HINTERGRUND DER ERFINDUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gasturbinenbauteilen, insbesondere Flugturbinenbauteilen, vorzugsweise Niederdruckturbinenschaufeln aus einem Pulver, welches lagenweise selektiv durch örtlich begrenzte Einbringung von Strahlungsenergie gesintert wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung von Gasturbinenbauteilen, insbesondere gemäß einem entsprechenden Verfahren, sowie eine damit hergestellte Gasturbinenschaufel, insbesondere Niederdruckturbinenschaufeln aus einem TiAl- Werkstoff.

STAND DER TECHNIK

Aus dem Stand der Technik sind sogenannte Rapid Prototyping - or Rapid Manufacturing - Ver- fahren, also Verfahren zur schnellen Herstellung von Prototypen oder zur schnellen Herstellung von Bauteilen, bekannt, die sogenannte generative Herstellverfahren nutzen. Dabei werden durch selektives Sintern von Pulver, beispielsweise mittels Laser- oder Elektronenstrahlen, die über schichtweise angeordnetes Pulver geführt werden, dreidimensionale Strukturen erzeugt.

Derartige Verfahren sind für eine Vielzahl von Materialien und für unterschiedlichste Bauteile, insbesondere auch Flugturbinenbauteile vorgeschlagen worden. Beispiele hierfür sind in der DE

103 19 494 AI, DE 10 2006 049 216 AI, DE 10 2004 057 865 AI, DE 10 2008 027 315 AI und

DE 109 03 436 C2 genannt.

Die dort beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen weisen jedoch verschiedene Nachteile auf. Beispielsweise können nicht alle Bauteile aus allen möglichen Werkstoffen gefertigt werden, weil durch die Art der generativen Herstellung Verunreinigungen eingebracht werden können, welche zu einem ungünstigen Eigenschaftsprofil führen, das für die gedachte Anwendung nicht akzeptabel ist. Insbesondere bei Titanaluminid- Werkstoffen, die beispielsweise für

Niederdruckturbinenschaufeln in Flugtriebwerken eingesetzt werden sollen können Verunreinigungen zu Versprödungen führen, die einen Einsatz im Flugturbinenbau unmöglich machen. Entsprechend erschwert bzw. verhindert im schlimmsten Fall die Gefahr der

Einbringung von Verunreinigungen einen möglichen Einsatz von generativen

Herstellungsverfahren bei der Herstellung von Turbinenschaufeln aus Titanaluminiden oder Legierungen daraus.

Darüber hinaus muss gleichzeitig gewährleistet sein, dass der Herstellungsaufwand niedrig bleibt, um eine wirtschaftliche Herstellung der Bauteile zu erreichen. Insbesondere bei generativen Herstellungsverfahren können lange Bearbeitungszeiten dazu führen, dass sie nicht mehr wirtschaftlich einsetzbar sind.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

AUFGABE DER ERFINDUNG

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Gasturbinenbauteilen, insbesondere Flugturbinenbauteilen, vorzugsweise Niederdruckturbinenschaufeln aus Titanaluminid-Werkstoffen bereitzustellen, welches die Herstellung eines entsprechenden Bauteils mit gewünschtem Eigenschaftsprofil ermöglicht und gleichzeitig wirtschaftlich ist.

TECHNISCHE LÖSUNG

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und einer Gasturbinenschaufel mit den Merkmalen des Anspruchs 9 oder 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass eine vorteilhafte Herstellung von Gasturbinenbauteilen, insbesondere Flugturbinenbauteilen, wie vorzugsweise Niederdruckturbinenschaufeln aus sehr reaktiven Werkstoffen, wie beispielsweise Titanaluminiden, in einem generativen Herstellungsverfahren dann erfolgen kann, wenn sichergestellt werden kann, dass das im generativen Herstellungsverfahren verwendete Ausgangspulver eine entsprechende Reinheit aufweist. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Pulver- herstellungsprozess unmittelbar dem generativen Herstellungsverfahren, also einem selektivem Laser- oder Elektronenstrahl sintern vorgeschaltet wird, wobei sichergestellt wird, dass das hergestellte Ausgangspulver zwischen der Pulverherstellung und der generativen Herstellung des Bauteils keiner ungünstigen Umgebungsatmosphäre ausgesetzt wird, welche beispielsweise 5 Sauerstoff enthält. Dadurch wird vermieden, dass das verwendete Pulver, also beispielsweise die sehr reaktiven Titanaluminide, mit Sauerstoff aus der Umgebungsatmosphäre reagieren können. Dies wiederum hat zur Folge, dass die Pulverpartikel keine Oxidschichten, wie z.B. dünne Aluminiumoxid oder Titanoxidschichten im Fall von TiAl, ausbilden, welche dann beim Sintern des Pulvers zur Einbringung von Sauerstoff in das Bauteil führen würden. Entsprechend ist 10 vorgesehen, dass die Pulverherstellung und das generative Bauteilherstellverfahren in einer definierten Atmosphäre durchgeführt werden. Dies kann erreicht werden, wenn beide

