AT13403U1 - Verfahren zum Verbinden zweier metallischer Gegenstände - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Gegenstands aus Schmiederwerkstoff mit einer Turbinenschaufel.Um hier ohne große thermische Belastung eine ausreichend feste Verbindung zu erhalten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass dies durch lineares Reibschweißen erfolgt, dass die Oszillationsrichtung beim Schweißen in der kristallographischen Ebene des Typs {100} liegt, dass die Frequenz der oszillierenden Bewegung zwischen 30 und 100 Hz und der Schweißdruck zwischen 200 und 500 MPa beträgt.

Description

österreichisches Patentamt AT13 403U1 2013-12-15

Beschreibung [0001] Der erste Aspekt der Erfindung betrifft einen neuartigen Ansatz zum Einstellen eines A4-Querschnitts bei mehrschaufligen Leitsegmenten in der Reparatur.

[0002] Zurzeit genutzte Vorrichtungen zum Ausrichten und Fügen von Triebwerksbauteilen haben eine hohe Komplexität und erfordern erhebliche finanzielle Aufwände. Außerdem benötigen sie Vorbereitungsschritte und aufwendige Ausricht- und Fügeprozesse, die nur mit großem Erfahrungsschatz des Bearbeiters zielsicher durchführbar sind. Somit ist die Reproduzierbarkeit des entsprechenden Bearbeitungsschrittes abhängig von der Person, die diesen Bearbeitungsschritt durchführt. Ferner ist es erforderlich, aufgrund der begrenzten Genauigkeit einen Ausgleich der Toleranzen über die verbauten Bauteile durchzuführen. Weiterhin ist es notwendig, dass die einzelnen Bauteile für eine entsprechende Reparatur vor der eigentlichen Vorbereitung der Fügestellen zum Teil durch eine Vorrichtung zueinander positioniert und fixiert werden. Im Anschluss daran erfolgt die zum Beispiel spanende Bearbeitung aller Fügestellen. Im weiteren Verlauf werden die Originalteile mit den Ersatzteilen zu einem Gesamtteil verbunden. Am folgenden Beispiel soll die Vorgehensweise an einer vierschaufligen Vane dargestellt werden.

[0003] Bei diesem Bauteil wird die eigentliche Schaufel durch ein neues Gussbauteil ersetzt, das äußere und innere Deckband bleiben erhalten. In das innere und äußere Deckband werden Taschen eingefräst, die die jeweilige Schaufel möglichst passgenau aufnehmen sollen. Die vier Gussersatzteile werden in einer Vorrichtung zusammen zueinander positioniert und fixiert. Die Bearbeitung der Fügeflächen dieser Bauteile erfolgt dementsprechend in einer Aufspannung. Im Anschluss werden Innen- und Außendeckbänder mit dem Schaufelpaket verbunden und können weiter verarbeitet werden.

[0004] Aus Erfahrung kann erwartet werden, dass die Einstellung der kleinsten Querschnitte deutlich besser ist, als es der Stand der Technik ermöglicht. Die Fügenähte sind deutlich präziser und daher weisen diese deutlich höhere Festigkeiten auf und die Montage wird deutlich erleichtert und kann präziser durchgeführt werden.

[0005] Sowohl Hoch- als auch Niederdruckturbinenleitbauteile können im Rahmen eines Austausches von einzelnen Leitschaufeln repariert werden. Zurzeit werden sämtliche Bauteile für einen sogenannten Schaufelersatz (Airfoil replacement) unabhängig voneinander bearbeitet und am Schluss in einer Vorrichtung zueinander ausgerichtet und gefügt. Dies führt zu großen Spaltbreiten auf Basis sich aufsummierender Einzelfertigungstoleranzen. Darüber hinaus weisen Bauteile infolge des Flugbetriebes Eigenspannungen auf, die erst nach Zerlegen des Bauteiles in seine Einzelsegmente zu erheblichen geometrischen Änderungen führen. Das Justieren der Bauteile in einer Maltevorrichtung ist typischenweise mit hohem Aufwand verbunden. Die Wiederholbarkeit der Positionierung ist gering und damit verbunden ist die Toleranzfeldbreite des Strömungsquerschnittes hoch. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die Performance des Triebwerks. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass eine „Normreparatur" auf ein geometrisch deutlich differenziertes Bauteil erfolgt. Optimal wäre eine Bearbeitung im Hinblick auf die differenzierende Bauteilgeometrie.

