Verfahren zur Instandsetzung eines abgenutzten oder beschädigten Metallgegenstandes
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Instandsetzung eines abgenutzten oder beschädigten Metallgegenstandes.
Turbinenstrahl- oder Turbinengebläsetriebwerke, wie sie beispielsweise in der modernen Zivil- und Militärluftfahrt verwendet werden, enthalten viele mit grosser Präzision hergestellte Kompressor- und Turbinenschaufelräder. Die Ausführung und Zuverlässigkeit der Triebwerke hängt wesentlich von der detaillierten Ausführung der Gestalt und der baulichen Beschaffenheit dieser Schaufelblätter ab. In den Axialkompressoren derartiger Strahltriebwerke sind bis zu 20 Kompressionsstufen enthalten, denen dieselbe Anzahl von Schaufelblattreihen entspricht, von denen jede wiederum 50 bis 150 einzelne Schaufelblätter enthält. Die sich bewegenden Reihen der Schaufelbläiter sind durch stationäre Reihen von sehr geringem Abstand getrennt, wobei die Massgenauigkeit der Schaufelblätter von grosser Bedeutung ist.
In ähnlicher Weise ist in Turbinenstrahltriebwerken jedes einzelne Schaufelblatt für einen maximalen Wirkungsgrad bei der berechneten Rotationsgeschwindigkeit ausgelegt, wobei der Einstellwinkel an jeder radialen Stelle entlang der Schaufelblattlänge abnimmt, wenn die Tangentialgeschwindigkeit zunimmt. Die Genauigkeit einer derartigen Kontur eines Schaufelblattes ist von grosser Bedeutung für das Zustandebringen einer geeigneten aerodynamischen Ausführung des Blattes. Zusätzlich ist die strukturelle Beschaffenheit der Blätter von sehr grosser Bedeutung wegen der hohen Zentrifugalbeanspruchungen und der erhöhten Temperaturen, denen die Blätter während der Hochgeschwindigkeitsrotation unter normalen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind.
Wenn ein Blatt beispielsweise durch einen eingetretenen Fremdkörper, durch Abnutzung, Temperatur oder Beanspruchung beschädigt wird, so dass hierdurch eine lokale Verwindung oder eine mikroskopische Rissbildung auftritt, wird das Blatt für einen Gebrauch in der Luftfahrttechnik zu unsicher.
Sobald daher bei Kompressor- oder Turbogebläseschaufelblättern irgendeine abnormale Abweichung oder ein Fehler in der Form, in der Dimension, der strukturellen Beschaffenheit oder der Oberflächenglätte festgestellt wurde, wurden die Schaufelblätter sofort vollständig ausgeschieden und durch neue Schaufelblätter ersetzt. Wegen der besonderen Sorgfalt und der dadurch schon bei der Herstellung solcher Schaufelblätter entstehenden Kosten sowie des verwendeten wertvollen Materials stellt das Ersetzen derartiger Blätter den grössten Kostenposten bei der Unterhaltung von Turbinenstrahl- und Turbogebläsetriebwerken dar.
Gemäss der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Wiederinstandsetzung z. B. von Metallgegenständen vorgesehen, bei denen lokalisierte Fehler, wie beispielsweise Risse, Löcher, Dellen, Oberflächenerosion, Verschleissbereiche oder andere aus irgendeinem Grund aufgetretene Dimensionierungsmängel, festgestellt wurden.
Dieses Verfahren ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass zunächst zwei aufeinanderpassende Formen bereitgestellt werden, welche einen Hohlraum mit der genauen Grösse und Form des Gegenstandes im neuen und unbeschädigten Zustand umgrenzen, worauf ein Teil des Gegenstandes einschliesslich des abgenutzten oder beschädigten Bereiches entfernt wird und anschliessend der Gegenstand zusammen mit mindestens einem zusätzlichen, an der Entnahmestelle des genannten Teiles angeordneten, dem Werkstoff des Gegenstandes entsprechenden Metallabschnitt in die Formen eingebracht wird, wobei das Volumen dieses Metallabschnittes mindestens demjenigen.des entfernten Teiles entspricht und die Formen anschliessend Hitze und Druck ausgesetzt werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der anliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein beschädigtes Schaufelblatt eines Turbogebläseantriebs,
Fig. 2 den Gegenstand gemäss Fig. 1 in einem Zwischenstadium des Instandsetzungsverfahrens,
Fig. 3 einen der Fig. 1 ähnlichen Gegenstand, bei dem eine andere Beschädigung vorliegt,
Fig. 4 eine Ausführung von Formstücken, die für ausgeschnittene, beschädigte Teile eines Schaufelblattes eines Turbogebläses zusammen mit einem ausgeschnittenen Schaufelblatt verwendbar sind,
Fig. 5 ein fertiggestelltes, wieder instandgesetztes Schaufelblatt,
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung einer Form, die während der Abbindungsstufe des Instandsetzungsverfahrens verwendbar ist, und die
Fig. 7 und 8 eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie 7-7 der Fig.
