Werkstoffentwicklung im Triebwerkbau Leitlinien und Versuch einer Priorisierung

Download Werkstoffentwicklung im Triebwerkbau  Leitlinien und Versuch einer Priorisierung

Post on 15-Jun-2016

212 views

Category:

Documents

0 download

TRANSCRIPT

  • 2. f. Werkstofftechnik/J. of Materials Technology 7, 167-177 (1976) Overlag Chemie, GmbH, D-6940 Weinheim, 1976

    Werkstoffentwicklung im Triebwerkbau 167

    Werkstoffentwicklung im Triebwerkbau - Leitlinien und Versuch einer Priorisierung

    P. Eglinger und H. Huff

    Motoren- und Turbinen-Union, Munchen

    Die werkstofftechnische Entwicklung im Triebwerkbau zielt auf a) die Entwicklung funktionsfahiger Komponenten aus neuen Werk- stoffen, b) quantitative Ermittlung des Werkstoffverhaltens f i r die sichere Auslegung der Triebwerke, c) die quantitative Ermittlung des Einflusses von Werkstoffehlern und d) die Sicherstellung einer gleichbleibenden Qualitat. Um die grol3e Zahl der denkbaren Einzel- themen im Sinne einer Priorisierung bewerten zu konnen, werden zunachst drei Themengmppen unterschieden und naher beschrieben, wobei als unterscheidendes Merkmal der Entwicklungsstand der Triebwerke eingefiihrt wurde, die f i r eine Anwendung in Frage kom- men. (Eine vierte Themengruppe mit Themen allgemeiner Art wird nur kurz gestreift). Die Themengruppen unterscheiden sich in der Gewichtung, mit der allgemeine Entwicklungsziele wie hohere Gastemperatur niedrigeres Gewicht, geringerer Preis, groRere Zuver- lkigkeit, langere Lebensdauer und Schwachstellenbeseitigung ver- folgt werden. Innerhalh jeder Gruppe wird eine Priorisierung nach der (vereinfachten) Formel P = T . E . D durchgefiihrt, wobei die zusammengesetzte GroRe T den technischen Fortschritt, E die Er- folgswahrscheinlichkeit und D die individuelle betriebliche Dring- lichkeit reprasentieren. Eine auf diese Weise durchgefuhrte und priorisierte Mittelfristplanung von Werkstoffentwicklungsprogrammen kann als Basis sowohl fiir betriebsinterne Budgetplanung als auch iir nationale und internatio- nale Kooperation dienen.

    1. Einleitung

    Die zunehrnende finanzielle Belastung der Betriebe durch gesetzlich bzw. tariflich erzwungene kostenintensive Auf- lagen und Burokratisierungen in Verbindung mit der allge- meinen wirtschaftlichen Situation zwingt zu irnrner spur- barer werdenden Rationalisierungs- und SparmaRnahrnen, sowohl im investiven als auch im personellen Bereich. Von dieser Tendenz ist auch die werkstofftechnische Entwick- lung fur die Luftfahrt betroffen, zumal dort bei der Vergabe offentlicher Mittel der Spielraum zusehends enger wird. Die f i r Zielvorgabe und Planung mittel- bis langfristiger Werk- stoffentwicklungsprograrnme Verantwortlichen sind dadurch starker als bisher gezwungen, in sorgfaltiger Anpassung an die allgerneine Zielrichtung des Betriebes das beirn vorge- gebenen Kosten- und Personalrahrnen Machbare aus dern Wunschbaren (leider aber auch nur zu of t aus dern Notwen- digen) auszuwahlen.

    herrscht irn allgerneinen kein Mangel. Als schwierig erweist sich erst deren Priorisierung. Nichr nur weil es an einern ob- jektiven Bewertungssystem mangelt, sondern auch weil die individuellen Bewertungen irn Detail zuweilen recht weit auseinanderklaffen. Dies gilt naturgernaR insbesondere dann, wenn es sich urn weiter in die Zukunft reichende Entwick- lungen rnit hohem Erfolgsrisiko handelt. In der Folge sollen unsere eigenen -zweifellos noch nicht vollkommenen- Be- miihungen u m eine Priorisierung werkstofftechnischer Ent- wicklungen f i r den Triebwerkbau in groben Zugen vorgestellt

    An dringlichen bis wiinschbaren Thernenstellungen

    Development of materials used in gas turbine engines. Guide lines and proposal for a priority scheme. The development of materials used in gas turbine engines has the following aims: a) the development of functioning components from new materials, b) quantitative assess- ment of the behaviour of the material for a failsave design of the engine, c) quantitative assessment of the effect of defects in the material and d) the securing of a constant level of quality. In order to evaluate the large number of conceivable, individual sub- jects for the purpose of a priority scheme, first of all 3 subject groups are differentiated and described in more detail, the differen- tiating feature adopted being the development stage of the candidate engines for application. (A fourth group of general subjects is only touched on). The subject groups are distinguished by the stress put, in pursuing general development targets, on such factors as higher gas temperature, lower weight, lower price, greater reliability, longer working-life and elimination of weak spots. Within each group, a priority is given according to the (simplified) formula P = T . E . D, whereby the combined factor T represents the technical progress, E the probability of success and D the individual operational urgency. A medium-term planning of materials development programmes, carried out and alloting priorities in this way, can serve as a basis not only for in-house budget planning, but also for national and international cooperation.

    zeugnissen wohl vor ahnlichen Problemen stehen, mogen sie von allgemeherem Interesse sein.

    2. Erstellung der Themenliste

    2.1. Themengruppen

    Die werkstofftechnische Entwicklung eines Industriebe- triebes wird imrner vom Erzeugnis bestirnmt. Bei einern Be- trieb des Maschinenbaues wird zudem dem Ausdmck ,,Werk- stoffentwicklung" gewohnlich eine andere Bedeutung unter- legt wie in der werkstofferzeugenden Industrie. Man versteht darunter nicht die Entwicklung neuer Legierungen oder Legierungsvarianten. Diese werden vielrnehr als (zurnindest labormagig) bekannt vorausgesetzt. Im Blickpunkt steht a) die Entwicklung funktionsfahiger Komponenten aus solchen (neuen) Werkstoffen, b) die moglichst quantitative Ermittlung des Werkstoffverhaltens - als ,,Werkstoffmecha- nik" weit hinausgehend iiber die Ermittlung der einfachen Werkstoffkennwerte - irn Hinblick auf Komponenten als Basis f i r eine sichere Auslegung, c) die quantitative Bestirn- mung des Einflusses von Werkstoffehlern auf die Lebens- dauer und schlieMich d) die Sicherstellung einer gleich- bleibenden Qualitat. Diese allgerneine Zielrichtung der werkstofftechnischen Entwicklung irn Maschinenbaubetrieb beruht auf der Erkenntnis, daR Herstellung, Gestalt und (Werkstoff-)Eigenschaften von Kornponenten mehr oder weniger irnrner miteinander gekoppelt sind, am starksten

    werden. D a Betriebe mit anderen rnaschinenbaulichen Er- ausgepragt bei Teilen aus Veibundwerkstoffen.

  • 168 P. EBlinger und H. Huff Z. f. WerkstofftechniklJ. of Materials Technology 7, 167-1 77 (1976)

    Im Maschinenbaubetrieb ist die werkstofftechnische Ent- wicklung somit letzten Endes eine Dienstleistung fur Kon- struktion, Festigkeitsberechnung, Produktion und Kontrolle. Im Hinblick auf das Erzeugnis unterscheidet man zweck- magig verschiedene Anforderungsbereiche, weil diese sich in Denkanstog, Themenstellung, Abwicklung und Bewertungs- magstab in charakteristischer Weise unterscheiden.

    In der Sprache des Triebwerkbaues sind dies: - Die (kornponentenrnaRige) Vorbereitung zukunftiger

    Triebwerkentwicklungen (Projektstadium). - Werkstoffdaten- und Kornponentenbereitstellung fur

    laufende Triebwerkentwicklungen (Reigbrett- und Ent- wicklu ngsstadium).

    - Verbesserung und Verbilligung von Triebwerken im P r o t o typen- oder Serienstadium.

    - Sonstige Anforderungen (2. B. Rationalisierung, Umwelt- schutz).

    Diesen vier Anforderungsbereichen entsprechend, werden in der Folge auch irnrner vier Themengruppen fur werkstoff- technische Entwicklungsaufgaben unterschieden.

