bevorzugt derart durchgeführt. Ist der Kontakt mit Luftsauerstoff nicht mehr signifikant für eine Herstellungsqualität, z.B. bei den konkreten Herstellungsschriten des Bauteils wie Schmieden und nachfolgenden Bearbeitungsschritten mögen diese auch lediglich unter Atmosphäre durchgeführt werden.
Im Wesentlichen wurde erkannt, dass im Anwendungsbereich von Bauteilen, die eine sehr hohe Zyklenfestigkeit erfordern bzw. einer sehr hoher Zyklenbelastung ausgesetzt sind, es zu anderen Versagensmechanismen kommt als beispielsweise im niedrigen bzw. lediglich hohen Zyklen bereich. Während es beispielsweise im niederen bzw. lediglich hohen Zyklenbereich hauptsächlich zu Oberflächenrissen kommen kann, treten im sehr hohen Zyklenbereich insbesondere innere Risse auf, welche sich an Verunreinigungen im Bauteil ausbilden und zu einer Begrenzung der Lebensdauer führen. Durch die Begrenzung der maximalen nicht-metallischen Einschlussgröße bei Bauteilen mit sehr hoher Zyklenbelastung mag dieser Fehlerfall reduziert und damit die Lebensdauer der entsprechenden Bauteile erhöht werden. Somit lassen sich durch die vorliegende Offenbarung Ermüdungseigenschaften im ultrahochzyklischen Bereich (very high cycle fatigue - VHCF), somit in einem Bereich von N > 108 Zyklen, insbesondere metallischer Werkstoffe verbessern. Somit stellt die vorliegende Offenbarung für Bauteile, die zyklisch belastet werden, eine Verbesserung der Zuverlässigkeit dar, sofern Einschlüsse unterhalb der Nachweisgrenze für die Bauteillebensdauer relevant sind, wie zum Beispiel bei Lageranwendungen mit einer üblichen Belastung im VHCF-Bereich.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung mag das Herstellungsverfahren insbesondere eine Herstellung mittels heiß-isostatischem Pressen oder alternativ additiven Fertigungsverfahren erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mag der Siebschritt ein Schritt sein zur Abtrennung unterschiedlicher Korngrößenfraktionen, insbesondere zur Abtrennung nicht-metallischer Einschlüsse bzw. Verunreinigungen im Vormaterial, basierend auf den unterschiedlichen Korngrößenfraktionen bzw. Dichteunterschieden.
Demgemäß mag sichergestellt werden, dass Einschlüsse bzw. Verunreinigungen im Vormaterial eine bestimmte Größe nicht überschreiten. Insbesondere mag sichergestellt sein, dass die maximale Größe der Verunreinigung einen bestimmten Wert nicht überschreitet, welcher messtechnisch selbst nicht mehr zerstörungsfrei nachgewiesen werden kann. Somit lässt sich trotz fehlendem Messverfahren für eine bestimmte Verunreinigungsgröße sicherstellen, dass im Wesentlichen sämtliche mögliche Verunreinigungen unterhalb dieser Schwelle bzw. dieser Größen liegen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung mag die Herstellung des Rohlings ausgebildet sein als heiß-isostatisches
Pressverfahren oder als additives Herstellungsverfahren.
Unter Verwendung eines derartigen Herstellungsverfahrens mögen sich bevorzugt Bauteile für einen besonderen Anwendungsbereich, insbesondere in der Triebwerkstechnologie für Luftfahrzeuge, bereitstellen lassen. Die Bauteile mögen dabei einer Belastung ausgesetzt sein, welche eine bestimmte Lebensdauer bzw. Belastbarkeit erfordert, die bevorzugt mittels des offenbarungsgemäßen Herstellungsverfahrens befriedigt werden kann. Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mag das Vormaterial ausgewählt sein aus Materialien aus der Gruppe bestehend aus hochfester Zahnradwerkstoff, hochfester Zahnradstahl, M50NiL Legierung, C64 Legierung, C61 Legierung, Pyrowear 53 Legierung und 18CrNiMo7-6 Legierung.
Derartige Materialien mögen sich bevorzugt für die Herstellung von Bauteilen eignen, welche im ultrahochzyklischen Bereich Anwendung finden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mag das Bauteil ein Bauteil sein aus der Gruppe bestehend aus Getriebebauteil, Zahnrad, Lager und Schaufel.
