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Fertigungstechnologie für Superlegierungsteile

Fertigungstechnologie für Turbinenschaufeln und -scheiben

Neways fortschrittliche Fertigungstechnologien umfassen das präzise Gießen von Turbinenschaufeln mittels Einkristall- und richtkristalliner Erstarrungstechniken. Wir fertigen pulvermetallurgische Turbinenscheiben durch HIP und fortschrittliche Schmiedeverfahren. Unsere Doppel-Performance-Technologie für Turbinenscheiben integriert Pulverlegierungen und HIP-Diffusionsbonden und erreicht überlegene Haltbarkeit und Hochtemperaturbeständigkeit für Anwendungen der nächsten Generation in der Luft- und Raumfahrt.

Verfeinerung der Einkristall-Dendritenmikrostruktur

Der primäre Dendritenabstand λ ist die wesentliche charakteristische Skala der Einkristallstruktur und ein entscheidender Indikator der Qualitätsprüfung. Je kleiner der λ-Wert, desto feiner die Dendritenstruktur und desto besser die mechanischen Eigenschaften des Gussteils. Gegenwärtig wird das HRS-Verfahren sowohl im In- als auch im Ausland weit verbreitet zur Herstellung von Hochtemperaturlegierungs-Einkristallgussteilen eingesetzt. Aufgrund des geringen Temperaturgradienten G im HRS-Prozess weist die Dendritenstruktur von SC-Gussteilen hohe Werte auf. Modifizierte Techniken wie Flüssigmetallkühlung (LMC) und Gaskühlguss (GCC) wurden entwickelt, um diesen Anforderungen gerecht zu werden und eine hocheffiziente DS/SC-Fertigung zu ermöglichen.
Verfeinerung der Einkristall-Dendritenmikrostruktur

Technologie

Vorteile

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Feinkristall-Technologie

Unter Strahlungswärmeübertragungsbedingungen wird der Temperaturgradient durch verbesserte Wärmedämmung zwischen warmen und kalten Zonen vervielfacht und der Dendritenabstand deutlich reduziert. Die neue Technologie ist kostengünstig und hocheffektiv und wird bereits breit in der Produktion von Einkristallschaufeln eingesetzt.

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Ultrafeinkristall-Technologie

Aufbauend auf der Feinkristall-Technologie wird die Wärmeübertragungseffizienz über die gesamte Schalenoberfläche deutlich verbessert. Der Temperaturgradient G steigt weiter an, der Dendritenabstand sinkt – mit signifikanten Ergebnissen.

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Vorbereitung von Einkristall-Leitschaufeln und mehrfach integrierte Gießtechnologie

Im Vergleich zu den schmalen Laufschaufeln sind Leitschaufeln aufgrund ihrer breiten Struktur schwer als Einkristallgussteile herzustellen. Unabhängig von vertikaler oder horizontaler Anordnung ist es schwierig, das Einkristall vom kleinen Kristallselektor zur breiten Deckplatte zu führen, wodurch leicht Mischkristall-Defekte entstehen.
Vorbereitung von Einkristall-Leitschaufeln und mehrfach integrierte Gießtechnologie

Technologie

Beschreibung

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Einblatt-Gießverfahren

Bei Doppel- und Mehrfach-Leitschaufeln wächst die Deckplattenfläche exponentiell, was die Einkristallherstellung erschwert. Üblicherweise wird ein Einzelteil gegossen und anschließend verschweißt. Das Verfahren ist komplex, und Schweißnahtundichtigkeiten führen häufig zur Ausschussbildung – ein großes Problem in der Triebwerksfertigung.

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Neues Leitschaufel-Herstellungsverfahren

Durch eine geneigte Formeinrichtung gelingt der stufenweise Übergang vom Selektor zur Deckplatte. Die sequentielle Erstarrung von Schaufelkörper und Deckplatte nach schräg oben verhindert wirksam Mischkristalle und reduziert Lockerheitsfehler an der Oberseite des Gussteils deutlich.

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Vorbereitung von Einkristall-Leitschaufeln und mehrfach integrierte Gießtechnologie

Der Gussprozess für Einkristall-Leitschaufeln nutzt die Kristallselektion oder die Keimkristall-Methode zur präzisen Steuerung der Kornorientierung und reduziert Defekte wie Risse und Einschlüsse. Durch Optimierung der Kristallwachstumsrichtung ([001]) steigert diese Technologie die Leistungsfähigkeit von Hochtemperaturbauteilen wie Turbinenschaufeln und verbessert deren Festigkeit und Temperaturbeständigkeit in Luft- und Raumfahrt sowie Energieindustrie.
Vorbereitung von Einkristall-Leitschaufeln und mehrfach integrierte Gießtechnologie

Technologie

Beschreibung

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Kristallauswahlverfahren

Auswahl spezifischer Kristalle mit gewünschter Orientierung während des Gießens. So wird das Einkristallwachstum gezielt gesteuert, um die geforderten Eigenschaften in Turbinenschaufeln zu erreichen.

