Legierungen von Rotoren einer Turbomolekularpumpe

Gegenstand der Erfindung sind Legierungen von Rotoren einer Turbomolekularpumpe (TMP) mit Rotorschaufeln.

Für den Bau von Rotoren einer Turbomolekularpumpe mit Rotorschaufeln hat sich Aluminium als Konstruktionswerkstoff durchgesetzt, da sich hierdurch die Forderung nach möglichst geringem spezifischen Gewicht bei gleichzeitig hoher Festigkeit und guter Verarbeitbarkeit am besten vereinen lassen. So ist bereits M. Wutz et. al, Theorie und Praxis der Vakuumtechnik, zweite Auflage, 1982, Friedr. Vieweg & Sohn, Braunschweig/Wiesbaden, Seite 207/208 bekannt, Rotoren aus speziell ausgesuchten Aluminiumlegierungen herzustellen.

Um leistungsfähige Pumpenrotoren oder -Statoren bauen zu können, sind Aluminiumlegierungen mit hoher Warmfestigkeit überwiegend im Einsatz. Rotoren aus derartigen Werkstoffen werden üblicherweise mit Hilfe spanabhebender Verfahren gefertigt, wie sie beispielsweise in DE 10210404 AI oder DE 29715035 Ul, auf die jeweils in vollem Umfang Bezug genommen wird, beschrieben sind. Insbesondere die Formgebung der Flügelkontur ist dabei zeit- und kostenintensiv. DE 101 03 230 AI beschreibt Rotoren, bei denen ein Teil der Rotorschaufeln eine Rückseite aufweist, die saugseitig konvex und druckseitig konkav ausgestaltet ist, oder dass zumindest ein Teil der Rotorschaufeln eine Vorderseite aufweist, die saugseitig konkav und druckseitig konvex ausgebildet ist.

Bei der Verwendung hochfester Legierungen ist deren geringes Umformungsvermögen zu berücksichtigen. Dies führt üblicherweise dazu, dass die komplette Formgebung von Vollkörpern oder Scheiben aus einem Block (Segment) mit Hilfe Span abhebender Verfahren erfolgen muss, während kostengünstigere Formgebungsverfahren durch plastische Umformung wie Tordieren, Prägen oder Stanzprägen nicht zum Einsatz kommen können. Diese Umformverfahren sind mittelfesten Legierungen vorbehalten.

Konkret hat sich bei den mittelfesten Legierungen die Kombination aus Span abhebenden (Drehen, Fräsen) und/oder thermischen Abtragsverfahren (Erodieren) mit Verfahren der plastischen Umformung (Tordieren) als wirtschaftlicheres Herstellverfahren für Rotoren bewährt.

Dabei werden zunächst einzelne scheibenförmige Segmente Span abhebend in einen zylindrischen Vollkörper gearbeitet, die anschließend funkenerosiv axial geschlitzt werden. Auf diese Weise entstehen scheibenförmige Strukturen je Scheibensegment, die durch eine nachfolgende plastische Torsion um die Flügellängsachse einen definierten Anstellwinkel erhalten.

Die DE 100 53 664 AI beschreibt eine mechanische kinetische Vakuumpumpe mit einem aus einer AI-Legierung bestehenden Rotor. Zur Erhöhung der Warm- und Zeitstandsfestigkeit wird vorgeschlagen, dass der Rotorenwerkstoff eine pulvermetallurgisch hergestellte Leichtmetalllegierung ist, deren Hauptlegierungsbestandteil neben Aluminium Kupfer ist, die weiterhin Magnesium, Mangan, Zirkonium und Silber sowie gegebenenfalls Titan enthält.

Durch Verwendung einer neuen hoch- und warmfesten Aluminium- Knetlegierung gemäß DE 10 2006 031 965 AI, die im kalt ausgelagerten Zustand eine ungewöhnlich hohe Bruchdehnung aufweist, ist es möglich, die oben erwähnten kostengünstigeren Formgebungsverfahren zum Einsatz zu bringen, die bisher nur geringes mittelfesten AI-Legierungen vorbehalten waren.