Teilschritte, nämlich Pulverherstellung und generatives Herstellverfahren in einem einzigen, gasdicht abschließbaren Gehäuse oder in zwei gasdicht miteinander verbindbaren Gehäusen durchgeführt werden, so dass das im ersten Teilschritt erzeugte Pulver vor der Herstellung des 15 Bauteils die definierte Atmosphäre nicht mehr verlassen muss. Dadurch ist es möglich, das

Pulver in sehr reiner Qualität zu erzeugen und mit gleichbleibender Reinheit mittels des generativen Herstellungsverfahrens zu einem Bauteil zu verarbeiten.

Durch die Vermeidung einer Aussetzung des Pulvers gegenüber Umgebungsatmosphäre, und insbesondere der Vermeidung eines Kontakts des Pulvers mit Sauerstoff oder anderen Gasen der normalen Umgebungsatmosphäre und der damit verbundenen Vermeidung der Erzeugung von Oxidschichten oder anderen Reaktionsprodukten ist es auch möglich sehr feines Pulver zu verarbeiten, welches aufgrund seiner hohen Oberfläche bei herkömmlichen

Herstellungsverfahren zu einem hohen Verunreinigungs- oder Sauerstoffgehalt des

herzustellenden Bauteils führen würde.

Für das erfindungsgemäße Verfahren und eine entsprechend aufgebaute Vorrichtung kann als generatives Herstellverfahren das selektive Laserstrahlsintem, oder Elektronenstrahlsintern eingesetzt werden.

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Bei beiden Verfahren können mehrere Strahlungsbündel gleichzeitig erzeugt werden, um dadurch kurze Prozesszeiten zu gewährleisten, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erhöht. Außerdem bei beiden Strahlungsarten Strahlung mit hoher Leistungsdichte erzeugt werden, sodass nur kurze Bestrahlungszeiten für das entsprechende Sintern des Pulvers erforderlich werden. Auch dies fördert die Effizienz des Verfahrens, Das Verfahren kann unter Vakuum oder in Schutzgasatmosphäre oder in entsprechenden

Kombinationen aus Vakuum und Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden. Beispielsweise kann das Elektronenstrahl sintern im Vakuum erfolgen, während die Pulverherstellung in einer Inertgasatmosphäre erfolgen kann, um durch das Inertgas ein Kühlmedium für die

abzukühlenden Pulverpartikel bei der Pulverherstellung bereitzustellen.

Bei dem Verfahren können unterschiedlichste Pulver, insbesondere unterschiedliche metallische Pulver eingesetzt werden, wobei die Pulverpartikeln aus reinem Metall oder aus Legierungen gebildet werden können. Das Pulver kann beispielsweise aus Titanaluminidlegierungen oder Komponenten zur Herstellung von Titanaluminidlegierungen, also beispielsweise Titanpulver, Aluminiumpulver oder Pulver aus Legierungsbestandteilen wie Niob oder dergleichen gebildet werden. Insbesondere können auch mehrere Vorrichtungen zur Pulverherstellung vorgesehen sein, um unterschiedliche Pulver zu erzeugen. Diese Pulverherstellungsvorrichtungen können in mehreren separaten Räumen oder Gehäusen oder in einem Gehäuse mit oder ohne entsprechende Abtrennungen vorgesehen sein. Lediglich gegenüber der Umgebungsatmosphäre abgeschlossene Transportmöglichkeiten zum Ort der generativen Bauteilherstellung müssen gewährleistet sein.

Das Pulver kann mechanisch legiert, also mit entsprechenden Zusatzpulvern entsprechend aufbereitet werden. Darüber hinaus kann auch eine bestimmte Korngrößenverteilung für die Pulverpartikel eingestellt werden,

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es auch, dass unterschiedlich legiertes Pulver und/oder hinsichtlich der Pulvergröße unterschiedlich eingestelltes Pulver in dem zu

erzeugenden Bauteilen in unterschiedlichen Bereichen vorgesehen wird _» sodass sich ein Bauteil , mit einem Werkstoffgradienten ergeben kann.

Das Pulver kann in unterschiedlicher Weise nach bekannten Verfahren hergestellt werden.