Die hier genannten Bauteile mögen insbesondere in einem Flugzeugtriebwerk zum Einsatz kommen und dabei einer VHCF-Belastung unterliegen, so dass deren Lebensdauer durch Verwendung des offenbarungsgemäßen Herstellungsverfahrens positiv beeinflusst werden mag. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mag das gesiebte Vormaterial eine Korngröße aufweisen kleiner als 45 mm, insbesondere zwischen 10mm und 45mm, weiter insbesondere zwischen 10mm und 30mm. Durch Sicherstellen einer entsprechenden Korngröße bzw. Größe der Verunreinigungen ergeben sich offenbarungsgemäß hergestellte Bauteile, die bevorzugte Langlebigkeitseigenschaften bei VHCF-Belastung aufweisen. Insbesondere die Abtrennung einer Größenfraktion von kleiner 10mm, so dass die Restkorngröße im Bereich von 10mm bis 45mm, insbesondere 10mm bis 30mm liegt, ermöglicht eine Bereitstellung von Vormateriai mit einer besonders reduzierten Anzahl von Einschlüssen, da die Hauptanzahl üblicher Einschlüsse in einer Größe von 0 bis 10mm liegt. Durch Heraussieben des Größenbereichs < 10mm werden somit überdurchschnittlich viele Einschlüsse abgetrennt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mag vor dem Herstellen des Rohlings Vormaterial bereitgestellt werden unter Verwendung bzw. Mischen von zwei oder mehreren Chargen des Vormaterials, insbesondere von Chargen mit unterschiedlichen
Korngrößen.
Durch Mischung von zwei oder mehreren Chargen des Vormaterials unter besonderer Berücksichtigung von möglichen Korngrößen bzw. maximalen Einschlussgrößen von Verunreinigungen mag sich das Vormaterial derart geeignet einstellen lassen, um ein Bauteil mit einer für einen speziellen Anwendungsbereich geforderten Lebensdauer hersteilen zu können. Mit anderen Worten mag für ein Bauteil eine besonders hohe Qualität, damit besonders geringe Verunreinigung des Vormaterials benötigt werden, während für ein anderes Bauteil eine höhere Verunreinigung, beispielsweise eine Verunreinigung mit größeren Verunreinigungen, noch ausreichen bzw. tolerierbar sein mag.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mag nach dem Herstellen des Rohlings zumindest ein weiterer Bearbeitungsschritt zum Erhalt des Bauteils durchgeführt werden aus der Gruppe bestehend aus Schmieden, spanende Bearbeitung und Wärmebehandlung. Ein oder mehrere dieser weiteren Schritte mögen geeignet sein, einen hergestellten Rohling weiter zu bearbeiten bzw. seine Eigenschaften, insbesondere in Bezug auf eine VHCF-Belastung, weiter zu verbessern. Beispielsweise mag eine Wärmebehandlung interne Spannungen im
Bauteil abbauen bzw. positive Auswirkungen auf eine vorherrschende Druckeigenspannung aufweisen oder auch einen gewünschten Endzustand des Materials herstellen (Härten). Im Nachfolgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
Dabei zeigt: Fig. 1 eine Seitenschnittansicht eines Gasturbinentriebwerks gemäß der vorliegenden Offenbarung;
Fig. 2 eine Seitenschnittansicht eines Gasturbinentriebwerks;
Fig. 3 eine Ansicht eines Getriebes für ein Gasturbinentriebwerk;
Fig. 4 eine exemplarische Übersicht/Vergleich von Beanspruchungen in einem konventionellen Zyklusbereich gegenüber einem ultrahochzyklischen Bereich gemäß der vorliegenden Offenbarung; und Fig. 5 ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils gemäß der vorliegenden Offenbarung. Fig. 1 stellt ein Gasturbinentriebwerk 10 mit einer Hauptdrehachse 9 dar. Das Triebwerk 10 umfasst einen Lufteinlass 12 und ein Fan 23, der zwei Luftströme erzeugt: einen Kernluftstrom A und einen Bypassluftstrom B. Das Gasturbinentriebwerk 10 umfasst einen Kern 1 1 , der den Kernluftstrom A aufnimmt. Das Kerntriebwerk 1 1 umfasst in Axialströmungsreihenfolge einen Niederdruckverdichter 14, einen Hochdruckverdichter 15, eine Verbrennungseinrichtung 16, eine Hochdruckturbine 17, eine Niederdruckturbine 19 und eine Kernschubdüse 20. Eine Triebwerksgondel 21 umgibt das Gasturbinentriebwerk 10 und definiert einen Bypasskanal 22 und eine Bypassschubdüse 18. Der Bypassluftstrom B strömt durch den Bypasskanal 22. Der Fan 23 ist über eine Welle 26 an der Niederdruckturbine 19 angebracht und wird durch diese angetrieben.