In WO 2004/003244 AI wird eine Al-Cu-Mg-Mn-Legierung zur Herstellung von Halbzeugen mit hohen statischen und dynamischen Festigkeitseigenschaften beschrieben.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung von neuen Legierungen zur Herstellung von Rotoren, die durch Trennverfahren und gleichzeitiges Umformen auf einen gewünschten Anstellwinkel oder in einer gewünschten Kontur hergestellt werden können.

Überraschenderweise konnte gefunden werden, dass die hier definierten hochfesten Legierungen ausgewählt aus Titan-Aluminium-Legierungen, Stahl-Legierungen, Magnesium-Legierungen und/oder Aluminium- Magnesium-Silizium-Knetlegierungen zur Herstellung durch Span abhebende oder thermische Abtragverfahren und Umformen (beispielsweise Tordieren oder Biegen) von kostengünstigen Rotoren von Turbomolekularpumpe geeignet sind

Die Erfindung betrifft daher in einer ersten Ausführungsform Rotoren einer Turbomolekularpumpe mit Rotorschaufeln, die dadurch gekennzeichnet sind, dass diese eine Legierung umfassen, die ausgewählt ist aus

Titan-Aluminium-Legierungen,

Stahl-Legierungen,

Magnesium-Legierungen und/oder

Aluminium-Magnesium-Silizium-Knetlegierungen.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung sind somit mehrstufige, einteilige Rotoren ebenso erhältlich, wie Rotoren, die aus einzelnen Stufensegmenten zusammengesetzt sind. Die Rotoren weisen bei relativ geringen Kosten ein geringes spezifisches Gewicht bei gleichzeitig hoher Festigkeit und guter Verarbeitbarkeit auf. Aus den genannten Legierungen können in Scheibenbauform gezielt Rotoren für hohe Umdrehungsgeschwindigkeiten mit einer Umfangsgeschwindigkeit (Tipspeed) von mehr als 400 m/sec hergestellt werden, die die jeweils positiven Eigenschaften der jeweiligen Legierungsmaterialien spiegeln, beispielsweise hohe Lebensdauer bei hoher Betriebstemperatur, chemische Beständigkeit, hohe Betriebsdauerlasten, hohe Duktilität, geringes Gewicht oder geringe Kosten bei guter Beschaffungssituation.

Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst die Titan-Aluminium-Legierungen TiAI6V4. Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen die Stahl-Legierungen CrNi-Stähle, CrNiTi-Stähle und/oder stickstoffhaltige Stähle.

Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst die die Aluminium-Magnesium-Silizium-Knetlegierungen die Legierung AA6082.

Die verwendeten Legierungen weisen gegenüber anderen vorbekannten Legierungen eine hohe statische und dynamische Warmfestigkeit und eine hohe Kriechbeständigkeit bei gleichzeitig sehr guten bruchmechanischen Eigenschaften auf. Sie sind daher in besonderem Maße für die erfindungsgemäßen Rotoren von Turbomolekularpumpen geeignet, da hier die Hochfestigkeit der Legierungen von besonderer Bedeutung ist.

Die erfindungsgemäßen Rotoren einer Turbomolekularpumpe mit Rotorschaufeln aus der oben definierten Aluminiumlegierung können beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass man aus einzelnen Scheiben oder Vollkörpern die Rotorschaufeln durch radiales Trennen erzeugt, die anschließend durch Umformen der Rotorschaufeln (beispielsweise Tordieren, Biegen, Prägen, Schmieden usw.) auf einen gewünschten Anstellwinkel hergestellt werden. Die Herstellung des gewünschten Anstellwinkels umfasst dabei auch gegebenenfalls die Herstellung einer definierten Flügelkontur. Alternativ können die Schritte des Trennens und des Umformens auch in einem Arbeitsgang, beispielsweise durch Stanzprägen durchgeführt werden. Die vorgenannten Arbeitsschritte dieses Verfahrens an sich sind bekannt, waren jedoch bisher auf gering- und mittelfeste Legierungen, insbesondere Aluminiumlegierungen beschränkt, da nur diese das erforderliche Umformungsvermögen aufweisen. Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung ist dieses Verfahren jedoch auch auf die erfindungsgemäß definierten hochfesten Legierungen anwendbar.

Üblicherweise geht man beim Umformen von scheibenförmigen Flügelstufen aus, bei denen zuvor durch radiales Trennen einzelne Flügelsegmente erzeugt werden. Trenn -Verfahren im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen Schneidverfahren, wie Laser oder Wasserstrahl sowie Erodieren, Spanen, Stanzen oder Stanzprägen.