    2.2. Vorbereitung zukunftiger Triebwerkentwicklungen (Tbemengruppe 1 )

    Im Triebwerkbau ist die zukunftige Entwicklung durch die vier Schlagworte heiger, leichter, sicherer, billiger pau- schal gekennzeichnet. Die Reihenfolge stellt keine Priori- sierung dar. Diese hangt von vielen Faktoren ab, z. B. o b man sich auf Triebwerke fur Luft- oder Landfahrzeuge oder z. B. fur solche des zivilen oder militarischen Bereiches be- zieht. Die denkbaren technischen Problemlosungen lassen sich aber unabhangig davon angeben.

    Tabelle 1 vermag den Fortschritt der letzten zwanzig Jahre in etwa zu charakterisieren. Dort sind typische Werte von Leistungsmerkmalen moderner militarischer Triebwerke mit dern Stand vor ca. 20 Jahren verglichen'). Das Verhalt- nis Schub/Gewicht konnte in diesem Zeitraum um ca. 40% erhoht werden, hauptsachlich infolge wesentlicher Fort- schritte in der Verfahrenstechnik (z. B. beim Fugen und irn FeinguR), Entwicklung neuer hochwarmfester Werkstoffe (z. B. IN 100 fur Schaufeln und Waspaloy bzw. Inco 718 fur Scheiben, siehe Tabelle 2 ) und wegen der inzwischen mog- lich gewordenen reichlichen Verwendung von Titan im Ver- dichter. Diese neuen Technologien ermoglichen eine fort-

    Tabelle 1. beiden Jahrzehnten bei Triebwerken fur Kampfflugzeuge Table 1. aircraft engines in the last two decades

    Leistungssteigerung und Aufwanderhohung in den letzten

    lncreases in performance and in expenditure on combat

    -~ ~ ~

    Leistungsmerkmale Aufwandsrnerkmale Jahr des Turbinen- Turbinen- Schub* / Preis/ Preis/ Erstfluges eintritts- schaufel- Gewicht %huh* Gewicht

    temperatur temperatur DM/N DMIN O K OK

    schrittliche Konstruktion, allerdings erkauft durch einen entsprechend hoheren Preis.

    Interessant dabei ist noch folgendes Detail: Die Turbinen- eintrittstemperatur hat sich in den letzten 20 Jahren um ca 400 OC erhoht, die den Turbinenschaufeln zumutbare Werk- stofftemperatur nur u m ca. 7 0 O C . Daraus folgt, daf3 nur etwa ein Funftel der fur den Wirkungsgrad so wichtigen Stei- gerung der Gastemperatur als Erfolg der Legierungsentwick- lung zu buchen ist. Die restlichen 80% sind Fortschritten 1 in der Feingugtechnik, Hand in Hand mit konstruktiven Ent- wicklungen zuzurechnen. Sie fuhrten von der ungekiihlten Vollschaufel uber die innengekuhlte Hohlschaufel bis zur zusatzlich filrngekuhlten Schaufel mit komplizierter Gas- fuhrung im Innern (zusatzliche ,,Prallkuhlung") und elektro- chemisch gebohrten feinsten Kuhllochern in der Nahe von Ein- und Austrittskanten (Abb. 1 ) . Nachstes Ziel ist die effusionsgekuhlte Schaufel (Abb. l c ) .

    Man kann mit ziemlicher Sicherheit voraussagen, daR die weitere Entwicklung der wichtigen Parameter Gastemperatur und Leistungsgewicht in der Zukunft nicht mehr so stiirmisch verlaufen wird wie in den letzten zwanzig Jahren. Die Erfolge werden kleiner, die Aufwendungen hierfiir hoher sein. Dies nicht nur deshalb, weil man zunehmend auf kaum uber- schreitbare Grenzen stoRt, sondern weil sich auch ernsthaft die Frage nach dem Sinn eines ohne Rucksicht auf die Kosten immer weiter getriebenen Leistungsfortschritts stellt. Arbei- ten mit dem Ziel, den Triebwerkspreis zu erniedrigen und die funktionssichere Laufzeit zwischen zwei Uberholungen (TBO = time between overhaul) zu erhohen, diirften daher kunftig mehr als bisher in den Vordergrund riicken.

    Abb. 2 ist ein Versuch, den Zukunftsforderungen an das Erzeugnis - hohere Gasternperatur (bzw. Wirkungsgrad), hoheres Leistungsgewicht bei gleicher bzw. hoherer Sicher- heit und gleichem bzw. niedrigerem Preis - denkbare Pro- blemlosungen zuzuordnen2).

    allgemeine Sachgebiete (mittlere Saule) zuordnen, aus denen Problemlosungen zu erwarten sind. Die EinfluRnahrne ist durch Pfeile angedeutet3)

    zugeordnet, von denen wir prinzipiell einen Fortschritt bezug- lich der Generalziele erwarten und deren Bearbeitung wir daher fiir prinzipiell wiinschenswert halten. Uber die dem Themenkreis eingeraurnte Prioritat ist aber damit noch nichts ausgesagt. Sie kann - wie sich spater zeigen wird - sehr gering sein.

    eine Summe verschiedener Einzelaufgaben vorzustellen, die dann aber schon recht speziell auf bestirnrnte Triebwerksar- ten ausgerichtet sind. Auf diese weitere Detaillierung kann hier verzichtet werden. Dagegen erscheinen Erlauterungen z u einigen Punkten von Abb. 2 angebracht:

    Es mag verwundern, daR vom Sachgebiet ,,Hochsttempera- turwerkstoffe" auch eine positive EinfluRnahme auf Gewicht

    Den Generalzielen (linke Saule) lassen sich jeweils bestimmte

    In der rechten Saule sind den Sachgebieten Themenkreise

    Unter den Themenkreisen hat man sich selbstverstandlich

    1955 ca. 1200 ca. 1200 ca. 2 ,5 ca. 20 ca. 5 0 und Preis erwartet wird. Diese Erwartung bezieht sich aus- 1975 ca. 1600 ca. 1270 ca. 3,s ca. 60 ca. 200 schlieRlich auf den Themenkreis Kerarnik. Gesetzt den Fall, Differenz ahsolut 400 70 1 ,o 40 150 prozentual 3 3 % 6% 40% 200% 300%

    * Standschub bei Kampfleistung. Es sind nur werkstofftechnische Themen beriicksichtigt. Sie sind in Wirklichkeit noch durch mindestens ehenso hedeutsarne ver-

    - fahrenstechnische Themen zu erEanzen. - ' Gestrichelter Pfeil hedeutet: Das betreffende Ziel wird in die5em Sachgehiet nicht prirnar angestrebt, sondern ergiht sich als erwiinsch- ter Nebeneffekt, teilweise nur bei einzelnen Themenkreisen.

    ') Es kann sich hier natiirlich nur um Anhaltswerte handeln, da die Einzelwerte von Triebwerk zu Triebwerk schwanken.

  • Z. f. Werkstofftechnik/J. of Materials Technology 7, 167-177 (1976) Werkstoffentwicklung im Triebwerkbau 169

    Tabelle 2. zugrundegelegt) Table 2.

    Werkstoff- Gebrauchs- Mittelwerte der chemischen Analyse Gew.-% Leistungsmerkmale Anwendung bezeichnung C Cr Co Mo Ti Al B Zr V Fe Ni Nb Relative u 0,1/100 h

    Leistungsvergleich zwischen alteren und neuen hochwarmfesten Werkstoffen (Es wurden jeweils sogenannte typische Werte

    Comparison of performance between old and new high temperature materials. (So-called typical values were used in each case)

    Einsatz- bei 600 OC temp. O C * N/mm 2 ___

    Turbinen- Udirnet 500 0,08 19 18 4 2,9 2,9 0,005 - - 4** Rest - ca. 850 - Schaufeln IN 100 0,18 10 1 5 3 4,7 5 , 5 0,014 0,06 1 1 * * Rest - ca. 950 -

    Turbinen- A 286 0,05 1 5 - 1,25 2,15 0,2 0,003 - 0.3 Rest 26 - Scheiben Waspaloy 0,06 19,5 1 3 , 5 4.3 3 1.4 0,006 0,05 - 2** Rest -

    4 5 0 700

    Info 718 0.04 19 - 3 , l 0,9 0,4 0,006 - - 18,5 Rest 5 - 720

    -

    -

    * * * Maximalwerte

    Definiert als diejenige Temperatur, wo u 0,2, 100 hly = 2 km ist

    Raktircher Einsau. ca. 1960 Temperaturgewinn: ca. 120 oc

    ca. 1970

    ca. 350 O C

    Praktircher Einsatz: 1985 7 Temperaturgewinn: ca. 500 OC 7 W IT51771 Abb. 1. Fortschritt in der Kuhltechnologie von Turbinenschaufeln. a) Konvektionskuhlung, b) Konvektions-, Prall- und Filmkiihlung, c) Effusionskiihlung, d ) praktisches Beispiel fur b: HDT-Leitschaufel des GE-Triebwerkes CF6 nach US-PS 36 28 880. Fig. 1. vection cooling, b) Convection-, impingement and film-cooling, c) effusion cooling, d) practical example of b : HPT vane of the CF6 GE engine according to US-patent 3628880.

