Turbinenläufer für eine Abgasturbine sowie ein Verfahren zur Herstellung des Turbinenläufers

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turbinenläufer für eine Abgasturbine sowie ein Verfahren zur Herstellung des Turbi ^¬ nenläufers

Ein solcher Turbinenläufer besteht aus einem Turbinenrad und einer Läuferwelle als bauliche Einheit und ist zum Beispiel Teil des Laufzeugs eines Abgasturboladers und dient zur Umsetzung von im Abgas einer Verbrennungsmaschine enthaltener Abgasenergie in Rotationsenergie des Laufzeugs und zur Übertragung dieser

Rotationsenergie auf ein mit dem Turbinenläufer verbundenes Verdichterrad, mit dessen Hilfe die Rotationsenergie genutzt wird zur Erzeugung eines erhöhten Druckes der Luftzufuhr der Verbrennungsmaschine und somit zur Steigerung der Leistung und Effizienz der Verbrennungsmaschine.

Stattdessen kann beispielsweise auch ein Generator mit dem Turbinenläufer gekoppelt sein, mit dessen Hilfe die Rotati ^¬ onsenergie in elektrische Energie gewandelt wird, die wiederum vielseitig genutzt werden kann.

Der derzeitige Hauptanwendungsbereich betrifft jedoch Abgasturbolader für Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, weshalb im Weiteren in der Beschreibung auf Abgasturbolader Bezug genommen wird sofern zum besseren Verständnis nützlich.

Abgasturbolader werden vermehrt zur Leistungssteigerung bei Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger mit dem Ziel den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den

C02-Ausstoß, im Hinblick auf immer strenger werdende gesetzliche Vorgaben diesbezüglich, zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, die im Abgasstrom enthaltene Energie zu nutzen um den Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu be ^¬ wirken und somit mehr Treibstoff, Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umsetzen zu können, also die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen.

Ein Abgasturbolader weist dazu eine im Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnete Turbine mit einem durch den Ab- gasstrom angetriebenen Turbinenläufer, bestehend aus Turbinenlaufrad und Läuferwelle und einen im Ansaugtrakt angeordneten Verdichter mit einem auf der Läuferwelle angeordneten, den Druck aufbauenden Verdichterlaufrad auf. Das Turbinenlaufrad und die Läuferwelle sind Stoffschlüssig mit einander verbunden und bilden so eine bauliche Einheit. Das Verdichterlaufrad ist drehfest an dem dem Turbinenlaufrad gegenüberliegenden Ende der Läuferwelle des Turbinenläufers befestigt, wobei die Läuferwelle in einer zwischen Turbine und Verdichter angeordneten Lagereinheit drehgelagert ist. Somit wird mit Hilfe des Abgasmas- senstroms der Turbinenläufer und über die Läuferwelle wiederum das Verdichterlaufrad angetrieben und die Abgasenergie so zum Druckaufbau im Ansaugtrakt genutzt.

Das Turbinenrad befindet sich im Betrieb im heißen Abgasstrom und ist somit sehr großen Temperaturschwankungen ausgesetzt wobei Spitzentemperaturen bis über 1000°C erreicht werden. Gleichzeitig rotiert der Turbinenläufer mit sehr hohen Drehzahlen von bis zu 300.000 U/min wodurch das Turbinenlaufrad und insbe ^¬ sondere die Turbinenradbeschaufelung sehr hohen mechanischen Beanspruchen durch die auftretenden hohen Fliehkräften ausgesetzt ist. Weiterhin ist insbesondere die Masse des Turbi ^¬ nenrades von großer Bedeutung für das dynamische Ansprechverhalten der Turbine, was einer den hohen Belastungen entsprechenden massiven Auslegung des Turbinenlaufrades entgegen steht. Bei den Turbinenlaufrädern werden deshalb vermehrt hochwarmfeste Metallegierungen, wie zum Beispiel Titan-Aluminim-Legierungen (TiAl-Legierungen oder Titanaluminid) oder Ni-Basislegierungen eingesetzt, die sich insbesondere durch ihre hohe spezifische Festigkeit bei hoher Temperatur und ein gleichwohl niedriges spezifisches Gewicht auszeichnen. Darüber hinaus kommt der Wärmeausdehnungskoeffizient dieser hochwarmfesten Metallle ^¬ gierungen dem von üblicherweise im Turbinenbau verwendeten Metallen sehr nahe, was Probleme aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung zu vermeiden hilft. Praktisch eingesetzt werden intermetallische Gemische mit einem Haupanteil an Titan und Aluminium oder Nickel.