4 und 6, in der Bearbeitungs- und Werkstückelemente in zwei Stufen des Abbindungsvorgangs dargestellt sind, um ein wiederinstandgesetztes Blatt der Fig. 5 herzustellen.
In den Zeichnungen ist eine Anwendung des hier offenbarten Verfahrens in Verbindung mit der Wiederinstandsetzung von Schaufelblättern eines Turbogebläses, wie beispielsweise eines Blattes 10 in Fig. 1, dargestellt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Schaufelblatt 10 mit einem massiven Grundteil 12 mit Flanschen oder ähnlichen Vorrichtungen vorgesehen, um das Blatt fest auf einer rotierenden Nabe oder etwas ähnlichem (was nicht dargestellt ist) festzukeilen. Das Schaufelblatt 10 besitzt die Form eines Stromlinienkörpers mit einem sich allmählich ändernden Einstellwinkel zwischen dem Grundteil 12 und dem entfernten Ende oder oberen Teil 14 in der bei Flugzeugpropellerblättern gewohnten Weise. Die vorderen und hinteren Kanten des Blattes 10 sind mit den Bezugszeichen 16 und 18 gekennzeichnet.
Zwischen den Blatteilen 12 und 14 ist das Schaufelblatt 10 mit einer Stabilisierungseinrichtung in Form von plattformähnlichen Vorrichtungen ausgestattet, die auf beiden Seiten des Blattes in entgegengesetzten Richtungen heraussehen. von denen aber in Fig. 1 nur einer (20) sichtbar ist. Wenn viele. mit dem Blatt 10 identische Blätter an dem gesamten timfang um eine Nabe angebracht sind, berühren sich die erwähnten dazwischenliegenden plattformähnlichen Vorsprünge 20 einander zwischen jedem Paar von aneinandergrenzenden Blätter, um einen rundumlaufenden, segmentartigen Rand zu bilden, dessen Segmente die plattformartigen Vorsprünge 20 enthalten.
Jeder dieser Vorsprünge ist dann angeordnet, um sich fest gegen den nächsten angrenzenden Vorsprung abzustützen und ihn gegen Stoss- oder Erschütterungseffekte in den einzelnen Blättern während der Hoch geschwindiakeitsrotation des Turbogegbläses zu stabilisieren.
In Turbogebläsen der herkömmlichen Art besitzt ein Blatt 10 eine Gesamtlänge in der Grössenordnung von 30 bis 38 cm oder mehr. Die stromlinienförmigen Konturen des Blattes 10 sind genau berechnet und hergestellt. um einen maximalen Wirkungsgrad der Triebwerkausbildung bei der speziellen Geschwindigkeit und den speziellen Druckverhältnissen zu erzeugen, bei denen das Triebwerk, in das solche Blätter eingebaut sind, arbeitet. Einige Dellen, Löcher oder andere lokalisierte Deformationen in den Konturen des Blattes 10 gefährden ernsthaft die aerodynamischen Eigenschaften des Blattes und sind daher vollkommen unverträglich.
In dem in Fig. 1 dargestellten Fall enthält ein Blatt 10 einen beschädigten Teil ''. wie es häufig in der Luftfahrt dadurch auftritt, dass ein Fremdkörper in die Einlassluftströmung eines Turbogebläsetriebswerkes während des Betriebes gelangt. Beim gegenwärtigen Überprüfen der Triebwerke der ziviel en Luftfahrtgeselischaften müsste, wenn das erfindungsgemässe Verfahren noch nicht vorhanden wäre, bei einem derartigen Schaden ein Blatt 10 ausgeschieden und durch ein neues Blatt ersetzt werden.
Gemäss Fig. 2 wird bei dem Verfahren zur Wiederinstandsetzung eines Blattes 10 mit dem Ausschneiden oder einem anderen geeigneten Verfahrensschritt begonnen, wobei der Teil des Blattes 10, der den beschädigten Bereich 22 enthält, von dem Blatt entfernt wird. Der entfernte Teil besitzt eine vorherbestimmte Grösse und Form, die mit einem Formstück 24 übereinstimmt. In dem in Fig. 3 dargestellten Blatt 30 ist ein Erosionsschaden entlang der ganzen Länge der vorderen Kante 16 eines Blattes wiedergegeben, wie er üblicherweise auftreten kann. Das Blatt 30 kann noch weitere beschädigte Teile 32 und 34 zusätzlich zu dem Erosionsbereich 36 an der Vorderkante besitzen. Jede Änderung in normalen Ausmassen. wie sie durch Verschleiss eines Blattes aus irgendeinem Grund während des Betriebes auftreten, kann durch das Verfahren zur Wiederinstandsetzung gemäss der Erfindung überwunden werden.