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Keimkristall-Methode

Komplexeres Verfahren, bei dem ein vorpräparierter Keimkristall die Orientierung des wachsenden Kristalls steuert. Es ermöglicht eine bessere Kontrolle der primären und sekundären Richtungen, insbesondere der Kornorientierung.

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Allgemeine Probleme der Keimkristall-Methode

Unvollständiges Aufschmelzen, Risse, Einschlüsse und Oxidation während des Gießens beeinträchtigen die Qualität und strukturelle Integrität der Einkristallteile.

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Verbesserte Ergebnisse

Verbesserte Prozesse der Keimkristall-Methode in Kombination mit Fortschritten bei Wärmebehandlung und Schmelztechnik führen zu weniger Defekten (z. B. weniger Risse und Einschlüsse) und besserer Steuerung der Kristallorientierung.

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Kristallrichtungssteuerung

Kritische Technologie beim Guss von Einkristall-Turbinenschaufeln: Die Kornorientierung – insbesondere die [001]-Richtung – wird präzise gesteuert. Korrektes Wachstum optimiert mechanische Eigenschaften wie Festigkeit und Thermoschockbeständigkeit.

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Umfassende Kontrolltechnik von Kristalldefekten in Einkristallgussteilen

Wir konzentrieren uns auf die Kontrolle von Kristalldefekten in Einkristallgussteilen, z. B. Fremdkorn, Freckle-Defekte, Schlieren (Sliver), Rekristallisation und Kleinwinkel-Korngrenzen. Durch Optimierung von Erstarrungsprozessen, Wärmebehandlung und Formkonstruktion werden Defekte minimiert. Diese Technologie ist entscheidend für die Herstellung leistungsfähiger Turbinenschaufeln und Luft- und Raumfahrtkomponenten.
Umfassende Kontrolltechnik von Kristalldefekten in Einkristallgussteilen

Defekte

Beschreibung

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Fremdkorn

Bildung: Durch ungeeignetes Abkühlen mit nicht ausgerichtetem Kornwachstum.
Vermeidung: Temperaturgradienten gezielt steuern und gerichtete Erstarrung sicherstellen.

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Freckle (Kanalsegregation)

Bildung: Konvektionsströme transportieren während der Erstarrung Segregationen in bestimmte Bereiche.
Vermeidung: Thermischen Gradienten in der Form anpassen und Konvektion durch optimierte Gießbedingungen reduzieren.

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Schlieren (Sliver)

Bildung: Entsteht durch Unregelmäßigkeiten in der breiigen Zone während der Erstarrung.
Vermeidung: Stabile Erstarrungsparameter sicherstellen und Störungen der Erstarrungsfront vermeiden.

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Rekristallisation

Bildung: Während der Wärmebehandlung führen Temperaturunterschiede zu Kornwachstum und Fehlorientierung.
Vermeidung: Konstante Temperaturführung in der Nachbehandlung zur Vermeidung von Rekristallisation.

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Kleinwinkel-Korngrenze

Bildung: Leichte Fehlorientierungen der Körner beim Abkühlen.
Vermeidung: Abkühlraten optimieren und gleichmäßige Erstarrung sicherstellen, um Fehlorientierungen zu vermeiden.

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Einschlussdetektionstechnologie

Die Einschlussdetektion identifiziert und analysiert Verunreinigungen in Metallpulvern und Turbinenkomponenten mittels Stereomikroskop, Rasterelektronenmikroskop (REM/SEM) und Ultraschallprüfung. Durch das Erkennen von Einschlüssen bis 0,4 mm wird Reinheit und strukturelle Integrität sichergestellt – entscheidend für Hochleistungsbranchen wie Luft- und Raumfahrt und Energie, in denen selbst kleine Defekte Sicherheit und Effizienz beeinträchtigen können.
Einschlussdetektionstechnologie

Technologie

Beschreibung

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Einschluss-Detektionsgerät

Eigenentwickeltes System, das verschiedene Werkzeuge kombiniert, um Einschlüsse in Pulver- und Feststoffen zu identifizieren und zu vermessen. Es gewährleistet eine hochpräzise Selektion und Reinheitskontrolle für Superlegierungen und andere Hochleistungswerkstoffe.

