DE2055761A1

DE2055761A1 - Verfahren zum Herstellen hohler Schaufeln

Info

Publication number: DE2055761A1
Application number: DE19702055761
Authority: DE
Inventors: Julian Pearre Los Angeles Khmmek Norman Palos Verdes Peninsula Cahf King jun (V St A )
Original assignee: North American Rockwell Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1970-01-05
Filing date: 1970-11-12
Publication date: 1971-07-15
Also published as: CH531639A; SE370199B; US3653110A; GB1294705A; FR2074958A5

Description

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DR. ING. E. HOFFMANN · DIFL. ING. W. EITLFi · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN

PATENTANWÄLTE D-8000 MÖNCHEN 81 · ARABEUASTRASSE 4 · TELEFON (0811) 911087 _f

North American Rockwell Corporation, El Segundo, Calif./USA

Verfahren zum Herstellen hohler Schaufeln

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schaufeln mit mindestens einem inneren Erleichterungsloch.

In Turbinen, Kompressoren und Lüftern werden Schaufeln verwendet, um die Energie der strömenden Gase in mechanische Rotationsenergie umzusetzen. Solche Schaufeln drehen sich mit extrem hoher Geschwindigkeit und sind daher so-

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wohl beträchtliiien Vibrationen als auch beträchtlichen Zentrifugalbeanspruchungen ausgesetzt. Weiter arbeiten solche Schaufeln normalerweise bei extrem hohen Temperaturen. Infolge des bei den Schaufeln auftretenden Problems der Materialzerstörung ist es erforderlich, die Schaufeln aus einem Material hoher Festigkeit herzustellen. Ein häufig verwendetes Konstruktionsmaterial für Schaufeln ist Titan oder eine Legierung hiervon. Titan ist relativ ergiebig, korrosionsbeständig und weist ein extrem hohes Verhältnis Festigkeit zum Gewicht selbst bei erhöhten Temperaturen auf.

Die Schaufeln werden verwendet in Kompressoren mit axialer Strömung für Düsentriebwerke bei Flugzeugen, wobei es nicht ungewöhnlich ist, daß ein einziger Kompressor nicht weniger als 20 Kompressionsstufen aufweist. Für jede Kompressionsstufe wird eine Reihe von Schaufeln mit 50 bis 150 Schaufeln je Reihe verwendet. Es ist ein Grundsatz in der Flugzeugantriebstechnik, daß eine Verringerung des Schaufelgewichts des Kompressors zu einer etwa zweieinhalbfachen größeren Verringerung des Triebwerkgewichts und einer weiteren etwa vierfach größeren Verringerung des Flugwerkgewixhts führt. Wenn z.B. jede Schaufel um 50 g leichter gemacht würde, wäre bei einem Flugzeug mit vier Triebwerken mit je 2000 Schaufeln eine Verringerung des Flugwerkgewichts um nicht weniger als 5000 kg das Ergebnis.

Wegen der Schwierigkeit der Verbindung von Titan durch Schweißen wurden andere Verfahren zur Herstellung von Aufbauelementen aus Titan verwendet. Eines der erfolgreichsten Verfahren wird allgemein mit "Diffusionsbinden" bezeichnet. Das Diffusionsbinden ist gekennzeichnet durch einen interatomaren Austausch zwischen den Berührungsflächen des Werkstücks bei geeigneten Drücken und bei Temperaturen unter dem Schmelzpunkt des Werkstückmaterials, Neben dem Metall Titan oder Legierungen hiervon sind andere Metalle oder Legierungen von diesen, welche durch Diffusionsbinden zusammengefügt werden könnnen, Aluminium,

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rostfreier Stahl, Nickel, Tantal, Molybdän, Zirkon und Niob.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß mindestens ein Rippenelement zwischen einem Paar Deckplatten und mindestens ein Abstandselement zwischen den Deckplatten und benachbart dem Rippenelement angeordnet werden, das Konstruktionsmaterial des Abstandselements verschieden von dem der Deckplatten gemacht wird, ein Paar zusammengehöriger Formen vorgesehen wird, deren Arbeitsflächen einen Hohlraum definieren, welcher die genaue Größe und Form der Schaufel aufweist, die resultierende Anordnung von Rippenelement, AbStandselement und Deckplatten in den Formen angeordnet wird, wobei der volumetrische Inhalt * der resultierenden Anordnung mindestens gleich dem Volumen des ™ Hohlraums ist, wenn die Formen zusammengefügt sind, die resultierende Anordnung einer genügenden Wärmeenergie ausgesetzt wird, um eine Diffusionsbindung der Flächen zwischen den Deckplatten und den Rippenelementen bei einem vorbestimmten Druck zu bewirken, die resultierende Anordnung gleichzeitig mit der Anwendung der Wärmeenergie dem genannten vorbestimmten Druck ausgesetzt wird, und die Wärmeenergie und der Druck über eine Zeitdauer aufrechterhalten werden, welche ausreicht, die Diffusionsbindung der Deckplatten mit den Rippenelementen zu bewirken.

