Unkonventionelle Schweißverfahren
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Die Fachzeitschrift für Nickel und seine Anwendungen |
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TRIEBWERKTEILE müssen bei höheren Temperaturen arbeiten, um Treibstoff effizienter zu verbrennen und
verringern somit die durch diese Verbrennung entstehende Umweltbelastung. |
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SUPERLEGIERUNGEN in modernen Triebwerken können nur durch unkonventionelle Schweißtechniken wie das
Rotationsreibschweißen verbunden werden. |
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BEIM ROTATIONSREIBSCHWEISSEN wird eine rotierende Komponente derartig mit einer stationären Komponente in
Kontakt gebracht, dass durch die Reibung erzeugte Wärme die Komponenten zusammenfügt. |
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Verbinden unterschiedlicher Superlegierungen durch Rotationsreibschweißen verhindert Mikrorisse.
Von Dean Jobb
Nickel Magazine, Juli 2004 -- Will die Luftfahrtindustrie ihr Ziel erreichen, den Schadstoffausstoß ihrer Triebwerke zu senken und die Umwelt zu entlasten, so müssen Wirkungsgrad und Betriebstemperatur der nächsten Triebwerkgeneration höher sein. Die einzelnen Komponenten entsprechend auszulegen ist jedoch eine große technische Herausforderung. Superlegierungen auf Nickelbasis weisen zwar die erforderlich Hitzebeständigkeit auf, lassen sich jedoch mit konventionellen Schweißverfahren nur schwer verbinden.
In einem Kooperationsprojekt wollen Ingenieure der Universität Manchester und Rolls-Royce plc, einem der weltweit führenden Hersteller von Gasturbinen für Flugzeugtriebwerke, diesem Problem dadurch begegnen, dass sie für die Fertigung von Läufern, Turbinenradscheiben und Triebwerkswellen das Rotationsreibschweißen einsetzten. "Rotationsreibschweißen ist kein neues Verfahren", stellt Prof. Philip Withers vom Zentrum für Werkstoffwissenschaften der Universität Manchester fest. "Neu ist lediglich sein Einsatz bei der Herstellung von Flugzeugtriebwerken."
Rotationsreibschweißen nutzt die durch Reibung erzeugte Wärme für das Zusammenfügen der Metallteile. Ein Werkstück wird mit hoher Geschwindigkeit auf einem Schwungrad gedreht und dann mit einem stationären Teil in Kontakt gebracht. Innerhalb von Sekunden haben beide Teilen im Kontaktbereich ihre Schmiedetemperatur erreicht und können so ohne Schmelzen oder Hinzugabe von flüssigem Metall miteinander verbunden werden.
"Durch das große Schwungrad hat man sehr viel gespeicherte kinetische Energie," erläutert Prof. Withers, "und diese kinetische Energie wird nach und nach freigesetzt, wenn die Teile gegeneinander reiben. Die entstehende Wärme erweicht das Metall, und so lassen sich die beiden Teile sehr leicht zusammenschweissen." Dabei werden die Rotationsgeschwindigkeit und der auf die beiden Teile beim Aufeinandertreffen ausgeübte Druck genau überwacht, um eine gute Schweißung herzustellen und ein Schmelzen des Materials zu verhindern.
Withers’ Universitätskollege Dr. Michael Preuss und Gavin Baxter, Metallurge bei Rolls-Royce, haben Rohrkonstruktionen aus RR1000 mittels Rotationsreibschweißen zusammengefügt. Diese Superlegierung wurde von Rolls-Royce speziell für Turbinen entwickelt. Sie enthält etwa 50-60 % Nickel, 14-15 % Chrom, 14-19 % Kobalt, 4-5% Molybdän, ca. 3 % Aluminium und ca. 4% Titan. Die im Pulververfahren hergestellte Legierung ist selbst bei hohen Temperaturen riss-, korrosions- und oxidationsbeständig. Dafür können jedoch nach dem Schweißen mit konventionellen Verfahren beim Aushärten Mikrorisse entstehen.
