TY - BOOK

T1 - Entwicklung eines Herstellprozesses für Turbinenschaufeln aus einer intermetallischen γ-TiAl Legierung

AU - Huber, Daniel

N1 - nicht gesperrt

PY - 2016

Y1 - 2016

N2 - Auf Grund von gesteigerten Anforderungen in Hinblick auf höhere Effizienz, verminderte CO2 und NOx Emissionen sowie Gewichtsreduktion kommt es zur steten Weiterentwicklung in modernen Luftfahrt-Triebwerken. In den in der zivilen Luftfahrt weit verbreiteten Turbofan-Triebwerken kann dies durch eine Erhöhung des Nebenstromverhältnisses erreicht werden. Ein neues Konzept zur Realisierung von Nebenstromverhältnissen größer zehn ist die Entkoppelung von Niederdruckturbine und Fan. Dadurch können sowohl Fan als auch Niederdruckturbine im optimalen Drehzahlbereich betrieben werden. Die Umdrehungsgeschwindigkeit in der Niederdruckturbine kann dadurch im Vergleich zu konventionellen Turbofan-Triebwerken beinahe verdoppelt werden. Dies führt zu einer Steigerung der mechanischen, thermischen und aerodynamischen Belastung der Bauteile. Nachteil der standardmäßig in diesem Bereich des Triebwerks eingesetzten hochwarmfesten Ni-Basis-Superlegierungen ist ihre hohe Dichte von ~8kg/dm³. Intermetallische Werkstoffe auf Basis von gamma-Titanaluminiden besitzen mit Ni-Basis-Superlegierungen vergleichbare mechanische Eigenschaften bei einer Dichte von ~4kg/dm³. Durch den Einsatz von Turbinenschaufeln aus einer gamma-Titanaluminidlegierung in Kombination mit materialgerechtem Design können die auftretenden Zentrifugalkräfte reduziert werden. Die, im Vergleich zu langsamdrehenden Niederdruckturbinen, erhöhten Belastungen erfordern allerdings den Einsatz von Massivumformprozessen zur Herstellung der Turbinenschaufeln. Die Umformung von gamma-Titanaluminiden ist auf Grund eines eingeschränkten Prozessfensters komplex. Stand der Technik ist die Warmumformung mittels Isothermschmieden. Dieser Prozess ist allerdings mit hohen Produktionskosten und niedriger Produktivität verbunden. Die Böhler Schmiedetechnik GmbH & Co KG hat einen effizienten nahe konventionellen Heißgesenkschmiedeprozess entwickelt, welcher im Zuge dieser Arbeit etabliert wurde. Zu Beginn wurde ein Vorformkonzept entwickelt, um die Materialverteilung entsprechend den geometrischen Anforderungen im Fertigteil einstellen zu können. Diese Vorstufen wurden anschließend im Heißgesenkschmiedeprozess umgeformt. Eine Parameterstudie wurde durchgeführt, um die optimalen Prozessparameter für eine stabile Fertigung zu definieren und etablieren. Des Weiteren wurde eine Werkstoffwahl zur Optimierung der Gesenkstandzeit durchgeführt. Thermo-mechanische und tribologische Untersuchungen sowie Bearbeitungsversuche dienten der Entscheidungsfindung. Abschließend wurden Turbinenschaufeln mit dem optimierten Prozess geschmiedet und wärmebehandelt sowie hinsichtlich Kundenanforderungen erprobt. Unterstützungsprozesse zur Verbesserung von nachgelagerten Prozessschritten wurden evaluiert. Im Zuge der vorliegenden Arbeit wurden Niederdruckturbinenschaufeln aus einer modernen gamma-Titanaluminidlegierung im Heißgesenkschmiedeprozess hergestellt. Die Prozessfähigkeit wurde gezeigt und damit erstmals bewiesen, dass man eine intermetallische gamma-Titanaluminidlegierung seriennah auf einem konventionellen Schmiedeaggregat zu Turbinenschaufeln umformen kann.

