Fachbeitr ge Schmiedetechnologi (Page 1)
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Daher muß das Guß<strong>ge</strong>fü<strong>ge</strong> durch eine<br />
<strong>ge</strong>eignete thermomechanische Behandlung<br />
in ein beanspruchungs<strong>ge</strong>rechtes<br />
feinlamellares Gefü<strong>ge</strong> um<strong>ge</strong>wandelt<br />
werden. Eine ausreichende Umformung<br />
kann für diesen Werkstoff bei hohen<br />
Temperaturen mit gleichzeitig niedri<strong>ge</strong>n<br />
Umform<strong>ge</strong>schwindigkeiten nur durch Isothermschmieden<br />
erzielt werden. Im Rahmen<br />
eines vom BMBF <strong>ge</strong>förderten Projekts<br />
konnte von der Thyssen Umformtechnik<br />
Turbinenkomponenten GmbH eine<br />
<strong>Schmiedetechnologi</strong>e zur Herstellung<br />
von Hochdruck-Verdichter-Laufschaufeln<br />
aus ”-Titanaluminid entwickelt werden.<br />
Ausgangssituation<br />
Die Entwicklung im Flugtriebwerksbau ist<br />
<strong>ge</strong>kennzeichnet durch ein höheres Schubkraft/Gewichtsverhältnis,<br />
<strong>ge</strong>rin<strong>ge</strong>ren spezifischen<br />
Treibstoffverbrauch und niedri<strong>ge</strong>ren<br />
Schadstoffemissionen. Das Massenverhältnis<br />
von Fan-Luftstrom, der den wesentlichem<br />
Vortrieb erzeugt, zum Primär-<br />
Luftstrom, der die Turbine durchströmt, ist<br />
im Laufe der letzten 30 Jahre von 1 bei Umform<strong>ge</strong>schwindigkeiten<br />
> 10 -2 s -1 (bezo<strong>ge</strong>n auf die Probenachse)<br />
die Rißanfälligkeit stark ansteigt, wobei<br />
der Temperatureinfluß relativ <strong>ge</strong>ring ist.<br />
Isothermschmieden der Schaufeln<br />
Die üblichen Umformschritte beim Schaufelschmieden<br />
sind Verteilung<br />
des Volumens<br />
und Erzeu<strong>ge</strong>n der<br />
Schaufel<strong>ge</strong>ometrie.<br />
Die Volumenverteilung<br />
wird unterteilt in<br />
Verjün<strong>ge</strong>n der Blattpartie<br />
und Materialanhäufung<br />
im Fußbereich.<br />
Versuche zum<br />
Fließpressen des Blattbereichs<br />
sind an Versa<strong>ge</strong>n<br />
des Fließpreßstempels<br />
infol<strong>ge</strong> zu
<strong>ge</strong>rin<strong>ge</strong>r Warmfestigkeit der zur Verfügung<br />
stehen Werkstoffe <strong>ge</strong>scheitert. Daher mußte<br />
auf eine Volumenanpassung im Blattbereich<br />
verzichtet werden und der überschüssi<strong>ge</strong><br />
Werkstoff in den Grat <strong>ge</strong>drängt werden.<br />
Die Stadienfol<strong>ge</strong> zeigt das Bild auf Seite 22.<br />
Aus<strong>ge</strong>hend von der strang<strong>ge</strong>preßten Vorform<br />
wird das Fußvolumen an<strong>ge</strong>staucht.<br />
Im ei<strong>ge</strong>ntlichen Schaufel<strong>ge</strong>senk erfolgt<br />
dann das Vorschmieden. Nach Entfernen<br />
des Grats wird dann in der dritten Hitze im<br />
gleichen Schaufel<strong>ge</strong>senk fertig<strong>ge</strong>schmiedet.<br />
Anschließend muß wieder der Grat<br />
entfernt werden.<br />
Die hohen Umformtemperaturen verbunden<br />
mit den durch die <strong>ge</strong>rin<strong>ge</strong> Umform<strong>ge</strong>schwindigkeit<br />
bedingten lan<strong>ge</strong>n Schmiedezeiten<br />
verlan<strong>ge</strong>n eine Beheizung der<br />