Wie insbesondere aus Fig. 4 zu erkennen ist, sind zusätzlich zu dem Formstück 24 noch weitere zusätzliche Formstücke 25. 26, 27 und 28 vorgesehen, wodurch die Teile des Blattes 30 bestimmt sind, die aus ihm entfernt werden müssen; hierdurch ist sichergestellt, dass keine beschädigten Bereiche an dem Blatt 30 mehr zurückbleiben, nachdem das Ausschneiden der beschädigten Stellen abgeschlossen ist. Die zu entfernenden Teile des Blattes 30 sind durch die einzusetzenden Formstücke 24 bis 28 an den mit den Bezugszeichen 44 bis 48 und durch Anzeichnen oder eine andersartige Markierung des Blattes 30 vorgegeben, um die Aussenlinie der Formstücke festzulegen.
Selbstverständlich stellen die Formstücke 24 bis 28 standardisierte Bereiche vorherbestimmter Grösse und Lage dar, die den Teilen der Blätter 10 und 30 entsprechen, die am häufigsten während des Betriebs Schaden erleiden; die Formstücke sind für eine Wiederinstandsetzung von Blättern
10 und 30 auf der Grundlage einer Massenproduktion vorgesehen. Die Teile der Blätter 10 und 30, die durch Ausschneiden dieser Teile entfernt sind, werden durch zusätzliche Teile aus demselben Material, wie es bei den Schaufelblättern verwendet wird, ersetzt; hierbei haben derartige Teile dieselbe Form und den gleichen Oberflächenbereich wie die Formstücke 24 bis 28, sie besitzen jedoch nicht notwendigerweise auch dieselbe Dicke.
In Fig. 4 beispielsweise besitzt das zusätzliche Teil. das als Ersatz für das aus dem Blatt 30 und durch den Bereich 46 definierte Material erforderlich ist, dieselbe Form und Ausbildung wie der Bereich 46; er ist in Fig. 7 mit dem Bezugszeichen 60 versehen. In den Fig. 7 und 8 schliesst das erfindungsgemässe Verfahren in diesem Fall die Verwendung von Halterungsformen oder Formvorrichtung in sich. wie sie beispielsweise durch die zusammenpassenden Formen 50 und 52 wiedergegeben sind.
Die Formen 50 und 52 können durch irgendein bekanntes geeignetes Verfahren hergestellt sein, beispielsweise durch Ausgiessen von Gipsformen oder durch Ausfräsen von Metallblöcken. Wenn die Formen 50 und 52 vollständig ineinander gepasst sind, umschliessen sie einen Hohlraum 54. der durch die Werkstückoberflächen 56 und 58 der beiden Formen 50 und 52 begrenzt ist. Der Hohlraum 54 besitzt eine Form, die genau den Oberflächen eines wiederhergestellten neuen Schaufelblattes entspricht, das vollständig mit den Blättern 10 oder 30 übereinstimmt, wobei allerdings keine Beschädigungen oder Defekte vorhanden sind.
Nachdem der beispielsweise in Fig. 4 dargestellte Ausschneidevorgang beendet ist, wird das Blatt 30 in die untere Form 52 zusammen mit zusätzlichen Teilen hineingelegt. die in Grösse und Lage den in Fig. 4 dargestellten Bereichen 44 bis 48 entsprechen und in der vorgeschlagenen Weise untergebracht sind.
Das in Fig. 7 dargestellte zusätzliche Teil 60 nimmt beispielsweise den leeren Platz ein, der durch Entfernen des Materials entstanden ist, der durch den Bereich 46 in Fig. 4 bestimmt ist. Während das Teil 60 im wesentlichen dieselben Umfangsmasse wie der Bereich 46 besitzt. ist die Dicke t über das gesamte Teil 60 gleichmässig dieselbe; dies ist bei der Durchführung des beschriebenen Verfahrens von besonderer Bedeutung.
In Fig. 7 wird das Blatt 30 mit den entfernten beschädigten Teilen zwischen die zusammenpassenden Formen 50 und 52 in einen diese Formen umgebenden Behälter 62 gelegt.
Das Teil 60 wird in den Hohlraum 54 an die Stelle gelegt die durch das Entfernen des Bereichs 46 aus dem Blatt 30 frei ist, die zusätzlichen weiteren Teile werden in derselben Weise an den Stellen untergebracht, die durch die Bereiche 44 bis 48 in Fig. 4 vorgegeben sind. Jeder der eingesetzten zusätzlichen Teile besitzt im wesentlichen eine gleichmässige Dicke, wie es durch die Dicke t des Teils 60 wiedergegeben ist, wobei aber die verschiedenen Teile nicht dieselbe Dicke notwendigerweise besitzen müssen. Die Dicke des Teils 60 ist beispielsweise durch den gesamten Rauminhalt des Teils bestimmt, der sich meistens genau mit dem Rauminhalt der Lücke in dem Hohlraum 54 deckt, der durch den entfernten Bereich 46 aus dem Blatt 30 entstanden ist, wenn das Blatt zwischen die Formen 50 und 52 gelegt ist.