Im Betrieb wird der Kernluftstrom A durch den Niederdruckverdichter 14 beschleunigt und verdichtet und in den Hochdruckverdichter 15 geleitet, wo eine weitere Verdichtung erfolgt. Die aus dem Hochdruckverdichter 15 ausgestoßene verdichtete Luft wird in die Verbrennungseinrichtung 16 geleitet, wo sie mit Kraftstoff vermischt wird und das Gemisch verbrannt wird. Die resultierenden heißen Verbrennungsprodukte breiten sich dann durch die Hochdruck- und die Niederdruckturbine 17, 19 aus und treiben diese dadurch an, bevor sie zur Bereitstellung einer gewissen Schubkraft durch die Düse 20 ausgestoßen werden. Der Hochdruckverdichter 15 wird durch eine Verbindungswelle von der Hochdruckturbine 17 angetrieben. Der Fan 23 stellt allgemein den Hauptteil der Schubkraft bereit.
Es wird angemerkt, dass die Begriffe „Niederdruckturbine“ und „Niederdruckverdichter", so wie sie hier verwendet werden, so aufgefasst werden können, dass sie die Turbinenstufe mit dem niedrigsten Druck bzw. die Verdichterstufe mit dem niedrigsten Druck (d. h. dass sie nicht den Fan 23 umfassen) und/oder die Turbinen- und Verdichterstufe, die durch die Verbindungswelle 26 mit der niedrigsten Drehzahl in dem Triebwerk (d. h. dass sie nicht die Getriebeausgangswelle, die den Fan 23 antreibt, umfasst) miteinander verbunden sind, bedeuten. In einigen Schriften können die„Niederdruckturbine“ und der„Niederdruckverdichter", auf die hier Bezug genommen wird, alternativ dazu als die„Mitteldruckturbine“ und „Mitteldruckverdichter bekannt sein. Bei der Verwendung derartiger alternativer Nomenklatur kann der Fan 23 als eine erste Verdichtungsstufe oder Verdichtungsstufe mit dem niedrigsten Druck bezeichnet werden. Andere Gasturbinentriebwerke, bei denen die vorliegende Offenbarung Anwendung finden kann, können alternative Konfigurationen aufweisen. Beispielsweise können derartige Triebwerke eine alternative Anzahl an Verdichtern und/oder Turbinen und/oder eine alternative Anzahl an Verbindungswellen aufweisen. Als ein weiteres Beispiel weist das in Fig. 1 gezeigte Gasturbinentriebwerk eine Teilungsstromdüse 20, 22 auf, was bedeutet, dass der Strom durch den Bypasskanal 22 seine eigene Düse aufweist, die von der Triebwerkskerndüse 20 separat und davon radial außen ist. Jedoch ist dies nicht einschränkend und ein beliebiger Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann auch auf Triebwerke zutreffen, bei denen der Strom durch den Bypasskanal 22 und der Strom durch den Kern 11 vor (oder stromaufwärts) einer einzigen Düse, die als eine Mischstromdüse bezeichnet werden kann, vermischt oder kombiniert werden. Eine oder beide Düsen (ob Misch- oder Teilungsstrom) kann einen festgelegten oder variablen Bereich aufweisen. Obgleich sich Fig. 1 auf ein Turbofantriebwerk bezieht, kann die Offenbarung beispielsweise bei einer beliebigen Art von Gasturbinentriebwerk, wie z. B. bei einem Open-Rotor- (bei dem die Fanstufe nicht von einer Triebwerksgondel umgeben wird) oder einem Turboprop-Triebwerk, angewendet werden.