Wie beispielsweise auch aus der DE 102007 048 789 AI bekannt ist, können bei den TiAl-Legierungen die konkreten Legierungszusammensetzungen durchaus variieren und auch weitere Bestandteile enthalten und sind im typischerweise gekennzeichnet durch einen Titananteil zwischen von 50 und 60% (Gewichtsanteil ) und einem Aluminiumanteil >25% (Gewichtsanteil) . Weitere Bestandteile können beispielsweise Cr, Nb, B, C oder Mo sein. TiAl-Legierungen bilden eine sogenannte γ-TiAl-Phase (Gamma-Titanaluminid) mit tetragonaler Kristallstruktur und werden je nach Anteil an weiteren unterschiedlichen Phasen als Gamma-, Duplex- oder Lammellare Legierungen bezeichnet.

Bei den Ni-Basislegierungen handelt es sich beispielsweise um Inco 713 C, Inco 713 LC, MAR-M 246, MAR-M 247, B 1964, IN 100 oder GMR-235. In den folgenden Ausführungen werden all diese Legierungsgefüge übergreifend unter dem Begriff „hochwarmfeste Metallegierungen" zusammengefasst . Die Läuferwelle andererseits ist ein Teil des Lagerungssystems des Turbinenläufers und muss eine hohe Wechselbiegelast auf ^¬ nehmen können und muss zumindest im Lagerungsbereich über eine ausreichend gehärtete Außenschicht verfügen, um ein Festfressen der Lager zu vermeiden. Andererseits ist die Läuferwelle nicht den extrem hohen Temperaturen ausgesetzt wie das Turbinenlaufrad .

Für diesen Einsatz eignen sich dem entsprechend Werkstoffe wie Stahl, insbesondere Baustahl, niedrig- oder hochlegierter Vergütungsstahl, wie zum Beispiel 42CrMo4 (1.7225) ,

X22CrMoV12-l (1.4923) oder X19CrMoNbVNll-l (1.4913) oder auch Superlegierungen wie Inconel oder Incoloy (siehe auch DE 10 2007 048 789 AI) . Diese Materialien werden in den folgenden Aus- führungen einfach und übergreifend als Stahl bezeichnet.

Um die jeweiligen Vorteile der entsprechenden Materialien nutzen zu können werden die Turbinenläufer also aus den oben genannten Komponenten, Turbinenlaufrad aus hochwarmfester Metalllegierung und Läuferwelle aus Stahl, gefertigt und müssen in der Folge vorteilhaft mittels einer stoffschlüssigen Verbindung zu einer Baueinheit zusammengefügt werden.

Bei stoffschlüssigen Verbindungen werden die Verbindungspartner mittels atomarer oder molekularer Kräfte zusammengehalten und sind nicht lösbare Verbindungen, die sich nur zerstörend wieder lösen lassen. Stoffschlüssige Verbindungen sind in diesem Zusammenhang bisher insbesondere Schweißverbindungen und Lötverbindungen .

Wie zum Beispiel aus der DE 697 24 730 T2 bekannt, kann das in diesem Zusammenhang in Verbindung mit anderen Materialkombinationen bekannte Reibschweißverfahren nur beschränkt eingesetzt werden. Der Grund dafür ist, dass, wenn ein Reibschweißver- fahren eingesetzt wird, beispielsweise die Transformation des Stahls zur Zeit der Abkühlung vom Austenit zum Martensit eine Ausdehnung des Stahles verursacht, was eine Restspannung be ^¬ wirkt, und auch wenn das Material des Turbinenlaufrads eine hohe Steifigkeit besitzt, liegt die Formbarkeit bei Raumtemperatur ungefähr bei geringen 1% und deshalb kann ein Brechen der Räder auftreten. Des Weiteren kann beispielsweise eine Reaktion von TiAI mit dem Kohlenstoff, C, im Stahl auftreten, wodurch Titancarbid an der Verbindungsschnittstelle gebildet wird.

Desweiteren kann es zur Ausbildung von intermetallischen Phasen wie TiFe und TiFe ₂ in der Verbindungsebene kommen. Beides ist ursächlich dafür dass die Festigkeit an der Schnittstelle in kritischem Maße sinkt.

Zur Vermeidung dieser Problematik wird in der DE 697 24 730 T2 ein Lötverfahren vorgeschlagen, bei dem zwischen den beiden Verbindungspartnern Turbinenlaufrad und Läuferwelle ein Lot ^¬ material, das zum Beispiel ein austenitisches Gefüge aufweist eingefügt wird.