    Progress in the cooling technology for turbine blades. a) Con-

    es gelange tatsachlich, gewisse heute aus teuren metallischen Werkstoffen hergestellte Heigteile der Turbine durch kerami- sche Bauteile zu ersetzen, so liege dies tatsachlich eine Ver- billigung dieser Teile bei geringerem Gewicht erwarten.

    Das Thema Schutzschichten ist bei diesem Sachgebiet ausschlieRlich im Zusammenhang mit hochschmelzenden Metallen, insbesondere Niob, zu sehen. Der Einsatz von Niob- legierungen ist in Triebwerken nur dann ernsthaft in Betracht zu ziehen, wenn zuvor absolut funktionssichere Schutzschich- ten gegen HeiQgaskorrosion entwickelt wurden.

    Beim Sachgebiet ,,Leichtbauwerkstoffe" kann man vom Themenkreis ,, Fasertechnologie" einen Preisvorteil dann er- warten, wenn man z. B. die Entwicklung von Gehauseteilen (hauptsachlich Getriebegehausen) aus CFK ins Auge fafit. Hierin sehen wir ubrigens mittelfristig das aussichtsreichste

    1-1 I Sachqebiet I Themenkrein I I Kerarnik temperatur- Hochschmelzende Metalle I Hochst- 1

    Werkstoffe Gerichtete Erstarrunq

    Hochsttemperatur-Schutzschichten Gartemperatur

    Neue. Titanleqierungen Leichtbau-

    Schallemisrion

    Neue Thermografie

    Fortrchrinliche Rdntgen- und US.Technik

    Neue physikalische Verfahren

    MaRnahrnen gegen Titanbrand

    HT-Laser Korrosion,

    Sicherheit

    HT-Schutzrchichten

    Kuhltechnologie fur Schaufeln

    \ \\, I Pulvermetallurgie

    Hentell-

    Abb. 2. Themenkreise fur zukunftsorientierte langfristige Werkstoff- entwicklung. Zuordnung zu Entwicklungszielen. Fig. 2. materials. Assignment to development aims.

    Subject areas for prospective long-term development of

    Anwendungsgebiet von faserverstarkten Werkstoffen fur Triebwerke, wogegen dem Einsatz fur Rotoren vorerst noch ungeloste konstruktive Probleme entgegenstehen.

    Die Entwicklung neuer zerstorungsfreier Priifverfahren gewinnt u. E. in dem Mal3e an Bedeutung, wie man die heute zur Verfugung stehenden Werkstoffe im lnteresse eines hohen Leistungsgewichtes bis an die Grenzen ihrer Relastbar- keit ausnutzt, und das geschieht zunehmend. Hierzu ein sym- ptomatisches Beispiel:

  • 170 P. ERlinger und H. Huff 2. f. Werkstofftechnik/J. of Materials Technology 7, 167-177 (1976)

    In Abb. 3 ist die Bruchflache einer nach 200 h Laufzeit im Fu13 gebrochenen Schaufel dargestellt. Ursprung (jedoch nicht alleinige Ursache) des Dauerbruchs war eine dort sicht- bare Pore, die gema13 Lieferbedingung schon deshalb zulassig war, weil es z. Z. kein zerstorungsfreies Verfahren gibt, u m Poren dieser geringen Grol3e nachzuweisen. Da solche Fehler beim gegenwartigen Stand der Priiftechnik unvermeidlich sind, mu13 der dadurch verursachten Streuung der Dauer- festigkeit durch entsprechend gesetzte Mindestwerte und entsprechend gewahlte Sicherheitsfaktoren Rechnung getra- gen werden, zum Nachteil des Gewichtes. Mit einer verbesser- ten Priiftechnik lie13en sich derartige, heute unvermeidliche Fehler zumindest auf wenig beanspruchte Gebiete begrenzen. Das wiirde die Streuungen einengen und somit erlauben, die Werkstoffe besser auszunu tzen.

    Abb. 3. reich des RiRbeginns, c) GuRpore am RiRursprung. Fig. 3. b) initial fracture zone, c) pin-hole at the origin of the fracture.

    Bruchflache einer Turbinenlaufschaufel. a) Obersicht, b) Be-

    Fracture surface of a turbine rotor blade. a) general view,

    Mit diesem Beispiel durfte auch klar geworden sein, warum die Entwicklung neuer ZfP-Verfahren u. E. auch das Trieb- werksgewicht positiv beeinflussen wird.

    Ein empfindlicher Mange1 besteht ferner nocb an ZfP-Ver-

    Der unter dem Sachgebiet ,,Korrosion, Reibung und Ver- schlei13" genannte Themenkreis ,,Schutzschichten" ist als Weiterentwicklung oder Neuentwicklung der heute bei Tur- binenschaufeln ublichen Diffusionsschutzschichten zu ver- stehen. Dies mag uberraschen, da derartige Schutzschichten schon seit Jahren - scheinbar ohne ernsthafte Schwierigkei- ten - venvendet, die Technologie also als bekannt angenom- men werden mug. Beides trifft zwar weitgehend zu, trotzdem mu13 der Nutzen der Schichten aus heutiger Sicht teilweise zur Diskussion gestellt werden, wie eine in der gleichen Zeit- schrift veroffentlichte Arbeit von W. Betz , H. H u f f und W. Track4 zeigt.

    Andererseits ist die oxidationshemmende Wirkung der Schichten wahrend einiger tausend Stunden unbestritten. Das Entwicklungsziel ist damit klar umrissen: Schichten, die be- zuglich Oxidationsschutz den heutigen Schichten in nichts nachstehen, die aber den Anfangswert der mechaniscben Festigkeit nicht herabsetzen.

    ,,Kiihltechnologie" ist eine logische Konsequenz der zu Abb. 1 gemachten Ausfuhru ngen:

    Darunter hat man sich als Ziel die in Abb. l c schematisch dargestellte effusionsgekuhlte Turbinenschaufel vorzustellen ein Thema, bei dem Konstruktions-, Verfahrens- und Werk- stoffentwicklung Hand in Hand arbeiten mussen. Erhoffter Gewinn an Gastemperatur: ca. weitere 100 bis 1 5 0 O C gegen- uber dem aktuellen Stand. Mehr also, als man von gerichteter Erstarrung, und woh: auch nicht weniger als man von hoch- schmelzenden Metallen erwarten kann.

    diesem Sachgebiet aufgefuhrt ist, so liegt dem folgende Er- kenntnis zugrunde:

    Wurde man heute aus Titan hergestellte Verdichterscheiben unter voller Ausnutzung der hohen spezifischen Festigkeit bei gleicher Konstruktion aus martensitaushartenden Stahlen fertigen, so ware die der vierten Potenz der Wanddicke fol- gende Steifigkeit zu gering. Die logischerweise dann zu wah- lende Trommelbauweise bringt keinen Gewichtsgewinn. Ziel der Entwicklung mu13 ein zwischen Werkstofftechnik und Konstruktion abgestimmter Kompromi13 zwischen diesen beiden Extremen sein. Abb. 4 versucht dies schematisch zu veranschaulichen.

