DE1297962B

DE1297962B - Verfahren zum Schweissen (Diffusionsverbinden) von Werkstuecken aus einer Nickellegierung

Info

Publication number: DE1297962B
Application number: DE1963R0036644
Authority: DE
Inventors: Bye Peter William John; Bird Jack Raymond; Hall Douglas Wilson
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1962-11-28
Filing date: 1963-11-25
Publication date: 1969-06-19
Also published as: GB1022027A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schweißen (Diffusionsverbinden) von Werkstücken aus einer Nickellegierung, insbesondere von Teilen von Gasturbinenschaufeln, bei dem die Werkstücke sich in Paßflächen berühren.
Es ist bekannt, die Schweißung von Werkstücken durch Flächenberührung bei einer in der Nähe der Soliduslinie des Werkstoffes liegenden Temperatur durchzuführen. Hierbei wurde auf die zu verbindenden Werkstücke ein erheblicher, gegeneinander gerichteter Druck ausgeübt, der bewirkte, daß die an den Berührungsstellen teigig bzw. schmelzflüssig gewordenen Werkstücke miteinander so weit angenähert wurden, daß die Diffusionsbindung einsetzen bzw. fortschreiten konnte. Um dabei eine Verschiebung der Werkstücke längs ihrer Berührungsfläche zu vermeiden, muß die Druckrichtung sehr genau festgelegt werden, und die Werkstücke müssen präzise eingespannt werden, was bei der Massenherstellung, z. B. der Herstellung von Turbinenschaufeln, sehr beschwerlich ist. Außerdem bedingen die angewandten Drücke außer einer möglichen Verzerrung und Verschiebung an den Paßflächen unterschiedliche Maße der Zusammendrückung, so daß die Toleranzen relativ hoch und beispielsweise für Gasturbinenschaufeln unzulässig werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Schweißung von Werkstücken einfacher und mit einem höheren Grad an Genauigkeit durchzuführen.
Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß die Werkstücke durch Schweißung (Diffusionsbindung) bei einer Temperatur verbunden werden, die der Solidustemperatur der Legierung entspricht oder vorzugsweise 0,5 bis 15° C unter dieser Temperatur liegt, in einem Vakuum von etwa 5X10-5 Torr. Dadurch wird gewährleistet, daß die Formstabilität der Einzelwerkstücke erhalten bleibt und nach dem Diffusionsschweißvorgang die Endabmessungen auch über die Schweißnaht gemessen die gleichen sind, die vor dem Verschweißen beim dichten Aneinanderlegen der Paßflächen gemessen wurden. Das erforderliche Vakuum kann dabei leicht in einer Kammer hergestellt werden, in der eine Anzahl zu verbindender Werkstücke, z. B. mehrere Turbinenschaufeln, untergebracht sind, ohne daß eine besondere Einspannung dieser Werkstücke erforderlich wäre. Es hat sich gezeigt, daß diese Vakuumanordnung eine gleichmäßige Schweißung (Diffusionsbindung) über die gesamte Paßfläche bewirkt, ohne. daß die Teile an ihren Paßflächen im teigigen oder schmelzflüssigen Zustand miteinander verschweißen.
Die zu verbindenden Werkstücke können zweckmäßigerweise durch pulvermetallurgische Verfahren hergestellt werden oder auch durch einen Sinterungsvorgang.
Insbesondere ist die Erfindung für die Herstellung von Turbinenschaufeln von Gasturbinenstrahltriebwerken anwendbar, in denen Kühlkanäle ausgebildet sind. Hierbei werden die Schlitze in den Paßflächen ausgebildet, und das erfindungsgemäße Schweißverfahren (Diffusionsverbindungsverfahren) gewährleistet, daß diese Schlitze bzw. andere Bohrungen Kanäle od. dgl. in der gewünschten Weise in Deckung maß- . genau verbleiben.
Infolge der stromlinienförmigen Gestaltung der Turbinenschaufel ist die Größe und Anzahl der für eine maximale Kühlwirkung erforderlichen Luftkanäle durch die bisher bekannten Verfahren zur Herstellung der Löcher in dem Profil beschränkt. Bisher wurden z. B. die Kanäle in den stranggepreßten vorgeformten Schaufeln eingebohrt, oder es folgte eine Elektrobearbeitung der Löcher. Außerdem ist es durch die Entwicklung von hochtemperaturbeständigen Superlegierungen, die den Spannungs-/Temperaturbedingungen in einem Gasturbinentriebwerk standhalten können, immer schwieriger geworden, kleine Kanäle über die Gesamtlänge der Schaufel zu bohren oder auf elektrische Weise zu bilden und gleichzeitig die erforderliche Genauigkeit und die erforderlichen Relativstellungen zu gewährleisten, und es sind überdies nur verhältnismäßig einfache Ausführungen auf diese Weise herstellbar.
Ein Ziel der Erfindung besteht bei Anwendung auf Gasturbinenschaufeln darin, das mechanische Problem der Bildung von Kanälen zu lösen. Gemäß der Erfindung werden bei Anwendung auf Gasturbinenschaufeln durch an sich bekannte Verfahren Schlitze in der Oberfläche wenigstens eines Teiles eines Schmiedestückes oder einer Schaufel angebracht, wobei die Oberfläche oder die Oberflächen in dem Teil so gewählt werden, daß sie sich mit der Stellung decken, wo im Inneren der fertiggestellten Schaufel die Kanäle erforderlich sind, wobei anschließend die Oberfläche des die Schlitze enthaltenden Teiles mit der entsprechenden Oberfläche eines anderen Teiles zur Passung gebracht wird und die Teile zu einem einzigen Stück vereinigt werden, indem sie auf Temperaturen zwischen Solidustemperatur -1/2'C und Solidustemperatur -15°C während einer Zeit gehalten werden, die ausreicht, die beiden Teile nur durch Diffusion im festen Aggregatzustand zu verbinden.