Löten ist, gemäß DIN 8505 „Löten", ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstoffen, wobei eine flüssige Phase durch Schmelzen eines Lotes und eine Verbindung durch Diffusion des Lotes an den Grenzflächen entsteht. Ein weiterer wesentlicher Unterschied zum Schweißen besteht darin, dass die Solidustemperatur der Grundwerkstoffe der Verbindungspartner dabei nicht erreicht wird. Somit findet dieser Prozess bei niedrigeren Temperaturen statt als das Schweißen und es werden weniger Eigenspannungen in der Fügestelle erzeugt. Desweiteren kann durch die Verwendung eines entsprechenden Lotes als Zwischenmaterial zwischen den Verbindungspartnern die Ausbildung von für die Festigkeit schädlichen Gefügestrukturen verhindert werden. Als Lotmaterialien werden gemäß DE 697 24 730 T2 vorteilhaft hauptsächlich auf Nickel, Kupfer, Silber oder Titan basierte Metalllegierungen eingesetzt . Eine spezielle Problematik bei diesen Verbindungsprozessen besteht dabei darin, dass auch bei den niedrigeren

Löttemperaturen die Austenittemperatur des für die Läuferwelle eingesetzten Stahls möglicherweise überschritten wird und dadurch eine Enthärtung des Stahls stattfindet. Diese Prob ^¬ lematik ist umso gravierender desto breiter sich der Erwärmungsbereich um die Lötverbindung herum, ggf. bis in die Lagerbereiche der Läuferwelle hinein ausdehnt. Dies ist vor allem der Fall bei den üblicherweise eingesetzten Verfahren zur

Erwärmung mittels Brennern, Induktionsspulen oder gar Heizöfen. Eine erneute nachträgliche, kosten- und zeitintensive Nach ^¬ bearbeitung sowie Härtung der Läuferwelle wird dadurch unumgänglich. Dies ist vor Allem für eine industrielle Großse- rien-Fertigung von Nachteil.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Turbinenläufer, bestehend aus einem Turbinenlaufrad aus einer hochwarmfesten Metalllegierung und einer damit verbundenen Stahl-Läuferwelle, für eine Abgasturbine, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Turbinenläufers anzugeben, bei denen die Nachteile der nach den vorgenannten Verfahren hergestellten Turbinenläufern vermieden werden. Insbesondere soll dadurch die Festigkeit der Verbindung zwischen Turbinenlaufrad und Läuferwelle verbessert werden und die Härtung, insbesondere der Lagerbereiche, der Läuferwelle soll durch das Herstellverfahren unbeeinflusst bleiben und eine zusätzliche Nachbearbeitung ersparen.

Diese Aufgabe wird durch einen Turbinenläufer mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung dieses Turbinenläufers mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder, sofern es sich nicht um sich gegenseitig ausschließende Alternativen handelt, in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Der erfindungsgemäße Turbinenläufer für eine Abgasturbine weist ein Turbinenlaufrad mit einer eine Nabenbasisfläche aufweisende Laufradnabe und eine Läuferwelle mit einem der Nabenbasisfläche zugewandten Läuferwellenende auf. Das Turbinenlaufrad besteht aus einer hochwarmfesten Metalllegierung und ist vorzugsweise in einem gebräuchlichen Feingussverfahren hergestellt. Es weist einen Grundkörper mit einer Beschaufelung auf der Vorderseite, sowie eine Laufradnabe in Form eines konzentrisch auf der Rückseite des Grundkörpers angeordneten Zylinderabschnittes auf .

Die Läuferwelle besteht aus Stahl und ist vorzugsweise für den späteren Einsatz fertig bearbeitet und zumindest im Bereich der späteren Lagerstellen gehärtet.

Der erfindungsgemäße Turbinenläufer zeichnet sich dadurch aus, dass das Turbinenlaufrad auf seiner Nabenbasisfläche eine mittels eines Elektronenstrahl-AufSchmelzverfahrens aufge ^¬ brachte Verbindungswerkstoffläge aufweist und das Läuferwel- lenende mit der Verbindungswerkstoffläge durch eine Schweiß ^¬ verbindung verbunden ist.

Dies hat den Vorteil, dass der Werkstoff der Verbindungs ^¬ werkstoffläge so auf den Werkstoff der Läuferwelle abgestimmt werden kann, das bei Anwendung eines massenfertigungstauglichen Schweißverfahrens, wie zum Beispiel Reibschweißen, zur Her ^¬ stellung der Verbindung zwischen Turbinenrad und Läuferwelle, eine Versprödung des Werkstoffes in der Verbindungsebene vermieden werden kann. Dadurch werden die Festigkeit und die Zuverlässigkeit der Verbindung zwischen Turbinenrad und Läu ^¬ ferwelle erhöht.