    Den unter ,,Neue Herstellverfahren" genannten Themen- kreisen ,,Pulvermetallurgie" und ,,Genauschmieden" liegt in erster Linie folgende Problematik zugrunde: Aus schmiede- und priiftechnischen Griinden und aus solchen der Quali- tatssicherung liegt bei Titan-Scheibenwerkstoffen das Roh- blockgewicht weit uber dem der daraus hergestellten Fertig- teile. Das uberschussige Volumen (bei Titan bis zu 90%) mu13 zerspanend abgearbeitet werden, was nicht nur eine auf die Dauer untragbare Materialverschwendung ist, sondern auch hohe Kosten verursacht. Es liegt daher nahe, durch kontur- nahes hei13isostatisches Pressen (in einem Arbeitsgang!) oder Genauschmieden dieser kostenverschlingenden Materialver- schwendung Einhalt zu gebieten.

    thermomechanischer Behandlung (,,gattorizing") gesellen sich zum Preisvorteil aller Wahrscheinlichkeit nach noch technische Vorteile: Isotropie, Homogenitat und geringere Streuung der Eigenschaften auch bei grogen Teilen; hohere

    Der unter ,,Neue Bauweisen" aufgefuhrte Themenkreis

    Wenn der Themenkreis ,,Hochfeste Stahle" ebenfalls unter

    Bei pulvermetallurgischer Arbeitsweise in Verbindung mit

    - fahren zur sicheren Qualitatsbeurteilung von Elektronenstrahl- 4 w, ~ ~ t ~ , H. H u f f und w. Track, z. f . werkstofftechnik, in diesem und Reibschweiherbindungen, sowie fur Verbundwerkstoffe. Heft.

  • 2. f. Werkstofftechnik/J. of Materials Technology 7, 167-1 77 (1976)

    niedri6

    hoch

    ,

    Vorteilhafter

    * Sachgebiet Themenkreie

    Scheibenwerkrtoffe

    Schaufehverkrloffe Quantitative Daten

    Fntigkeitrbenchnung mechlnik Werkrtoffe tiir ronrlige Baueile

    Konzenionsenrrtheidg. Auslegekrilerien fur rpezlfische Bauteile

    Werkstoff- hi1

    und

    Elgenrchaflen von Fugungen

    Sicherheit Rohleile (inrber. Scheiben iind Schauteln)

    Optimierung zur Serienreife

    und Kennwertrtatistik

    Standardisierung Einflun von Kugelslrahlen YO" Einflun yon Atzverfahren

    Bauteilen

    Abb. 4. figkeit bei Verdichterrotoren aus martensitaushartendem Stahl. Fig. 4. rotors of maragng steel.

    Zusammenhang zwischen Konstruktion, Gewicht und 5tei-

    Connection between design, weight and rigidity in compressor

    Hdhrortatlrcher Nachverdichlen

    Optimierung von ZfP-Verfahren I

    n II/

    Fr Reibung' Verreh'eiR

    RT " 600 700 oc a60

    Elgenrchaften und Optimlerung von Schulzrchichten

    Reibkorroslon IFening)

    Anrtreifbelage

    ;p75( Priiftemperatur Abb. 5. gischer Herstellung von Scheiben (Abschatzung aus Vowersuchen). Fig. 5. metallurgical production of discs (estimates from preliminary tests).

    Zahigkeit; bei Nickel: hohere Warmfestigkeit (Abb. 5 ) und die Moglichkeit hochkriechfeste Werkstoffe fur Scheiben ein- zusetzen; bei Titan: Vermeidung von Grobkorn, schadlicher Seigerungen und innerer Spannungen und damit besseren Schutz vor einem lebensgefahrlichen, friihzeitigen und uber- raschenden Versagen von Verdichterscheiben.

    Priifverfahren gehen, mit denen sich auch kompliziert geformte Teile absolut einwandfrei und hundertprozentig priifen lassen.

    Voraussichtlicher Warmfestigkeitsvorteil bei pulvermetallur-

    Expected advantage of high-temperature strength from powder-

    Hand in Hand damit mu13 die Entwicklung zerstorungsfreier

    Kenndaren fur Oberhitziing

    Werkstoffentwicklung im Triebwerkbau 171

    Generell sind die Entwicklungsthemen der hier bespro- chenen Themengruppe 1 als langfristige Programme zu betrach- ten, deren Ergebnisse kaum mehr in Triebwerke einflieRen werden, die sich heute bereits in der Entwicklungs- oder Pro- totypenphase befinden.

    2.3. Daten- und Komponentenbereitstellung fur laufende Triebwerkentwicklungen (Thernengruppe 2)

    Es handelt sich hier u m kurz- bis mittelfristig angelegte Programme fur Triebwerke, die sich im Entwicklungsstadium (beginnend rnit der Konstruktionsphase und endend rnit der Prototypenphase) befinden. Mit den Programmen dieser Kategorie werden folgende fur eine Triebwerkentwicklung absolut notwendigen Anforderungen erfullt: - Bereitstellung von Werkstoffdaten fur die Berechnung von

    TW-Bauteilen - Entwicklung eines befriedigenden reproduzierbaren Bau-

    teilestandards (meist in Zusammenarbeit mit Lieferanten) - Bestimmung des Betriebsverhaltens fehlerhafter Bauteile

    als Basis fur Konzessionen. - Beseitigung friih erkannter Schwachstellen und gravieren-

    der Fertigungsschwierigkeiten. Da die Auslegung eines Triebwerkes in dieser Phase im

    Prinzip bereits festliegt, kamen Arbeiten rnit dern Ziel etwa einer markanten Erhohung der Gastemperatur ohnehin zu spat. Hohere Gastemperatur ist in dieser Phase deshalb kein vordringliches Ziel. Eine begrenzte Reduktion des Gewichtes kann dagegen durchaus in Betracht gezogen werden, insbeson- dere wenn erste TW-Versuche nicht das erwartete Leistungs- gewicht erbringen. Vorherrschende Ziele sind aber die 0. g. Bereitstellung von Werkstoffdaten und die werkstofftechni- sche Erarbeitung eines funktionssicheren Bauteilestandards fur die projektierte Lebensdauer.

    In Abb. 6 sind analog zu Abb. 2 Ziele, Sachgebiete und denkbare Themenkreise fur diese Art von Entwicklungsarbei-

    Heiflsarkorrorlondalen v. HT-Werkstoffsn - A\\ I

  • 172 P. ERlinger und H. Huff 2. f. Werkstofftechnik/J. of Materials Technology 7, 167-177 (1976)

    ten einander zugeordnet. Die Themenstellungen sind zweifel- 10s weniger spektakular als die der vorigen Gruppe, die Ar- beitsergebnisse fur eine TW-Entwicklung aber absolut not- wendig. Man kann getrost davon ausgehen, daR werkstoff- technisch bedingter Fortschritt im Triebwerkbau ohne Ar- beiten dieser Art nicht verwertbar ist. Die Verwirklichung einer neuen Idee ist nicht minder anspruchsvoll als die Idee selbst.

    Die Verfasser pflegen dies so auszudriicken: Technischer Fortschritt ist nur moglich, wenn Inspiration in einem ausge- wogenen Verhaltnis zur Transpiration steht.

    Wieder mogen einige Bemerkungen zu den Themenkreisen einem besseren Verstandnis dienen.

    Unter der Bezeichnung ,,Werkstoffmechanik" sind Ar- beiten zusammengefaRt, die dem Ziel dienen, die Mindest- lebensdauer von in komplexer Weise mechanisch beanspruch- ten Bauteilen aus einfach zu ermittelnden Kennwerten mog- lichst quantitativ berechnen zu konnen. Eine besondere Be- deutung kommt dabei der Ubertragbarkeit von MeRergeb- nissen an Proben auf Bauteile sowie dem EinfluR von Werk- stoffehlern zu. Hierzu zwei illustrative Beispiele:

    Um einen neuen Scheibenwerkstoff, eine neue Scheiben- konstruktion oder nur einen Lieferanten zuzulassen, sind - abgesehen von umfangreichen zerstorenden Ausfallmuster- priifungen - Priifstands- und Triebwerkslaufe notwendig. Ins- gesamt verschlingt so die Neuzulassung von Scheiben Mittel in der GroRenordnung von lo6 DM. Einer bedeutenden amerikanischen Triebwerkfirma ist es - u. a. dank werk- stoffmechanischer Arbeiten - gelungen, bei der Zulassungs- behorde ein Zulassungsverfahren fur Scheiben durchzusetzen, das allein aus Versuchen an Proben in Verbindung rnit einem Berechnungsverfahren besteht. Dadurch werden groRe Sum- men an Priifkosten eingespart, was der Firma einen Wettbe- werbsvorteil verschafft.

    In dankenswerter Weise werden auch bei uns in Deutsch- land von den Ministerien der Verteidigung, sowie Forschung

    4 6 8 2 4 6 8 * - 4 2 4

    Ermudungs-Festigkeiten gekerbter Proben aus dem Scheiben- werkstoff Inco 718 rnit MeRwerten an zyklisch geschleuder- ten Scheiben uber ein Berechnungsverfahren nach Neuber verglichen.