Die Formen 50 und 52 werden dann in der in Fig. 8 dargestellten Weise vollständig ineinandergepasst. Im Idealfall würde der Rauminhalt des Teils 60 gleich dem der erwähnten Lücke sein. In keinem Fall darf das Teil 60 eine Grösse besitzen, deren Rauminhalt geringer ist als der der erwähnten Lücke. Jede Toleranz, die auf Unbeständigkeiten der Ausmasse bei der Herstellung der Teile 60 beruhrt, muss eher eine Übergrösse als eine Untergrösse in bezug auf den erwähnten, idealen Rauminhalt besitzen. In der Praxis besitzt das Teil 60 ebenso wie alle anderen zusätzlichen, obenerwähnten Teile eine sehr geringe Übergrösse in der Grössenordnung von 0,01 bis 10% gegenüber dem angegebenen idealen Rauminhalt, um irgendwelche Unregelmässigkeiten und Abweichungen während des Ausschneidevorgangs zu kompensieren und das Blatt 30 für eine Wiederinstandsetzung vorzubereiten.
Der Zweck der Formstücke 24 bis 28 besteht natürlich darin, die Ausschneideschablonen zu standardisieren und derartige Unregelmässigkeiten auf ein Minimum herabzusetzen; es werden aber trotzdem einige geringe Abänderungen im Laufe einer Massenherstellung unvermeidlich auftreten.
Wenn das Werkstück und die Bearbeitungsteile in dem Behälter 62 untergebracht sind, wie es in Fig. 7 dargestellt und oben beschrieben ist, wird vorzugsweise über eine Leitung 64 eine Vakuumpumpe (die nicht dargestellt ist) angeschlossen. Der Behälter und sein Inhalt werden auf eine geeignete Temperatur erhitzt, um eine Diffusionsverbindung zu ermöglichen, die zwischen dem Material des Blattes 30 und den zusätzlichen Teilen auftritt, die an das Teil 60 angrenzen. Die Höhe einer derartigen Erwärmung hängt von der Grösse des Drucks ab, dem der Behälter 62 und sein Inhalt unterworfen ist, sowie von der Dauer der Einwirkung des Druckes bei den Verhältnissen, bei denen eine molekulare Diffusionsverbindung in festem Zustand der Werkstückmaterialien festgestellt wird.
Es sind verschiedene Materialien für eine Verwendung zu Schaufelblättern in Turbogebläsen geeignet; wegen seiner hohen Festigkeit und seines geringen Gewichts ist Titan oder eine Legierung aus Titan weitverbreitet, obwohl auch andere unterschiedliche Materialien bei verschiedenen anderen Gegenständen verwendet werden können, die durch das beschriebene Verfahren wiederinstandsetzbar sind. Wenn das Werkstückmaterial Titan ist, kann eine vollständige Verbindung zusammen mit der notwendigen Kriechdeformation, die erforderlich ist, um ein Teil 60 entsprechend den Konturen des Formenhohlraums 54 umzuformen, bei 8700 C und bei einem Druck von 70 kp/cm2 durchgeführt werden, wobei dieser Druck kontinuierlich 25 Stunden aufrechtzuerhalten ist, und beispielsweise in Richtung der in Fig. 7 dargestellten Pfeile 66 und 68 wirkt.
Selbstverständlich kann das beschriebene Verfahren in einem grossen Variationsbereich von Metallen und Legierungen und in Verbindung mit Gegenständen verschiedener
Grösse und Form durchgeführt werden; die Parameter zur Durchführung einer Festkörperdiffusionsverbindung ändern sich notwendigerweise mit jeder speziellen Wahl des Werkstückmaterials. Zu den Metallen und Legierungen, welche durch eine Festkörperdiffusionsverbindung miteinander verbunden werden können, gehören Aluminium, nichtrostender Stahl, Titan, Nickel, Tantal, Molybden, Zirkon und Niob.
Eine Diffusionsverbindung ist gekennzeichnet durch einen intermolekularen Austausch zwischen den sich berührenden Oberflächen des Werkstückes bei geeignetem Druck und bei geeigneten Temperaturen unter dem Schmelzpunkt des Werkstückmaterials. In einigen Fällen ist ein dünnes, dazwischenliegendes blattstarkes oder eutektisches Material verwendet, während in anderen Ausführungsformen der Festkörperverbindung kein dazwischenliegendes Material mehr notwendig ist.
Die genauen Werte der Zeitdauer, der Temperatur und des Druckes, die in Verbindung mit den zu verbindenden Werkstückmaterialien verwendet werden, stellen kein kritisches oder einschränkendes Merkmal des grossen Anwendungsbereichs des erfindungsgemässen Verfahrens dar, sondern es sind lediglich zum Zwecke der Illustration spezielle Materialien und Parameter angegeben. Genauso können sehr verschiedenartige Metalle und Legierungen für die Formen 50 und 52 verwendet werden, um das erfindungsgemässe Verfahren durchzuführen, obwohl harter Werkzeugstahl mit einem hohen Gehalt an Nickel und Kobalt aufgrund der relativ hohen Temperaturen und der Belastungsverhältnisse, denen die Formen unterworfen werden, bevorzugt wird. Beispielsweise wird 4130-Stahl in grossem Rahmen für derartige Formen kommerziell verwendet.
