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

Internationale wissenschaftliche Beiträge in Fachzeitschriften, begutachtet

  • 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

Internationale Konferenzbeiträge, begutachtet

  • Weingaertner, W.; Schweitzer, L.; Rottwinkel, B.; Noelke, C.; Kaierle, S.; Wesling, V. (2015): Single-Crystal (SX) Laser Cladding of CMSX48th Brazilian Congress of Manufacturing Engineering (COBEF). Brazilian Society of Engineering and Mechanical Sciences. Salvador / Brazil, 22.05.2015
  • Rottwinkel, B.; Nölke, C.; Kaierle, S.; Wesling, V. (2014): Crack Repair of Single Crystal Turbine Blades Using Laser Cladding TechnologyProcedia CIRP 22, S. 263–267
    DOI: 10.1016/j.procir.2014.06.151
  • Rottwinkel, B.; Schweitzer, L.; Nölke, C.; Kaierle, S.; Wesling, V. (2014): Challenges for Single-Crystal (SX) Crack CladdingPhysics Procedia 56, S. 301–308
    DOI: 10.1016/j.phpro.2014.08.175

Internationale Konferenzbeiträge, nicht begutachtet

  • Kaierle, S.; Rottwinkel, B. (2016): Development of new laser technologies for repairing single crystal turbine bladesInt. Laser- und Fügesymposium. Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS. Dresden, 01.01.2016
  • Nicolaus, M.; Rottwinkel, B.; Möhwald, K.; Nölke, C.; Kaierle, S.; Maier, H. J.; Wesling, V. (2015): Future regeneration processes for high pressure turbine blades64. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2015, 22-24 September 2015. Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V.®. Rostock, 24.09.2015
  • Rottwinkel, B.; Nölke, C.; Hustedt, M.; Kaierle, S.; Wesling, V. (2013): Single Crystal Crack Cladding of CMSX-424th Advanced Aerospace Materials and Processes (AeroMat) Conference and Exposition. American Society for Metals. Bellevue / USA, 03.05.2013
  • Rottwinkel, B.; Nölke, C.; Hustedt, M.; Kaierle, S.; Wesling, V.; Weidlich, N. (2012): Single Crystal (SX) Laser Cladding of CMSX-4Icaleo 2012. LIA - Laser Institute of America. Anaheim / USA, 28.09.2012

Nationale wissenschaftliche Beiträge in Fachzeitschriften, begutachtet

  • Denkena, B.; Flöter, F.; Nespor, D.; Wesling, V.; Kaierle, S.; Hustedt, M.; Rottwinkel, B. (2013): Bauteilregeneration bei einkristalliner GefügestrukturWerkstattstechnik online 103 (6), S. 476–480
Alle Veröffentlichungen des Sonderforschungsbereiches

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
Hollerithallee 8
30419 Hannover