[0006] Die Ausrichtungen von mehrschaufligen Turbinensegmenten erfolgt typischerweise über einen sogenannte Six-Point-Nester sowie über definierte Bezugsflächen. Diese bestimmen die Position der Bauteile zueinander.

[0007] Die Prozessfolge bei konventionellen Reparaturen lautet wie folgt: [0008] 1. Produktion von Ersatzelementen [0009] 2. Vorbereitung sämtlicher Fügeflächen [0010] 3. Ausrichtung sämtlicher Bauteile in einer Vorrichtung [0011] 4. Heften der Bauteile per Schweißen [0012] 5. Durchführen des Lötprozesses. 1 /6 österreichisches Patentamt AT 13 403 Ul 2013-12-15 [0013] Entgegen dazu wird in der vorliegenden Anmeldung des ersten Aspekts Folgendes vorgeschlagen: [0014] 1. Produktion von Ersatzelementen [0015] 2. Ausrichten eines Teils der Segmente zueinander [0016] 3. Fixieren der Bauteile, etwa durch Ausgießen mit Harz [0017] 4. Bearbeitung der Fügeflächen [0018] 5. Ausrichten der restlichen Teile der Segmente zu den bereits ausgerichteten Seg menten und Heften [0019] 6. Lösen der Fixierung, etwa durch Ausbrennen des Harzes [0020] 7. Fügen aller Bauteile aneinander.

[0021] Vorteil dieses erfinderischen Verfahrens ist, dass sämtliche Segmente unabhängig von Auflageflächen anderer Segmente ausgerichtet werden und dass die Vorrichtung ein Fixieren entweder durch die Vorrichtung selber oder durch einen nachgelagerten Prozess wie dem erwähnten Ausgießen ermöglicht. Die Vorrichtung selber kann als „verlorenes" oder als wiederverwendbares Werkzeug ausgeführt sein. Als Fertigungsverfahren für das Hilfswerkzeug bietet sich die generative Herstellung an. Vorteilhaft bei der neuartigen Herangehensweise ist, dass die möglichen Fertigungstoleranzen unterhalb der konventionellen Produktionsweise sind und insbesondere die Reparatur von Bauteilen mit mehr als zwei Schaufeln, exemplarisch seien Niederdruckleitschaufeln genannt, deutlich verbessert wird. Darüber hinaus ermöglicht diese Herangehensweise unabhängig vom zu reparierenden Teil, eine Vielzahl von Prozessschritten durchführen zu können.

[0022] Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft ein Fügen eines Adapters aus einem Schmie-dewerkstoff an eine Turbinenschaufel aus einem Mittel-Basis-Gusswerkstoff für T-Blisk oder gebaute Versionen.

[0023] In der Druckschrift US 7,731,075 B2 sind nur in allgemeiner Form die notwendigen Schweißkräfte beschrieben. Darin ist eine ganz spezielle Ausrichtung des einkristallinen Gitters in Relation zu den Bauteilachsen wiedergegeben worden.

[0024] Somit ist im zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Parametermatrix (lineares Reibschweißen und Wärmebehandlung) für hochfeste Fügeverbindung zwischen Inconel 718 und einkristallinen oder gerichteten erstarrten Werkstoffen bereitzustellen, wobei gleichzeitig eine Ausnutzung des maximalen Festigkeitspotenziales des einkristallinen bzw. gerichtet erstarrten Werkstoffes erreicht wird.

[0025] Mit einem linearen Reibschweißen (LRS) können hochfeste Fügeverbindungen zwischen nicht schmelzschweißgeeigneten, einkristallinen bzw. gerichtet erstarrten und polykristallinen Werkstoffen hergestellt werden. Um gleichzeitig auch das volle Festigkeitspotenzial der einkristallinen bzw. gerichtet erstarrten Komponenten nutzen zu können, müssen diese, insbesondere dann, wenn diese hohen Fliehkräften oder Ermüdungsbeanspruchungen in radialer Richtung ausgesetzt sind, so aufgeschweißt werden, dass die Richtung der Schweißkrafteinleitung parallel zu der primären Kristallorientierungsrichtung des Typs [100] liegt, wobei die Oszillationsrichtung beim Schweißen in der kristallographischen Ebene des Typ; {100} liegt.

[0026] Mit den nachstehenden Parametern für das lineare Reibschweißen und für die nach dem Schweißen notwendigen Wärmebehandlungen lassen sich druckfeste Fügeverbindungen gemäß den vorstehenden Ausführungen erzielen, wobei die polykristallinen Werkstoffe die Schmiedelegierungen Inconel 718 oder Waspaloy sind.