In vorteilhafter Ausführung des Turbinenläufers ist die hoch- warmfeste Metalllegierung des Turbinenlaufrads eine TiAl-Le- gierung (Titanaluminid-Legierung) oder eine Ni-Basis-Legierung (Nickel-Basis-Legierung) . Beide Werkstoffgruppen zeichnen sich insbesondere durch hohe Festigkeit bei den im Betrieb zu er ^¬ wartenden hohen Temperaturen (bis über 1000°C)bei gleichzeitig niedrigem Gewicht aus. In vorteilhafter Kombination dazu ist der Stahl der Läuferwelle ein niedriglegierter oder hochlegierter Vergütungsstahl oder ein austenitischer Stahl. Dadurch sind die Materialeigenschaften von Turbinenlaufrad und Läuferwelle für den jeweiligen Belastungsfall besonders gut abgestimmt . Als Werkstoff für die Verbindungswerkstoffläge zwischen Tur ^¬ binenradnabe und Läuferwellenende kann je nach Werkstoffpaarung vorteilhaft eine Ni-Basis-Legierung, einem Hochtemperaturwerkstoff oder einem hochwarmfesten Stahl zum Einsatz kommen. Diese Materialgruppen eignen sich besonders gut bei den vor- genannten Materialkombinationen von Turbinenlaufrad und Läuferwelle und gewährleisten eine Verbindung hoher Festigkeit zwischen Laufradnabe und Läuferwellenende.

Die mittels eines Elektronenstrahl-Aufschmelzverfahren auf- gebrachte Verbindungswerkstoffläge weist vorteilhaft eine Dicke zwischen 0,1 bis 2,5 mm auf. Eine Dicke der Verbindungswerkstoffläge innerhalb des genannten Bereichs ist ausreichend um die Bildung spröder Zwischenschichten zu vermeiden, gleichzeitig erfordert eine solch geringe Dicke der Verbindungswerkstoffläge keine allzu langen Prozesszeiten beim Aufbringen auf die Na- benbasisfläche mittels eines Elektronenstrahl-Aufschmelzver- fahrens .

Die Schweißverbindung zwischen Verbindungswerkstoffläge und Läuferwellenende ist in vorteilhafter Weise als eine

Reib-Schweißverbindung oder eine Elektronenstrahl-Schweiß ^¬ verbindung ausgeführt. Durch die gute Beherrschbarkeit dieser Verfahren durch eine automatisierte Durchführung und die somit mögliche Überwachung, Steuerung und Regelung der Verfahrens- parameter ergibt sich eine gute Eignung für die Großserienproduktion bei gleichbleibend hoher Qualität der Verbindung.

Zusätzlich kann der Turbinenläufer in einer vorteilhaften Ausführung dadurch gekennzeichnet sein, dass die Nabenbasis- fläche der Laufradnabe oder das Läuferwellenende eine zentrisch angeordnete Sacklochbohrung aufweist, die im Übergang zwischen Turbinenlaufrad und Läuferwelle als Wärmedrossel wirkt. Dieses Merkmal reduziert den Wärmeübergang des ggf. auf über 1000 °C erhitzten Turbinenlaufrads auf die Läuferwelle, wodurch eine Überhitzung der Lagerung der Läuferwelle im Betrieb wirkungsvoll verhindert werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Turbi ^¬ nenläufers mit Merkmalen wie oben beschrieben, ist gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

- Bereitstellen eines Turbinenlaufrades mit einer eine Na ^¬ benbasisfläche aufweisenden Laufradnabe, wobei das Turbinen- laufrad aus einer hochwarmfesten-Metalllegierung, vorzugsweise einer TiAl-Legierung oder eine Ni-Basis-Legierung besteht;

- Bereitstellen einer eine Läuferwellenende aufweisenden Läuferwelle aus Stahl, wobei der Stahl der Läuferwelle ein niedriglegierter oder hochlegierter Vergütungsstahl oder ein austenitischer Stahl ist;

- Aufbringen einer Verbindungswerkstoffläge auf die Nabenba- sisfläche der Laufradnabe mittels eines Elektronen ^¬ strahl-Aufschmelzverfahrens, wobei der Verbindungswerkstoff vorzugsweise aus einer Nickelbasis-Legierung, einem Hochtem- peraturwerkstoff oder einem hochwarmfesten Stahl besteht;

- Zusammenführen und zentriertes Ausrichten von Turbinenlaufrad und Läuferwelle durch Aufspannen der Werkstücke in einer dafür eingerichteten Vorrichtung;

- Verschweißen der Verbindungswerkstoffläge der Nabenbasis- fläche mit dem Läuferwellenende der Läuferwelle, wobei das

Verschweißen der Verbindungswerkstoffläge der Nabenbasisfläche mit dem Läuferwellenende der Läuferwelle vorzugsweise mittels eines Reibschweißverfahrens oder eines Elektronen ^¬ strahl-Schweißverfahrens erfolgt; und

- Freigabe des Turbinenläufers aus der Vorrichtung.

