Qualifizieren des Laserstrahl-Auftragschweißens von BLISKs aus Nickel- und Titanbasislegierungen

Kelbassa, Ingomar; Poprawe, Reinhart

doi:HT014643685

Qualifizieren des Laserstrahl-Auftragschweißens von BLISKs aus Nickel- und Titanbasislegierungen = Qualification of Laser Metal Deposition of BLISKs out of Nickel and Titanium base alloys

Kelbassa, Ingomar

2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ingomar Kelbassa

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

Umfang204 S. Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Poprawe, Reinhart (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-01-13

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-13640
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/60728/files/Kelbassa_Ingomar.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Maschinenwesen (400000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Industrielle Fertigung (frei) ; Aachen (frei) ; Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (frei) ; Auftragsschweißen (frei) ; Flugtriebwerk (frei) ; Titanlegierung (frei) ; Nickellegierung (frei) ; Superlegierung (frei) ; Laserstrahl-Auftragschweißen (frei) ; BLISK (frei) ; Laser Cladding (frei) ; Laser Metal Deposition (frei) ; Titanium (frei) ; Nickel (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 670

Kurzfassung
In der dargestellten Arbeit wird das Laserstrahl-Auftragschweißen von Nickel- und Titanbasislegierungen für die Reparatur von BLISKs entwickelt.Durch ein entwickeltes koaxiales kompaktes Pulverzufuhrsystem und neu entwickelte Schutzgasglocken wird erstmalig eine lokale Schutzgasführung realisiert, die das defekt- und oxidfreie Auftragschweißen von Nickel- und Titanbasislegierungen ohne Verwendung einer Prozesskammer ermöglicht. Durch die kompakte Bauweise des Pulverzufuhrsystems wird die Zugänglichkeit an der BLISK gewährleistet. Die für das Laserstrahl-Auftragschweißen von Nickel- und Titanbasislegierungen geeigneten Verfahrensparameter sowie die Aufbaustrategien für die 3D-Bearbeitung werden an quaderförmigen Proben und Dauerschwingproben entwickelt, deren mechanische Eigenschaften in Zugversuchen und HCF-Tests quantifiziert werden. Direkt nach dem Laserstrahl-Auftragschweißen ist das Gefüge der Nickelbasis-Superlegierung Inconel 718 nahezu isotrop und weist lösungsgeglühte Eigenschaften auf. Durch ein Spannungsarmglühen werden statische und dynamische mechanische Eigenschaften erzielt, die dem komplett wärmebehandelten, geschmiedeten Rohmaterial entsprechen. Direkt nach dem Laserstrahl-Auftragschweißen sind die Gefüge der Titanbasislegierungen Ti-17 und Ti-6Al-4V aufgrund der vorliegenden epitaktisch in Richtung des Schichtwachstums gewachsenen kolumnaren Kornstruktur anisotrop. Die statischen mechanischen Eigenschaften hängen signifikant von der Belastungsrichtung in Relation zur Kornorientierung ab. Durch eine komplette Wärmebehandlung werden für Ti-17 durch eine Rekristallisierung nahezu isotrope statische mechanische Eigenschaften erzielt, die einem komplett wärmebehandelten, geschmiedeten Rohmaterial entsprechen. Die dynamischen mechanischen Eigenschaften sind aufgrund auftretender Mikro-Anbindungsfehler und Mikro-Porosität nicht zufriedenstellend. Durch ein anschließendes Spannungsarmglühen in einem zweiten Bearbeitungsschritt werden für Ti-6Al-4V statische und dynamische mechanische Eigenschaften erzielt, die dann auch bei diesem Material einem komplett wärmebehandelten, geschmiedeten Rohmaterial entsprechen. Erstmalig stehen somit statische und dynamische mechanische Eigenschaften der wärmebehandelten und nicht wärmebehandelten ohne Prozesskammer laserstrahl-auftraggeschweißten Werkstoffe Inconel 718, Ti-17 und Ti-6Al-4V zur Verfügung. Durch eine systematische Variation der Aufbaustrategien und Verfahrensparameter werden an Modellgeometrien geeignete Prozessführungen ermittelt. Defekt- und kontaminationsfreie Reparaturen der drei Schadensfälle Fremdkörpereinschlag an der Leading Edge, Verschleiß an der Tip und Erosion der Schaufel werden nachgewiesen. Die Übertragbarkeit der an Modellgeometrien ermittelten Verfahrensstrategien und -parameter auf die Originalbauteile ist bei geometrischer Ähnlichkeit als unkritisch zu betrachten. Bei signifikanten Abweichungen der auftragzuschweißenden Geometrie am Originalbauteil im Vergleich zur Modellgeometrie wird zumeist aufgrund veränderter Wärmeleitung und veränderter zu erzielender Geometrie eine Ermittlung neuer Verfahrensparameter erforderlich. Die Anzahl an Originalbauteilen ist zumeist sehr beschränkt. Daher ist für eine erfolgreiche und effiziente Verfahrensentwicklung eine individuelle bauteilnahe Modellgeometrie entscheidend. Durch Implementierung einer geschlossenen Prozesskette und neu entwickelter auftragschweißspezifischer Makros, die die entwickelten Aufbaustrategien und ermittelten Verfahrensparameter in NC-Befehle umsetzen, wird das Auftragschweißen an zwei Originalbauteilen realisiert. Eine Digitalisierung der auftragzuschweißenden Schaufel zur Aufnahme der Ist-Geometrie und einer Referenzschaufel zur Aufnahme der Soll-Geometrie ist erforderlich.

