Turbinenräder Vorteile des Feingießens sind bei Kleinserien umsetzbar

Redakteur: Josef-Martin Kraus

Werden Kleinserienteile als Feingussteile ausgelegt, hat das werkstoffliche oder designerische Gründe. Eine Feingusskonstruktion empfiehlt sich bei schwer zerspanbaren Legierungen wie Inconell und komplexer Bauteilgeometrie. Daher zahlt sich bei Bauteilen für kleine Turbinenräder die Entscheidung wirtschaftlich aus.

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Bild 1: Die Schaufeln des Turbinenrads wurden aufgrund der extremen Temperaturbelastung aus der schwer zerpanbaren Nickelbasislegierung Inconell 713c im Feingießverfahren hergestellt. (Bild: Feinguss Blank)
Bild 1: Die Schaufeln des Turbinenrads wurden aufgrund der extremen Temperaturbelastung aus der schwer zerpanbaren Nickelbasislegierung Inconell 713c im Feingießverfahren hergestellt. (Bild: Feinguss Blank)

Bei Stückzahlen von 300 bis 400 rechnet sich üblicherweise die Zerspanung. Dennoch werden die Schaufeln und Leitsysteme von Antriebsturbinen in dieser Losgröße gegossen. Die Gründe dafür liegen entweder in der schweren Zerspanbarkeit der Legierung oder im hohen geometrischen Anspruch.

Beides bildete die Basis für die Entscheidung des Triebwerksherstellers IQ-Hammer, Henfenfeld bei Nürnberg, diese Kleinserienteile nicht fräsen, sondern gießen zu lassen (Bild 1). Den Zuschlag bekam die Feinguss Blank GmbH, Riedlingen.

Hitzebeständige Legierung sorgt für Rundlaufstabilität

Bei IQ-Hammer werden Triebwerke für Modellflugzeuge hergestellt. Sie arbeiten wie ihre großen Vorbilder nach dem Prinzip eines Strahltriebwerks: Die angesaugte Luft wird von einem einstufigen Radialverdichter in der Turbine komprimiert. Es folgt die Vermischung mit Treibstoff. In der Brennkammer wird der Treibstoff verbrannt.

Dabei dehnt sich die heißer werdende Luft massiv aus. Es kommt zu einer Abgasströmung. Sie führt an der Axialturbine vorbei, verlässt den Verbrennungsraum und treibt schließlich den Radialverdichter über eine gekoppelte Welle an.

Die Geschwindigkeit der Austrittsströmung ist mit etwa 1000 km/h oder 621 Meilen pro Stunde extrem hoch. Sie erzeugt den notwendigen Vortrieb für die Modellflugzeuge. Dabei geht es am Turbinenrad heiß her. Im Turbineninnern herrschen Temperaturen von gut 600 °C.

Zerspanen von Nickelbasislegierungen zu teuer

Die Schaufeln des hochbeanspruchten Turbinenrads lassen sich deshalb nur aus extrem hitzebeständigen Werkstoffen herstellen. Würde eine herkömmliche warmformbeständige Edelstahllegierung verwendet, stieße sie hinsichtlich der Festigkeit und der Rundlaufstabilität an ihre Grenzen.

Die Gründe dafür liegen in den extrem hohen Temperaturen im Turbineninnern. Infolgedessen wird zur Schaufelherstellung eine Speziallegierung auf Nickelbasis verarbeitet: Inconell 713c. Einzig und allein sie könne bei 160.000 min–1 die Laufruhe der Turbine sicherstellen, heißt es. Jedoch ist die Zerspanung von Nickelbasislegierungen der Marke Inconell sehr kosten- und zeitintensiv.

Feingießen von Nickelbasislegierungen unter Vakuumbedingungen

Beim Feingießen werden diese Legierungen unter Vakuumbedingungen zügig geschmolzen und sogleich in einer luftleeren Kammer detailgenau vergossen. Dabei kommt ein weiterer Vorteil des Gießens im Vergleich zur Zerpanung zum Tragen: Es wird nicht „aus dem Vollen“ gearbeitet.

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