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Dokumentenidentifikation DE102006016949A1 25.10.2007
Titel Verfahren zum Herstellen eines Bauteils
Anmelder MTU Aero Engines GmbH, 80995 München, DE
Erfinder Dautl, Thomas, 85258 Weichs, DE;
Peschke, Thomas, 82194 Gröbenzell, DE;
Winkler, Alexander, 85757 Karlsfeld, DE
DE-Anmeldedatum 11.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006016949
Offenlegungstag 25.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.10.2007
IPC-Hauptklasse B23P 15/02(2006.01)A, F, I, 20060411, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B24C 1/00(2006.01)A, L, I, 20060411, B, H, DE   B22F 3/22(2006.01)A, L, I, 20060411, B, H, DE   C22F 1/10(2006.01)A, L, I, 20060411, B, H, DE   C22F 1/16(2006.01)A, L, I, 20060411, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere eines Gasturbinenbauteils, mit zumindest folgenden Schritten: a) Fertigen eines Bauteils mit mehreren Bauteiloberflächen, wobei mindestens ein Übergangsbereich zwischen zwei Bauteiloberflächen einen Übergangsradius aufweist, der größer 0,05 mm und kleiner 0,3 mm ist; b) Verfestigen des Bauteils zumindest an dem oder jedem Übergangsbereich durch Ultraschall-Kugelstrahlen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere eines Gasturbinenbauteils.

Moderne Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden. Bei der Entwicklung von Gasturbinen spielt die Werkstoffauswahl, die Suche nach neuen, geeigneten Werkstoffen sowie die Suche nach neuen Fertigungsverfahren eine entscheidende Rolle. Die wichtigsten, heutzutage für Flugtriebwerke oder sonstige Gasturbinen verwendeten Werkstoffe sind Titanlegierungen, Nickellegierungen und hochfeste Stähle. Die hochfesten Stähle werden für Wellenteile, Getriebeteile, Verdichtergehäuse und Turbinengehäuse verwendet. Titanlegierungen sind typische Werkstoffe für Verdichterteile. Nickellegierungen sind für die heißen Turbinenteile des Flugtriebwerks geeignet.

Als Fertigungsverfahren für Gasturbinenbauteile aus Titanlegierungen, Nickellegierung oder sonstigen Legierungen sind aus dem Stand der Technik in erster Linie das Feingießen sowie Schmieden bekannt. Alle hochbeanspruchten Gasturbinenbauteile sind Schmiedeteile. Bauteile für eine Turbine werden hingegen in der Regel als Feingussteile ausgeführt. Für die Fertigung bzw. Herstellung von komplexen Bauteilen stellt das pulvermetallurgische Spritzgießen eine Alternative dar. Das pulvermetallurgische Spritzgießen ist mit dem Kunststoffspritzguss verwandt und wird auch als Metallform-Spritzen oder Metal Injection Moulding-Verfahren (MIM-Verfahren) bezeichnet.

Bei Gasturbinenbauteilen handelt es sich um Bauteile mit komplexen Geometrien bzw. Oberflächenkonturen, wobei insbesondere Gasturbinenschaufeln Übergangsbereiche zwischen Bauteiloberflächen aufweisen, die durch relativ kleine Übergangsradien gekennzeichnet sind. So sind insbesondere im Bereich einer Schaufelhinterkante eines Schaufelblatts einer Laufschaufel kleine Übergangsradien zwischen einer Saugseitenoberfläche und einer Druckseitenoberfläche gewünscht, um das aerodynamische Verhalten solcher Laufschaufeln zu optimieren. Ebenso sind im Bereich eines Schaufelfußes kleine Übergangsradien zwischen einer tannenbaumartig oder schwalbenschwanzartig profilierten Oberfläche und einer Stirnfläche wünschenswert, um so die Tragfläche von Schaufelfüßen zu erhöhen.