AB - Auf Grund von gesteigerten Anforderungen in Hinblick auf höhere Effizienz, verminderte CO2 und NOx Emissionen sowie Gewichtsreduktion kommt es zur steten Weiterentwicklung in modernen Luftfahrt-Triebwerken. In den in der zivilen Luftfahrt weit verbreiteten Turbofan-Triebwerken kann dies durch eine Erhöhung des Nebenstromverhältnisses erreicht werden. Ein neues Konzept zur Realisierung von Nebenstromverhältnissen größer zehn ist die Entkoppelung von Niederdruckturbine und Fan. Dadurch können sowohl Fan als auch Niederdruckturbine im optimalen Drehzahlbereich betrieben werden. Die Umdrehungsgeschwindigkeit in der Niederdruckturbine kann dadurch im Vergleich zu konventionellen Turbofan-Triebwerken beinahe verdoppelt werden. Dies führt zu einer Steigerung der mechanischen, thermischen und aerodynamischen Belastung der Bauteile. Nachteil der standardmäßig in diesem Bereich des Triebwerks eingesetzten hochwarmfesten Ni-Basis-Superlegierungen ist ihre hohe Dichte von ~8kg/dm³. Intermetallische Werkstoffe auf Basis von gamma-Titanaluminiden besitzen mit Ni-Basis-Superlegierungen vergleichbare mechanische Eigenschaften bei einer Dichte von ~4kg/dm³. Durch den Einsatz von Turbinenschaufeln aus einer gamma-Titanaluminidlegierung in Kombination mit materialgerechtem Design können die auftretenden Zentrifugalkräfte reduziert werden. Die, im Vergleich zu langsamdrehenden Niederdruckturbinen, erhöhten Belastungen erfordern allerdings den Einsatz von Massivumformprozessen zur Herstellung der Turbinenschaufeln. Die Umformung von gamma-Titanaluminiden ist auf Grund eines eingeschränkten Prozessfensters komplex. Stand der Technik ist die Warmumformung mittels Isothermschmieden. Dieser Prozess ist allerdings mit hohen Produktionskosten und niedriger Produktivität verbunden. Die Böhler Schmiedetechnik GmbH & Co KG hat einen effizienten nahe konventionellen Heißgesenkschmiedeprozess entwickelt, welcher im Zuge dieser Arbeit etabliert wurde. Zu Beginn wurde ein Vorformkonzept entwickelt, um die Materialverteilung entsprechend den geometrischen Anforderungen im Fertigteil einstellen zu können. Diese Vorstufen wurden anschließend im Heißgesenkschmiedeprozess umgeformt. Eine Parameterstudie wurde durchgeführt, um die optimalen Prozessparameter für eine stabile Fertigung zu definieren und etablieren. Des Weiteren wurde eine Werkstoffwahl zur Optimierung der Gesenkstandzeit durchgeführt. Thermo-mechanische und tribologische Untersuchungen sowie Bearbeitungsversuche dienten der Entscheidungsfindung. Abschließend wurden Turbinenschaufeln mit dem optimierten Prozess geschmiedet und wärmebehandelt sowie hinsichtlich Kundenanforderungen erprobt. Unterstützungsprozesse zur Verbesserung von nachgelagerten Prozessschritten wurden evaluiert. Im Zuge der vorliegenden Arbeit wurden Niederdruckturbinenschaufeln aus einer modernen gamma-Titanaluminidlegierung im Heißgesenkschmiedeprozess hergestellt. Die Prozessfähigkeit wurde gezeigt und damit erstmals bewiesen, dass man eine intermetallische gamma-Titanaluminidlegierung seriennah auf einem konventionellen Schmiedeaggregat zu Turbinenschaufeln umformen kann.

KW - forging

KW - titanium aluminides

KW - turbine blade

KW - hot-die

KW - process design

KW - Schmieden

KW - Titanaluminide

KW - Turbinenschaufel

KW - Heißgesenk

KW - Prozessentwicklung

M3 - Dissertation

ER -