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Jul 11, 2023

Kronjuwel: Rolls

Gießen ist eine der ältesten und grundlegendsten Methoden der Metallbearbeitung. Falls Sie können

Gießen ist eine der ältesten und grundlegendsten Methoden der Metallbearbeitung. Wenn Sie ein Feuer heiß genug machen können, um ein Metall zu schmelzen, und einen Tiegel zum Schmelzen sowie eine Form herstellen, die der Hitze standhält, können Sie komplexe Metallformen gießen; Und das schon seit Jahrtausenden. Der älteste bekannte Abguss ist ein Kupferfrosch, der vor 6.000 Jahren in Mesopotamien hergestellt wurde. Viele der glänzenden Marmorskulpturen des antiken Griechenlands sind tatsächlich neuere römische Kopien von in Bronze gegossenen Originalen: Die wenigen erhaltenen Originale, wie die Riace-Bronzen griechischer Krieger, die im Meer vor Sizilien gefunden wurden, zeigen die unglaubliche Raffinesse und Detaillierungsgrad, den diese längst verstorbenen Meister der Metalle erreicht haben.

Doch diese älteste aller Fähigkeiten wird noch heute genutzt und tatsächlich noch weiterentwickelt. Seine jüngste Inkarnation ist wohl das fortschrittlichste Verfahren, das jemals bei Metallen durchgeführt wurde, und ist für eine der symbolträchtigsten Aktivitäten der modernen Welt von entscheidender Bedeutung: den routinemäßigen Flugverkehr. Es befindet sich im historischen Zentrum der Metallverarbeitung Großbritanniens, Sheffield, in der Rolls-Royce Advanced Blade Casting Facility (ABCF), einer eigens dafür errichteten Anlage in der Nähe des Advanced Manufacturing Research Centre der Sheffield University in Rotherham.

Die Komponenten, die die ABCF herstellt, sind für die meisten Menschen nicht zu sehen: Es handelt sich um Turbinenschaufeln, die im heißesten Teil von Flugzeugtriebwerken versteckt sind. Weit entfernt von der dekorativen Brillanz griechischer Bronzen vereinen sie ein zweckmäßiges Aussehen mit Komplexität von Form und Funktion und einer juwelenartigen inneren Perfektion: Mit einem Gewicht von nur etwa 300 g und klein genug, um in eine Handfläche zu passen, sind sie tatsächlich perfekte Einzelstücke Kristalle einer Metalllegierung, deren Zusammensetzung über viele Jahre hinweg fein abgestimmt wurde, um unter den höllischen Bedingungen des sich am schnellsten bewegenden Teils eines Düsentriebwerks zu funktionieren.

„Als das Düsentriebwerk geboren wurde, bestanden die Prototypen von Sir Frank Whittle vollständig aus Stahl“, sagte Rolls-Royce-Materialchef Neil Glover. „Stahl hat eine hervorragende Festigkeit und Oberflächenhärte, aber wenn man eine Hochtemperaturleistung benötigt, ist er eigentlich nicht sehr gut; 450–500 °C ist ungefähr seine Grenze.“

Seine Ungeeignetheit führte zur Suche nach einem temperaturbeständigeren Material, und die Flugzeughersteller griffen auf Nickellegierungen zurück. Relativ reichlich vorhanden, mit großen Vorkommen in Australien und niedrigem Preis, schmilzt Nickel bei 1.728 K (1.455 °C) und ist korrosionsbeständig – beides wertvolle Eigenschaften für Komponenten, die in einem Düsentriebwerk funktionieren. Noch wichtiger ist seine Fähigkeit, Legierungen zu bilden, und die besondere Eigenschaft einer dieser Legierungen, einer als Gamma-Primärverbindung bekannten Verbindung, bei der sich Nickel mit Aluminium verbindet, ihre Festigkeit bei hohen Temperaturen beizubehalten. „Bei Stahl oder sogar Titan nimmt die Festigkeit schnell ab, wenn man 40–50 Prozent des Schmelzpunktes erreicht“, sagte Glover. „Nickellegierungen behalten ihre Festigkeit bis zu 85 Prozent des Schmelzpunktes.

