DE1056908B - Verfahren zur Herstellung von laenglichen Metallkoerpern mit laengsverlaufenden Hohlraeumen, insbesondere von Gasturbinenschaufeln - Google Patents

Description

Die Herstellung von länglichen Metallkörpern mit längsverlaufenden Löchern ist in der Weise möglich, daß man Löcher, die in einen als Ausgangswerkstück dienenden Block gebohrt sind, mit einem. Füllstoff füllt, den Block hierauf im Fließpreßverfahren oder auf andere Weise warmverformt und den Füllstoff schließlich wieder entfernt. Ein Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß man im endgültigen Erzeugnis Löcher sehr kleinen Querschnitts erhalten kann. Insbesondere können auf diese Weise Turbinenschaufeln mit Kanälen für den Durchfluß eines Kühlmittels hergestellt werden. Bei solchen Turbinenschaufeln müssen die Kanäle im Querschnitt meist nicht nur sehr klein sein, sondern auch von der Kreisform abweichen. Beim Bohren entstehen zwar nur kreisrunde Löcher. Bei der Warmverformung kann jedoch der Füllstoff auf eine von der Kreisform abweichende Form gebracht werden, wenn man beispielsweise den Block im Fließpreßverfahren durch einen Aufnehmer mit entsprechend geformter Öffnung preßt

Enthält der Block Einlagen von kreiszylindrischer Form und wird daraus ein Rohling für eine gekühlte Schaufel durch Fließpressen oder Schmieden, oder auch durch Anwendung beider Verfahren hergestellt, so hängt die endgültige Gestalt der Kühlkanäle, die der Einlage entsprechen, von der äußeren Schaufelform ab. Hat die Schaufel ein Flügelprofil, dessen Querschnitt vom Fuß zum freien. Schaufelende abnimmt, so vermindert sich auch der Querschnitt der Kühlkanäle vom Fuß zum freien Ende. Der dadurch entstehende erhöhte' Strömungswiderstand für den kühlenden Luftstrom wird nachteilig empfunden. Es ist außerdem schwierig, die Kühlkanäle parallel zum Mantel des Flügelprofils verlaufen zu lassen, wie dies in Hinblick auf gleichmäßige Kühlung wünschenswert ist.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Warmstreckverformen von Metallwerkstücken mit einem oder mehreren längsverlaufenden Hohlräumen, deren Querschnitt mit dem Querschnitt des Werkstückes unter Verwendung von sie ausfüllenden, später wieder entfernten, verformbaren Einlagen nach Inhalt und gegebenenfalls Profil geändert wird. Dieses Verfahren soll insbesondere für die Herstellung von +5 Turbinenschaufeln dienen. Die Erfindung besteht darin, daß das Ausgangswerkstück durch Umgießen einer Einlage mit dem Metall des Werkstückes erzeugt wird.

Bei einer Ausführungsform, dieses Verfahrens wird eine Einlage aus brüchigem Stoff verwendet, die nach dem Gießen entfernt und vor der Wamverformung durch einen verformbaren Füllstoff ersetzt wird.

Es ist an sich bekannt, Turbinenschaufeln mit in Verfahren zur Herstellung

von länglichen Metallkörpern

mit längsverlaufenden Hohlräumen,

insbesondere von Gasturbinenschaufeln

Anmelder:

Henry Wiggin & Company Limited,
London

Vertreter: Dr.-Ing. G. Eichenberg

und Dipl.-Ing. H. Sauerland, Patentanwälte,

Düsseldorf, Ceeilienallee 76

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 20. Juni 1956

Harold William George Hignett,

Birmingham, Warwick,
und Philip George Turner, Inkberrow, Worcestershire

(Großbritannien),
sind als Erfinder genannt worden

die Form eingelegten Drähten aus einem nachträglich entfernbaren Material zu gießen, um - damit Kühlkanäle zu schaffen. Dabei stellt das Gußstück aber schon das endgültige Erzeugnis dar. Durch Warmverformung hergestellte. Schaufeln haben jedoch wesentlich bessere Eigenschaften als gegossene Schaufeln. Das gilt auch für andere Teile, die bei hoher Temperatur stark beansprucht werden. Sie zeigen unter anderem geringere Ermüdung und größere Widerstandsfähigkeit gegen thermische Stöße als formgleiche Körper aus der gleichen Legierung, die gegossen sind. Schaufeln und andere ähnlich, beanspruchte Teile, die durch Warmverformung hergestellt sind, verdienen daher den Vorzug.