The subject of this dissertation is the development and improvement of Laser Metal Deposition (LMD) with regard to repair of BLISKs out of Nickel and Titanium base alloys. Defect and oxidation free LMD of Nickel and Titanium base alloys is guaranteed by use of new developed powder and shielding gas nozzles which generate a suitable local gas shielding. Therefore the process can be carried out without using an inert gas chamber. The accessibility of the complex shaped BLISK is guaranteed by the compact designs of the powder and shielding gas nozzles. The suitable process parameters for LMD of Nickel and Titanium base alloys and the suitable process layouts (build-up strategies) are developed on simple rectangular geometries and HCF test samples. The static and dynamic mechanical properties are determined in tensile and HCF tests by use of tensile and HCF test samples manufactured from the geometries mentioned above. Directly after LMD the macro structure of Inconel 718 is isotropic and the mechanical properties are correlating with an annealed forged raw material. By stress relieving static and dynamic mechanical properties are achievable which correlate with a completely heat treated forged raw material. Directly after LMD the macro structures of the Titanium base alloys Ti-17 und Ti-6Al-4V is anisotropic due to the epitactical growth of the columnar grains. The static mechanical properties are strongly depending on the load direction compared with the growth direction of the columnar grains. By a complete heat treatment of LMD Ti-17 static mechanical properties are achievable which correlate with a completely heat treated forged raw material due to an achieved recrystallization. Due to micro bonding defects and micro porosity the achievable dynamic mechanical properties are not fulfilling the specifications. By stress relieving static and dynamic mechanical properties are achievable for LMD Ti-6Al-4V which correlate with a completely heat treated forged raw material. Suitable process layouts and parameters are determined carrying out a systematic variation of build-up strategies and parameters. Defect and oxidation free repairs of the three case studies FOD on the leading edge, wear on the tip and erosion of the complete blade are verified on mock-ups. The transferability of the process layouts and parameters determined on mock-ups to the real OEM parts is estimated to be uncritical in case of geometrical affinity. In case of significant deviations between the geometries to be cladded on the mock-ups compared with the real OEM part a new determination of suitable process layouts and parameters must be carried out due to changed heat conduction conditions. The amount of OEM parts is limited. Therefore the geometrical affinity between OEM part and mock-up is important for an efficient process development. By implementation of a closed-centre process chain and new developed LMD specific macros which guarantee the conversion of the developed process layouts and parameters into NC commands, the process is realized on two OEM parts. To avoid undercuts and to relocate critical areas of higher porosity into areas to be milled tabs are used. A strong necessity is the digitizing of the blade to be reconditioned by LMD and the digitizing of a blade ready for use to calculate the volume to be built-up and due to deviations between the CAD data for manufacture and the geometry of the blade after service and / or manufacture.

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