Das vorgenannte erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es für eine industrielle Großserienfertigung geeignet ist und im Ergebnis Turbinenläufer erzeugt werden können, die sich aus- zeichnen durch eine erhöhte Festigkeit und Zuverlässigkeit der Verbindung zwischen Turbinenrad und Läuferwelle. In vorteilhafter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahres zur Herstellung eines Turbinenläufers erfolgt das Aufbringen der Verbindungswerkstoffläge mittels eines Elektronenstrahl-Auf- Schmelzverfahrens in einem schichtweisen Auftrag, wobei jeweils eine Schicht eines pulverförmigen Verbindungswerkstoffs auf die Nabenbasisfläche oder eine mit der Nabenbasisfläche bereits verschmolzenen VerbindungswerkstoffSchicht aufgebracht wird und mit dem jeweiligen Untergrund mit Hilfe eines gesteuerten Elektronenstrahls selektiv verschmolzen wird. Das selektive Verschmelzen erfolgt indem der auf einen Punkt gebündelte

Elektronenstrahl sukzessive gesteuert die Querschnittsfläche der gewünschten Kontur der VerbindungswerkstoffSchicht , in diesem Fall beispielsweise die Kontur der Nabenbasisfläche, in der aufgetragenen Schicht des pulverförmigen Verbindungs- Werkstoffs überstreicht (abscannt) und dabei den pulverförmigen Verbindungswerkstoff örtlich aufschmilzt, wodurch sich dieser wiederum mit der darunterliegenden Werkstückfläche bzw. mit der zuvor aufgetragenen WerkstoffSchicht stoffschlüssig verbindet. Solche oder ähnliche Verfahren sind auch als „Selective Electron Beam Melting" (SEBM) , „Rapid-Prototyping-Verfahren" oder „Rapid Manufacturing-Verfahren" bekannt .

Der schichtweise Auftrag und das selektive Verschmelzen des Verbindungswerkstoffes wird so oft wiederholt, bis die Ver- bindungswerkstoffläge die gewünschte Dicke in einem Bereich von 0,1 bis 2,5 mm aufweist.

Dies hat den Vorteil, dass die erforderliche Erwärmung des Werkstoffs räumlich sehr begrenzt und genau in der erforderlichen Dosis erfolgt und der übrige Werkstoff nicht durch Überhitzung belastet wird. Dadurch werden auch Verspannungen im Material weitgehend vermieden. Auch die letztendliche Dicke der Ver ^¬ bindungswerkstoffläge kann auf diese Weise sehr genau bestimmt werden .

Durch den räumlich begrenzten Wärmeeintrag wird die Härtung der Läuferwelle im Bereich der Lagerstellen nicht beeinträchtigt und ein zusätzlicher Härteprozess kann entfallen. Auch treten aufgrund der insgesamt niedrigeren Temperaturbedingten Spannungen keine Rissbildungen im Verbindungsbereich auf. Dies sind wesentliche Voraussetzungen für den Einsatz des erfindungsgemäßen Turbinenläufers in Großserienprodukten, wie zum Beispiel in Turboladern für Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen.

In für das Endprodukt vorteilhafter Weise kann das vorgenannte Verfahren zur Herstellung eines Turbinenläufers ergänzt werden durch das Erzeugen einer zentrisch angeordneten Sacklochbohrung in der Nabenbasisfläche der Laufradnabe oder in dem Läufer ^¬ wellenende der Läuferwelle. Dies kann erfolgen vor, während oder nach dem Aufbringen einer Verbindungswerkstoffläge . Wird ein entsprechendes Sackloch in die Nabenbasisfläche eingebracht, so kann dies vorteilhaft bereits vor dem Aufbringen der Verbin- dungswerkstoffläge erfolgen. Die Verbindungswerkstoffläge wird dann nur auf die Restfläche der Nabenbasisfläche aufgebracht. Dies spart Material und Energie.

Ein solches Sackloch bildet eine Hohlstelle im Schaft, also in der Welle oder in dem daran angrenzenden Bereich der Laufradnabe des fertigen Turbinenläufers und wirkt so als Wärmedrossel, die den Wärmeübergang vom Turbinenrad auf die Läuferwelle reduziert und so die Läuferwelle und die entsprechenden Läuferwellenlager im Betrieb vor Überhitzung schützt.

Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Darstellungen in der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Turbinenläufers in vereinfachter, nicht maßstäblicher Dar Stellung;

Fig. 2 eine stark vereinfacht dargestellte Einrichtung zur

Durchführung des Aufbringens der Verbindungswerkstofflage mittels eines Elektronenstrahl-Aufschmelz- verfahrens . Fig. 3 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Turbinenläufers; und

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines Elektronenstrahl-Aufschmelzverfahrens zum Aufbringen einer Verbindungswerkstoffläge auf die Nabenbasisfläche der

Laufradnabe .

Funktions- und Benennungsgleiche Gegenstände sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Turbinenläufer 1 in vereinfachter Darstellung gezeigt. Dieser weist ein Turbinenlaufrad 2 mit einer Laufradnabe 3 und eine Läuferwelle 4 mit einem Läuferwellenende 4a auf. Das Turbinenlaufrad ist vor- zugsweise in einem gebräuchlichen Feingussverfahren, aus einer hochwarmfesten Metallegierung, zum Beispiel aus einer

TiAl-Legierung, hergestellt und weist einen Grundkörper mit einer Beschaufelung auf der Vorderseite (in der Figur links) , sowie eine Laufradnabe 3 in Form eines konzentrisch auf der Rückseite (in der Figur rechts) des Grundkörpers angeordneten Zylinderabschnittes auf. Die Läuferwelle ist hier ebenfalls vereinfacht dargestellt, besteht beispielsweise aus einem niedriglegierten oder hochlegierten Vergütungsstahl oder einem austenitischen Stahl, und weist an ihrem Läuferwellenende 4a eine Sacklochbohrung 7 auf, die quasi im Übergang zwischen Laufradnabe

3 und Läuferwelle 4 einen Hohlraum bildet und so als Drosselstelle für den Wärmeübergang vom Turbinenlaufrad 2 auf die Läuferwelle 4, als sogenannte Wärmedrossel wirkt. In alternativen Aus ^¬ führungen des Turbinenläufers 1 (nicht dargestellt) kann eine solche Wärmedrossel auch durch eine entsprechende Sackloch ^¬ bohrung in der Nabenbasisfläche 3a der Laufradnabe 3 oder durch Sacklochbohrungen sowohl im Läuferwellenende 4a als auch in der Nabenbasisfläche 3a gebildet werden. Weiterhin kann die Läu ^¬ ferwelle im konkreten Fall Stufen, Absätze, Verjüngungen und ähnlich Merkmale (nicht dargestellt) aufweisen.

Die Verbindungsstelle zwischen Turbinenlaufrad 2 und Läuferwelle

4 ist in Figur 1 in„aufgebrochener" Darstellung gezeigt und macht so die Sacklochbohrung 7 im Läuferwellenende 4a, die mittels eines Elektronenstrahl-Aufschmelzverfahren auf die Nabenba- sisfläche 3a aufgebrachte Verbindungswerkstoffläge 5 und die Schweißverbindung 6 zwischen Verbindungswerkstoffläge 5 und Läuferwellenende 4a erkennbar. Die Verbindungswerkstoffläge 5 besteht vorzugsweise aus einer Nickelbasis-Legierung, einem Hochtemperaturwerkstoff oder einem hochwarmfesten Stahl und weist eine Dicke zwischen 0,1 bis 2,5 mm auf. Die Schweißverbindung 6 zwischen Verbindungswerkstoffläge 5 und Läuferwellenende 4a kann beispielsweise eine Reib-Schweißver bindung oder eine Elektronenstrahl-Schweißverbindung sein, aber auch andere Schweißverbindungen wie eine im Wiederstands- Schweißverfahren oder im Laser-Schweißverfahren hergestellte Schweißverbindung sind möglich.