Durch die Kombination von Span abhebender Formgebung mit Verfahren der plastischen Umformung lassen sich die Herstellungskosten der Rotoren reduzieren.

Die nachfolgende Tabelle aus http://www.mawi.tu- darmstadt.de/media/phm/5semester/ausscheidungshrtungiv.pdf gibt die Wärmebehandlungszustände von Aluminiumlegierungen wieder:

w lösungsgeglüht

T1 warmumgeformt + abgeschreckt + kaltausgelagert

12 warmumgeformt + abgeschreckt + kaltumgeformt + kaltausgelagert

T3 lösungsgeglüht + abgeschreckt + kaltumgeformt + kaltausgelagert

14 lösungsgeglüht + abgeschreckt + kaltausgelagert

TS warmumgeformt + abgeschreckt + warmausgelagert

T6 lösungsgeglüht + abgeschreckt + warmausgelagert

T8 lösungsgeglüht + abgeschreckt + kaltumgeformt + warmausgelagert

0 weichgeglüht

Die Festigkeit eines Werkstoffs beschreibt bekanntermaßen seinen Widerstand gegen plastische Verformung. Im einachsigen Zugversuch werden die R _p o,2-Streckgrenze sowie die Zugfestigkeit R _m ermittelt. Die Duktilität beschreibt die Fähigkeit eines Werkstoffs, sich vor dem Bruch plastisch zu verformen. Ein Maß dafür sind die Bruchdehnung und die Brucheinschnürung, die im Zugversuch bestimmt werden. Der Ausscheidungszustand einer Aluminiumlegierung beeinflusst bekanntermaßen die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs, wobei durch die Auswahl einer Wärmebehandlung Festigkeit und Duktilität gezielt eingestellt werden können.

Durch eine Lösungsglühung (Homogenisierung) bei Temperaturen, die je nach Legierungstyp zwischen 470° und 560 °C liegen, werden die Legierungselemente gleichmäßig in der Matrix gelöst. Es entsteht ein homogene Mischkristall. Die Temperatur muss ausreichend hoch sein, damit die Legierungselemente gelöst werden, darf aber nicht so hoch sein, dass es zu Schmelzbereichen im Gefüge kommt. Daher sollte die Homogenisierungstemperatur unterhalb der eutektischen Temperatur der Legierung liegen. Die Dauer der Homogenisierung ist abhängig von Materialstärke und den Ofenbedingungen.

Das Abschrecken nach der Homogenisierung muss so rasch erfolgen, dass die gleichmäßige Verteilung der Legierungselemente eingefroren wird. Ist die Abkühlensgeschwindigkeit zu hoch, kommt es zu einem Verzug der Teile durch Eigenspannungen. Reicht die Abschreckungsgeschwindigkeit im kritischen Temperaturbereich nicht aus, bilden sich vor allem an den Korngrenzen vorzeitig Ausscheidungen.

Die Obergrenze des Temperaturbereichs für die Kaltaushärtung liegt je nach Legierungssystem üblicherweise zwischen 80 und 100 °C. Bei höheren Temperaturen lösen sich die GP(I)-Zonen auf oder sie wachsen auf Kosten nicht wachstumsfähiger Zonen und wandeln sich dabei in die nächst stabileren Formen um, d.h. GP (Il)-Zonen und teilkohärente Ausscheidungen. Eine Kaltaushärtung liegt vor, wenn es während der Auslagerungsdauer ausschließlich zur Bildung von Clustern und GP- Zonen kommt.

Je nach Höhe der Auslagerungstemperatur bilden sich metastabile Phasen, deren Zusammensetzung und Struktur zunehmend der jeweiligen Gleichgewichtsphase entsprechen. Der Übergang von einem Ausscheidungsstadium zum nächsten geschieht je nach Legierungssystem durch die Vergrößerung wachstumsfähiger Ausscheidungen auf Kosten von Teilchen mit unterkritischer Größe. Die Koherenzspannungen nehmen zu, bis die Gitterkohärenz teilweise oder ganz verloren geht. Bei hoher Auslagerungstemperatur und langer Auslagerungszeit wandeln sich die teilkohärenten Ausscheidungen in die stabile Gleichgewichtsphase um. Bei weiterer Wärmebehandlung kommt es zur Überalterung durch eine Vergrößerung (Oswaltreifung) und zum vollständigen Kohärenzverlust der Phasen, wodurch die Festigkeit abnimmt.