Und diese Eigenschaft machen sich Motorenhersteller voll zunutze. Strahltriebwerke funktionieren, indem sie Turbinenschaufeln, die sich im Strom heißer Gase drehen, die aus der Brennkammer ausströmen, auf derselben Welle positionieren wie die Kompressorschaufeln, die Luft unter hohem Druck in das Triebwerk drücken. An der Rückseite des Triebwerks sitzen also die Niederdruckturbinenschaufeln, die in einem etwas abgekühlten Gasstrom arbeiten, auf derselben Welle wie die großen Fanschaufeln an der Vorderseite des Triebwerks, die zur Erzeugung von Luft beschleunigen Schub des Motors. Diese Welle verläuft durch die Mitte der kürzeren, breiteren Mitteldruckwelle (IP-Welle), die wiederum hinten Turbinenschaufeln und vorne Verdichterschaufeln aufweist. Außerhalb davon befindet sich die Hochdruckwelle, die den Kompressor antreibt, der Luft in die Brennkammer selbst drückt. Die Brennkammer ist ringförmig, mit einem Austrittsring an der Rückseite, der den Abgasstrom steuert, und hier befinden sich die einkristallinen Schaufeln. Die Gase sind frisch aus der Verbrennung etwa 1.700 °C heiß; und die Welle dreht sich mit Geschwindigkeiten von über 12.000 U/min.

Das bedeutet, dass die Rotorblätter in einer Umgebung betrieben werden, die mehrere Hundert Grad heißer ist als der Schmelzpunkt der Nickellegierung. Um ihr Schmelzen zu verhindern, muss das Metall abgekühlt werden. Dies geschieht über zwei Mechanismen: Die Klingen sind mit einer Keramik mit geringer Leitfähigkeit beschichtet; und sie sind mit einer komplexen, verzweigten Struktur interner Kanäle durchsetzt. „Luft wird vom HP-Kompressor angesaugt, durch den Kern des Triebwerks und in die Wurzel der Schaufeln geleitet“, erklärte Glover.

„Es strömt durch die Kühlkanäle und tritt durch eine Vielzahl von Löchern in der Oberfläche der Klinge aus, um eine Hülle aus kühler Luft um die Klinge herum zu erzeugen. Das Metall liegt also nie über seinem Schmelzpunkt, auch wenn die Umgebung dies tut. Die Kühlung.“ Luft ist eigentlich nicht so kühl; sie hat eine Temperatur von etwa 600–650 °C, aber wir müssen sie aus dem heißen Kern des Motors entnehmen, damit sie genug Druck hat, um durch die Kanäle und aus den Löchern zu gelangen. Das reicht immer noch aus Halten Sie die Klingentemperatur auf etwa 1.150 °C.

Wärme ist für Jets lebenswichtig; Je heißer sie betrieben werden können, desto mehr Energie können sie aus ihrem Brennstoff gewinnen. Dies ist der Hauptwettbewerbspunkt zwischen den Triebwerksherstellern. Daher war es im Laufe der sechs Jahrzehnte, in denen Jets in Betrieb waren, die Temperatur in die Höhe trieben, und die Entwicklung von Turbinenschaufeln, die der Hitze standhalten, einer der wichtigsten Technologiewettläufe in der Branche. Es sei ein schrittweiser Prozess gewesen, sagte Glover, der Ende der 1980er Jahre in der Entwicklung von Einkristallblättern gipfelte.

Die Einkristallstruktur ist jedoch nicht für die Temperaturbeständigkeit ausgelegt; Es soll die Rotorblätter widerstandsfähig gegen die enormen mechanischen Belastungen machen, die sich aus ihrer Rotationsgeschwindigkeit ergeben. „Jede einzelne Schaufel entzieht dem Gasstrom Energie, die einem Formel-1-Automotor entspricht“, sagte Glover. „Und die Zentrifugalkraft auf sie entspricht dem Gewicht eines Doppeldeckerbusses.“

Normalerweise bestehen Metalle aus vielen Kristallen – geordneten Strukturen aus Atomen, die in einem regelmäßigen Gitter angeordnet sind und sich auf natürliche Weise bilden, wenn das Metall aus dem geschmolzenen Zustand abkühlt. Diese Kristalle haben typischerweise eine Größe in der Größenordnung von mehreren zehn Mikrometern und sind in vielen Ausrichtungen angeordnet. Bei hohen Temperaturen und unter Belastung können die Kristalle gegeneinander gleiten und Verunreinigungen können entlang der Korngrenzen diffundieren. Dies ist als Kriechen bekannt und wirkte sich stark auf frühe Turbinenschaufeln aus, die aus Stahl und später aus Nickelstäben geschmiedet wurden.

Der erste Entwicklungsschritt bestand darin, jegliche Korngrenzen im rechten Winkel zur Zentrifugalbelastung zu beseitigen, was zur Entwicklung von Schaufeln führte, die so gegossen wurden, dass die Metallkristalle alle von oben nach unten verliefen. Später wurde dies durch das Gießen von Einkristallen ohne Korngrenzen weiter optimiert. Es handelt sich um einen hochkomplexen Prozess: Nicht nur müssen die Schaufeln mit bereits vorhandenen internen Kühlkanälen gegossen werden, auch die Kristalle sind nicht homogen. Vielmehr existieren innerhalb der Klinge Zonen unterschiedlicher Zusammensetzung und kristallographischer Struktur.