Um die Lebensdauer solcher Bauteile zu erhöhen, werden dieselben im Bereich ihrer Oberflächen, also auch in den Übergangsbereichen mit den relativ kleinen Übergangsradien, durch Strahlen verfestigt. Dabei findet nach dem Stand der Technik das konventionelle Kugelstrahlen Verwendung, bei welchem als Kugeln ausgebildete Strahlkörper mit Hilfe von Druckluft auf das zu verfestigende Bauteil gerichtet werden. Um hierbei unerwünschte Verformungen des Bauteils an den durch einen geringen Übergangsradius gekennzeichneten Übergangsbereichen zwischen Bauteiloberflächen des Bauteil zu vermeiden, müssen nach dem Stand der Technik minimale Übergangsradien von 0,3 mm eingehalten werden. Hieraus folgt, dass z.B. im Bereich einer Schaufelhinterkante eines Schaufelblatts nach dem Stand der Technik eine minimale Dicke von 0,6 mm eingestellt werden kann. Es besteht ein Bedarf an einem Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, mit welchem an Übergangsbereichen zwischen zwei Bauteiloberflächen des herzustellenden Bauteils geringere Übergangsradien gewährleistet werden können.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Herstellen eines Bauteils zu schaffen. Dieses Problem wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zumindest die folgenden Schritte: a) Fertigen eines Bauteils mit mehreren Bauteiloberflächen, wobei mindestens ein Übergangsbereich zwischen zwei Bauteiloberflächen einen Übergangsradius aufweist, der größer 0,05 mm und kleiner 0,30 mm ist; b) Verfestigen des Bauteils zumindest an dem oder jedem Übergangsbereichs durch Ultraschall-Kugelstrahlen.

Mit der hier vorliegenden Erfindung wird eine Prozesskette zur Herstellung eines Bauteils vorgeschlagen, mit Hilfe dessen an Übergangsbereichen zwischen zwei Bauteiloberflächen Übergangsradien zwischen 0,05 mm und 0,30 mm eingehalten werden können, ohne das die Gefahr besteht, dass beim Verfestigen des Bauteils durch relativ kleine Übergangsradien gekennzeichnete Übergangsbereiche beschädigt werden.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1 ein stark schematisiertes Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils.

Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere ein Verfahren zum Herstellen einer Laufschaufel eines Gasturbinenrotors. Unter Bezugnahme auf 1 wird nachfolgend die Erfindung für das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Herstellung einer Laufschaufel beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen konkreten Anwendungsfall beschränkt.

In einem ersten Schritt 10 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Laufschaufel einer Gasturbine gefertigt. Eine solche Laufschaufel verfügt über mehrere Bauteiloberflächen, wobei Übergangsbereiche zwischen zwei Bauteiloberflächen durch einen Übergangsradius gekennzeichnet sind. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird in Schritt 10 eine Laufschaufel bereitgestellt, die mindestens einen Übergangsbereich mit einem relativ kleinen Übergangsradius aufweist, der größer 0,05 mm und kleiner 0,30 mm ist.

Bei diesem Übergangsbereich mit dem relativ kleinen Übergangsradius kann es sich z.B. um einen Übergangsbereich an einer Schaufelhinterkante eines Schaufelblatts der Laufschaufel handeln, also um einen Übergangsbereich zwischen einer Saugseitenoberfläche und einer Druckseitenoberfläche des Schaufelblatts. Bei einem Übergangsradius von 0,05 mm kann so eine Dicke der Schaufelhinterkante von 0,10 mm bereitgestellt werden.

Weiterhin kann es sich bei dem Übergangsbereich mit dem relativ kleinen Übergangsradius um einen Übergangsbereich an einem Schaufelfuß der Laufschaufel handeln, nämlich um einen Übergangsbereich zwischen einer tannenbaumartig oder schwalbenschwanzartig profilierten, im Wesentlichen in Längsrichtung der Laufschaufel verlaufenden Tragfläche und einer im Wesentlichen in Querrichtung der Laufschaufel verlaufenden Stirnfläche des Schaufelfußes.

In Schritt 10 wird die Laufschaufel durch Schmieden oder durch Feingießen oder auch durch pulvermetallurgisches Spritzgießen gefertigt.