Wenn die Deformation des Teils 60 beendet ist, dann passen die Formen 50 und 52 vollständig aufeinander, wie in Fig. 8 dargestellt ist, wobei der Hohlraum 54 vollständig durch das wiederinstandgesetzte Schaufelblatt 70 ausgefüllt ist. Dabei kann ein schmaler Spalt zwischen den Formen bestehen, wie durch das Bezugszeichen 72 angedeutet ist. Der durch die Pfeile 66 und 68 angedeutete Druck wird durch die Formen und direkt auf die Werkstückelemente, die in dem Hohlraum 54 enthalten sind, übertragen. Durch den angelegten Druck wird die Deformation der zusätzlichen Teile, wie beispielsweise des Teils 60, erzeugt, wobei dieser Druck erforderlich ist, um die Teile in die endgültige, gewünschte Form des wiederhergestellten Schaufelblattes 70 umzuformen.
Darüber hinaus wird selbstverständlich durch Anlegen eines Druckes senkrecht zu dem Teil 60 ein seitlicher oder horizontaler Druck auf das Teil 60 gegen die es berührenden Teile des Blattes 30 und gegen den Hohlraum 54 in den Formen ausgeübt. Wenn die durch das Blatt 30 und den Hohlraum 54 bewirkte seitliche Beschränkung entfallen würde, würde aufgrund des auf das Teil 60 ausgeübten Drucks eine erhebliche Vergrösserung in der Länge und der Breite gleichzeitig mit der Verminderung der Dicke t hervorgerufen werden. Da aber die seitliche Deformation beschränkt ist, tritt aufgrund des auf den Behälter 62 ausgeübten vertikalen Drucks ein beträchtlicher senkrecht zu dem Teil 60 verlaufender Druck auf.
Diese seitliche Komponente des Drucks ist wesentlich für die molekulare Festkörperdiffusionsverbindung, die zwischen den sich berühren den Oberflächen des Schaufelblattes 30 und dem Teil 60 auftritt. Wenn der Rauminhalt des Teils 60 nicht ausreicht, um die durch das Entfernen von Material des Teils 30 hervorgerufene Lücke vollständig auszufüllen, so würde trotz dem eine vollständige Deformation des Teils 60 zustande kommen, ohne dass hierbei der notwendige seitliche Druck auftritt. Hieraus ergibt sich, dass die Dimensionen der zu sätzlichen Teile, wie beispielsweise des Teils 60, kritisch sind bei der Durchführung des beschriebenen Verfahrens.
Nachdem dann die aufeinanderfolgenden Schritte des oben besprochenen Verfahrens durchgeführt sind, wird der
Behälter 62 geöffnet und die Formen 50 und 52 werden von einander getrennt, um das Schaufelblatt 70 herausnehmen zu können. Das Blatt 70 stellt dann einen einzigen, massiven einheitlichen Körper dar, der vollständig homogen ist in bezug auf seine metallurgischen Eigenschaften und auf seine Zusammensetzung. Die äussere Form des Blattes 70 entspricht in jedem Detail vollkommen den Konturen des Hohlraums 54, wenn die Formen 50 und 52 vollständig aneinander anliegen, wie in Fig. 8 dargestellt ist.
Bei dem beschriebenen Verfahren sind auch keine weiteren Bearbeitungsvorgänge an dem Blatt 70 mehr notwendig; hieraus ergibt sich eine sehr bedeutende Einsparung an Zeit, Geld und Material, was bei Verwendung eines kostbaren Materials, wie beispielsweise Titan, noch von besonderer Bedeutung ist. In der Praxis ist manchmal an den endgültigen, wiederinstandgesetzten Blättern ein Entgraten der Kanten von Hand nötig; jedes dieser Blätter ist aber vollkommen mit den anderen identisch, die in demselben Satz von zusammenpassenden Formen 50 und 52 geformt sind.
Bei Anwendung des beschriebenen Verfahrens in Verbindung mit dem erläuterten Beispiel der Wiederinstandsetzung eines Schaufelblattes eines Turbogebläses wird im allgemeinen die unter der Bezeichnung Ti-6A1-4V bekannte Verbindung verwendet. Diese Verbindung besitzt etwa folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent:
Aluminium 5,5 bis 6,5 %
Vanadium 3,5 bis 4,5%
Kohlenstoff 0,08 bis 0,1%
Wasserstoff 0,010 bis 0,012%
Titan die jeweils fehlenden restlichen Prozente.
Wenn dieses Material sowohl bei dem Schaufelblatt 30 als auch bei dem Teil 60 sowie bei allen anderen zusätzlichen Teilen verwendet wird, die erforderlich sind, um den Hohlraum 54 in Fig. 7 vollständig auszufüllen, dann werden der Behälter 62 und sein Rauminhalt auf eine Temperatur von 900 bis 940 C erhitzt, wobei ein Vakuum von 1 x 10-4 mmHg oder weniger in dem Behälter aufrechterhalten wird. Die angegebene Temperatur wird für eine Dauer von ungefähr 8 bis ungefähr 16 Stunden aufrechterhalten, während ein Druck von ungefähr 140 kp/cm2 bis ungefähr 350 kp/cm2 in Richtung der Pfeile 66 und 68 für die angegebene Zeitdauer angelegt wird.