    Wie man sieht, scheint zwischen der aus Proben errech- neten und im zyklischen Schleuderversuch beobachteten Lebensdauer tatsachlich ein monotoner Zusammenhang zu bestehen. Die Bemuhungen richten sich nun darauf, die Uber- tragbarkeit weiter zu verbessern und den Geltungsbereich zu erweitern.

    Das zweite Beispiel bezieht sich auf Werkstoffmechanik an Fugungen. Die beiden heute wichtigsten Turbinenscheiben- werkstoffe Waspaloy und Inco 718 lassen sich auch rnit dem Elektronenstrahl nicht riRfrei schweigen. Beim gegenwartigen Stand der Werkstoff- und SchweiRtechnik mug man rnit Mikrorissen in der warmebeeinfluken Zone (Abb. 8) und im Strahlauslauf rechnen. Mit den heute zur Verfiigung stehen- den Mitteln lassen sich diese Risse durch zerstorungsfreie Ver- fahren iiberdies nicht rnit Sicherheit quantitativ nachweisen.

    i~517.7 j Lartrpielzahl N Abb. 7. von Ergebnissen an Proben rnit denen von Modellscheiben. (Versuchs- bedingungen: Zugschwellversuch bei RT; CYK = 2 , l ) . Fig. 7. from tests on specimens with those from model discs (test conditions: pulsating tensile stress test at RT; ak = 2.1).

    LCF-Versuche am Scheibenwerkstoff Inco 71 8. Vergleich

    LCF tests on lnco 718 disc material. Comparison of results

    und Technologie Arbeiten gefordert, die solchen Zielen dienen. Beispiel fur ein Teilergebnis dieser Art ist Abb. 75. In der dem Bild zugrunde liegenden Arbeit wurden Kurzzeit-

    Es beruht auf Ergebnissen von Barbara Borchert und W. Betz , denen hiermit fiir die Erlaubnis zur auszugsweisen Veroffentlichung ge- dankt sei.

    Abb. 8. (Inco 71 8-Schmiedeteil). Fig. 8. (Inco 718-forging).

    Mikrorisse in der WarmeeinfluRzone einer EB-SchweiRnaht

    Micro-fractures in the heat affected zone of an EB-weld seam

    Andererseits kann man auf geschweiRte Rotoren (anstelle von geschraubten) nicht immer verzichten, sofern man das geforderte Leistungsgewicht erreichen will. Auf solche Weise gezwungen, ,,mit Rissen zu leben", sind bruchmechanische und fraktografische Untersuchungen an rigbehafteten Fugun- gen (RiRzahigkeit, RiRfortschritt) als Berechnungsgrundlage fur eine - im Rahmen der projektierten Laufzeit - sichere Konstruktion unerlaRliche Voraussetzung.

    Weitere Probleme der Werkstoffmechanik sind z. B. der EinfluB von ReparaturschweiRungen an schwierigen GuRteilen, der quantitative EinfluR von GuRfehlern und Schlackenein- schliissen (zur Festlegung von Qualitatsstandards) u. v. a. m., womit die Wichtigkeit des Gebietes umrissen sein durfte.

    In diesem Zusammenhang sind auch Arbeiten unter dem Stichwort ,,Kennwertstatistik" zu sehen. Die Festlegung des Qualitatsstandards in einer technischen Lieferbedingung be- einfluRt den Rohteilpreis nicht unerheblich. Hohe Qualitats- forderungen ziehen hohe AusschuR- und Prufkosten nach sich, die naturlich kalkulatorisch in den Preis der Gutteile einflieRen (ganz abgesehen von evtl. dadurch verursachten Terminschwie- rigkeiten). Schon heute kann beispielsweise bei anspruchsvol- len FeinguR-Turbinenschaufeln der AusschuR 70% betragen!

  • 2. f. Werkstofftechnik/J. of Materials Technology 7, 167-177 (1976)

    Die statistische Auswertung von Wareneingangspriifungen bringt AusschuRquote und technische Forderung in einen quantitativen Zusammenhang und la& so erkennen, was man realistischerweise vom Lieferanten fordern kann, sofern die Rohteilkosten innerhalb vernunftiger Grenzen bleiben sollen. In Verbindung mit werkstoffmechanischen Untersuchungen der 0. g. Art sowie Festigkeitsberechnungen kann ferner ein vernunftiger KompromiR zwischen Bauteilgewicht, Lebens- dauer, Sicherheitsbedurfnis und Preis geschlossen werden.

    Aus Kurven gemaR Abb. 9 laRt sich die AusschuRquote dem geforderten Mindestwert zuordnen. Abb. 10 ist Beispiel fur einen KompromiR der 0. g. Art. Die dort dargestellte Turbinenschaufel wurde in verschieden ,,kritische" Zonen aufgeteilt, fur die verschieden hohe Anforderungen bezuglich maximal zulassiger Fehlerhaufigkeit und -groRe in der Liefer- bed i ngu ng gestellt werden.

    x r I I I I 1 I I I I I I 1 I I I

    1 I 1 I I I 1 I l l I J 10Cd 1lW 12W NlmmZ 1300

    Streckgrenzenforderunp

    Abb. 9. gen (RT-Streckgrenze von Inco 71 SGesenkschmiedeteilen). Fig. 9. (RT yield strength of Inco 718 die forgings).

    Statistische Auswertung der Prufwerte an Werkstofflieferun-

    Statistical analysis of the test values of materials delivered

    Die unter ,,Korrosion, Reibung und VerschleiR" genannten Themenkreise verfolgen hier hauptsachlich den Zweck, die beim gegenwartigen Stand der Technik erreichbare Lebens- dauer zu ermitteln, die Verfahrensparameter bei der Herstel- lung zu optimieren und AbhilfemaRnahmen fur haufig be- obachtete Schadensursachen auszuarbeiten (z. B. gegen Reib- korrosion).

    2.4. TW-Verbesserung und -Verbilligung (Thernengruppe 3 )

    Die Arbeiten dieser Gruppe besitzen kurz- bis mittelfri- stigen Charakter und beziehen sich auf Triebwerke, die be- reits das Prototypen- oder Serienstadium erreicht haben. Es liegt nun schon eine betrachtliche Lauferfahrung vor, und man hatte somit die Moglichkeit, nicht voraussehbare Schwachstellen zu erkennen. Auch gerat der Hersteller im Bestreben, den Markt fur sein Triebwerk moglichst offen zu halten, nun unter Preisdruck, was ihn zu einer wertanalyti- schen Durchforstung seiner Konstruktion veranlaRt. SchlieB- lich pflegen der Grundversion eines erfolgreichen Triebwerks spater weitere Versionen zu folgen, die z. B. durch hohere Leistungen oder Anpassung an neue Forderungen (Umwelt- schutz!) gekennzeichnet sind.

    Werkstofftechnische Arbeiten, die diesen Zielen dienen, sind naturgemaR sehr stark triebwerksbezogen und eignen sich daher nicht fur die hier angestrebte verallgemeinernde Dar-

    Werkstoffentwicklung im Triebwerkbau 173

    Zoneneinteilung fur die RiRprufung

    Ir Abb. 10. Qualitatsanforderungen (aus einer Lieferbedingung fur FeinguR-Tur- binenschaufeln). Fig. 10. quality requirements (from a specification on precision-cast turbine blades).

    Aufteilung von Rohteilelieferungen in Zonen verschiedener

    Breakdown of castings supplied into zones with differing

    stellung. In Abb. 1 1 sind deshalb nur die Ziele und sehr all- gemein die technischen MaBnahmen - Werkstoffaustausch, Komponentenaustausch, Komponentenmodifikation - angegeben.

    Die Schwachstellenbeseitigung setzt eine Schadensstatistik und eine qualifizierte Schadensanalyse eines jeden Einzelfalles voraus. Die hier engagierten Leute leisten - gewohnlich unter Zeitdruck - technische Detektivarbeit, wozu gute Werkstoff- kenntnisse ( insbesondere uber Fraktografie) und ein reiches Ma8 an Erfahrung gehoren.