Insbesondere kann ein Verdüsen einer Materialschmelze, beispielsweise durch Rotationszer- stäuben, Verwendung finden. Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können verschiedene Einrichtungen zur Pulverherstellung und zum generativen Erzeugen von Bauteilen in einem Gehäuse oder in gasdicht verbundenen Gehäusen oder Räumen vorgesehen sein. Diese Einrichtungen umfassen Vorrichtungen zur Pulverherstellung mittels Verdüsen, beispielsweise Rotationszerstäuber, entsprechende Vorrichtungen zur Aufbereitung der Pulver, wie Siebe und dgl., Vorrichtung zum mechanischen Legieren, also Mischer und dgl., sowie Vorrichtungen zum Zuführen von zusätzlichem Pulver von extern oder Mittel zum Lagern von Pulver in der gasdicht abgeschlossenen Vorrichtung. Darüber hinaus kann eine

erfindungsgemäße Vorrichtung neben der Strahlerzeugungsvorrichtung und Vorrichtungen zur Führung des Strahls über eine Pulverlage Hilfsmittel zum Transportieren und Handhaben des Pulvers als auch Mittel zur Gaszuführung und zum Evakuieren der Vorrichtung aufweisen.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung können somit Gasturbinenschaufeln, insbesondere Niederdruckturbinenschaufeln aus TiAl - Werkstoffen hergestellt werden, welche als Hohlschaufeln mit innerer Stützstruktur ausgebildet sein können. Diese, bei komplizierter Hohlraumstruktur nur durch generative Verfahren herstellbaren Bauteile, lassen sich gemäß der Erfindung aus dem schwer handhabbaren Werkstoff TiAl bzw. TiAl-Legierungen herstellen, da feinkörnige Pulver Verwendung finden können und die Erzeugung von Verunreinigungen, insbe- sondere die Einbringung von Oxiden verhindert wird. Entsprechend zeichnen sich

erfindungsgemäß hergestellte Gasturbinenschaufeln durch feinkörnige Gefüge mit geringen Verunreinigungen, insbesondere geringem Sauerstoffgehalt aus. Darüber hinaus können die Gasturbinenschaufeln örtlich unterschiedliche Legierungszusammensetzungen aufweisen und/oder Korngrößenverteilungen besitzen. Außerdem zeichnen sich entsprechende Bauteile durch die Vermeidung von Seigerungen, wie sie bei gusstechnisch hergestellten Bauteilen zu beobachten sind, aus.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen verdeutlicht, die in rein schematischer Weise in

Fig. 1 eine Darstellung einer Vorrichtung zur generativen Herstellung von

Flugturbinenschaufeln gemäß der Erfindung; und in -

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Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäß hergestellten

Turbinenschaufel zeigen.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgend detaillierten Beschreibung eines Ausfuhrungsbeispiels deutlich.

Die Fig. 1 zeigt eine rein schematische Darstellung einer Vorrichtung 1, die zur Herstellung von Turbinenschaufeln nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden kann. Die Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 2 auf, welches zwei Räume bzw. Kammern 3 und 4 umschließt, die durch eine nicht näher bezeichnete Trennwand mit einer Durchgangsöffhung 15 in dem Gehäuse 2 abgeteilt sind. In dem einen Raum 4 erfolgt die Pulverherstellung während in dem anderen Raum 3 das Sintern des Bauteils 27 erfolgt.

Die Räume 3 und 4 weisen jeweils eine Vakuumpumpe 5 und 6 auf, sodass die Räume 3 und 4 getrennt voneinander abgepumpt werden können. Alternativ kann jedoch vorgesehen werden, lediglich eine einzige Pumpe zum Abpumpen des gesamten Innenraums des Gehäuses 2 vorzusehen.

Darüber hinaus sind mehrere Gaszuführungen 7, 8, 9 vorgesehen, die wiederum die separate Flutung der Räume 3 und 4 mit Gas ermöglichen. Auch hier kann nur eine einzige Gaszufuhr zur Flutung des gesamten Innenraums des Gehäuses 2 vorgesehen sein. Die Flutung mit Gas kann lediglich der Reinigung des Räume oder der Einstellung einer Inertgasatmosphäre dienen.

In Raum 4 des Gehäuses 2 ist femer eine Schmelzzufuhr 10 oder alternativ eine Vorrichtung zum Erschmelzen eines Metalls oder einer Legierung (nicht gezeigt) vorgesehen, welche eine Düseneinrichtung umfasst, aus der die Schmelze zur Erzeugung, von. Pulver austreten kann. Hier, können bekannte Verfahren eingesetzt werden, wie beispielsweise Rotationszerstäubung der Schmelze, um feinkörnige Pulver zu erzeugen.

