Fachartikel

Prozessentwicklung für Near Net Shape-TiAl-Turbinenräder im Feingießverfahren
von Alexander Gußfeld und Heiner Michels, Aachen

Autobauer und Zulieferer sind stets auf neue Technologien zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und zur Steigerung des Wirkungsgrades bestehender Motoren angewiesen. Zu den Gründen zählt ebenso das Bestreben der Politik, die CO2-Emissionen für neu zugelassene Fahrzeuge zu reduzieren, wie steigende Rohstoffpreise, die häufig durch die Verknappung der Materialien begründet sind.

Turbinenräder aus TiAl (rechtsdrehend), hergestellt durch Schleudergießen (Foto: Access)

Zur weiteren Steigerung der Leistung und zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs bei Verbrennungsmaschinen bietet sich neben dem Downsizing der Abgasturbolader als Stellschraube für Effizienzsteigerungen an. Dabei rückt das thermisch stark belastete Turbinenrad in den technologischen Vordergrund: Bedingt durch die hohen Abgastemperaturen – bei Ottomotoren von bis zu 1050 °C – sowie die hohe Fliehkraftspannung, resultierend aus den hohen Drehzahlen von bis zu 300 000 U/min, ist bei dem derzeitigen Stand der Technik meist eine hochwarmfeste Nickelbasis-Legierung wie Inconel 713 erforderlich. Turbinenräder aus diesem Werkstoff besitzen dichtebedingt allerdings eine große Trägheit, die sich als sogenanntes „Turboloch“, also dem verzögerten Eintreten der Leistungssteigerung durch den Turbolader, bemerkbar macht. Dadurch wird die Effizienz des Turboladers vermindert.

Eine Möglichkeit, diesen Effizienzverlust zu reduzieren, sind leichtere Werkstoffe. Hierzu zählen Titanaluminide (TiAl). Diese besitzen Potenzial, die bisher verwendeten Werkstoffe zu substituieren und dadurch die Effizienz weiter zu steigern. Durch die im Vergleich zu konventionellen Nickelbasis-Legierungen nur etwa halb so hohe Dichte und die erforderlichen mechanischen Eigenschaften von TiAl können die Masse der rotierenden Teile im Abgasturbolader und folglich die Trägheit des Systems signifikant reduziert werden. Ein schnelleres Ansprechverhalten sowie eine höhere maximale Drehzahl des Turboladers sind die Folge. Turbinenräder aus TiAl werden zum Beispiel von Mitsubishi Motors Corp. im Lancer Evolution bereits seit 1999 erfolgreich eingesetzt. Allerdings ist die Verarbeitung im Vergleich zu Turbinenrädern aus Nickelbasis-Legierungen komplexer und die Rohstoffe sind relativ teuer. Zudem ist die Ausbringung der Produktion üblicherweise relativ niedrig. Daher ist es erforderlich, die Produktionsprozesse vor dem Start der Serienproduktion soweit als möglich zu optimieren und so die Realisierung der werkstoffspezifischen Vorteile und eine Effizienzsteigerung zu ermöglichen.

Access e.V. mit Sitz in Aachen befasst sich bereits seit Mitte der 1990er-Jahre mit der Entwicklung und Optimierung von Gießverfahren einschließlich der Werkstoffentwicklung für Hochleistungskomponenten aus TiAl. Bild 2 (in der angehängten pdf) fasst in einer bauteilbezogenen Darstellung wesentliche Arbeiten im Themenfeld TiAl zusammen. Zu diesen Arbeiten gehören auch die Entwicklung einer Gießtechnologie zur Herstellung von Turbinenrädern/Abgasturboladern im Feingießverfahren unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Aspekte (BMBF-Verbundprojekt „Entwicklung einer TiAl-Gießtechnologie für komplexe Leichtbaukomponenten“, Förderzeitraum 2002 bis 2005) sowie die im aktuellen BMBF-Verbundprojekt „ETurbo – Funkenerosive EDM- und elektrochemische ECM-Hochleistungsendbearbeitung von feingegossenen und generativ hergestellten Turbolader-Turbinenräder aus Gamma-Titanaluminid für den Automobilbau“ durchgeführten Arbeiten. In diesem derzeit in seiner zweiten Hälfte befindlichen Projekt wird bei Access e.V. die Entwicklung eines Fertigungsprozesses zur Produktion von vorserientauglichen Bauteilen vorangetrieben, während gleichzeitig bei den Verbundpartnern aus der Industrie die eigene technologische Entwicklung im Vordergrund steht.

Dipl.-Ing. Alexander Gußfeld und Dipl.-Ing. Heiner Michels, Access e.V., Aachen


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pdf-Datei aus "GIESSEREI" Heft 1/2017 Seiten 38-45
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