    Aus dem wertanalytischen Bereich sei zur Illustration nur ein Beispiel erwahnt: die zunehmende Bedeutung von Titan- guR6>' geht nicht zuletzt auf wertanalytische Betrachtungen zuruck. Dazu sei nur noch einmal an die oben erwahnte Ma- terialverschwendung bei der Fertigbearbeitung von Titan- schmiedeteilen erinnert. Abb. 12 zeigt ein TitanguRteil im

    Siehe z. B. Proceedings of the lth. Internat. Titanium Casting Seminar, 9./10. Sept. (1974) in London. London: D. K. Peacock, Titanium Metal and Alloys Ltd. W. Hunsen, die Anwendung von TitanguRteilen im MRCA-Trieb- werk RB 199 zur Herstellung eines kornplexen Zwischengehauses. Z. f . Werkstofftechnik 6 (1975) 361/367.

    '

  • 174 P. EQlinger und H. Huff 2. f. Werkstofftechnik/J. of Materials Technology 7, 167-177 (1976)

    Werkstoffaustaurch Schwachrtellen- beseitipung

    Preis Komponentenaurtaurch

    Gewicht Komponentenmodif ikation

    IT517.171 Abb. 11. Verbesserung von Prototypen- und Serientriebwerken. Zuordnung zu Entwicklungszielen. Fig. 11. prototypes and production engines. Allocation to development targets.

    Sachgebiete der werkstofftechnischtn Entwicklung zur

    Subject areas of materials development for improving

    3. Priorisierung

    3.1. Notwendigkeit, Schwierigkeit, Einfluflfaktoren

    Die Notwendigkeit einer Priorisierung von Einzelprogram- men ist nach den einleitenden Bemerkungen (Abschnitt 1) evident. Der vorausschltzbare interne Budgetbedarf fur ,,wunschbare" werkstofftechnische Programme (ohne Ver- fahrenstechnik) 1aRt sich muhelos auf 10 Mio DM/Jahr brin- gen. Das entspricht - nach Abzug der Sachkosten - einem Personalbedarf von ca. 100 Mitarbeitern verschiedener Aus- bildung. Es gibt wohl kaum eine europaische Triebwerkfirma, die eine derartige Kapazitat allein fur werkstofftechnische Entwicklung zur Verfiigung stellen konnte. Man ist sich also sehr leicht einig dariiber, daR der Rotstift angesetzt wer- den mug. Schwieriger ist die Frage, wo?

    Da keiner von individuellen Lieblingsthemen und Abnei- gungen frei ist und kaum einer alle Konsequenzen ubersieht, ist eine Priorisierung ,,nach Gefuhl", auch in einer Gruppen- diskussion von Fachleuten, da nicht objektiv, von vornherein fragwiirdig.

    das erst ersonnen werden und auf das man sich einigen mug. Die Erfahrung zeigt jedoch, daR eine Einigung hier leichter moglich ist, als bei direkter Bewertung der Programme.

    Zur Objektiviemng bedarf es aber eines Bewertungssystems,

    3.2. Berechnungsschema

    Im hier diskutierten Falle wurde folgende Basisformel fur die Prioritat P zugrundegelegt:

    (T . E)"l . Dn2 P =

    An

    Abb. 12. Fig. 12. 800 mm).

    Beispiel fur ein TitanguRteil (AuRendurchmesser ca. 800 mm) Example of a titanium casting (outside diameter approx.

    Rohzustand, das fertigbearbeitet als Verdichtergehause Ver- wendung finden wird. Es vermag den inzwischen erzielten Fortschritt wohl gut zu reprasentieren.

    2.5. Sonstige Programme (Themengruppe 4 )

    Sie eignen sich wenig fur eine verallgemeinernde Darstel- lung. Als Beispiel fur Themenkreise seien Probleme des Um- weltschutzes und Rationalisierung der Fertigungs- und Priif- technik genannt.

    mit folgender Bedeutung der Faktoren: T = Technologischer Fortschritt fur das Triebwerk, E = Erfolgswahrscheinlichkeit , D = Dringlichkeit fur den Betrieb, gemessen an den laufenden Projekten und am kunftigen Produktionsprogramm, A = ge- schatzter Aufwand.

    Mit den Exponenten n kann man die relative Bedeutung der 0. g. Faktoren verandern. In ihrer Festlegung steckt - ohne statistisches Material - aber sehr vie1 Willkur, insbeson- dere in der Relation zwischen n l , nz einerseits und n3 anderer- seits.

    Um diese Schwierigkeit zu umgehen, wurde - sozusagen in nullter Naherung - n l = n2 = 1 und n3 = 0 gesetzt, d. h. T, E und D wurden gleichstark bewertet und der Aufwand blieb unberiicksichtigt (er muRte ja im Verhaltnis zum sehr schwer vorauszuschatzenden Gewinn gesehen werden). Es wurde somit mit der vereinfachten Beziehung

    P = T . E . D ( 2 )

    gearbeitet.

    gischen Fortschritts die individuellen Meinungen wieder er- heblich voneinander abweichen konnen. Diese Schwierigkeit lie13 sich jedoch dadurch ausraumen, daR er in Form einer zu- sammengesetzten GroRe bestmoglich objektiviert wurde, in- dem man festlegte:

    Die Erfahrung zeigte, daR bei der Beurteilung des technolo-

    T = g w . Tw + g G . TG + gs . T s + gp ' Tp + g L . TL + gB ' TB

    hierbei bedeuten: TW = erwarteter Gewinn an thermodyna- mischer Leistung (z. B. durch eine Gastemperaturerhohung),

  • Z. f. Werkstofftechnik/J. of Materids Technology 7, 167-177 (1976) Werkstoffentwicklung im Triebwerkbau 175

    Tabelle 3. zugsweise) Table 3.

    Beispiel fur eine Priorisierung nach techniscben Gesichtspunkten (Zukunftsorientierte werkstofftechnische Entwicklung aus-

    Example of a priority schem based on technical aspects (future-orientated materials development) - ___- -

    Rang Thema T x E Techn. Bewertungsfaktoren T= TW TG TS TP TI. TB Xi giTi E abso- nor-

    gi 10 7 6 8 5 4 lut miert

    8 9

    12

    13

    16

    18

    24

    26

    Stationare Kleingasturbinenteile aus Keramik Pulvermetallurgie fur Verdichterscheiben Pulvermetallurgie fur Turbinenscheiben Neue ZfP-Verfahren fur Scheiben Rotierende Kleingasturbinenteile aus Keramik

    Neue ZfP-Verfahren fur Pugungen Neue ZfP-Verfahren fur Schaufeln

    Entwicklung von Schutzschichten gegen HeiRgas- korrosion Genauschmieden von Titan

    Gerichtet erstarrte Turbinenschaufeln

    MaRnahmen gegen Titanbrand

    Entwicklung neuer Titanlegierungen hoher Warm- festigkeit

    Turb. Schaufeln aus hochschmelzenden Metallen

    10 5 2 10 4 7 275 9 2475 3 3 7 8 4 5 197 9 1773 4 3 6 6 4 5 185 9 1665 1 2 8 4 6 5 154 9 1386

    10 5 2 10 4 7 275 5 1375

    . . 0 2 10 4 6 5 156 8 1248 2 1 10 4 6 5 169 7 1183 . . . . . . . . 5 1 8 1 4 5 153 6 91 8

    0 1 4 8 4 5 1 3 5 6 810 . . . . . . . . 5 1 3 1 4 5 123 6 738

    0 0 8 3 7 10 147 4 588 . . . .

    . . . .

    . . . .

    . . . . 0 4 3 3 4 5 110 3 3 30

    . . . . 7 0 2 2 3 5 133 2 266 . . . . . . . .

    100 72 67 56 5 5

    5 0 4 8

    37

    3 3

    3 0

    28

    1 3

    11

    TG = erwartete Gewichtsminderung, TS = erwarteter Gewinn an Sicherheit, T p = erwartete Verbilligung des Gesamttrieb- werkes, TL = (bei VerschleiBteilen) erwarteter Gewinn an Lebensdauer, TB = eventuell bewirkte Verbesserung der TW- Charakteristik (z. B. Beschleunigungsverhalten).

    Die Multiplikatoren g sind relative Gewichte, die man den die Ziele charakterisierenden Faktoren T beimiRt. Da die Ziele je nach Anforderungsgruppe, zu denen die Themen ge- horen (siehe Abb. 2, 6 und ll), verschieden sind, unterschei- den sich die Multiplikatoren g von Gruppe zu Gruppe. Die Bewertung ist somit auch von Gruppe zu Gruppe getrennt durchzufuhren.