„Man kann sich Nickel-Superlegierungen wie diese als Verbundwerkstoffe vorstellen“, sagte Neil D'Souza, Materialtechnologe für Tragflächenturbinen bei Rolls-Royce. „Es handelt sich um eine Mischung aus zwei Phasen, von denen eine – Gamma-Primärphase – für eine nachhaltige Steigerung der Festigkeit bei hoher Temperatur sorgt.“

Beim Kristallisieren bildet Nickel eine Struktur, die als kubisch flächenzentriert (fcc) bekannt ist. Jeder Würfel hat eine Fläche mit fünf Atomen, eines an jeder Ecke und eines in der Mitte. Bei der Herstellung von Legierungen wechseln die Atome im Allgemeinen einfach in das fcc-Gitter ein und aus. Aber unter den richtigen Bedingungen verbinden sich Aluminium und Nickel so, dass Nickel in die Mitte der Flächen gelangt und Aluminium in die Ecken. Dies wird als Niederschlag bezeichnet; Es bildet innerhalb der Masse der Legierung Inseln größerer Ordnung, etwa einen halben Mikrometer groß, die in einer geradlinigen Formation eng aneinander gepackt sind. Da die Größe der Gitter des Niederschlags und der weniger geordneten Massenlegierung nahezu identisch ist, sind sie alle Teil desselben Kristalls.

„Man könnte sich vorstellen, ein Kugel-Stab-Gittermodell zu bauen“, sagte Glover. „In der Massenlegierung platziert man die Kugeln, die die Komponenten der Legierung repräsentieren, etwa zehn verschiedene Elemente, darunter Nickel, Aluminium, Chrom, Tantal und Titan, ziemlich zufällig, und wenn man zum Gamma-Primär-Ausscheidungsprodukt kommt, tut man das.“ Fügen Sie diese geordnete Anordnung von Aluminium an den Ecken und Nickel in der Mitte ein. Es befindet sich alles auf dem gleichen regelmäßigen Gitter, ist auf die gleiche Weise ausgerichtet, es ist also alles derselbe Kristall, aber es gibt diese viel stärkeren Bereiche, in denen es die Gamma-Anordnung gibt. Hauptniederschlag.“

Aber das passiert nicht einfach so. Um die Schaufeln herzustellen, besteht die erste Stufe aus einem keramischen „Kern“ in Form gewundener interner Kühlkanäle. Um diese herum wird Wachs eingespritzt, um die Form des aerodynamischen Rotorblatts sowie mehrere andere Elemente zu formen, die den Gussprozess unterstützen. Platinstifte werden eingesetzt, um den Kern im Wachs zu stützen; Anschließend wird die Form „geschält“, indem sie mit einer Aufschlämmung aus Aluminiumoxidsilikatmaterial überzogen wird, um eine Keramikschicht zu bilden. Es werden mehrere weitere Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung aufgetragen und dann wird das Wachs ausgeschmolzen, so dass ein Hohlraum in der Form der Klinge entsteht. Hierbei handelt es sich um Feinguss oder Wachsausschmelzverfahren, die gleiche Technik, die die antiken griechischen Bildhauer zur Herstellung der Riace-Bronzen verwendeten.

Anschließend wird geschmolzenes Metall in die Form gegossen, die in einen Ofen gestellt wird, um das Metall geschmolzen zu halten. An der Basis der Form befindet sich eines der zusätzlichen Gussmerkmale: eine spiralförmige Struktur, die ungefähr der Form der drei Windungen eines Standard-Korkenziehers entspricht. Dieser sogenannte Pigtail ist an einer wassergekühlten Platte befestigt. Sobald die Form gefüllt ist, wird sie langsam aus dem Ofen in eine kühlere Kammer zurückgezogen. Das Metall beginnt an der gekühlten Platte zu erstarren und Kristalle beginnen in den Pigtail hineinzuwachsen. Die Kristalle wachsen geradlinig in die Richtung, in die die Form herausgezogen wird. Aufgrund der verdrehten Form des Pigtails werden jedoch alle Kristalle bis auf die am schnellsten wachsenden Kristalle entfernt. Nur ein Kristall mit der richtigen Ausrichtung gelangt in die eigentliche Klingenform, und das allmähliche Zurückziehen der Form sorgt dafür, dass der Kristall weiter durch die Schmelze in den Rest des Raums wächst.