Figur 2 zeigt eine stark vereinfacht dargestellte Einrichtung zur Durchführung des Aufbringens der Verbindungswerkstoffläge 5 mittels eines Elektronenstrahl-Aufschmelzverfahrens . Diese Einrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Prozessbehälter 101 mit einer darin angeordneten absenkbaren Werkstückplattform 102. Auf der Werkstückplattform 102 ist ein Basiswerkstück, in diesem Fall das Turbinenlaufrad 2, so befestigt, dass die Laufradnabe 3 mit der Nabenbasisfläche 3a oben liegt und so weit im Prozessbehälter 101 abgesenkt, dass sich die Nabenbasisfläche 3a auf der Höhe der Oberkante des Prozessbehälters 101 befindet. Der Prozessbehälter 101 ist mit einem Metallpulver 107 angefüllt, in das das Turbinenlaufrad eingebettet ist. Das Metallpulver besteht dabei aus demjenigen Material aus dem die auf die Nabenbasisfläche 3a aufzutragende Verbindungswerkstoffläge 5 bestehen soll. In diesem Fall ist der entsprechende Werkstoff eine Nickelbasis-Legierung oder ein Hochtemperaturwerkstoff oder ein hochwarmfester Stahl. Oberhalb der durch die Oberkannte des Prozessbehälters 101 gebildeten Arbeitsebene 101a ist ein Rakelschlitten 103 mit Rakeln 103a angeordnet, der mit dem gleichen Metallpulver 107 beladen ist und auf einer Rakelschlittenführung 104 parallel zur Arbeitsebene 101a über den Prozessbehälter 101 in beiden, durch die Rakelschlittenführung vorgegebenen Richtungen hinwegbewegt (in der Figur durch einen Doppelpfeil angedeutet) werden kann. Dabei wird mittels des im Rakelschlitten 103 befindlichen Metallpulvers 107 die Metallpulver-Oberfläche im Prozessbe ^¬ hälter mit der Arbeitsebene 101a abgeglichen, also der Pro ^¬ zessbehälter genau soweit aufgefüllt und die Metallpulver- Oberfläche mit den Rakeln 103a des Rakelschlittens 103 plan auf dem Niveau der Arbeitsebene 101a abgestrichen.

Weiter oberhalb der Arbeitsebene 101a des Prozessbehälters 101 ist eine Elektronenstrahlquelle 105 mit einer vorgeschalteten Strahlablenkeinheit 106 angeordnet. Die Strahlablenkeinheit ist mittels einer Steuereinheit 106a so ansteuerbar, dass der Elektronenstrahl 105a auf der Arbeitsebene 101a eine gewünschte Kontur oder Fläche sukzessive abfährt bzw. überstreicht und dabei die oberste Lage des Metallpulvers 107 aufschmilzt bzw. mit der darunter liegenden Fläche eines Basiswerkstückes oder einer zuvor aufgeschmolzenen Metallschicht verschmilzt.

Der Ablauf des Verfahrens zur Herstellung eines Turbinenläufers mit dem oben beschriebenen Aufbau erfolgt in mehreren Prozessschritten, die in Figur 3 anhand eines einfachen Ablaufdiagramms dargestellt sind.

Zu Beginn des Verfahren steht die Bereitstellung eines Turbinenlaufrades 2 aus einer hochwarmfesten-Metalllegierung mit einer eine Nabenbasisfläche 3a aufweisenden Laufradnabe 3, was im Ablaufdiagramm durch Schritt Sl dargestellt ist.

Parallel zu Schritt Sl kann im Schritt S2 die Bereitstellung der Läuferwelle 4 aus Stahl erfolgen, die ein Läuferwellenende 4a aufweist . Die an die Schritte Sl und S2 anschließenden Schritte Sla bzw. S2a, die im Ablaufdiagramm gestrichelt dargestellt sind, stellen das Einbringen einer jeweiligen Sacklochbohrung in die Nabenbasisfläche bzw. in das Läuferwellenende dar. Die gestri- chelte Darstellung deutet darauf hin, dass entweder in die Nabenbasisflache 3a oder in das Läuferwellenende 4a oder in Nabenbasisfläche 3a und in das Läuferwellenende 4a oder auch weder in die Nabenbasisfläche 3a noch in das Läuferwellenende 4a eine solche Sacklochbohrung eingebracht werden kann.

In dem auf den Schritt Sl und ggf. Sla folgenden Schritt S3 erfolgt dann das Aufbringen einer Verbindungswerkstoffläge auf die Nabenbasisfläche der Laufradnabe mittels eines Elektronen ^¬ strahl-Aufschmelzverfahrens. Eine detailliertere Darstellung des Elektronenstrahl-AufSchmelzverfahrens erfolgt anhand von Figur 4.

Folgend auf die Schritte S3 und S2 (S2a) erfolgt in Schritt S4 das Zusammenführen und das zentrierte Ausrichten von Turbinenlaufrad und Läuferwelle durch Aufspannen der Werkstücke in einer dafür eingerichteten Vorrichtung.