Das so erzeugte Pulver kann auf einem Tisch 11 aufgefangen werden, wobei eine Schiebeeinrichtung 13 das Pulver seitlich abschieben und in Richtung des Raums 3 transportieren kann. Im einfachsten Fall kann beispielsweise das auf dem Tisch 11 befindliche Pulver mit dem Schiebeeinrichtung 13 entlang dem Tisch 11 und der Verbindungsplatte 22 durch die Öffnung 15 in Richtung des Pulverbehälters 25 im Raum 3 verschoben werden, um dort in dem

Pulverbehälter oder auf dem Pulverbehälter als Pul verlage abgelegt zu werden. Der

Pulverbehälter 25 weist einen doppelten Boden 26 auf, der entsprechend dem Doppelpfeil in der Höhe verstellbar ist, sodass zu Beginn des Prozesses der doppelte Boden 26 in Höhe der

Verbindungsplatte 22 gefahren wird, um eine erste Pul Verlage aufzunehmen.

Diese erste Pulverlage wird durch einen Elektronen- oder Laserstrahl 24, der durch die

Strahlerzeugungseinrichtung 23 erzeugt wird, entsprechend der herzustellenden Kontur örtlich selektiv gesintert, wobei der Elektronen- oder Laserstrahl über die Pulverlage auf dem doppelten Boden 26 verfahren wird. Dort wo der Elektronen- oder Laserstrahl auf das Pulver trifft und es auf- oder anschmilzt, wird das Pulver örtlich zusammen gesintert, so dass ein Bauteil 27 hergestellt wird. Danach wird der doppelte Boden 26 um eine bestimmte Höhe abgesenkt, um zu ermöglichen, dass der Schieber 13 eine neue Pulverlage aufbringen kann. Diese Pulverlage wird dann entsprechend wieder durch die Strahlbündel 24 der Laser- oder Elektronenstrahlung gesintert und der Prozess wird solange fortgesetzt bis das zu erzeugende Bauteil 27 fertig ist. Das Bauteil 27 befindet sich dann in einem Pulverbett 28, welches im Pulverbehälter 25

aufgenommen ist. Von dort kann das fertige Bauteil 27 entnommen werden und durch eine Öffnung 29 aus dem Gehäuse 2 entnommen werden.

Sofern eine bestimmte Pulvergröße ausgewählt werden soll, kann in der Verbindungsplatte 22 bzw. dem Tisch 11 eine Öffnung 21 geöffnet werden, sodass das Pulver 12 in einen Trichter 16 mit einem Sieb 17 gelangt, durch welches jedoch nur das Pulver mit der bestimmten Pulvergröße hindurch treten kann. Das Pulver wird dann in einen Pulverbehälter 18 mit einem doppelten Boden 19 aufgefangen, der dann im Bereich einer Öffnung 30 der Verbindungsplatte 22 so angehoben werden kann, dass das in dem Pulverbehälter 18 befindliche Pulver mittels des doppelten Bodens 19 in die Ebene des Tisches 11 bzw. der Verbindungsplatte 22 angehoben werden kann und dort von dem Schieber 13 in Richtung des Pul verb ehälters 25 verschoben zu werden. Hierzu ist eine hydraulische Hebevorrichtung 20 vorgesehen, die den Pulverbehälter 18 nach oben bewegen kann, wie durch den Doppelpfeil angedeutet.

Zusätzlich ist gegenüberliegend der Öffnung 30 ein Aufgabetrichter 14 mit einer Schleuse vorgesehen, durch den zusätzliches Pulver, welches extern erzeugt worden ist, in die Vorrichtung eingeführt werden kann. Mit der Schleuse kann eine Gaszufuhr 8 verbunden sein, um beispielsweise Inertgas in den Schleusenbereich einzuführen. In gleicher Weise kann eine entsprechende Vakuumpumpe (nicht gezeigt) im Bereich der Schleuse des Eingabetrichters 14 vorgesehen sein. Durch das zusätzliche Pulver, das über den Aufgabetrichter 14 in die Vorrichtung 1 eingeführt werden kann, kann ein mechanisches Legieren des Pulvers vorgesehen werden, indem beispielsweise Legierungsbestandteile von extern zugeführt werden.

Darüber hinaus ist es auch möglich, beispielsweise im Raum 4 des Gehäuses 2 Pulverlager vorzusehen, in der unterschiedliche Pulver gelagert werden, um diese dann in einer nicht dargestellten Pulvermischvorrichtung mechanisch zu legieren, um auf diese Weise gewünschte Zusammensetzungen des Pulvers erzeugen zu können. Außerdem können weitere Vorrichtungen zur Pulverherstellung und entsprechende Räume vorgesehen werden. Bei der Mischung von verschiedenen Pulvern können sowohl Pulver unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung also auch Pulver mit unterschiedlichen Korngrößen vermischt bzw. legiert werden.