    Es sei nicht verhehlt, daR durch die Multiplikatoren g eine gewisse individuelle Willkiir in die Beurteilung einflieRt. Wah- rend sich die Faktoren T einigermagen quantitativ prognosti- zieren lassen, sind bei deren Gewichtung schwerer objektivier- bare Gegebenheiten, wie z. B. Interessen des spateren Abneh- mers, firmenpolitische Absichten usw. zu beriicksichtigen.

    Zur zahlenmal3igen Festlegung der verschiedenen T-Fak- toren wurde jeweils innerhalb einer Themengruppe relativ wie folgt bewertet: Diejenige Entwicklungsaufgabe, deren Zielvorstellung den hochsten Gewinn bezuglich eines bestimm- ten Faktors bewirken muRte, erhielt die Note 10, das Thema mit dem niedrigsten Gewinn (oder gar einem Verlust) erhielt die Note 0. An die ubrigen Themen wurden - entsprechend ihrer relativen Bedeutung fur diesen Faktor - Noten zwischen 0 und 10 vergeben.

    Der Faktor D (Dringlichkeit) von Beziehung (2) bedarf noch einer gewissen Erlauterung. Die vom Standpunkt einer Triebwerkfirma aus gesehene individuelle Dringlichkeit eines Themas hangt naturlich voni praktizierten und beabsichtig-

    ten Produktionsprogramm (Flugturbinen, Stationare Tur- binen, Turbine fur Landfahrzeuge usw. - Verdichterteile, Turbinenteile, Gehause usw.), sowie vom individuellen tech- nologischen Stand ab. Die Dringlichkeit kann sogar durch allgemeine gesellschaftspolitische Entwicklungen beeinfluRt werden, z. B. dadurch, wie man glaubt die Gewichte zwi- schen Umweltfragen, technischem Fortschritt, Energieein- sparung usw. verteilen zu mussen. All dies kann durch die Wahl von D beriicksichtigt werden. In D flieRt dann auch ein, wie wichtig die Beherrschung einer bestimmten Techno- logie im Hinblick auf die Konkurrenzsituation gehalten wird. D kann - als individueller Faktor - durchaus einen niedrigen Wert erhalten, obwohl das Thema fur die TW-Technik allge- mein sehr wichtig ist, namlich dann, wenn man die Verfol- gung lieber einem Partner oder gar der Konkurrenz uberlaRt.

    Das Ergebnis einer auf diese Art durchgefuhrten Priori- sierung fur zukunftsbezogene Themen (Themengruppe 1) ohne Berucksichtigung des individuellen Faktors D gibt - aus- zugsweise - Tubelle 3 wieder. Die Reihenfolge der Bewer- tung mag manchmal uberraschen. Die retrospektive Analyse zeigt aber fast immer, daR das uberraschende Ergebnis seinen wohlbegriindeten Sinn hat.

    Tubelle 4 ist Auszug einer Priorisierung fur Arbeiten der Themengmppe 2.

    Es ist uns klar, daR die Methode im Detail immer noch nicht ohne Willkur und wohl auch anfechtbar ist. Sie stellt gegenuber der Priorisierung ,,nach Gefuhl" aber zweifellos eine Objektivierung dar und hat zumindest bewirkt, daR vor- her weit auseinanderklaffende Meinungen recht gut auf einen Nenner zu bringen waren. Sie hat in praxi zu gut funktioniert, u m sie einfach als Zahlenspielerei abtun zu konnen.

  • 176 P. ERlinger und H. Huff 2. f. Werkstofftechnik/J. of Materials Technology 7, 167-177 (1976)

    Rang

    __

    1

    2.

    3

    6

    7

    8 9

    10

    11

    12

    14 15

    17

    Tabelle 4. Table 4.

    Auszug aus der Priorisierung werkstofftechnischer Arbeiten fur laufende Triebwerkentwicklungen Extract form the priority schem for work on materials for current engine developments

    Thema Techn. Bewertungsfaktoren T x E -~ __ __

    L

    TW TG TS gi 0 5 10

    Werkstoffmechanik an (speziellen) ReibschweiR- verbindungen Werkstoffmechanik an (speziellen) EB-SchweiR- verbindungen Betriebsnahe Priifung von Diffusionsschutzschichten

    Optimierung der Bearbeitung und Oberflachen- behandlung von Verdich ter-Schaufeln Optimierung der Standard-ZfP-Verfahren fur EB. SchweiRnahte Werkstoffmechanik an Scheibenwerkstoffen Entwicklung von Turbinen- und Verdichter- scheiben bis zur Serienreife Optimierung der Herstellung und Oberflachen- behandlung von Verdichterschaufeln Optimierung der Herstellung spezieller FeinguR- Turbinenschaufeln Werkstoffmechanik an Turbinenschaufelwerk- stoffen

    HeiRisostatisches Nachverdichten von T-Schaufeln HeiRisostatisches Nachverdichten von Gehausen

    Optimierung d. Standard-ZfP-Verf. f . T-Schaufeln

    8 8

    10 4

    0 10

    1 7

    0 1 0

    3 4 0 7

    0 6

    2 6

    2 5

    2 7 4 6

    0 6

    10 5 200 10

    10 0 1 5 0 9

    3 10 158 8

    2 5 107 10

    0 0 100 10

    4 5 99 10 3 2 96 10

    2 5 92 10

    5 7 128 7

    3 2 86 10

    5 2 118 7 5 2 118 7

    0 0 6 0 10

    abso- nor- lut miert

    -

    2.000 100

    1.350 67

    1.264 63

    1.070 5 3

    1.000 50

    990 49 960 4 8

    920 46

    896 45

    860 43

    826 41 826 41

    600 30

    Selbstverstandlich mug die Prioritatenliste periodisch iiberarbeitet und fortgeschrieben werden. Denn bekanntlich werden mit fortschreitenden Ergebnissen of t Anderungen in der ursprunglichen Zielrichtung nahegelegt und nicht vor- aussehbare originelle Ideen eines Einzelnen (auf die auch bei bester Gruppenarbeit nicht verzichtet werden kann) konnen neue Akzente setzen.

    3.3. Priorisierutig und Budgetierung

    Eine Priorisierung gemaR den Tabellen 3 und 4 in Ver- bindung mit einer Aufwandschatzung (Zeit und Kosten) der Einzelprogramme stellt ein gutes Hilfsrnittel fur eine Mittel- fristplanung der Kapazitat, des Budgets und der Investitionen dar. Sie 1aRt relativ gut abschatzen, was an Entwicklungsper- sonal und -kosten bei vorgegebenen Triebwerkprogrammen bereitzustellen ist, bzw. umgekehrt, wo man bei vorgegebe- ner Kapazitat auf fremdes know-how angewiesen ist.

    Nun wurden aber - wie im vorigen Abschnitt begriin- det - fur jede Themengruppe andere Gewichtsfaktoren g ver- wendet. Damit ist die Priorisierung zwar innerhalb einer Gruppe, aber nicht zwischen zwei Themen verschiedener Gruppe vergleichbar. Die Erstellung einer gemeinsamen Priori- tatenliste aller Themen ohne Rucksicht auf die Gruppenzuge- horigkeit ware somit fragwurdig. Dies wurde z. B. dazu fuh- ren, daR die Themen als aktuelle Themen naturgemaR hohe D-Werte erhalten, gegenuber den zukunftsbezogenen Themen der Gruppe 1 zu stark begunstigt werden. Im Extremfall wur- den -- bei begrenztem Budget - zukunftsbezogene Themen iiberhaupt unter den Tisch fallen, was zweifellos eine Fehl-

    entscheidung ware, falls man nicht lediglich die Rolle des ,, Juniorpartners" oder Lizenznehmers anstrebt.

    eine sozusagen unternehmerische Entscheidung zu stellen, indem man jeder Themengruppe vom Gesamtbudget gewisse Prozentsatze zuteilt und nur innerhalb der Themengruppe priorisiert. Man hat mit dieser Aufteilung dann daxiber ent- schieden, wieviel vom Gesamtbudget in zukunftsorientierte und wieviel in aktuelle Entwicklung investiert werden soll. Falls dabei - in Verbindung mit der Priorisierung - wichtige aktuelle Themen unter den Tisch fallen, so muR erneut dar- uber unternehmerisch entschieden werden, o b man die zu- kunftsorientierte Entwicklung zugunsten der aktuellen be- schneiden oder die Kapazitat erhohen will.

