Teilprojekt B6 Lichtbogenschweißen von Titanlegierungen

Die schweißtechnische Aufarbeitung von Flugtriebwerken erfolgt in der Luftfahrtindustrie heute zum Teil auch durch Schmelzschweißverfahren. Das WIG Schweißen sowie strahlbasierte Verfahren, wie Laser- und Elektronenstrahlverfahren werden für die Reparatur verwendet.  Die Anwendung der Schmelzschweißtechnologie erfolgt hauptsächlich im Bereich der Fan- und Verdichtereinheiten.

Betrachtet man die Entwicklung der Reparaturtechnologie losgelöst vom gesamten Regenerationsprozess des Triebwerks, so sind mit den Strahlschweißverfahren bisher die besten Ergebnisse erzielt worden. In der gesamten Prozesskette der Regeneration des Investitionsgutes führt aber z.B. die Verwendung des Vakuum-Elektronenstrahlverfahrens zu immensen Investitions- und Fertigungskosten, welche die Reparaturkosten bis auf 65% des Neuteilpreises ansteigen lassen. Im Gegensatz dazu stehen die Lichtbogenschweißverfahren, diese sind deutlich günstiger und können somit die Reparatur attraktiv machen.

Um eine stoffschlüssige Fügeverbindung herzustellen muss ein bestimmter Mindestbetrag an Wärmeenergie ins Bauteil eingebracht werden. Diese Wärmeenergie wird durch die geringe Wärmeleitfähigkeit von 22 W/mK des Titans (Stahl ~50 W/mK, Kupfer ~401 W/mK) im Bauteil aufgestaut. Das deutliche Erwärmen des Grundmaterials in den Aufstaugebieten führt zu Gefügeumwandelungen. Das bedeutet, dass sich das Eigenschaftsprofil einer Schweißverbindung aus unterschiedlichen Bereichen ausbildet. Dabei ist die Schmelzzone (SZ) durch ein meist zur Schweißnahtmitte ausgerichtetes Erstarrungsgefüge gekennzeichnet, was sich häufig durch ein sogenanntes »overmatching« der Materialeigenschaften äußert. Dies führt zu einer höheren Zugfestigkeit bei gleichzeitiger starker Reduktion der Duktilität. In der Wärmeeinflusszone (WEZ) hingegen kommt es zum Wärmeeintrag in das Grundmaterial durch die Wärmeableitung und damit zu Rekristallisationsprozessen im Werkstoff, welcher sich im Ausgangszustand durch ein meist sehr feinkörniges Grundgefüge auszeichnet. Dieser Prozess ist mit einer Kornvergröberung verbunden, was zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führt und damit den eigentlichen Schwachpunkt der Fügeverbindung ausmacht.

Für die Verbesserung der Lichtbogenschweißverfahren muss das Erstarrungsgefüges in der Schmelzzone optimiert und die Wärmeeinflusszone minimiert werden. Hierbei soll der Impf- und Flussmitteleffekt ausgenutzt werden.

Video: Patchreparaturschweißung einer Titan-Blisk

Die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht sind trotz Nutzung von Impf- und Flussmittel unterhalb der des restlichen Bauteils. Aktuell werden weitere Ansätze verfolgt, die Schweißnaht nachzubehandeln. Durch das Plasmanitrieren wird Stickstoff in das Gitter eingebracht. Dadurch entstehen Druckspannung, welche sich positiv auf die Haltbarkeit bei zyklischer Belastung auswirkt.

In der zweiten Förderperiode wurde die Reparatur mit einem Patch durchgeführt. Dafür muss die Blisk definiert abfräst und anschließend vermessen werden, das Patch gefertigt, angeschweißt und danach das die Blisk rekonturiert werden, um die gewünschte Geometrie wiederherzustellen.

Durch die Substitution der Patchreparatur mit dem Lichbogenauftragsschweißen (3D-Druck) fällt die Herstellung des Patches weg und somit ein Arbeitsschritt.