Wenn nur eine geringe Deformation des Teils 60 und der anderen zusätzlichen Teile erforderlich ist, wenn sie beispielsweise in etwa der aerodynamischen Form des endgültigen Teils vor dem Verbindungsverfahrensschritt angepasst sind, so ist der niedrige Wert der vorher angegebenen Druck- und Zeitdauerbereiche anwendbar.
Method of repairing a worn or damaged metal object
The invention relates to a method of repairing a worn or damaged metal object.
Turbine jet or turbine blower engines, as used, for example, in modern civil and military aviation, contain many compressor and turbine impellers that are manufactured with great precision. The design and reliability of the engines depends essentially on the detailed design of the shape and the structural properties of these blades. The axial compressors of such jet engines contain up to 20 compression stages, which correspond to the same number of rows of blades, each of which in turn contains 50 to 150 individual blades. The moving rows of the blades are separated by stationary rows very closely spaced, the dimensional accuracy of the blades being of great importance.
Similarly, in turbine jet engines, each individual airfoil is designed for maximum efficiency at the calculated rotational speed, with the pitch angle decreasing at each radial location along the airfoil length as the tangential speed increases. The accuracy of such a contour of an airfoil is of great importance for bringing about a suitable aerodynamic design of the blade. In addition, the structural nature of the blades is of very great importance because of the high centrifugal stresses and elevated temperatures to which the blades are exposed during high speed rotation under normal operating conditions.
If a blade is damaged, for example, by a foreign object, by wear, temperature or stress, so that local twisting or microscopic cracking occurs as a result, the blade becomes too unsafe for use in aviation technology.
Therefore, as soon as any abnormal deviation or defect in shape, dimension, structural condition or surface smoothness was found in the compressor or turbo fan blades, the blades were immediately completely discarded and replaced with new blades. Because of the special care and the costs involved in the production of such blades, as well as the valuable material used, the replacement of such blades is the greatest cost item in the maintenance of turbine jet and turbo fan engines.
According to the present invention, therefore, a method for repairing z. B. provided by metal objects in which localized defects, such as cracks, holes, dents, surface erosion, areas of wear or other dimension defects that have occurred for any reason have been found.
According to the invention, this method is characterized in that first of all two matching molds are provided which delimit a cavity with the exact size and shape of the object in the new and undamaged state, whereupon part of the object including the worn or damaged area is removed and then the object is introduced into the molds together with at least one additional metal section, which is arranged at the removal point of said part and corresponds to the material of the object, the volume of this metal section at least corresponding to that of the removed part and the molds then being exposed to heat and pressure.
Embodiments of the present invention are explained in more detail with reference to the following description in conjunction with the accompanying drawings. Show it:
1 shows a damaged airfoil of a turbo blower drive,
FIG. 2 shows the object according to FIG. 1 in an intermediate stage of the repair process,
3 shows an object similar to FIG. 1, in which there is a different type of damage,
4 shows an embodiment of fittings which can be used for cut-out, damaged parts of an airfoil of a turbo blower together with a cut-out airfoil,
5 shows a completed, again repaired blade,
Fig. 6 is a perspective view of a mold that can be used during the setting stage of the repair process, and the
7 and 8 show a cross-sectional view along the line 7-7 of FIG.
4 and 6 showing work and workpiece elements in two stages of the setting process to produce a refurbished sheet of FIG.
The drawings show an application of the method disclosed herein in connection with the repair of airfoils of a turbo fan, such as blade 10 in FIG. 1. In the illustrated embodiment, the airfoil 10 is provided with a solid base 12 with flanges or similar devices to firmly wedge the blade onto a rotating hub or something similar (which is not shown). The airfoil 10 is in the shape of a streamlined body with a gradually changing angle of incidence between the base part 12 and the distal end or upper part 14 in the manner familiar with aircraft propeller blades. The leading and trailing edges of sheet 10 are identified by reference numerals 16 and 18.
Between the blade parts 12 and 14, the airfoil 10 is equipped with a stabilizing device in the form of platform-like devices which look out on both sides of the blade in opposite directions. but of which only one (20) is visible in FIG. 1. If many. When blades identical to blade 10 are attached to the entire timeline around a hub, the aforesaid intermediate platform-like projections 20 contact each other between each pair of adjoining blades to form a circumferential segment-like edge, the segments of which contain platform-like projections 20.
Each of these projections is then arranged to be firmly supported against the next adjacent projection and to stabilize it against impact or vibration effects in the individual blades during the high speed rotation of the turbo fan.
In turbo blowers of the conventional type, a blade 10 has an overall length on the order of 30 to 38 cm or more. The streamlined contours of the blade 10 are precisely calculated and manufactured. in order to generate maximum efficiency of the engine training at the specific speed and pressure conditions at which the engine in which such blades are installed operates. Some dents, holes or other localized deformations in the contours of the blade 10 seriously compromise the aerodynamic properties of the blade and are therefore completely incompatible.