Teile der in Rede stehenden Art direkt in ihre endgültige Form zu gießen, hat den weiteren Nachteil, daß die hauptsächlich in Betracht kommenden Legierungen, nämlich Nickel-Chrom- und Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen mit Elementen, die eine Ausscheidungsphase bilden, sich schwer in verwickelte Formen gießen lassen, weil die Legierungen schlechte Fließeigenschaften haben. Beim Verfahren nach der Erfindung können beim Gießen des Metalls um die

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ungleichmäßig geformte Einlage solche Mangel zu- anschließende Herausätzen des Füllstoffes dadurch

nächst gleichfalls auftreten. Dies ist indessen ohne beschleunigt wird, insbesondere wenn man die Ätz-

Bedeutung, weil diese Mangel bei den nachfolgenden flüssigkeit von beiden Enden her angreifen läßt.

Verfahrensschritten beseitigt werden. Wird der her- Arbeitet man mit einer Einlage aus brüchigem

zustellende Körper direkt in die endgültige Form ge- 5 Stoff, die nach dem Gießen entfernt und durch einen

gössen, dann wird überdies die Einlage, die dann mit anderen Stoff ersetzt wird, so verwendet man z. B.

der endgültigen Gestalt der Kühlkanäle überein- Kieselsäure, Zirkonerde oder andere feuerfeste Stoffe,

stimmt, im Querschnitt häufig sehr schwach und Das Brechen kann von Hand mittels einer feinen

somit zerbrechlich. Beim Verfahren nach der Erfin- Sonde geschehen, und die gebrochene Einlage kann

dung kann selbst eine verwickelt geformte Einlage i° dann aus den Löchern herausgeschüttelt werden. Der

kräftig gehalten werden, da sie erst bei der dem Vorteil einer Einlage aus brüchigem Stoff, etwa als

Gießen folgenden Verformung auf den kleineren vorgeformter Kieselsäurestab, besteht darin, daß der-

Querschnitt gebracht wird. artiges Material verhältnismäßig weich ist und daher

GegosseneLegierungen, insbesondere Nickel-Chrom- während des Abkühlens des Knüppels nicht Anlaß zu und Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen, neigen zur 15 Rißbildung gibt, wenn das Metall schrumpft.
Bildung groben Kornes. Wird eine grobkörnige Le- In jedem Fall können die Einlagen, gleich ob sie gierung verformt, so kann dabei die Querschnittsform nach dem Gießen entfernt und durch einen anderen der noch mit Füllstoff gefüllten Löcher derart un- Stoff ersetzt werden oder nicht, so gestaltet werden, regelmäßig werden, daß die entstehenden Kanäle für daß bei der Formung der Turbinenschaufel aus dem ihren Zweck nicht mehr brauchbar sind. Deshalb ^ao Gußstück zugleich die Kühlkanäle in die endgültige empfiehlt es sich, für möglichst feinkörniges Metall Form und Verteilung übergehen. Man kann auf diese beim Gießen zu sorgen und außerdem die Korngröße Weise Kühlkanäle schaffen, die parallel zur Schaufelwährend der Erstarrung zu reduzieren. Diese Redu- fläche verlaufen und sich entweder am Schaufelfuß zierung kann in irgendeiner üblichen Weise geschehen. oder einem etwa vorhandenen Deckbandkopf oder an Beispielsweise wird das Metall bei verhältnismäßig 25 beiden Stellen vereinigen und in der Fußmitte oder niedriger Temperatur gegossen, so daß so viel Metall der Mitte des Deckbandkopfes nach außen münden, wie nur möglich gleichzeitig erstarrt und nur der ge- und zwar in Form eines einzigen Kanals, dessen Vorringstmögliche Anteil Gelegenheit zur Bildung groben handensein sich bei der Befestigung der Schaufel am Kornes hat. Das Metall kann außerdem während der Läufer nicht störend auswirkt. Der Schaufelfuß kann Erstarrung elektromagnetischen Wirkungen ausge- 30 daher die übliche Tannenzapfenform oder irgendeine setzt werden. Auch kann die Form bei Schall- oder andere Form behalten.