Nach dem Fertigen der Laufschaufel im Sinne des Schritts 10 erfolgt vorzugsweise unmittelbar anschließend im Sinne eines Schritts 11 ein Verfestigen des Bauteil zumindest an dem oder jedem Übergangsbereich durch Ultraschall-Kugelstrahlen. Dabei werden als Strahlkörper Präzisionskugeln mit einer glatten Oberfläche verwendet.

Beim Ultraschall-Kugelstrahlen werden die als Strahlkörper verwendeten Präzisionskugeln nicht wie beim konventionellen Kugelstrahlen mit Hilfe eines gerichteten Druckluftstrahls auf die zu strahlenden Übergangsbereiche der Laufschaufel gerichtet, vielmehr werden die Präzisionskugeln mit Hilfe einer im Ultraschallbereich vibrierenden Sonotrode beschleunigt, wodurch die Präzisionskugeln im Sinne einer stochastischen Verteilung und demnach ungerichtet auf den oder jeden Übergangsbereich des zu verfestigenden Bauteils treffen.

Gegebenenfalls kann nach dem Fertigen im Sinne des Schritts 10 und vor dem Verfestigen im Sinne des Schritts 11 im Sinne des Schritts 12 überprüft werden, ob bedingt durch die Fertigungstoleranz des Schritts 10 vor dem Verfestigen des oder jedes Übergangsbereichs ein Verrunden desselben bzw. derselben erforderlich ist. Ist dies erforderlich, so wird auf Schritt 13 verzweigt und ein Verrunden des oder jeden Übergangsbereichs mit Hilfe eines bürstenartigen Werkzeugs durchgeführt.

Ist die Fertigungsqualität des Schritts 10 jedoch ausreichend gut, so kann auf das Verrunden gemäß Schritt 13 verzichtet werden und unmittelbar an die Fertigung des Bauteils im Sinne des Schritts 10 die Verfestigung im Sinne des Schritts 11 erfolgen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es erstmals möglich, an Laufschaufeln eines Gasturbinenrotors Übergangsbereiche mit Übergangsradien von weniger als 0,30 mm bereitzustellen und dieselben ohne die Gefahr von Beschädigungen zu verfestigen.

10
Schritt
11
Schritt
12
Schritt
13
Schritt


Anspruch[de]
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere eines Gasturbinenbauteils, mit folgenden Schritten:

a) Fertigen eines Bauteils mit mehreren Bauteiloberflächen, wobei mindestens ein Übergangsbereich zwischen zwei Bauteiloberflächen einen Übergangsradius aufweist, der größer 0,05 mm und kleiner 0,30 mm ist,

b) Verfestigen des Bauteils zumindest an dem oder jedem Übergangsbereichs durch Ultraschall-Kugelstrahlen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil durch Schmieden oder durch Feingießen oder durch pulvermetallurgisches Spritzgießen gefertigt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauteil eine Gasturbinenschaufel, insbesondere eine Laufschaufel, hergestellt wird, die zumindest an einer Schaufelhinterkante eines Schaufelblatts einen Übergangsbereich zwischen einer Saugseitenoberfläche und einer Druckseitenoberfläche mit einem Übergangsradius aufweist, der größer 0,05 mm und kleiner 0,30 mm ist. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauteil eine Gasturbinenschaufel, insbesondere eine Laufschaufel, hergestellt wird, die zumindest an einem Schaufelfuß einen Übergangsbereich zwischen einer tannenbaumartig oder schwalbenschwanzartig profilierten, im wesentlichen in Längsrichtung der Gasturbinenschaufel verlaufenden Oberfläche und einer im wesentlichen in Querrichtung der Gasturbinenschaufel verlaufenden Stirnfläche mit einem Übergangsradius aufweist, der größer 0,05 mm und kleiner 0,30 mm ist. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschall-Kugelstrahlen mit eine glatte Oberfläche aufweisenden Präzisionskugeln durchgeführt wird. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verfestigen mittels Ultraschall-Kugelstrahlen eine Verrundung des oder jedes Übergangsbereichs mit Hilfe eines bürstenartigen Werkzeugs durchgeführt wird.






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