[0027] Folgende LRS-Parameter werden angegeben: [0028] 1. Spannvorrichtung: hartgeschliffen, eingegossen, kombiniert 2/6 österreichisches Patentamt AT 13 403 Ul 2013-12-15 [0029] 2. Bearbeitung der Fügeflächen: geschliffen, gefräst [0030] 3. Frequenz: 30 bis 100 Hz (Hertz) [0031] 4. Amplitude: 1,3 bis 3 mm (von Amplitude zu Amplitude 2,6 bis 6 mm) [0032] 5. Schweißdruck: 200 bis 500 MPa (Megapascal) [0033] 6. Schmiededruck/Schmiedezeit: 220 bis 550 MPa von 0 bis 100 s (Sekunden) [0034] 7. Stauchweg von 2 bis 6 mm [0035] 8. Schweißatmosphäre:

Luft bzw. Schutzgas (durch Anblasen oder durch Schutzgaskammern).

[0036] Folgende Wärmebehandlungsparameter werden bei Inconel 718 angewandt: WB1 und WB2 in Kombination mit WB3 oder WB1 und WB3 oder WB2 und WB3 oder allein nur WB3, wobei WB1, WB2 und WB3 nachstehend wie folgt definiert sind: [0037] WB1:1020 °C bis 1060 °C von ein bis zwei Stunden Haltezeit, wobei die Abkühlrate bei weniger als 25 °C pro Minute bis 600 °C durchgeführt wird. Nach dem Erreichen dieser Temperatur ist die Abkühlrate beliebig.

[0038] WB2: 870 °C bis 980 °C von ein bis acht Stunden Haltezeit, wobei die Abkühlrate kleiner als 25 °C pro Minute beträgt bis zur Temperatur von 650 °C. Danach ist die Abkühlrate beliebig.

[0039] WB3:720 °C bei einer Haltezeit von acht Stunden, danach wird abgekühlt mit einer Abkühlrate von 50 °C pro Stunde auf 620 'C. Bei 620 °C wird die Temperatur für acht Stunden gehalten, danach kann beliebig abgekühlt werden.

[0040] Die folgenden Wärmebehandlungsparameter werden bei Waspaloy angewandt: [0041] WB5 + WB4 oder WB5 allein, wobei WB4 und WB5 wie folgt detailliert wiedergegeben sind: [0042] WB4:1010 °C bis 1060 °C bei einer Haltezeit von ein bis drei Stunden, wobei die Abkühlrate kleiner als 25 °C pro Minute bis zur Temperatur von 650 ‘C beträgt. Danach ist die Abkühlrate beliebig.

[0043] WB5: 830 bis 980 °C bei einer Haltezeit von ein bis acht Stunden, wobei die Abkühlrate kleiner als 10 °C pro Minute bis zu einer Temperatur von 760 °C beträgt, dann wird auf Raumtemperatur abgekühlt, wobei die Haltezeit bei 760 °C zwischen acht und zwanzig Stunden beträgt.

[0044] Diese Aufgabe des zweiten Aspekts dieser Erfindung besteht darin, eine einkristalline oder gerichtet erstarrte und nicht schmelzschweißbare Turbinenschaufel auf einen Adapter aufzuschweißen, der dann seinerseits mit einem geeigneten Verfahren mit der Nabe verbunden wird oder darin, eine einkristalline oder gerichtet erstarrte und nicht schmelzschweißbare Turbinenschaufel auf einen Adapter aufzuschweißen, der dann ein Tannenbaumprofil erhält und in eine konventionell gefertigte Scheibe eingebaut wird.

[0045] Diese Wärmebehandlungen werden als sogenannte Lösungsglühen bzw. Auslagerungswärmebehandlungen bezeichnet.

[0046] Der dritte Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Material für Vorrichtungsbau aus Glaspulver und Kleber.

[0047] Zurzeit werden die Vorrichtungen aus Metallen gefertigt. Erfolgt die Herstellung aus dem vollen Material, ist dies sehr zeitaufwendig und materialaufwendig. Bei der Herstellung der 3/6 österreichisches Patentamt AT13 403U1 2013-12-15

Vorrichtung mit Rapid Manufacturing (generatives Herstellverfahren) wird die Fertigung der Metallvorrichtung günstiger. Dennoch ist bei Verwendung von Metallen die Herstellung der Vorrichtung aufwendig und teuer.

[0048] Somit liegt dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen.