Weiterhin denkbar ist das Vorsehen einer Getriebeuntersetzung zwischen Niederdruckturbine und Niederdruckverdichter bzw. Fan. Entsprechend kann das Gasturbinentriebwerk ein Getriebe umfassen, das über die Kernwelle angetrieben wird und dessen Abtrieb den Fan so antreibt, dass er eine niedrigere Drehzahl als die Kernwelle aufweist. Der Eingang für das Getriebe kann direkt von der Kernwelle oder indirekt über die Kernwelle, beispielsweise über eine Stirnwelle und/oder ein Stirnzahnrad, erfolgen. Die Kernwelle kann mit der Turbine und dem Verdichter starr verbunden sein, so dass sich die Turbine und der Verdichter mit derselben Drehzahl drehen, wobei sich der Fan mit einer niedrigeren Drehzahl dreht. Bauteile dieser Turbine, insbesondere des Getriebes, können dabei gemäß der vorliegenden Offenbarung hegestellt worden sein.
Die Geometrie des Gasturbinentriebwerks 10 und Komponenten davon wird bzw. werden durch ein herkömmliches Achsensystem definiert, das eine axiale Richtung (die auf die Drehachse 9 ausgerichtet ist), eine radiale Richtung (in der Richtung von unten nach oben in Fig. 1 ) und eine Umfangsrichtung (senkrecht zu der Ansicht in Fig. 1 ) umfasst. Die axiale (X-Richtung), die radiale (Y-Richtung) und die Umfangsrichtung (Z- Richtung) verlaufen senkrecht zueinander.
Eine beispielhafte Anordnung für ein Getriebe-Fan-Gasturbinentriebwerk wird in Fig. 2 gezeigt. Die Niederdruckturbine 19 treibt die Welle 26 an, die mit einem Sonnenrad 28 des epizyklischen Planetengetriebes 30 gekoppelt ist. Mehrere Planetenräder 32, die durch einen Planetenträger 34 miteinander gekoppelt sind, befinden sich von dem Sonnenrad 28 radial außen und kämmen damit. Der Planetenträger 34 führt die Planetenräder 32 so, dass sie synchron um das Sonnenrad 28 kreisen, während er ermöglicht, dass sich jedes Planetenrad 32 um seine eigene Achse drehen kann. Der Planetenträger 34 ist über Gestänge 36 mit dem Fan 23 dahingehend gekoppelt, seine Drehung um die Triebwerksachse 9 anzutreiben. Ein Außenrad oder Hohlrad 38, das über Gestänge 40 mit einer stationären Stützstruktur 24 gekoppelt ist, befindet sich von den Planetenrädern 32 radial außen und kämmt damit.
Das epizyklische Planeten getriebe 30 wird in Fig. 3 beispielhaft genauer gezeigt. Das Sonnenrad 28, die Planetenräder 32 und das Hohlrad 38 umfassen jeweils Zähne an ihrem Umfang, um ein Kämmen mit den anderen Zahnrädern zu ermöglichen. Jedoch werden der Übersichtlichkeit halber lediglich beispielhafte Abschnitte der Zähne in Fig. 3 dargestellt. Obgleich vier Planetenräder 32 dargestellt werden, liegt für den Fachmann auf der Hand, dass innerhalb des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung mehr oder weniger Planetenräder 32 vorgesehen sein können. Praktische Anwendungen eines epizylischen Planetengetriebes 30 umfassen allgemein mindestens drei Planetenräder 32.
Das in Fig. 2 und 3 beispielhaft dargestellte epizyklische Planetengetriebe 30 ist ein Planetengetriebe, bei dem der Planetenträger 34 über Gestänge 36 mit einer Ausgangswelle gekoppelt ist, wobei das Hohlrad 38 festgelegt ist. Jedoch kann eine beliebige andere geeignete Art von Planetengetriebe 30 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel kann das Planetengetriebe
30 eine Sternanordnung sein, bei der der Planetenträger 34 festgelegt gehalten wird, wobei gestattet wird, dass sich das Hohlrad (oder Außenrad) 38 dreht. Bei solch einer Anordnung wird der Fan 23 von dem Hohlrad 38 angetrieben. Als ein weiteres alternatives Beispiel kann das Getriebe 30 ein Differenzialgetriebe sein, bei dem gestattet wird, dass sich sowohl das Hohlrad 38 als auch der Planetenträger 34 drehen.
