Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines einkristallinen nicht rotationssymmetrischen Bauteils mit einem polykristallinen Bauteil, um vorzugsweise einen Blisk („Blade Integrated Disk" bzw. „Blade Integrated Rotor"; Rotor, bei dem die Schaufeln bspw. durch Anschweißen oder Spanen aus dem Vollen einstückig mit der Rotorscheibe ausgebildet sind) herzustellen. Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren einen Turbinenblisk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

Zur Herstellung eines Blisks für Turbinen oder Verdichter sind verschiedene Fertigungsverfahren bekannt. So kann ein Blisk aus einer Scheibe hergestellt werden, deren Außenkontur einer spanenden Bearbeitung unterzogen wird, um die Schaufelprofile radial an dem Außenumfang der Scheibe auszubilden. In einem anderen Fertigungsverfahren werden Schaufelbauteile separat hergestellt und durch lineares Reibschweißen mit dem Außenumfang der Rotorscheibe verbunden. Bei diesem Verfahren wird die Schaufel relativ zu der fixierten Rotorscheibe schwingend bewegt, während es gegen die Rotorscheibe gepresst wird. Als Folge entsteht Reibungswärme im Bereich der Fügeflächen, die dazu führt, dass sich das Material in dem Bereich der Fügeflächen bis in einen weichen plastifizierfähigen Zustand erhitzt, in dem ein plastisches Fließen des Materials möglich ist. Durch einen abschließenden Stauchvorgang, in dem die Bauteile mit erhöhtem Druck gegeneinander gepresst werden, entsteht die Schweißverbindung zwischen den Bauteilen.

Um die Haltbarkeit von Turbinen- bzw. Verdichterschaufeln zu erhöhen, werden zunehmend Schaufeln aus einkristallinem Material eingesetzt, da dieses nahezu keine Korngrenzen oder andere Strukturfehler besitzt. Probleme ergeben sich jedoch beim Verbinden von einkristallinen Schaufeln mit einer polykristallinen Rotorscheibe mittels des vorstehend beschriebenen Reibschweißverfahrens. So ist je nach der kristallografi- schen Orientierung des einkristallinen Materials eine andere Last erforderlich, um das einkristalline Material in den plastifizierfähigen Zustand zu bringen. Bezogen auf das vorstehend beschriebene Reibschweißverfahren bedeutet dies, dass sich das Schweiß- verhalten des einkristallinen Materials in Abhängigkeit von der kristallografischen Ori- entierung des einkristallinen Materials zu der Schwingungs- und Druckrichtung ändert. Im ungünstigsten Fall kann die zum Reibschweißen erforderliche Last aufgrund der kristallografischen Orientierung des einkristallinen Materials so hoch sein, dass die Werkzeugmaschine bzw. der Werkzeugkopf beschädigt wird.

Zur Lösung dieses Problems sieht die WO 2007/144557 Al ein Verfahren vor, bei dem eine Einkristallkomponente vor einem linearen Reibschweißen derart orientiert wird, dass eine Hauptgleitebene des Einkristalls zu einer Ebene ausgerichtet ist, die sowohl die Schwingungsrichtung als auch die Druckrichtung enthält, und dass sich eine Haupt- gleitrichtung des Einkristalls innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs bezüglich der Schwingungsrichtung erstreckt.

Das in der WO 2007/144557 Al vorgeschlagene Verfahren ist zwar ideal, um Turbinenschaufeln direkt auf eine Rotorscheibe zu schweißen, aber es ergibt sich ein einge- schränktes Anwendungsfeld, da keine Werkstoffanpassungen erfolgen können und Orientierungen des Einkristallbauteils in aufwendiger Weise zu beachten sind. Darüber hinaus ist das Verfahren teuer und beschränkt sich auf längliche Geometrien.

Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zum Verbinden eines einkristallinen Bauteils, vorzugsweise einer Turbinenschaufel, mit einem polykristallinen Bauteil, vorzugsweise einer Rotorscheibe, sowie einen kostengünstig herstellbaren Turbinenblisk vorzusehen.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des An- Spruchs 1 sowie einem Turbinenblisk mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden eines nicht rotationssymmetrischen Bauteils, das vorzugsweise eine Turbinenschaufel ist, aus einkristallinem Material mit einem Bauteil, das vorzugsweise ein Rotorkern bzw. eine Rotorscheibe ist, aus polykristallinem Material hat die Verfahrensschritte

- Verbinden des nicht rotationssymmetrischen Bauteils mit einem Adapterstück aus polykristallinem Material durch Rotationsreibschweißen, und - anschließendes Fügen des Adapterstücks mit dem Bauteil aus polykristallinem Material.