[0049] Dabei wird kostengünstiges Glaspulver statt Metall verwendet. Das Glaspulver wird mit einem Kleber (z. B. Epoxidharze etc.) gemischt und die Masse anschließend ausgehärtet. Oder aber das Glaspulver wird über z. B. Sprühtrocknen oder Abscheidung aus der Gasphase mit einer Klebeschicht versehen. Das auf diese Weise aufbereitete Glaspulver dient als Pulver bei der Herstellung von Vorrichtungen mittels generativen Herstellverfahren. Durch Verwenden des Glaspulvers erhält die zu fertigende Vorrichtung eine ausreichende Festigkeit, weist aber aufgrund des Klebeanteils eine definierte Duktilität auf. Da die Anforderungen hinsichtlich Festigkeit und hinsichtlich Duktilität je nach Vorrichtung unterschiedlich sein können, ist es möglich, durch die Mischung der Einzelkomponenten (Glaspulver und Kleber) die mechanischen Eigenschaften gezielt einzustellen, da Glas ohne Kleber zu spröde ist. Im Erstfall, bei dem die Masse ausgehärtet wird, befindet sich der Kleber zwischen den Glaspulverperlen. Im zweiten Fall, beim Sprühtrocknen, werden die Glaspulverperlen mit Kleber beschichtet.

[0050] Dies hat den Vorteil, dass die Kosten für die Vorrichtung reduziert werden. Ferner kann der Fertigungsaufwand durch geringe Energiemenge zum Aufschmelzen verkürzt werden.

[0051] Der vierte Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die generative Herstellung von vergrößerten Statorsegmenten.

[0052] Bei der Herstellung von Statorsegmenten werden nach dem heutigen Stand der Technik im Lötprozess maximal fünf Schaufeln auf einmal zu einem Statorsegment zusammengelötet. Aus diesen Statorsegmenten wird anschließend ein Statorring für das Triebwerk zusammengebaut. Ebenso werden Leitsegmente nach dem momentanen Stand der Technik über längere Verfahrungsketten hergestellt (Gießen, Schmieden, Löten usw.). Dies hat den Nachteil, dass bei der Statorsegmentherstellung via Lötprozess nur kleinere Statorsegmente hergestellt werden können. Dabei entstehen bei der Montage mehrere Kontaktstellen, bei denen die Statorsegmente aneinander montiert werden müssen. Diese Kontaktstellen sind nicht 100%-ig dicht und reduzieren somit die Leistungsfähigkeit des Triebwerks. Außerdem durchfährt das Bauteil durch die vielen unterschiedlichen Verfahren einen sehr langen Fertigungsprozess.

[0053] Somit liegt dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen.

[0054] Durch das generative Herstellen der Statorsegmente können die Leistungsverluste, welche bei der Montage mehrerer Statorsegmente entstehen, auf ein Minimum reduziert werden, indem man größere Segmentteile fertigt. Bei dem generativen Prozess besteht kein Problem, mehr als fünf Schaufeln an einem Bauteil in der richtigen Position anzubringen. Außerdem lässt sich die Herstellroute der Leitsegmente durch die Herstellung mit generativen Verfahren verkürzen. Dabei sind zusätzlich noch Optimierungen bezüglich der Eigenschaften (E-Modul, Festigkeit etc.) an lokalen Stellen im Material durch Zuführung von speziellem Pulver (beispielsweise Nickelpulver) möglich.

[0055] Der vierte Aspekt der Erfindung hat den Vorteil, dass der Fertigungsaufwand durch eine Minimierung der Prozessschritte bei der Statorsegmentherstellung geringer und somit auch kostengünstiger ist. Zudem ist man nicht mehr an die Grenzen der traditionellen Herstellrouten gebunden, und kann Formen in beinahe jeder beliebigen Art hersteilen, wie z. B. Hohlkörper, innere Gitterstrukturen, um die Eigenschaften des Materials voll ausnutzen zu können und damit die immer schwieriger zu erfüllenden Randbedingungen (Leichtbauweise) erreichen zu können.

[0056] Der fünfte Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft generativ hergestellte Faser- oder Schaumstrukturverdichtungen. 4/6 österreichisches Patentamt AT 13 403 Ul 2013-12-15 [0057] Es gibt ca. achtzig Dichtungsstellen im Triebwerk. Diese müssen über verschiedene Systeme abgedichtet werden. Möglichkeiten, die Abdichtungen zu erzeugen, bestehen darin, Anstreifschichten auf die Bauteile aufzubringen.

[0058] Es ist bei der derzeitigen Methode nachteilig, dass die Systeme mit dem Grundmaterial über unterschiedliche Verfahren (thermisches Spritzen, Löten usw.) verbunden werden müssen.

