Teilprojekt B5 Einkristallines Laserstrahlschweißen


MOTIVATION UND ZIELSETZUNG

Schematische Abbildung der Laserpulverauftragschweißprozesses auf gerichtet erstarrtem Material

Steigende Ansprüche an Antriebe in der Luftfahrtindustrie fordern höhere Eintrittstemperaturen in modernen Gasturbinen um die Effizienz dieser Triebwerke zu steigern. Einkristalle aus Nickelbasis-Superlegierungen wurden dazu entwickelt, diesen hohen Ansprüchen zu entsprechen und verleihen Hochdruckturbinenschaufeln die benötigte Beständigkeit bei hohen Temperaturen. Auf Grund der hohen mechanischen Belastungen unter extremen Umgebungsbedingungen unterliegen die Schaufeln der Hochdruckturbine im Betrieb einem signifikanten Verschleiß, welcher in Form von Rissbildung im einkristallinen Grundmaterial auftritt. Bisher bestehen keine Verfahrensweisen zur Wiederherstellung der ursprünglichen Werkstoffeigenschaften, da die Reparatur von Rissen und Erosionserscheinungen durch polykristalline Auftragschweißungen nur bedingt einsetzbar ist. Das Ziel des Teilprojektes ist die Instandsetzung defekter, einkristallin hergestellter Hochdruckturbinenschaufeln.

ERGEBNISSE

In der ersten Förderperiode wurden die Möglichkeiten zur Reparatur mit dem Ziel der Aufweitung bestehender Grenzwerte zugelassener Reparaturbereiche evaluiert und die Regeneration von Defekten parallel zur primären Dendritenorientierung untersucht vor dem Hintergrund der Arbeitshypothese, dass nach einer Rissschädigung die einkristalline Grundstruktur mittels eines Temperaturgradienten folgenden Laserstrahlschweißens wiederhergestellt werden kann. Das generierte Wissen wurde in der zweiten Förderperiode dazu verwendet, eine Methodenentwicklung zu ermöglichen, welche in der erfolgreichen Erweiterung der gerichteten Erstarrung im Schweißgut an Defekten orthogonal zu Hauptorientierungsrichtung, resultierte.  

Reparaturstrategien für die Regeneration von Hochdruckturbinenschaufeln

AKTUELLE ARBEITEN UND AUSBLICK

Für die dritte Förderperiode wird die Arbeitshypothese aufgestellt, dass die erforderliche einkristalline Struktur des aufgetragenen Materials nicht nur wiederhergestellt, sondern auch in einem weiteren Schritt gezielt beeinflusst werden kann. Durch die Entwicklung geeigneter Wärmebehandlungsverfahren des regenerierten Materials und einer Anpassung des Regenerationsprozesses kann die Mikrostruktur hinsichtlich ihrer thermomechanischen Eigenschaften in einem weiteren Schritt auch gezielt beeinflusst werden kann, mit dem Ziel diese den Eigenschaften des vorhandenen Substratmaterials anzupassen.  Dabei beinhaltet die Anpassung des Prozesses die Integration der Ergebnisse anderer Teilprojekte, mit dem Ziel die Regenerationsabfolge innerhalb und zwischen den Prozesszellen zu optimieren.


VERÖFFENTLICHUNGEN

  • Kaierle, S.; Overmeyer, L.; Alfred, I.; Rottwinkel, B.; Hermsdorf, J.; Wesling, V.; Weidlich, N. (2017) Single-crystal turbine blade repair by laser cladding and remeltingCIRP Journal of Manufacturing Science and Technology 2017 (19), 196--199
    DOI: 10.1016/j.cirpj.2017.04.001
  • Nicolaus, M.; Rottwinkel, B.; Alfred, I.; Möhwald, K.; Nölke, C.; Kaierle, S.; Maier, H.J.; Wesling, V. (2017) Future regeneration processes for high-pressure turbine bladesCEAS Aeronautical Journal 2017 (online)
    DOI: 10.1007/s13272-017-0277-9
  • Rottwinkel, B.; Kaierle, S.; Wesling, V. (2017) Laser cladding for cracked CMSX-4 single-crystalline turbine partsLasers in Manufacturing and Materials Processing 4 (1), 13-23
    DOI: 10.1007/s40516-016-0033-8
  • Böß, V.; Denkena, B.; Wesling, V.; Kaierle, S.; Rust, F.; Nespor, D.; Rottwinkel, B. (2016) Repairing parts from nickel base material alloy by laser cladding and ball end millingIn: Prod. Eng. Res. Devel. 10 (4-5), S. 433–441
    DOI: 10.1007/s11740-016-0690-7
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TEILPROJEKTLEITER

Dr.-Ing. Stefan Kaierle
Adresse
Laser Zentrum Hannover
Hollerithallee 8
30419 Hannover
Dr.-Ing. Stefan Kaierle
Adresse
Laser Zentrum Hannover
Hollerithallee 8
30419 Hannover
Prof. Dr.-Ing. Volker Wesling
Adresse
Laser Zentrum Hannover
Hollerithallee 8
30419 Hannover
Prof. Dr.-Ing. Volker Wesling
Adresse
Laser Zentrum Hannover
Hollerithallee 8
30419 Hannover

MITARBEITERIN

Irene Buchbender
Adresse
Laser Zentrum Hannover
Hollerithallee 8
30419 Hannover
Irene Buchbender
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Laser Zentrum Hannover
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30419 Hannover