Es versteht sich, dass die in Fig. 2 und 3 gezeigte Anordnung lediglich beispielhaft ist, z.B. kann eine beliebige geeignete Anordnung zur Positionierung des Getriebes 30 in dem Triebwerk 10 und/oder zur Verbindung des Getriebes 30 mit dem Triebwerk 10 verwendet werden. Als ein weiteres Beispiel können die Verbindungen (z. B. die Gestänge 36, 40) zwischen dem Getriebe 30 und anderen Teilen des Triebwerks 10 einen gewissen Grad an Steifigkeit oder Flexibilität aufweisen. Als ein weiteres Beispiel kann eine beliebige geeignete Anordnung der Lager zwischen rotierenden und stationären Teilen des Triebwerks 10 (beispielsweise zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle des Getriebes und den festgelegten Strukturen, wie z. B. dem Getriebegehäuse) verwendet werden, und die Offenbarung ist nicht auf die beispielhafte Anordnung von Fig. 2 beschränkt. Beispielsweise ist für den Fachmann ohne Weiteres erkennbar, dass sich die Anordnung von Ausgang und Stützgestängen und Lagerpositionierungen bei einer Sternanordnung (oben beschrieben) des Getriebes 30 in der Regel von jenen, die beispielhaft in Fig. 2 gezeigt werden, unterscheiden würden.
Entsprechend dehnt sich die vorliegende Offenbarung auf ein Gasturbinentriebwerk mit einer beliebigen Anordnung der Getriebearten (beispielsweise sternförmig oder epizyklisch planetenartig), Stützstrukturen, Eingangs- und Ausgangswellenanordnung und Lagerpositionierungen aus.
Optional kann das Getriebe Neben- und/oder alternative Komponenten (z.B. den Mitteldruckverdichter und/oder einen Nachverdichter) antreiben.
Weiter Bezug nehmend auf Fig. 4 wird eine exemplarische Übersicht und ein Vergleich von Beanspruchungen im konventionellen Zyklusbereich wie beispielsweise im niederen Zyklusbereich (Low Cycle Fatigue - LCF) und im hohen Zyklusbereich (High Cycle Fatigue - HCF) gegenüber einer Belastung im ultrahochzyklischen Bereich (Very High Cycle Fatigue - VHCF) dargestellt.
In Fig. 4 unterschieden wird ein LCF-Bereich I, ein HCF-Bereich II sowie ein Übergangsbereich III, welcher bereits zu einem VHCF-Bereich gezählt werden mag, sowie VHCF-Bereich IV. Zyklen liegen hierbei im LCF- Bereich exemplarisch bei unter 105 Zyklen, im HCF-Bereich unter 108 Zyklen, während Bereich III im Bereich von 108 bis 109 Zyklen liegt. VHCF- Bereich IV mag insbesondere im Bereich von 109 bis 1011 Zyklen und darüber liegen. Als Zyklus mag insbesondere jede sich wiederholende Belastung bzw. wiederkehrende Beanspruchungen eines Bauteils verstanden werden. Bei einem Zahnrad mag das beispielsweise einer vollständigen Umdrehung des Zahnrades entsprechen, oder aber auch nur in Bezug auf den Eingriff eines einzelnen Zahnes mit einem Gegenelement verstanden werden kleinste sich wiederholende Belastung. Während Bauteile bei herkömmlichen Belastungen im Bereich von 102 bis 107 Zyklen hauptsächlich Versagensmechanismen wie Oberflächenbrüche zeigen, mögen im VHCF-Bereich ab 108 Zyklen insbesondere Brüche bzw. Risse im Bauteilinneren für ein Versagen verantwortlich sein.
Solche Brüche treten insbesondere an Einschlüssen, zum Beispiel Oxiden wie Aluminiumoxid, Nitriden, zum Beispiel Titannitrid, Karbiden oder Sulfiden zum Beispiel Calcium- oder Mangansulfid auf. Hierbei relevant ist die Größe, Form, Art und Verteilung der Verunreinigung bzw. des Einschlusses. Ebenso können chemische Gradienten aufgrund der Erstarrungskinetik der Legierung zu unterschiedlichen lokalen mechanischen Eigenschaften führen. Chemische Gradienten mögen zu erhöhter Streuung der Materialeigenschaften führen und somit bei einer Auslegung, die diese berücksichtigt, zu erhöhtem Gewicht.
Hilfreich zur Verringerung der Verunreinigungen ist dabei die Kontrolle von Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel, da z.B. das Vorhandensein von Sauerstoff mit der Größe der Oxide korreliert.
Das Vorsehen von pulverförmigem Ausgangsmaterial vermag chemische Gradienten zu minimieren und damit die Streuung der Materialeigenschaften. Mithilfe von Zyklonsiebung können
Verunreinigungen wirksam vom Basismaterial separiert werden.