In Schritt S5 erfolgt dann das Verschweißen der Verbindungs ^¬ werkstoffläge der Nabenbasisfläche mit dem Läuferwellenende der Läuferwelle. Hierzu können verschiedene, dem Fachmann bekannte Verfahren, wie zum Beispiel ein Reib-Schweißverfahren, ein Elektronenstrahl-Schweißverfahren, ein Wiederstands-Schweiß- verfahren oder ein Laser-Schweißverfahren, zum Einsatz kommen. Im Anschluß an den Schritt S5 erfolgt im Schritt S6 die Freigabe des fertiggestellten Turbinenläufers aus der Vorrichtung. Mit Hilfe des Ablaufdiagramms in Figur 4 wird nun unter Bezugnahme auf die Vorrichtung in Figur 2 der Ablauf des Elektronenstrahl-Aufschmelzverfahrens zum Aufbringen der Verbindungs ^¬ werkstoffläge auf die Nabenbasisfläche des Turbinenlaufrades, gemäß Schritt S4 des zuvor erläuterten Verfahrens, näher er- läutert.

In Schritt PI wird zunächst das Turbinenlaufrad mit seiner Nabenbasisfläche 3a nach oben auf der Werkstückplattform 102 befestigt .

Anschließend wird dann in Schritt P2 die Werkstückplattform 102 mit dem Turbinenlaufrad so weit in den Prozessbehälter 101 abgesenkt, dass die Nabenbasisfläche genau um die Dicke eines Schichtauftrags 108 der schichtweise aufzutragenden Verbin ^¬ dungswerkstoffläge 5, unterhalb der Arbeitsebene 101a posi ^¬ tioniert ist und der Prozessbehälter 101 wird mit Metallpulver bis auf die Arbeitsebene 101a aufgefüllt.

In dem daran anschließenden Schritt P3 wird dann mittels des Rakelschlittens 103 und des darin befindlichen Metallpulvers 107 die Metallpulver-Oberfläche im Prozessbehälter mit der Ar ^¬ beitsebene 101a abgeglichen, also der Prozessbehälter genau soweit aufgefüllt und die Metallpulver-Oberfläche mit den Rakeln 103a des Rakelschlittens 103 plan auf dem Niveau der Arbeitsebene 101a abgestrichen. Dadurch entsteht auch auf der Nabenbasis- fläche 3a der Laufradnabe 3 ein Schichtauftrag 108 mit Me ^¬ tallpulver . Im folgenden Schritt P4 wird nun die oberste Pulverschicht zunächst vorgewärmt zur Vorbereitung des folgenden Prozess ^¬ schrittes .

Im Schritt P5 erfolgt dann das selektive Aufschmelzen/Ver- schmelzen des obersten Schichtauftrages 108 des Metallpulvers 107 mit der darunter liegenden Werkstückfläche, also der Na- benbasisfläche 3a oder in der Folge mit einer darauf bereits in einem vorhergehenden Schichtauftrag aufgebrachten Werkstoffschicht. Dies erfolgt durch gesteuertes sukzessives Abfahren der gewünschten Kontur bzw. Überstreichen der gewünschten

Querschnittsfläche (in diesem Fall die kreisförmige Nabenba- sisfläche) bei gleichzeitiger Steuerung/Regelung der Elekt- ronenstrahlintensität. Im darauffolgenden Schritt P6 kühlt nun der nunmehr mit der darunter liegenden Schicht verschmolzene letzte Schichtauftrag ab und verfestigt sich dabei.

Folgend auf Schritt P6 wird nun im Schritt El festgestellt, ob die gewünschte Gesamtdicke der schichtweise aufgetragenen

Verbindungswerkstoffläge 5 erreicht ist. Dies kann zum Beispiel anhand einer Zählung der bereits aufgetragenen Werkstoffschichten erfolgen. Im Falle dass die gewünschte Gesamtdicke der Verbindungs ^¬ werkstoffläge 5 noch nicht erreicht ist, wird in einem folgenden Schritt P7 die Werkstückplattform 102 um den Betrag der Dicke eines weiteren Schichtauftrages nach unten, also in den Pro ^¬ zessbehälter 101 hinein, abgesenkt und es erfolgt anschließend ein Rücksprung im Verfahrensablauf zum Schritt P3 und die Schritte P3 bis El werden erneut durchlaufen. Dies wird so oft weiderholt, bis die gewünschte Dicke der Verbindungswerk- stofflage erreicht ist.

Im Falle dass die gewünschte Gesamtdicke der Verbindungs ^¬ werkstoffläge 5 erreicht ist, wird in dem auf Schritt El folgenden Schritt P8 das „fertiggestellte" Werkstück, also das für eine folgende Verschweißung mit einer Stahl-Läuferwelle 4 vorbe ^¬ reitete Turbinelaufrad 2, aus der Vorrichtung entnommen.

Sämtliche beschriebenen Abläufe können dabei automatisiert mit Hilfe entsprechender Antriebsvorrichtungen und einer zentralen programmierbaren Steuer-/Regel-Einrichtung durchgeführt werden .