Das Team aus Manchester untersuchte das Gefügebild der Schweißnähte und stellte fest, dass mit dem Rotationsreibschweißen bessere Materialeigenschaften erreicht werden als bei den Schmelzschweißverfahren. "In der Schweißzone erzielt man eine höhere Härte", so Withers. "Rotationsreibschweißen hat den Vorteil, dass die Oberfläche gleichzeitig gereinigt wird, so dass eine Schweißverbindung aus einem qualitativ hochwertigem Metall entsteht." Durch anschließende Wärmebehandlung der Verbindung bei 50 ºC über der normalen Wärmebehandlungstemperatur konnten die durch das Schweißen bedingten restlichen Materialspannungen verringert werden.
Die Forscher fanden außerdem heraus, dass die Legierung RR1000 durch Rotationsreibschweißen mit zwei anderen Superlegierungen verbunden werden kann, die im Triebwerksbau verwendet werden: WaspaloyTM (eine Legierung aus 58 % Nickel, 19,5 % Chrom, 13,5 % Kobalt und 4,3 % Molybdän, das für Temperaturen bis zu 870 ºC geeignet ist) und UdimetTM 720LI (57 % Nickel, 15 % Chrom, 16 % Kobalt, 3 % Molybdän).
"Beide Legierungen haben unterschiedliche Eigenschaften. Oft ist es technisch schwierig, derart unterschiedliche Werkstoffe miteinander zu verbinden," stellt Withers fest. "Bei diesem Verfahren können die einzelnen Teile einer Rotorbaugruppe aus unterschiedlichen Legierungen hergestellt sein."
Ein weiteres Forschungsgebiet ist der Einsatz des Linearreibschweißens für luftfahrttechnische Anwendungen. Dabei handelt es sich um ein dem Rotationsreibschweißen verwandtes Verfahren, bei dem die zu verbindenden Komponenten gegeneinander hin und her gerieben werden, bis genügend Wärme entsteht, um beide Teile zusammenzufügen. "Die Technik wird für Schaufel-Scheibe-Verbindungen entwickelt," sagt Withers. "Im wesentlichen könnte man Laufschaufeln so oder ähnlich mit der Radscheibe verbinden, und dadurch auf die herkömmlichen Schwalbenschwanzverbindungen verzichten.
Das Forschungsprojekt ist Teil eines als ADAM (Advanced Aero-engine Materials) bekannten und von Rolls-Royce initiiertem Forschungsprogramms mit einem Budget von 4,7 Mio. Pfund, das Wissenschaftler aus Manchester und fünf weiteren Universitäten in Großbritannien zusammenführt. Ziel ist es, leichte, hochtemperaturbeständige Werkstoffe und Fertigungsverfahren für die Luftfahrtindustrie zu entwickeln. Bereits 2008 soll ein erstes Demonstrationsvorhaben abgeschlossen sein.
Rolls-Royce beabsichtigt, den Stickstoffausstoß ihrer Triebwerke für die zivile Luftfahrt um 50 % zu verringern. Bis 2010 will das Unternehmen darüber hinaus neue Triebwerkstypen entwickeln, die 10% weniger Kerosin verbrauchen als vergleichbare Modelle, die 1998 hergestellt wurden. Rotationsreibschweißen von Maschinenbauteilen auf Nickelbasis scheint ein Schlüssel zum Erreichen dieses ehrgeizigen Ziels zu sein.
"Die Luftfahrtindustrie muss sich in punkto Schadstoffausstoß noch verbessern," stellt Withers fest. "Das geht nur über einen besseren Wirkungsgrad, und den erreicht man nur (und schont dabei die Umwelt) mit höheren Betriebstemperaturen."
Dean Jobb ist ein in Wolfville, Nova Scotia ansässiger freier Mitarbeiter.
FOTOS: Rolls-Royce und University of Manchester
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Manchester Materials Science Centre
Rolls-Royce International Limited |
