Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gasturbinenbauteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Gasturbinenbauteil nach Anspruch 4.
Moderne Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden. In den letzten Jahrzehnten wurden insbesondere auf dem zivilen Sektor Flugtriebwerke entwickelt, die den obigen Anforderungen voll gerecht werden und ein hohes Maß an technischer Perfektion erreicht haben. Bei der Entwicklung von Flugtriebwerken spielt unter anderem 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 (auch Superlegierungen genannt) 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 Teile 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, wie zum Beispiel Bauteile für einen Verdichter, sind Schmiedeteile. Bauteile für eine Turbine werden hingegen in der Regel als Feingussteile ausgeführt.
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Aus der Praxis ist es bereits bekannt, Gasturbinenbauteile aus Titan-Aluminium-Basis-Legierungswerkstoffen zu fertigen. Dabei kommen insbesondere γ-TiAl-Basis-Legierungswerkstoffe zum Einsatz, wobei das Schmieden solcher γ-TiAl-Basis-Legierungswerkstoffe problematisch ist. Schmiedeteile aus solchen Werkstoffen müssen nach der Praxis durch isothermes Schmieden oder Hot-Die-Schmieden von vorgeformten, wie z. B. stranggepressten, Halbzeugen hergestellt werden. Das isotherme Schmieden sowie das Hot-Die-Schmieden erfordert quasi isotherm-stranggepresstes Vormaterial, wodurch sich hohe Herstellkosten ergeben.
Es besteht daher ein Bedarf für ein adaptives Schmiedeverfahren unter Verwendung eines Titan-Aluminium-Basis-Legierungswerkstoffes zur Herstellung von Gasturbinenbauteilen. Dieses Verfahren soll eine verbesserte Prozesssicherheit und Prozessstabilität unter reduzierten Herstellkosten gewährleisten.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Herstellung eines Gasturbinenbauteils sowie ein neuartiges Gasturbinenbauteil zu schaffen.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß sind folgende Schritte vorgesehen:
Der verwendete Werkstoff, bei welchem es sich um einen γ-TiAl-Basis Legierungswerkstoff handelt, erlaubt ein Schmieden innerhalb eines größeren Temperaturintervalls. Zum Schmieden wird als Vormaterial ein Gussmaterial verwendet, sodass auf teures Strangpressmaterial verzichtet werden kann.
Das erfindungsgemäße Gasturbinenbauteil ist in Anspruch 4 definiert.
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:
Die hier vorliegende Erfindung setzt einen Werkstoff auf Basis einer Titan-Aluminium-Legierung ein. Der Werkstoff umfasst sowohl im Bereich der Raumtemperatur als auch im Bereich der sogenannten eutektoiden Temperatur mehrere Phasen.
Im Bereich der Raumtemperatur weist der TiAl-Basis-Legierungswerkstoff die Phase βB2-Ti, die Phase α2-Ti3Al und die Phase γ-TiAl auf, wobei der Anteil der β/B2-Ti-Phase bei Raumtemperatur höchstens bzw. maximal 5 Vol.-% beträgt. Im Bereich der eutektoiden Temperatur weist der erfindungsgemäße TiAI-Basis-Legierungswerkstoff die Phase βB2-Ti, die Phase α2-Ti3Al und die Phase γ-TiAl auf, wobei der Anteil der β/B2-Ti-Phase im Bereich der eutektoiden Temperatur mindestens bzw. minimal 10 Vol.-% beträgt.
Bei dem Werkstoff handelt es sich demnach um einen γ-TiAl-Basis-Legierungswerkstoff. Derselbe kann mit konventionellen Schmiedeverfahren umgeformt werden, und zwar mit einer Schmiedetemperatur innerhalb eines relativ großen Temperaturintervalls. Die Schmiedetemperatur des Werkstoffs liegt zwischen Te-50K und Tα+100K, wobei Te die eutektoide Temperatur des Werkstoffs und Tα die Alpha-Transus-Temperatur des Werkstoffs ist.
Wenn die Schmiedetemperatur bzw. Umformtemperatur unter Tα liegt, sowie im Bereich der Schmiedetemperatur bzw. Umformtemperatur sowie im Bereich der eutektoiden Temperatur und der Raumtemperatur befinden sich die Phasen β/B2-Ti, α2Ti3Al und γ-TiAl im thermodynamischen Gleichgewicht.
Der Anteil der kubisch raumzentrierten βB2-Ti-Phase im thermodynamischen Gleichgewicht des verwendeten Werkstoffs ist im Bereich der Raumtemperatur kleiner als 5 Vol.-%. Im Bereich der eutektoiden Temperatur ist der Anteil der kubisch raumzentrierten βB2-Ti-Phase größer als 10 Vol.-%.
Der verwendete γ-TiAl-Basis-Legierungswerkstoff weist neben Titan und Aluminium weiterhin Niob, Molybdän und/oder Mangan sowie Bor und/oder Kohlenstoff und / oder Silizium auf.
Der Titan-Aluminium-Basis-Legierungswerkstoff weist folgende Zusammensetzung auf:
Zur Herstellung eines Gasturbinenbauteils aus dem erfindungsgemäßen Werkstoff wird im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens so vorgegangen, dass zuerst ein Halbzeug bzw. Vormaterial aus dem Werkstoff bereitgestellt wird. Bei dem Halbzeug handelt es sich um ein kostengünstiges, gegossenes Halbzeug
Anschließend wird im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens das gegossene Halbzeug aus dem erfindungsgemäßen γ-TiAl-Basis-Legierungswerkstoff durch Schmieden umgeformt, nämlich bei einer Umformtemperatur bzw. Schmiedetemperatur, die zwischen Te-50K und Tα+100K liegt. Dabei wird mit einer Umformgeschwindigkeit von mindestens 1 s- 1 geschmiedet. In zu bevorzugender Weiterbildung wird das Halbzeug dabei vor dem Schmieden wärmedämmend beschichtet.
Im Anschluss an das Schmieden erfolgt vorzugsweise eine Wärmebehandlung des herzustellenden Bauteils.
Dann, wenn gemäß
Erfindungsgemäße Gasturbinenbauteile sind mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens aus dem angegebenen Werkstoff gefertigt. Vorzugsweise handelt es sich bei den erfindungsgemäßen Gasturbinenbauteilen um Verdichterbauteile, so z. B. um Laufschaufeln eines Verdichters eines Flugtriebwerks, oder um Turbinenbauteile
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