Die Bildung der lebenswichtigen Niederschläge erfolgt durch sorgfältige Kontrolle der Außentemperatur und durch die Gestaltung der Form; Diese mehreren Keramikschichten bestimmen, wie schnell die Wärme des geschmolzenen Metalls abgeführt werden kann, und sorgen so für die zusätzliche Finesse, um die erforderliche innere Struktur zu erreichen. Die Platinstifte, die den Kern an Ort und Stelle halten, diffundieren in die Legierung, ohne deren Eigenschaften zu beeinträchtigen.

Sobald das Gussstück erstarrt ist, wird es aus der Form genommen und der erste von rund 20 Prozessen beginnt mit der Vorbereitung für den Einbau in einen Motor. Zunächst werden die Keramikkerne mit Ätzalkalien herausgelöst. Dann werden die zusätzlichen Gussmerkmale maschinell entfernt. Die Löcher zum Entweichen der Kühlluft werden mittels Funkenerosion gebohrt, wodurch die erforderliche Lochgeometrie entsteht, um die Luft dorthin zu leiten, wo sie benötigt wird. Abschließend erhält die Klinge ihre isolierende Keramikbeschichtung durch Elektronenstrahl-Plasmaabscheidung.

Das ABCF in Rotherham konzentriert sich auf Komponenten für große Triebwerke für zivile Verkehrsflugzeuge, denn mit dem Aufkommen von Flugzeugen wie dem Airbus A350 XWB, für den Rolls-Royce das Triebwerk Trent XWB entwickelt hat, sieht das Unternehmen hier sein Hauptwachstum.

Der rund 110 Millionen Pfund teure ABCF wurde gebaut, um den Produktionsprozess so weit wie möglich zu automatisieren. „Einkristallguss ist teuer und viele Teile des Prozesses waren traditionell sehr praktisch“, sagte ABCF-Produktionsleiter Steve Pykett. „Unsere Leute sind fantastisch qualifiziert, aber sie sind auch Menschen, und kein Mensch wird am Ende einer Schicht die gleiche Arbeitsqualität erbringen wie am Anfang.“

Die Herstellung der Wachsbaugruppe ist ein gutes Beispiel für diese Philosophie. „In einer Feingussgießerei gibt es immer einen Wachsraum“, sagte Pykett. „Es erfordert Hand-Auge-Koordination und Geschicklichkeit, um das Wachs in Form zu bringen, aber das sorgt nicht für Konsistenz.“

In Zusammenarbeit mit dem Manufacturing Technology Centre in der Nähe von Coventry entwickelte Rolls-Royce ein automatisiertes System zum Halten des Keramikkerns, zum Einspritzen von Wachs, zum Fixieren des Kerns und zur Durchführung des Montageprozesses. „Früher dauerte es eine ganze Schicht, eine Montage durchzuführen; jetzt dauert es eine Stunde“, sagte Pykett. „Aber Zeit war hier nicht der Hauptfaktor. Wir wissen jetzt, dass wir unabhängig von der Tageszeit ein konsistentes Produkt aus dem Wachsprozess erhalten, und das gibt uns eine solide Plattform, von der aus wir die Kosten senken können.“

Einige andere Prozesse wurden ebenfalls automatisiert, darunter der Abrichtvorgang zur Entfernung der Opfermerkmale des Gussstücks. Anschließend gehen die Rotorblätter in die Inspektion, wo Rolls-Royce fünf Prozesse durch zwei ersetzt hat. Anschließend werden die Gussteile zu einem anderen Werk in Crosspointe, Virginia, geliefert, wo die Merkmale weiter bearbeitet werden, mit denen sie an den Scheiben im Motor befestigt werden können, und die Kühllöcher gebohrt werden. Zur Beschichtung kommen sie zurück zu einem Werk in Annesley, Nottinghamshire.

„Dieser Prozess ist so komplex, dass die Temperatur und die Materialhandhabung präzise gesteuert werden müssen, um praktisch Atom für Atom zu steuern, wie die Schaufeln geformt werden“, sagte Mark Hulands, Leiter der Gussfertigung. „Wir haben einige der Fähigkeiten bei der Herstellung dieser Komponenten von den Fertigungsingenieuren an der Linie auf die Prozessentwickler übertragen“, sagte Hulands. „Und das bedeutet nicht, dass wir unsere Fähigkeiten verloren haben. Unsere Ingenieure müssen immer noch hochqualifiziert sein, um einen reibungslosen Ablauf der Prozesse zu gewährleisten, aber es handelt sich um unterschiedliche Fähigkeiten, und wir haben die Konsistenz verbessert, damit wir die Kosten senken können.“

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