Werkzeu<strong>ge</strong>, um ein Auskühlen der Werkstücke<br />
zu vermeiden. Dazu wurde ein<br />
Werkzeugsystem zum Isothermschmieden<br />
entwickelt. Ein<strong>ge</strong>setzt werden Gesenke<br />
aus einer Molybdän-Legierung, die bei<br />
1i150i o C noch eine ausreichende Warmfestigkeit<br />
besitzen. Die Beheizung der Gesenkblöcke<br />
erfolgt induktiv. Die Messung<br />
der aktuellen Gesenktemperatur zur Re<strong>ge</strong>lung<br />
der Mittelfrequenzumrichter wird mit<br />
Hilfe von Thermoelementen in den Gesenkblöcken<br />
durch<strong>ge</strong>führt. Die Isolation<br />
FACHBEITRÄGE<br />
Schaufel im Isotherm<strong>ge</strong>senk. T = 1 150 o C<br />
Bilder: Thyssen Umformtechnik<br />
Turbinenkomponenten GmbH<br />
zwischen den heißen Gesenken und dem<br />
Pressentisch bzw. dem Stößel wird durch<br />
eine spezielle Keramik erreicht. Diese muß<br />
nicht nur auf eine Län<strong>ge</strong> von 50 mm eine<br />
Temperaturdifferenz von 1 000i o C bewirken,<br />
sondern auch die <strong>ge</strong>samte Schmiedekraft<br />
aufnehmen. Da Molybdän bei Temperaturen<br />
oberhalb 600i o C an Luft sublimiert,<br />
sind die Gesenke vor Sauerstoffzutritt<br />
zu schützen. Daher muß der <strong>ge</strong>samte<br />
Schmiedeprozeß unter Inertgas im Pressenraum<br />
ablaufen. Das wiederum erfordert<br />
eine Einhausung der Presse mit zu<strong>ge</strong>höri<strong>ge</strong>n<br />
Schleusen und Handhabungs<strong>ge</strong>rät.<br />
Das Bild oben zeigt eine Schaufel nach dem<br />
Schmieden im <strong>ge</strong>öffneten Isotherm<strong>ge</strong>senk.<br />
Nach dem Schmieden der Schaufeln wird<br />
durch eine Hochtemperaturglühung ein<br />
feinlamellares Gefü<strong>ge</strong> ein<strong>ge</strong>stellt, um die<br />
vom Turbinenhersteller <strong>ge</strong>forderten Ei<strong>ge</strong>nschaften<br />
zu erreichen.<br />
Da aufgrund der unbefriedi<strong>ge</strong>nden Warmfestigkeiten<br />
der für Gesenke einsetzbaren<br />
Werkstoffe nur Aufmaßschaufeln <strong>ge</strong>fertigt<br />
werden können, erfolgt als letzter Arbeitsgang<br />
die Herstellung der endgülti<strong>ge</strong>n Blattprofile<br />
und der Fuß<strong>ge</strong>ometrie durch ECM-<br />
Bearbeitung.<br />
Bisher wurden nach dem <strong>ge</strong>schilderten<br />
Verfahren ca. 200 Schaufeln her<strong>ge</strong>stellt,<br />
die sich z. Zt. bei einem Turbinenhersteller<br />
in der Erprobung befinden. Um größere<br />
Stückzahlen derarti<strong>ge</strong>r Schaufeln herstellen<br />
zu können, wird an der Vereinfachung<br />
der Vorformherstellung <strong>ge</strong>arbeitet. Dazu<br />
soll die Primärumformung der Gußblöcke<br />
nicht mehr durch Strangpressen durch<strong>ge</strong>führt<br />
werden, sondern Vorformen mit der<br />
richti<strong>ge</strong>n Volumenverteilung sollen ebenfalls<br />
durch Isothermschmieden her<strong>ge</strong>stellt<br />
werden. Weiterhin wird an der Entwicklung<br />
von Gesenken aus faserverstärkten<br />
Keramiken <strong>ge</strong>arbeitet, die ein Präzisionsschmieden<br />
der Schaufeln ohne nachfol<strong>ge</strong>nde<br />
Bearbeitung des Blatts ermöglichen<br />
sollen.<br />
23 SCHMIEDE-JOURNAL SEPTEMBER 1999