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Mikroskopische und SEM-Analyse

Mikroskopische Werkzeuge detektieren Einschlüsse im Makro- und Mikrobereich, liefern Detailbilder von Defekten und erlauben eine genaue Zusammensetzungsanalyse.

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Ultraschallprüfung

Zerstörungsfreie Schlüsseltechnologie zur Detektion innerer Defekte. Kritisch für die Sicherstellung der strukturellen Integrität von Hochdruck-Turbinenscheiben in Luft- und Raumfahrt sowie Energiesektor.

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Analyse der Einschlussmorphologie

Durch Untersuchung von Größe, Form und Zusammensetzung der Einschlüsse lassen sich Prozesse verbessern, um solche Defekte zu vermeiden. Die Analyse hilft bei der Verfeinerung pulvermetallurgischer und Gussprozesse zur Sicherung hoher Werkstoffqualität.

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Kleinwinkel-Korngrenze

Bildung: Leichte Fehlorientierungen der Körner beim Abkühlen.
Vermeidung: Abkühlraten optimieren und gleichmäßige Erstarrung sicherstellen, um Fehlorientierungen zu vermeiden.

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Lebensdauerprognose für Einkristall-Schaufeln

Die Lebensdauerprognose für Einkristall-Turbinenschaufeln bewertet Kriechen, Niedrigzyklus-Ermüdung und thermomechanische Ermüdung mittels Prüfungen und Simulationen. Sie berücksichtigt Kristallorientierung und Korngrenzen, um die Lebensdauer unter Extrembedingungen vorherzusagen. Eingesetzt in Luft- und Raumfahrt sowie Energie sorgt die Technologie für zuverlässige Performance, optimierte Wartung und die Vermeidung von Ausfällen in hochbelasteten Turbinen.
Lebensdauerprognose für Einkristall-Schaufeln

Technologie

Beschreibung

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Kriech- und Ermüdungsprüfungen

Experimentelle Tests unter Langzeitbelastung (Kriechen) und zyklischer Belastung (Ermüdung), um reale Einsatzbedingungen für Turbinenschaufeln nachzubilden.

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Simulationsmodelle

Modelle prognostizieren das Werkstoffverhalten unter Last unter Berücksichtigung von Kristallorientierung, Kornstruktur und thermischer Zyklierung. Die Validierung erfolgt durch Vergleich mit Versuchsergebnissen.

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Thermomechanische Ermüdung

Bewertung des Werkstoffverhaltens unter kombinierter thermischer und mechanischer Beanspruchung – besonders relevant für Bauteile in Extremtemperaturen wie Turbinenschaufeln in Flugtriebwerken.

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Anisotrope Werkstoffmodellierung

Modelle berücksichtigen die richtungsabhängigen Eigenschaften von Einkristall-Superlegierungen und liefern präzisere Vorhersagen für das Verhalten unter unterschiedlichen Beanspruchungsarten.

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Lebensdauerverlängerung von Komponenten

Der Prozess umfasst die Analyse von Ausfallursachen und die Umsetzung von Verbesserungsmaßnahmen. Dazu gehören Finite-Elemente-Simulation, präzise Zusammensetzungssteuerung, Optimierung des Fertigungsprozesses und Regelung der Wärmebehandlung, um die Lebensdauer der Komponente zu verlängern.
Lebensdauerverlängerung von Komponenten

Technologie

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Finite-Elemente-Simulation (FEM)

Prognose von Spannungen, Dehnungen und potenziellen Versagenszonen vor der Fertigung oder während des Betriebs. Die Simulation identifiziert Schwachstellen unter gegebenen Lasten und Bedingungen.

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Präzise Zusammensetzungssteuerung

Optimierung der Legierungszusammensetzung zur Verbesserung von Festigkeit, Ermüdungs- und Thermostabilität – direkt wirksam auf die Lebensdauer von Komponenten.

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Optimierung des Fertigungsprozesses

Verfeinerung von Guss-, Schmiede- und Bearbeitungstechniken zur Reduktion von Defekten, Verbesserung der Kornstruktur und Steigerung der Bauteilqualität und -haltbarkeit.

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Regelung der Wärmebehandlung

Durch Anpassung von Temperatur, Zeit und Abkühlraten wird die Mikrostruktur gezielt eingestellt, um Kriechbeständigkeit und Ermüdungslebensdauer zu verbessern.

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