Vorzugsweise werden die zu verbindenden metallischen Teile einer Wärmebehandlung im Vakuum unterworfen, bevor sie nach dem vorgenannten Verfahren miteinander verbunden werden. Die Wärmebehandlung besteht vorzugsweise in einer Erhitzung der zu verbindenden Einzelteile über einen Zeitraum zwischen 15 und 60 Minuten auf eine Temperatur zwischen 5 und 20°C unter der Solidustemperatur des Metalls oder der Legierung, aus der die Teile hergestellt werden. Die Wärmebehandlung wird vorzugsweise in einem Vakuumofen bei einem Druck von weniger als 5X10-5 Torr durchgeführt.
Die Schlitze können, falls erforderlich, auch in beiden Teilen angeordnet werden.
Die Behandlungszeit beträgt vorzugsweise 2 bis 24 Stunden, und sie hängt von dem Werkstoff und der benutzten Temperatur ab. Die Schlitze können durch spanabhebende Bearbeitung, durch Gießen, durch Bohren, durch ein Elektroverfahren oder auf andere Weise hergestellt werden.
Der Diffusionsprozeß wird vorzugsweise in einem Vakuumofen durchgeführt.
Die Zahl der Abschnitte ist nicht begrenzt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Paßoberflächen eine gute Kontaktberührung aufweisen müssen, damit die Diffusion erfolgen kann.
Die zwecks Bildung des Endproduktes bearbeiteten Abschnitte können, falls erforderlich, aus Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzungen hergestellt werden, jedoch ist es zweckmäßig, daß das Grundmetall das gleiche ist.
Es ist außerdem erwünscht, daß die ausgebildeten Oberflächenstrukturen der beiden zu verbindenden Flächen in gleicher Richtung verlaufen, wenn sie aus geschmiedeten oder bearbeiteten Legierungen bestehen. Wenn sie jedoch aus gegossenem Material bestehen, hat sich dies nicht als kritisch oder notwendig erwiesen.
Nachdem die Diffusion und die Verbindung vollendet ist, kann das Teil durch Hobeln, Schmieden oder Prägen oder eine unmittelbare Bearbeitung fertiggestellt werden, um die äußere Form zu erzeugen.
Statt dessen können die Einzelabschnitte auch durch pulvermetallurgische Verfahren z. B. dadurch hergestellt werden, daß jeder der Abschnitte in Gegenken gepreßt wird, um die erforderlichen Kühlkanäle zu erhalten, und daß dann ein Sinterprozeß durchgeführt wird. Die beiden Teile oder mehrere Teile werden dann durch Diffusion miteinander derart verbunden, daß sie eine für eine Schaufel geeignete Bauform aufweisen. Statt dessen können auch einfache Blocks gepreßt, gesintert und maschinell bearbeitet werden, um die Kühlkanäle zu bilden. Abschließend können die Teile dann durch das Diffusionsverfahren im festen Aggregatzustand miteinander vereinigt werden.
Die Erfindung umfaßt die Verwendung sämtlicher Werkstoffe, die durch ein Diffusionsverfahren im festen Aggregatzustand verbunden werden können, und zwar bei Temperaturen bis zur Solidustemperatur oder der Schmelzbeginn-Temperatur des Werkstoffes. Insbesondere ist die Erfindung jedoch für Legierungen mit hoher Temperaturbeständigkeit anwendbar, die für die gekühlten Schaufeln in Turbinentriebwerken Anwendung finden. Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele zur Herstellung von Turbinenschaufeln beschrieben.
Beispiel Zwei Schaufelhälften werden aus einer Legierung gegossen, die als Basisbestandteil Nickel enthält. Die inneren benachbarten Oberflächen der beiden Hälften werden dann flach geschliffen, und es werden durch maschinelle Bearbeitung Schlitze eingefügt, die als Kühlmittelkanäle dienen. Die beiden Hälften werden dann aufeinandergefügt und in einem Vakuumofen bei einem Druck von weniger als 5X10-5 Torr 20 Stunden lang bei 1235° C erhitzt. Die Solidustemperatur dieser Legierung beträgt 1240° C.
An den aufeinanderstoßenden Flächen der beiden Teile findet eine Diffusion im festen Aggregatzustand statt, so daß eine einstückige Turbinenschaufel hergestellt wird, die Kühlkanäle enthält, welche durch die bearbeiteten Schlitze gebildet worden sind.
Die Festigkeit der Verbindung wurde durch Versuchs-Zugstäbe ermittelt, die aus der Schaufel hergestellt waren.

Claims

Patentanspruch: Verfahren zum Schweißen (Diffusionsverbinden) von Werkstücken aus einer Nickellegierung, insbesondere von Teilen von Gasturbinenschaufeln, bei dem die Werkstücke sich in Paßflächen berühren, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke bei einer Temperatur geschweißt werden, die der Solidustemperatur der Legierung entspricht oder vorzugsweise 0,5 bis 15°C unter dieser Temperatur liegt, in einem Vakuum von etwa 5X10-5 Torr.