    Wir halten es daher fur richtig und sinnvoll, an den Anfang

    4. Nationale und internationale Zusammenarbeit

    Es durfte bis hierher klar geworden sein, daR die Bearbei- tung aller fur den Triebwerkbau wichtigen werkstofftechni- schen Themen die Moglichkeiten eines einzelnen Betriebes bei weitem ubersteigt. Man kann unbesehen davon ausgehen, daR sich diese Feststellung fur die Luftfahrt allgemein und wohl auch fur die ubrige Industrie generalisieren IaRt. Um trotzdem die Werkstofftechnologie im notwendigen MaRe weiter entwickeln zu konnen, ist der Einzelbetrieb daher auf internationale und nationale Zusammenarbeit angewiesen.

    Fur die internationale Zusammenarbeit gibt es fur den werkstofftechnischen Bereich durchaus Beispiele. Zwei seien herausgegriffen: -- Das englisch-deutsch-italienische Gemeinschaftsprojekt

    MRCA. Es wird von den Verteidigungsministerien der

  • Z. f. Werkstofftechnik/J. of Materials Technology 7, 177-181 (1976) Overlag Chemie, GmbH, D-6940 Weinheim, 1976

    Langzeiteigenschaften 177

    drei Lander getragen. Die innerhalb der Turbo-Union kooperierenden Partner Fiat, MTU und Rolls Royce ent- wickeln fur das Kampfflugzeug MRCA gemeinsam das Triebwerk RB 199.

    - Das von den europaischen Technologie-Ministerien (in Deutschland BMFT) zwischen 50 und 100% getragene COST-Programm uber Werkstoffe und Verfahren fur den Triebwerkbau.

    Die Abstimmung der Einzelprogramme und der Informa- tionsaustausch sind in diesen beiden Programmen beachtlich gut. Das COST-Programm hat dariiber hinaus einen bemer- kenswerten Zug: die Zusammenarbeit erfolgt nicht nur hori- zontal, sondern auch vertikal, wenn man sich die Reihe For- schungsinstitut - Werkstofflieferant - Geratehersteller (An- wender) als vertikale Kette vorstellt. Auf diesen - nach Mei- nung der Verfasser - wichtigen Punkt sei im Hinblick auf die nationale Zusammenarbeit noch besonders eingegangen:

    Die Entwicklung eines Werkstoffes bis zur serienreifen Anwendung erfolgt gewohnlich in drei Phasen, - Entwicklung im Labormagstab, - Uberfuhrung in grol3technische Herstellung, - Nachweis der Reproduzierbarkeit und Datenermittlung

    Praktisch lauft dies darauf hinaus, daf3 sich schon bei der auf Labor- bzw. Institutsebene ablaufenden Entwicklungs- phase das Arbeitsprogramm an der spateren Anwendung orientiert, wozu ein guter vertikaler Informationsflug, sinn- volle Arbeitsteilung und Mitwirkung der Werkstofflieferanten und Anwender bei der Programmgestaltung Voraussetzung sind. Angesichts der knapper werdenden Mittel mu13 sich diese Kooperation uber die Firmengrenzen hinaus entwickeln, so- fern man Wert darauf legt, daf3 in internationalen Projekten Werkstoffe deutscher Herkunft besser als bisher Beriicksich- tigung finden sollen. Es gibt fur eine solche Entwicklung inner- halb der deutschen Luftfahrtindustrie schon erfreuliche An- satze, sie reichen aber u. E. noch nicht aus. Voraussetzung dafur ist allerdings, da13 bei den Anwenderfirmen eine klare Konzeption fur Mittel- und Langfristplanung ihrer werkstoff- technischen Entwicklung besteht. Diesem Ziel diente nicht zuletzt auch die hier vorgestellte Priorisierung von Entwick- lungsthemen.

    Auf nationaler Ebene bemuht sich die Luftfahrtindustrie z. Z. um eine derartige Langfristplanung, fur deren Zustande- kommen einzelne Referate aus den Ministerien der Verteidi- gung und fur Forschung und Technologie wesentlich mitver- - - -

    (in Form anwendungsspezifischer Rohteile bzw. Halbzeuge). antwortlich zeichnen. Falls diese zu einer verbesserten Koope- Der Schwerpunkt der Aktivitaten verlagert sich im Laufe

    dieser Entwicklung vom Forschungsinstitut bzw. Entwick- lungslabor auf den Werkstofflieferanten und schlieglich auf den Anwender. Der Erfolg einer Entwicklungsidee und die zeit bis zu ihrer praktischen verwertbarkeit hPngen sehr we- sentlich davon ab, wie gut die vertikale Kooperation in der Programmgestaltung schon in der ersten Entwicklungsphase ist.

    ration aller an werkstofftechnischer Entwicklung Interessier- ten im obigen Sinne fuhrt, mochte man dieser Initiative vie1 Erfolg wunschen. Sie konnte dann eine starkere Beriicksichti- gung deutscher Werkstoffe in internationalen Projekten be- wirken und damit die Ertragslage der deutschen Werkstoff- industrie auf dem Sektor Luftfahrt verbessern.

    Anschrift: Dr. rer. nat. P. ERlinger und Dr.-Ing. H. Huff, MTU Mun- chen GmbH, 8000 Munchen-Allach, Dachauer S:raRe 665.

    Langzeiteigenschaften einiger warmfester und hochwarmfester Werkstoffe

    H. Waegand und 0. Jahr

    Mitteilung aus dem Institut fur Werkstoffkunde an der T. H. Darmstadt

    Die Leistunpausbeute in thermischen Anlagen und Maschinen wird urn so besser, je mehr es gelingt, Werkstoffe im langzeitigen Betrieb anzuwenden, die moglichst hohe Betriebstemperaturen zulassen. Dies bedeutet fiir die Werkstoffentwicklung die Suche nach Mog- lichkeiten, die vorhandenen Werkstoffe so weiterzuentwickeln, d& sie bei noch hoheren Betriebstemperaturen anwendbar sind.

    Eine zusatzliche Aufgabe besteht in der Entwicklung neuartiger Hochtemperaturwerkstoffe. Dieser Weg fiihrt dann von den metalli- schen Werkstoffen, deren oberer Temperaturbereich je nach Bean- spruchungsart und Bauteil bei e t w a 1100 "C liegt, zu nichtmetalli- schen Werkstoffen auf keramischer Basis, zu metalloxydischen Stoffen bzw. Mischwerkstoffen oder auch zu sogenannten Verbund- werkstoffen.

    Obwohl es dadurch moglich ist, die Gebrauchstemperaturgrenze wesentlich zu erhohen, scheitert die Anwendung solcher Werkstoffe meist an den mangelnden Ziihigkeitseigenschaften. Diese sind aber sowohl aus betrieblichen als auch aus rein konstruktiven Griin- den unerlaimlich.

    Der thermische Maschinenbau, in Sonderheit der Motoren- und Turbinenbau, ist daher bis auf weiteres auf metallische Werkstoffe angewiesen.

    Fur die unteren Temperaturbereiche bis etwa 350 "C kommen neben Stahlen insbesondere im Leichtbau auch Aluminium- und Titanlegierungen infrage.

    Fur einen mittleren Temperaturbereich zwischen 350 und etwa 550 "C eignen sich sogenannte ferritischc S ta l e , d. h. Kohlenstoff- und niedriglegierte Stahle, die durch eine Warmebehandlung auf die Sollwerte ihrer Festigkeit gebracht werden.

    Fur einen Betrieb mit l kge r einwirkenden Temperaturen ober- halb 550 "C sind solche Stahle wegen ihres dann instabilen Gefuge- zustandes nicht mehr geeignet. An ihre Stelle treten hoherlegierte Stahle und Metallegierungen auf Nickel- oder Kobaltbasis. Diese be- sitzen je nach chemischer Zusammensetzung ein verhaltnismaig stabiles Gefuge und damit auch weitgehend uber lange Zeit gleich- bleibende Festigkeitseigenschaften und ausreichende Korrosionsbe- stkdigkei t.

    Obwohl diese Eigenschaften mit groRer Zielsicherheit fur den Einzelanwendungsfall durch geeignete Legierungs-, Herstellungs- und Verarbeitungstechnik erreicht werden konnen, wird die Entscheidung fur einen bestimmten Werkstoff oftmals dadurch erschwert, dai3 der Betriebsbeanspruchungszustand einerseits sehr komplex und unuber- sichtlich ist; andereseits ist o f t auch zu wenig bekannt und erprobt,

Recommended

View more >