Weiterhin relevant für das Entstehen von internen Brüchen bzw. Rissen bei VHCF-Belastung gemäß einer wissenschaftliche Theorie ist das Vorhandensein eines erhöhten Wasserstoffanteils, da sich dieser an diesen Brüchen bzw. Rissen sammelt und anhäuft, was zu einer Reduzierung der Reibung zwischen den Rissstrukturen führt und mit der atomaren Bindung interagiert. Durch eine Kontrolle der Einschlussgröße bzw. der Verunreinigung und Minimierung der Streuung durch Minimierung chemischer Gradienten lassen sich somit auch für den VHCF-Bereich geeignete Bauteile bereitstellen.
Weiter Bezug nehmend auf Fig. 5 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils gemäß der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Fig. 5 zeigt ein Verfahren 130 zur Herstellung eines Bauteils zum Beispiel für eine Turbomaschine, insbesondere für ein Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug bzw. ein Flugzeugtriebwerk. Vormaterial bzw. Ausgangsmaterial wird bereitgestellt 132. Ebenfalls denkbar ist die Bereitstellung eines Halbzeugs und Schmelzen unter Vakuum bzw. Lichtbogenvakuumumschmelzen. Schmelze 134 wird somit hergestellt und bevorzugt in Vakuum gehalten bzw. unter Verwendung eines Schutzgases 154 in Schutzgasatmosphäre. Nachfolgend erfolgt die Verdüsung 36 des Schmelzmaterials, bevorzugt mit Stickstoff, ebenfalls unter Verwendung von Schutzgas 154.
Es ergibt sich somit ein pulverförmiges Material, welches unter Verwendung eines Siebprozesses 138 in unterschiedliche Korngrößenfraktionen aufgetrennt wird, wobei beispielsweise auch nicht metallische Einschlüsse, insbesondere über einer gewissen Größe, abgetrennt werden. Der Siebschritt kann in Kombination mit oder alternativ als Sichten durchgeführt werden. Auch der Schritt des Siebens 138 erfolgt bevorzugt unter Schutzgasatmosphäre.
Optional erfolgt nachfolgend ein Mischen 140 unterschiedlicher Chargen, ebenfalls unter Schutzgas 154. Durch die Verwendung von unterschiedlichen Chargen, zum Beispiel Chargen mit unterschiedlichen Reinheitsgraden bzw. maximalen Korngrößenfraktionen von Ausgangsmaterial und/oder Verunreinigungen, kann das Material zur Herstellung des Bauteils in einer gewünschten oder geforderten Qualität bereitgestellt werden, um auf diese Weise Einfluss auf die späteren Eigenschaften des Bauteils zu nehmen.
Nachfolgend kann zur Herstellung des Bauteils ein Formrohling durch Befüllen 142 einer Kapsel mit dem Material hergestellt werden. Die Kapsel mag dabei beispielsweise die Endform des Bauteils vorgeben, dieses somit in seinen Dimensionen und seiner geometrischen Struktur definieren. Auch das Befüllen erfolgt bevorzugt unter Vakuum.
Nachfolgend wird aus dem Formrohling in der Kapsel der Rohling des Bauteils hergestellt 144, beispielsweise durch heiß-isostatisches Pressen. Heiß-isostatisches Pressen ist dabei einer Fertigungstechnik, bei der Pulver und Feststoffe, beispielsweise Keramiken und Metalle, gleichzeitig heiß gepresst und im Weiteren gesintert werden. Das Bauteil wird dabei in einen deformierbaren, dichten Behälter eingesetzt, die zuvor angeführte Kapsel. Der Behälter wird in einem beheizbaren Druckkessel Temperaturen von bis zu 2000X und Drücken von 100 bis 200 MPa, bevorzugt unter Schutzgas, ausgesetzt und dabei verdichtet. Der Gasdruck wirkt so von allen Seiten auf das Bauteil, so dass dieses nach der Herstellung isotrope Eigenschaften aufweisen kann. Alternativ ist ein additives Fertigungsverfahren denkbar, zur Herstellung eines Rohlings aus dem Formrohling bzw. dem Vormaterial.
Der Rohling kann nachfolgend durch Schmieden 146, spanende Bearbeitung 148, und/oder eine Wärmebehandlung 150 zum Erhalt eines Fertigbauteils 152 weiterverarbeitet werden.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beliebige der Merkmale können separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen, und die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale, die hier beschrieben werden, aus und umfasst diese. Abschließend wird darauf hingewiesen, dass Begriffe wie „aufweisend ' oder„umfassend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und das „ein” oder „eine“ keinen Plural ausschließt. Elemente, die in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsformen beschrieben werden, können kombiniert werden. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung aufzufassen.