Überschallfrequenzen in Schwingungen versetzt wer- Das Verfahren nach der Erfindung bietet den

den. Außerdem kann während des Gießens pulveri- wesentlichen Vorteil, daß der Block nicht gebohrt zu

siertes Material beigegeben werden, das dieselbe kri- werden braucht. Es erfordert etwa 20 Minuten, um

stallinische Struktur wie das Gußmetall hat, um da- 35 ein Loch von 10 mm Durchmesser und 125 mm Länge

durch zusätzliche Kerne für die Kristallbildung wäh- in einen Körper aus einer Nickel-Chrom-Kobalt-

rend des Erstarrens zu schaffen. Legierung zu bohren, wie sie für sehr hohen Tempe-

Es gelang beispielsweise, durch mechanisch er- raturen ausgesetzte Turbinenschaufeln verwendet

zeugte Schwingungen mit einer Frequenz von 100 Hz wird, und es ist ganz außerordentlich schwierig,

und einer Amplitude zwischen 0,5 und 1,25 mm die 40 Löcher von nur einigermaßen brauchbarer Länge zu

Gußstruktur eines Blockes von 100 mm Durchmesser bohren, wenn der Durchmesser kleiner als 3 mm ist.

wesentlich zu verfeinern. Die Tiefe der Zone mit Die Erfindung ist in den Fig. 1 bis 19 beispiels-

stengeliger Struktur wurde von 50 auf 12 mm redu- weise veranschaulicht.

ziert, der Volumenanteil gleichgerichteter Kristalle In Fig. 1 ist ein als Präzisionsgußstück hergestell-

von 2°/o auf annähernd 40% des gesamten Block- 45 ter Körper dargestellt, der als Einlage dient. Er be-

volumens erhöht und die Kristallgröße auf ein Viertel steht aus einem Steg 1 mit vier davon ausgehenden

der Größe der ohne Schwingungen erhältlichen Kri- Zapfen 2 und einem Fortsatz 3, der in eine Ausneh-

stalle herabgesetzt. mung am Boden der Gießform gesetzt wird und damit

Das gewöhnliche Verfahren zur Herstellung innerer die Einlage in der Form festlegt.
Kanäle durch spanabhebende Bearbeitung, ist im 5" Fig. 2 zeigt einen Block 4 aus einer Legierung, die wesentlichen auf-das Bohren kreiszylindrischer Löcher um die Einlage nach Fig. 1 herumgegossen ist.
beschränkt. Kompliziertere Querschnittsformen können Fig. 3 zeigt die Form, die der Block angenommen nur mit einem erheblich größeren maschinellen Auf- hat, nachdem er durch Fließpressen unter Querwand, insbesondere durch Stoßen, hergestellt werden. Schnittsverminderung auf größere Länge gebracht Mit der Verwendung vorgeformter Einlagestücke 55 worden ist. Nur der Vorderteil des Blockes ist durch liefert die Erfindung die Möglichkeit, innere Kanäle einen Aufnehmer mit einer öffnung gepreßt worden, nahezu beliebig verwickelter und räumlich veränder- die ungefähr das Flügelprofil der herzustellenden licher Form auf einfache Weise zu schaffen. Schaufel hat. Dabei hat sich die Länge der Zapfen

Wird die Einlage selbst der Warmverformung vergrößert und zugleich ihr Querschnitt vermindert, unterworfen, so besteht sie aus einem Stoff, der fähig 60 Der Steg 1, der nicht aus dem Aufnehmer gepreßt ist, mit dem Gußmetall zu fließen. Die Einlage kann worden ist, hat keine Änderung erfahren,
dann auch aus Metall bestehen, beispielsweise aus Fig. 4 zeigt eine Turbinenschaufel., deren Schaufeleiner Eisen-Mangan-Titan-Legierung. Siewirdzweck- teil aus deniRohling nach Fig. 4 durch spanabhebende mäßig als Präzisionsgußstück hergestellt. Statt .dessen Bearbeitung entstanden ist Zugleich ist der Fuß auf kann die Einlage auch aus mit Magnesia gesintertem 65 Tannenzapfenform 5 heruntergearbeitet worden. Wird Eisen bestehen. Derartige Füllstoffe können leicht der Stoff, aus dem die Einlage besteht, durch Ätzen nach der Verformung durch Ätzen mit Säure entfernt mit Säure entfernt, so .entsteht im Fuß 5 der Schaufel werden. ein .Sammelraum, von dem vier Kanäle ausgehen, die

Vorteilhaft läßt man die Einlage an einem oder sich entsprechend den verformten Zapfen längs des

beiden Enden aus dem Gußstück vorstehen, da das 70 Schaufelteiles in dessen Innern erstrecken.