Das erreichbare Härtemaximum wird durch die Anzahl, Größe und Verteilung der Ausscheidungsphasen sowie je nach Legierungsart durch kohärente GP(II)-Zonen (zum Beispiel AlMgSi- Legierungen) oder teilkohärente Übergangsphasen bestimmt.

Höchste Härtesteigerung bei der Warmauslagerung erfordert:

möglichst hohe Teilchenzahl

geringen Teilchenabstand

gleichmäßige Verteilung

hohes Maß an Kohärenz.

Bei Legierungen, bei denen die Vorgängerphase die Keime für das nächste Stadium der Ausscheidungsfolge liefert, kann die Härte durch ein langsames Aufheizen auf die Auslagerungstemperatur oder durch eine Stufenauslagerung verbessert werden. Ausführunqsbeispiele: Beispiel 1 :

Herstellung der Flüqelanstellunq von Pumpenrotoren einer

Turbomolekularpumpe (TMP) durch Umformen

Aus einem zylindrischen Vollkörper der jeweiligen Legierung wurden konzentrisch übereinander angeordnet scheibenförmige Segmente entsprechend der gewünschten Anzahl an Pumpstufen Span abhebend herausgearbeitet. Hierdurch entstand ein rotations-symmetrischer Körper, der aus übereinander angeordneten, scheibenförmigen parallel verlaufenden Rippen bestand, die im Nabenbereich miteinander verbunden waren. Die Rippendicke entsprach der späteren Flügeldicke. Jede Rippenscheibe wurde nun in axialer Richtung bis in die Nähe der Nabe in regelmäßigen Abständen über den Umfang geschlitzt, wodurch einzelne Flügelsegmente entstanden.

Der Werkstoff, das heißt die eingesetzte Legierung, wurde erfindungsgemäß in einem Zustand „lösungsgeglüht, abgeschreckt auf Raumtemperatur (25 °C) und kalt ausgelagert" verarbeitet. In diesem Zustand (T3) besitzt er ein hohes Umformvermögen.

In demselben Zustand wurden nun die Flügelsegmente um ihre Längsachse tordiert. Die Tordierung erfolgte dabei mit einem gabelförmigen Greifarm, der ein betreffendes Flügelsegment bis nahe an den Flügelfuß umfasste und dann eine Torsionsbewegung um die Flügellängsachse bis zu dem gewünschten Anstellwinkel ausführte. Das Flügelsegment erfuhr dabei eine plastische Umformung im flügelfußnahen Bereich. Auf diese Weise waren Torsions- oder Anstellwinkel von etwa 45 ⁰ zur Ausgangsposition erreichbar.

Zur Erlangung der für den späteren Betrieb erforderlichen Festigkeit wurde eine Ausscheidungshärtung des Rotors vorgenommen. Nach dem Lösungsglühen erfolgt ein rasches Abschrecken auf Raumtemperatur (25 °C), wobei der homogene Zustand eingefroren wird. Anschließend erfolgt die Warmauslagerung zum Erreichen der maximalen Festigkeit entsprechend Zustand T6.

Beispiel 2:

Stanzpräaen von Statorscheiben

Aus Blechen der jeweiligen Legierungen wurden Statorscheiben durch Stanzprägen wie folgt hergestellt:

Halbkreisförmige Ringsegmente werden aus den Blechen in Dicken zwischen 0,5 und 1,0 mm ausgestanzt. Zustand der Bleche: „lösungsgeglüht, abgeschreckt und kalt ausgelagert".

Diese Ringsegmente werden nun in eine Stanz-Prägeform eingelegt, die durch Pressen der Gegenform auf diese Stanz-Prägeform die Flügelkontur herausarbeitet.

Dabei wurden die Anströmkanten der radialsymmetrisch angeordneten Flügelsegmente herausgestanzt, während der Anstellwinkel der Flügel hingegen durch plastische Umformung in der Prägeform entstand. Die