[0059] Somit liegt dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen.

[0060] Im generativen Prozess ist es möglich, die Abdichtungen über anstreiffähige Strukturen oder Metallschäume zu erzeugen und dessen Herstellung direkt im selektiven Laserschmelzverfahren (Selective Laser Melting - SLM) der Bauteile zu integrieren. Dadurch entfallen Herstellprozesse und es findet eine Kostensenkung statt. Der besondere Vorteil der SLM-Technik ist, die in den Strukturen frei wählbar sind und dass, im Gegensatz zu den anderen Fertigungsmethoden von anstreiffähigen Strukturen, unterschiedlichste Strukturen (Schaumstrukturen, ver-kreuzte Stäbchenstruktur, Flachflechtstruktur usw.) hergestellt werden können, welche als Luftsperrstruktur dienen können. Durch den SLM-Prozess können unterschiedliche Pulvergemische verwendet werden, um bei der Bauteilerstellung unterschiedliche Legierungszusammensetzungen über das Bauteil zu erzeugen. Das unterschiedliche Pulvergemisch könnte auch dazu benutzt werden, um Materialien einzubauen, welche sich später ausbrennen lassen, um große Hohlräume zu erzeugen. Ebenso wäre es möglich, Legierungszusammensetzungen zu entwickeln, welche bei dem Produktionsprozess in der Erstarrung Hohlräume bilden.

[0061] Der sechste Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen integrierten geschlossenen Pulverkreislauf.

[0062] Die Druckschrift DE 10 2005 014 483 A1 offenbart ein selektives Laserschmelzverfahren, das nach Fertigstellung des Bauprozesses das Pulver aus dem Bauprozessraum in einen Pulvervorratsbehälter zurücksaugt. Hiernach soll eine Wiederverwendung des Pulvers ggf. nach Durchlaufen eines in den Kreislauf einbezogenen Reinigungsprozesses bzw. Siebprozesses erfolgen.

[0063] Ferner werden heutige sogenannte SLM-Anlagen (Selective Laser Melting bzw. selektives Laserschmelzverfahren) so aufgebaut, dass hergestellte Bauteile manuell in der Maschine gereinigt werden und dann entnommen werden. Dieser Vorgang findet je nach Maschine in einer sogenannten Glovebox (ein hermetisch abgeschlossener Behälter, in den man mit Handschuhen eingreifen kann, so dass kein Pulver entweichen kann) statt oder aber die Reinigung findet bei geöffnetem Gehäuse statt.

[0064] Dies ist ungünstig und unwirtschaftlich, da sehr viel Pulver verlorengeht.

[0065] Somit liegt dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beheben.

[0066] Verbessert wird dieser Zustand durch die Integration eines automatischen Reinigungsund Absaugsystems in einer Maschine. Durch eine interne Kreislaufführung, kombiniert mit einem Sieb, verbleibt das Pulver komplett in der Maschine und kann direkt wiederverwendet werden. Dieses System kann darüber hinaus so gestaltet werden, dass mehrere Maschinen an einem Kreislauf angeschlossen sind, wodurch die Pulverversorgung der einzelnen Maschinen vereinfacht wird.

[0067] Dies hat den Vorteil, dass eine automatische, in die Maschine integrierte Bauteilreinigung und Pulverabsaugung kostengünstiger ist. Die Bauteile werden annähernd pulverfrei entnommen, Menschen kommen mit dem sehr feinen Metallpulver nicht in Berührung und die Zeit und Kosten für die manuelle Reinigung entfallen dadurch. Außerdem wird durch den geschlossenen Pulverkreislauf die Kontamination des Pulvers durch Fremdpartikel verhindert. Ferner wird durch den möglichen Zusammenschluss mehrerer Maschinen die Wirtschaftlichkeit erhöht, da die Logistik für die Pulverzufuhr und -entsorgung vereinfacht wird. 5/6

Claims (1)

1. österreichisches Patentamt AT13 403U1 2013-12-15 Anspruch 1. Verfahren zum Verbinden eines Gegenstands aus Schmiedewerkstoff mit einer Turbinenschaufel, dadurch gekennzeichnet, dass dies durch lineares Reibschweißen erfolgt, dass die Oszillationsrichtung beim Schweißen in der kristallographischen Ebene des Typs {100} liegt, dass die Frequenz der oszillierenden Bewegung zwischen 30 und 100 Hz und der Schweißdruck zwischen 200 und 500 MPa beträgt. Hierzu keine Zeichnungen 6/6