BEZUGSZEICHENLISTE
9 Hauptdrehachse
10 T riebwerk
11 Kern
12 Lufteinlass
14 Niederdruckverdichter
15 Hochdruckverdichter
16 Verbrennungseinrichtung
17 Hochdruckturbine
18 Bypassschubdüse
19 Niederdruckturbine
20 Kern Schubdüse
21 Triebwerksgondel
22 Bypasskanal
23 Fan
A Kernluftstrom
B Bypassluftstrom
24 stationäre Stützstruktur
26 Verbindungsweile
28 Sonnenrad
30 epizyklisches Planetengetriebe
32 Planetenräder
34 Planetenträger
36 Gestänge
38 Hohlrad
40 Gestänge
130 Verfahren zur Herstellung
132 SCHRITT: Bereitstellen von Vormaterial 134 SCHRITT: Schmelzen
136 SCHRITT: Verdüsung 138 SCHRITT: Sieben
140 SCHRITT: Mischen
142 SCHRITT: Befüllen
144 SCHRITT: heiß-isostatisches Pressen 146 SCHRITT: Schmieden
148 SCHRITT: spanende Bearbeitung 150 SCHRITT: Wärmebehandlung 152 SCHRITT: Erhalt des Fertigbauteils 154 Betrieb unter Schutzgas

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren (130) zur Herstellung eines Bauteils für eine
Turbomaschine, insbesondere für ein Flugzeugtriebwerk, aufweisend die Schritte
Bereitstellen (132) eines Vormaterials;
Sieben (138) des Vormaterials;
Herstellen (142) eines Formrohlings unter Verwendung des gesiebten Vormaterials; und
Herstellen (144) eines Rohlings aus dem Formrohling;
wobei das Verfahren zumindest teilweise unter Verwendung einer Schutzgasatmosphäre (154) durchgeführt wird.
2. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Sieb- Schritt (138) ein Schritt ist zur Abtrennung unterschiedlicher
Korngrößenfraktionen, insbesondere zur Abtrennung nichtmetallischer Einschlüsse bzw. Verunreinigungen im Vormaterial, basierend auf den u n te rsch ied I ich en Komg röße n fra ktio n en .
3. Verfahren gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Herstellung (144) des Rohlings ausgebildet ist als heißisostatisches Pressverfahren oder als additives Verfahren.
4. Verfahren gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vormaterial ausgewählt ist aus Materialien aus der Gruppe bestehend aus hochfester Zahnradwerkstoff, hochfester Zahnradstahl, M50NiL Legierung, C64 Legierung, C61 Legierung, Pyrowear 53 Legierung und 18CrNiMo7-6 Legierung.
5. Verfahren gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauteil ein Bauteil ist aus der Gruppe bestehend aus
Getriebebauteil, Zahnrad, Lager und Schaufel.
6. Verfahren gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das gesiebte Vormaterial eine Korngröße aufweist kleiner als 45 mm, insbesondere zwischen 10mm und 45mm, weiter insbesondere zwischen 10mm und 30mm.
7. Verfahren gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Herstellen (144) des Rohlings Vormaterial bereitgestellt wird unter Verwendung bzw. Mischen (140) von zwei oder mehreren Chargen des Vormaterials, insbesondere von Chargen mit unterschiedlichen
Korngrößen.
8. Verfahren gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche wobei nach dem Herstellen (144) des Rohlings zumindest ein weiterer Bearbeitungsschritt zum Erhalt eines Bauteils durchgeführt wird aus der Gruppe bestehend aus Schmieden (146), spanende Bearbeitung (148) und Wärmebehandlung (150).
9. Bauteil für eine T urbomaschine, insbesondere für ein
Gasturbinentriebwerk (10) für ein Luftfahrzeug, weiter insbesondere ein Flugzeugtriebwerk, hergestellt durch das Verfahren (130) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche.
10. Bauteil gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Bauteil eingerichtet und geeignet ist zur Verwendung in einem VHCF-Bereich.
11 . Gasturbinentriebwerk (10) für ein Luftfahrzeug, aufweisend zumindest ein Bauteil nach Anspruch 9 oder 10, insbesondere hergestellt durch das Verfahren (130) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8.
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