Ein wesentlicher Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass zu- nächst das einkristalline Bauteil durch Rotationsreibschweißen mit dem polykristallinen Adapterstück verschweißt wird. Das Rotationsreibschweißen bietet im Vergleich zu dem linearen Reibschweißen den Vorteil, dass der Einfluss der kristallografischen Orientierung des einkristallinen Materials auf das Schweißverhalten wesentlich geringer ist. Folglich entfallt bei dem erfϊndungsgemäßen Verfahren ein aufwendiges Ausrichten des einkristallinen Materials bezüglich einer Lastrichtung. Durch den Einsatz des Rotationsreibschweißens gibt es darüber hinaus nahezu keine Einschlüsse oder andere Fehler in der Schweißebene und es wird eine rissfreie Verbindung mit einer sehr schmalen Wärmeeinflusszone erreicht, die die Einkristallstruktur nicht beeinflusst. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren ein Verfahrens- und anlagenbedingt kostengünstiges sowie sicheres Verfahren.

Das erfindungsgemäße Verbindungsverfahren wird nun anhand eines bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels näher erläutert.

Bei dem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Verfahren zur

Herstellung eines Turbinenblisks eingesetzt, der aus einer Vielzahl von Turbinenschaufeln besteht, die an den Außenumfang einer Rotorscheibe bzw. eines Rotorkerns angeschweißt sind.

In dem ersten Verfahrensschritt wird eine Turbinenschaufel, die nicht rotationssymmetrisch ist und aus einem einkristallinen Material besteht (nicht rotationssymmetrisches Bauteil aus einkristallinem Material), durch Rotationsreibschweißen mit einem Adapterstück verschweißt. Das Adapterstück besteht aus einem polykristallinen Material und ist bevorzugt rotationssymmetrisch. Vorteilhafterweise hat das Adapterstück eine zy- lindrische Form. Vor dem Verschweißen wird die Turbinenschaufel in eine Form gegeben, mittels welcher sie während des Schweißvorgangs gehalten/fixiert werden kann. In dieser Hinsicht kann die Turbinenschaufel beispielsweise eingegossen werden (beispielsweise Umgießen/Eingießen der Einkristallschaufel mit einer Kunststoffmasse), wobei das Gussmaterial in einem späteren Verfahrensschritt wieder entfernt wird, oder die Turbinenschaufel kann in eine Spezialkassette eingespannt werden. Nach dem Fixieren der Turbinenschaufel erfolgt das Verschweißen mit dem Adapterstück. Das eingesetzte Schweißverfahren ist bevorzugt das Rotationsreibschweißen. Dazu wird bevorzugt das Adapterstück drehend eingespannt. Unter Drehung des Adap- terstücks werden die Turbinenschaufel und das Adapterstück gegeneinander gepresst. Genauer gesagt werden ein Fuß der Turbinenschaufel und eine Fläche, vorzugsweise die Stirnfläche, des Adapterstücks gegeneinander gepresst. An diesen sog. Fügeflächen entsteht Reibungswärme, die das Material in diesem Bereich bis zu einem Zustand erwärmt, in dem plastisches Fließen möglich ist. Dann wird ein Antreiben des Adapter- Stücks gestoppt, und durch einen abschließenden Stauchvorgang, in dem die beiden

Bauteile mit einem definierten Stauchdruck gegeneinander gepresst werden, werden die Turbinenschaufel und das Adapterstück miteinander verschweißt, wobei sich im Bereich der Grenzflächen ein feinkörniges hochfestes Materialgefuge ausbildet. Durch Materialverdrängung bildet sich während des Stauchvorgangs ein Schweißwulst ring- förmig um die Schweißzone herum aus. Dieser Schweißwulst wird später durch ein geeignetes Bearbeitungsverfahren entfernt, wie beispielsweise Fräsen.

Im folgenden Verfahrensschritt wird das polykristalline Adapterstück samt angeschweißter Turbinenschaufel mit einem polykristallinen Turbinenschaufelträger (Bauteil aus polykristallinem Material) gefugt. Der Turbinenschaufelträger bzw. Rotorkern ist bevorzugt eine Scheibe, die bevorzugt geschmiedet ist. Das Fügen des Adapterstücks mit dem Rotorkern erfolgt unter Einsatz bekannter Fügeverfahren, wie beispielsweise linearem Reibschweißen, induktivem Schweißen, kombiniertem Löten, Diffusionslöten, etc. Die vorstehend beschriebenen Verfahrensabläufe werden für eine Vielzahl von Turbinenschaufeln wiederholt, bis der Turbinenblisk fertig gestellt ist.

Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Verfahrensschritten kann das erfindungsgemäße Verfahren des Weiteren den Schritt des Feinbearbeitens/Endbearbeitens der Turbinenschaufel aufweisen. Dieser Schritt kann an beliebiger Stelle des Verfahrens eingefügt werden. Bevorzugt erfolgt er nach dem Verschweißen der Turbinenschaufel mit dem Adapterstück.

Obwohl die bevorzugte Ausführungsform mit Bezug auf eine Herstellung eines Turbi- nenblisks beschrieben worden ist, kann das Verfahren auch zur Herstellung von bspw. Verdichterblisks oder anderen Erzeugnissen verwendet werden, bei denen ein einkristallines Bauteil mit einem polykristallinen Bauteil verbunden werden soll.