Claims (4)

Fig. 5 bis 9 veranschaulichen einige der zahlreichen Möglichkeiten, die Abmessungen und Formen der Kanäle verschieden zu beeinflussen. Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch einen teilweise fließgepreßten Block mit einer Einlage, deren Zapfen 6 über die ganze Länge den gleichen Querschnitt haben. In Fig. 6 ist der verformte Teil des Blockes spanabhebend auf die endgültige Schaufelform gebracht worden. Im Beispiel nach Fig. 7 ist das gleiche dadurch geschehen, daß der S chaufel teil auf vom Fuß zur Spitze gleichmäßig abnehmenden Querschnitt heruntergewalzt ist. Der teilweise fließgepreßte Block nach Fig. 8 enthält eine Einlage, deren Zapfen 6 im Querschnitt von den freien Enden zum Steg hin abnehmen. Der Schaufelteil des Werkstückes nach Fig. 8 ist dann auf die endgültige Schaufelform gemäß Fig. 9 mit vom Fuß zur Spitze allmählich abnehmendem Querschnitt heruntergewalzt worden. Dabei sind die Zapfen der Einlage so verformt worden, daß ihr Querschnitt nunmehr im wesentlichen über die ganze Länge gleich ist. Das in Fig. 9 veranschaulichte Ergebnis des Verfahrens ist besonders wertvoll und kann auf andere Weise nur mit Schwierigkeiten erhalten werden. In Fig. 10 bis 12 ist gezeigt, wie an der Schaufel ein Deckbandkopf ausgebildet werden kann. Man sorgt beim Gießen des Blockes um die Einlage dafür, daß eine beträchtliche Metallmenge vor den Zapfenenden der Einlage liegt, so daß der Block beim Fließpressen die in Fig. 10 gezeigte Form annimmt. Der Teil I1 der sich über die Zapfenenden der Einlage hinaus erstreckt, wird dann gestaucht, so daß er in die Form nach Fig. 11 übergeht. Dieser Vorgang hat keinen Einfluß auf die Zapfen der Einlage. Durch weiteres Stauchen wird dann ein Drehbandkopf 8 gemäß Fig. 12 gebildet. Soll ein Block gegossen werden, aus dem mehrere Turbinenschaufeln hergestellt werden können, so werden die Einlagen für die einzelnen Schaufeln zweckmäßig zu einem zusammenhängenden Körper gemäß Fig. 13 vereinigt. Um diese Einlage wird Metall gegössen, so daß ein Gebilde gemäß Fig. 14 entsteht. Dieses Gebilde nimmt nach dem Fließpressen die Gestalt nach Fig. 15 an. Der Körper nach Fig. 15 kann dann in einzelne Blöcke geschnitten werden, von denen einer in Fig. 16 wiedergegeben ist. Ein derartiger Block kann dann spanabhebend auf dieHantelform nach Fig. 17 gebracht und aus dem hanteiförmigen Körper eine Schaufel gemäß Fig. 18 geschmiedet werden. Aus der geschmiedeten Schaufel entsteht schließlich durch spanabhebende Formung die endgültige Schaufel gemäß Fig. 19. Patentansprüche:

1. Verfahren zum Warmstreckverformen von Metallwerkstücken mit einem oder mehreren längs verlauf enden Hohlräumen, deren Querschnitt mit dem Querschnitt des Werkstückes unter Verwendung von sie ausfüllenden, später wieder entfernten, verformbaren Einlagen nach Inhalt und gegebenenfalls Profil geändert wird, insbesondere für die Herstellung von Turbinenschaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangswerkstück durch Umgießen einer Einlage (1, 2, 3) mit dem Metall des Werkstückes erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einlage aus brüchigem Stoff verwendet wird, die nach dem Gießen entfernt und vor der Warmverformung durch einen verformbaren Füllstoff ersetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangswerkstück mit einer Einlage, die aus einem Steg (1) mit von ihm ausgehenden Zapfen (2) besteht, nur auf dem die Zapfen enthaltenden Längs abschnitt zu einem Schaufelteil mit Kühlkanälen warmverformt wird und der den Steg der Einlage enthaltende unverformte Abschnitt den Schaufelfuß bildet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein S chaufel teil mit über seine Länge gleichbleibenden Gesamtquerschnitten, aber vom Steg (1) der Einlage zum freien Ende des Schaufelteiles hin zunehmenden Zapfenquerschnitten zu einem Schaufelteil warmverformt wird, dessen Gesamtquerschnitte zum freien Ende hin stetig abnehmen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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