In the case shown in Fig. 1, a sheet 10 contains a damaged part ″. as it often occurs in aviation when a foreign body gets into the intake air flow of a turbo blower engine during operation. When the engines of civil aviation companies are currently being checked, if the method according to the invention were not yet available, a blade 10 would have to be discarded and replaced by a new blade in the event of such damage.
According to FIG. 2, the method for repairing a sheet 10 begins with cutting or another suitable method step, the part of the sheet 10 which contains the damaged area 22 being removed from the sheet. The removed part has a predetermined size and shape which corresponds to a fitting 24. In the sheet 30 shown in FIG. 3, erosion damage is shown along the entire length of the leading edge 16 of a sheet, as can usually occur. The blade 30 may have other damaged portions 32 and 34 in addition to the erosion area 36 on the leading edge. Any change to a normal extent. how they occur due to wear of a blade for any reason during operation can be overcome by the method of reconditioning according to the invention.
As can be seen in particular from FIG. 4, in addition to the shaped piece 24, further additional shaped pieces 25, 26, 27 and 28 are provided, as a result of which the parts of the sheet 30 are determined which must be removed from it; this ensures that no more damaged areas remain on the sheet 30 after the cutting out of the damaged areas has been completed. The parts of the sheet 30 to be removed are specified by the shaped pieces 24 to 28 to be inserted with the reference numerals 44 to 48 and by marking or some other type of marking of the sheet 30 in order to define the outer line of the shaped pieces.
Of course, the fittings 24-28 represent standardized areas of predetermined size and location, which correspond to the parts of the blades 10 and 30 which are most frequently damaged during operation; the fittings are for a sheet repair
10 and 30 are envisaged on a mass production basis. The parts of the blades 10 and 30 that are removed by cutting out these parts are replaced with additional parts made of the same material as that used for the airfoils; such parts have the same shape and the same surface area as the shaped pieces 24 to 28, but they do not necessarily have the same thickness.
For example, in Fig. 4, the additional part has. which is required to replace the material defined by sheet 30 and area 46, the same shape and configuration as area 46; it is provided with the reference number 60 in FIG. 7. In FIGS. 7 and 8, the method according to the invention includes in this case the use of holding molds or molding devices. as represented by mating shapes 50 and 52, for example.
The molds 50 and 52 can be made by any known suitable method, for example by pouring plaster molds or by milling out metal blocks. When the molds 50 and 52 are completely fitted into one another, they enclose a cavity 54 which is delimited by the workpiece surfaces 56 and 58 of the two molds 50 and 52. The cavity 54 has a shape which exactly corresponds to the surfaces of a restored new airfoil that completely conforms to the blades 10 or 30, but with no damage or defects.
After the cutting-out process shown for example in FIG. 4 has been completed, the sheet 30 is placed in the lower mold 52 together with additional parts. which correspond in size and position to the areas 44 to 48 shown in FIG. 4 and are accommodated in the manner proposed.
The additional part 60 shown in FIG. 7, for example, takes up the empty space that has been created by removing the material which is defined by the area 46 in FIG. While the part 60 has essentially the same circumferential dimensions as the area 46. the thickness t is uniformly the same over the entire part 60; this is of particular importance when performing the method described.
In Fig. 7, the sheet 30 with the damaged parts removed is placed between the mating molds 50 and 52 in a container 62 surrounding these molds.
The part 60 is placed in the cavity 54 in the place which is exposed by the removal of the area 46 from the sheet 30, the additional further parts are accommodated in the same way at the places indicated by the areas 44 to 48 in FIG are given. Each of the additional parts used has a substantially uniform thickness, as is represented by the thickness t of the part 60, but the various parts need not necessarily have the same thickness. The thickness of the part 60 is determined, for example, by the total volume of the part, which in most cases exactly coincides with the volume of the gap in the cavity 54 that has been created by the area 46 removed from the sheet 30 when the sheet is between the molds 50 and 52 is placed.
The molds 50 and 52 are then completely nested as shown in FIG. Ideally, the volume of part 60 would be the same as that of the gap mentioned. In no case may the part 60 have a size whose volume is less than that of the gap mentioned. Any tolerance relating to dimensional inconsistencies in the manufacture of the parts 60 must be oversized rather than undersized with respect to the aforementioned ideal volume. In practice, the part 60, like all the other additional parts mentioned above, has a very small oversize in the order of magnitude of 0.01 to 10% compared to the specified ideal volume in order to compensate for any irregularities and deviations during the cutting process and the sheet 30 for prepare for a repair.
The purpose of the fittings 24 to 28 is of course to standardize the cutout templates and to reduce such irregularities to a minimum; however, some minor changes will inevitably occur in the course of mass production.
When the workpiece and the machining parts are accommodated in the container 62, as shown in FIG. 7 and described above, a vacuum pump (which is not shown) is preferably connected via a line 64. The container and its contents are heated to a suitable temperature to allow diffusion bonding to occur between the material of sheet 30 and the additional parts adjacent to part 60. The amount of such heating depends on the magnitude of the pressure to which the container 62 and its contents are subjected and on the duration of the application of the pressure under the conditions at which a molecular diffusion bond is observed in the solid state of the workpiece materials.