Insofern ist es mit der vorgestellten Vorrichtung 1 möglich, nicht nur unmittelbar Schmelzen von Legierungen zu Pulvern zu verarbeiten und diese im generativen Herstellungsverfahren einzusetzen, sondern es ist auch möglich ein mechanisches Legieren von Pulvern mit unterschiedlichen Korngrößen und/oder Korngrößenverteilungen sowie chemischen

Zusammensetzungen in der Vorrichtung 1 zu realisieren. Insbesondere ist es dadurch möglich, lageweise unterschiedliche Pulver vorzusehen, und so Gradienten hinsichtlich der Zusammensetzung und/oder der Korngröße in dem zu erzeugenden Bauteil 27 einzustellen.

Durch die Gaszufiihrungen 7, 8, 9 und die Pumpen 5, 6 ist es möglich definierte Atmosphä- renbedingungen in den Räumen 3 und 4 des Gehäuses 2 einzustellen, wobei auch unterschiedliche Atmosphären in den Räumen 3 und 4 eingestellt werden können. So können neben Vakuumbedingungen auch Atmosphären mit definierten Gaszusammensetzungen, beispielsweise Inertgasatmosphären erzeugt werden. Insbesondere ist es möglich im Gehäuse 2 eine im technischen Rahmen im Wesentlichen sauerstofffreie Atmosphäre einzustellen, sodass keine Verunreinigung des Bauteils 27 mit ungewollten Sauerstoffanteilen erfolgt. Aber auch andere Gase, wie Stickstoff, welcher zur Bildung von Nitriden führen könnte, können entsprechend ausgeschlossen werden, wenn beispielsweise unter Vakuum oder Inertgasatmosphären gearbeitet wird.

Durch definierte Einstellung der Atmosphäre kann somit vermieden werden, dass

Verunreinigungen in dem hergestellten Bauteil enthalten sind. Gleichzeitig kann durch

Verwendung von Mehrstrahleinrichtungen, also Strahlerzeugungsvorrichtungen wie Laser- oder Elektronenstrahl Vorrichtungen, die mehrere Strahlbündel erzeugen können oder hohe

Strahlungsleistungen aufweisen, ein hoher Energieeintrag in das Pulver erreicht werden, so dass das Sintern in sehr kurzen Prozesszeiten realisiert werden kann. Entsprechend kann das erfindungsgemäße Verfahren sehr effizient betrieben werden.

Insbesondere lässt sich die Vorrichtung und das entsprechende Verfahren zur Herstellung von Gasturbinenschaufeln aus Titanaluminid- Werkstoffen bzw. Legierungen daraus einsetzen. Ferner ist es möglich Hohlschaufeln mit komplizierten Hohlräumen, wie Kühlkanälen, bzw.

Hohlräumen mit komplizierten Smtzstrukturen in wirtschaftlicher Weise herzustellen.

In den Bauteilen können entsprechende Korngrößen eingestellt werden. Auch Seigerungen bei Legierungen können vermieden werden und es können darüber hinaus gradierte Bauteile mit definierten Zusammensetzungen in unterschiedlichen Bereichen der Schaufel erzeugt werden.

Die Fig. 2 zeigt eine Beispiel einer Niederdruckturbinenschaufel für eine Flugturbine aus einem Titanaluminid- Werkstoff, wobei die Schaufel 50 einen Schaufelfuß 55 und ein hohles

Schaufelblatt 51 aufweist. Der Hohlraum 52 des Schaufelblatts 51 wird unterbrochen durch Versteifungen 53 und 54, die strichliniert dargestellt sind. Die Versteifungen unterteilen den Hohlraum 52 in Teilhohlräume 56, 57 und 58.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann das Schaufelblatt.51 beispielsweise in den Be- reichen der Teilhohlräume 56, 57 und 58 unterschiedliche Zusammensetzungen hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung und/oder der Korngrößenverteilung aufweisen. Die Änderung der Zusammensetzung kann hierbei kontinuierlich oder schrittweise erfolgen, sodass sich ein stufenloser oder gestufter Gradient einstellt. Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der beigefügten Beispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass andersartige Kombinationen der vorgestellten Merkmale möglich sind oder dass einzelne Merkmale weggelassen werden können, solange der Schutzbereich der beigefugten Ansprüche nicht verlassen wird.