Various materials are suitable for use in airfoils in turbo blowers; titanium or an alloy of titanium is widely used because of its high strength and light weight, although other different materials can be used in various other articles that are reconditionable by the method described. If the workpiece material is titanium, complete bonding, along with the necessary creep deformation required to reshape part 60 according to the contours of mold cavity 54, can be performed at 8700 C and at a pressure of 70 kgf / cm2, which pressure is to be maintained continuously for 25 hours, and acts, for example, in the direction of arrows 66 and 68 shown in FIG.
Of course, the method described can be used in a wide range of metals and alloys and in connection with objects of different types
Size and shape are carried out; the parameters for performing solid diffusion bonding will necessarily change with any particular choice of workpiece material. The metals and alloys that can be bonded together by a solid diffusion bond include aluminum, stainless steel, titanium, nickel, tantalum, molybdenum, zirconium and niobium.
A diffusion connection is characterized by an intermolecular exchange between the contacting surfaces of the workpiece at suitable pressure and at suitable temperatures below the melting point of the workpiece material. In some cases, a thin, intervening sheet-thick or eutectic material is used, while in other embodiments of the solid state connection, an intervening material is no longer necessary.
The exact values of the duration, the temperature and the pressure which are used in connection with the workpiece materials to be joined are not a critical or limiting feature of the wide range of application of the method according to the invention, but rather special materials and parameters are given for the purpose of illustration . Likewise, very different metals and alloys can be used for the molds 50 and 52 to carry out the inventive method, although hard tool steel with a high content of nickel and cobalt is preferred because of the relatively high temperatures and the stress conditions to which the molds are subjected . For example, 4130 steel is widely used commercially for such shapes.
When the deformation of the part 60 is complete, the shapes 50 and 52 will fit completely together, as shown in FIG. 8, with the cavity 54 being completely filled by the refurbished airfoil 70. There can be a narrow gap between the shapes, as indicated by the reference numeral 72. The pressure indicated by the arrows 66 and 68 is transmitted through the molds and directly to the workpiece elements contained in the cavity 54. The applied pressure creates the deformation of the additional parts, such as part 60, which pressure is required to reshape the parts into the final, desired shape of the restored airfoil 70.
In addition, of course, by applying pressure perpendicular to the part 60, lateral or horizontal pressure is exerted on the part 60 against the parts of the sheet 30 in contact with it and against the cavity 54 in the molds. If the lateral restriction imposed by blade 30 and cavity 54 were removed, the pressure exerted on member 60 would produce a significant increase in length and width at the same time as the decrease in thickness t. However, since the lateral deformation is limited, a considerable pressure perpendicular to the part 60 occurs due to the vertical pressure exerted on the container 62.
This lateral component of the pressure is essential to the solid-state molecular diffusion bond that occurs between the contacting surfaces of the airfoil 30 and the part 60. If the volume of the part 60 is not sufficient to completely fill the gap caused by the removal of material from the part 30, a complete deformation of the part 60 would still occur without the necessary lateral pressure occurring. It follows from this that the dimensions of the additional parts, such as part 60, are critical when carrying out the described method.
Then, after the sequential steps of the method discussed above are performed, the
Container 62 is opened and the molds 50 and 52 are separated from one another to allow the airfoil 70 to be removed. The sheet 70 then constitutes a single, solid, unitary body which is completely homogeneous in terms of its metallurgical properties and of its composition. The external shape of the blade 70 corresponds perfectly in every detail to the contours of the cavity 54 when the molds 50 and 52 are completely in contact with one another, as shown in FIG.
With the method described, no further processing operations are necessary on the sheet 70; this results in a very significant saving in time, money and material, which is particularly important when using a valuable material such as titanium. In practice, the final, reconditioned blades sometimes require hand deburring of the edges; however, each of these sheets is completely identical to the others formed in the same set of mating molds 50 and 52.
When using the method described in connection with the illustrated example of the repair of an airfoil of a turbo blower, the compound known under the designation Ti-6A1-4V is generally used. This compound has approximately the following composition in percent by weight:
Aluminum 5.5 to 6.5%
Vanadium 3.5 to 4.5%
Carbon 0.08 to 0.1%
Hydrogen 0.010 to 0.012%
Titan the remaining missing percentages.
If this material is used in both the airfoil 30 and part 60, as well as any other additional parts required to completely fill the cavity 54 in FIG. 7, then the container 62 and its volume will be heated to a temperature of Heated at 900 to 940 C while maintaining a vacuum of 1 x 10-4 mmHg or less in the container. The indicated temperature is maintained for a period of about 8 to about 16 hours while a pressure of about 140 kgf / cm2 to about 350 kgf / cm2 is applied in the direction of arrows 66 and 68 for the indicated period of time.
If little deformation of the part 60 and the other additional parts is required, such as when roughly conforming to the aerodynamic shape of the final part prior to the joining process step, then the low value of the pressure and duration ranges given earlier apply.