Die Erfindung lehrt die Herstellung von Schaufeln mit

inneren Erleichterungslöchern durch einen Diffusionsbindevor- M gang.

Ein aus dem obigen nicht unmittelbar erkennbarer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahren besteht darin, daß die Schaufeln in wesentlich größerer Zahl in weniger Zeit als bisher mit einem Minimum an Verlusten oder Abfallmaterial und vergleichsweise geringeren Kosten erzeugt werden können.

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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die sich mit ihm ergebenden Schaufeln im Gewicht leichter sind, ohne daß sich eine Verringerung der Festigkeit oder Steifigkeit verglichen mit bekannten Schaufeln entsprechender Größe und Form ergibt.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Art von Schaufel, welche nach dem erfindngsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann,

Fig. 2 eine Schnittansicht längs der Linie 2-2 in Fig. 1, welche die inneren Erleichterungslöcher zeigt,

Fig. 3 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht der Schaufel nach Fig. 1 vor ihrer Ausbildung in einer Form,

Fig. 4 eine Schnittansicht der mit der Erfindung verwendeten Retorte und Form, welche die Schaufel in einer Lage in der Form vor der Anwendung von Druck zeigt, und

Fig. 5 eine Schnittansicht ähnlich Fig. 4, welche die Form in der Lage nach der Anwendung von Druck zeigt.

In der Zeichnung ist die Verwendung des erfindungsgemäßen neuen Verfahrens in Verbindung mit der Herstellung von Turbinen-, Kompressor- oder Lüfterschaufeln wie der Schaufel 10 in Fig. 1 gezeigt. Jede Schaufel 10 weist ein Unterteil 12 mit Flanschen 14 und 16 zum sicheren Befestigen der Schaufel an einer nicht gezeigten sich drehenden Nabe auf. Die Schaufel 10 ist ein Flügel

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mit einem sich fortschreitend ändernden Angriffswinkel zwischen dem Unterteil 12 und der Spitze 18. Jede Schaufel 10 weist eine vordere Seitenkante 20 und eine hintere Seitenkante 22 auf. Zwischen dem Unterteil 12 und der Spitze 18 sind Pinnen 26 und 24 angebracht, welche als Stabilisatoren wirken_s wobei in Pig. I nur die Pinne 24 sichtbar ist. Wenn viele Schaufeln 10 in einer einen vollständigen Kreis bildenden Reihe um eine Nabe befestigt sind, steht die Pinne 24 der einen Schaufel 10 mit der Pinne 26 der benachbarten Schaufel 10 in Berührung usw., bis sich ein ringförmiger Plansch in ,Segmenten und konzentrisch zu der Nabe ergibt. So ist jede der Pinnen 24 und 26 derart ausgelegt, daß sie fest d gegen die nächste benachbarte Finne 26 bzw. 24 aufsitzt, und hierdurch die Reihe von Schaufeln 10 gegen Stoß- und Vibrationswirkungen während der Drehung der Schaufelreihe mit hoher Geschwindigkeit stabilisiert.

Die Plügelumrisse jeder der Schaufel 10 sind mit großer Präzision entworfen und hergestellt, um einen maximalen Wirkungsgrad beim Betrieb der Maschine mit solchen Schaufeln bei bestimmten Geschwindigkeits- und Druckbedingungen zu erhalten. Alle Eindrücke, Löcher oder andere lokalisierte Deformationen in den Umrissen jeder Schaufel 10 verschlechtern die aerodynamischen Eigenschaften der Schaufel ernsthaft und sind in keinem Falle zu dulden. Derartige Schäden treten gewöhnlich durch den Eintriff von Λ Fremdkörpern in den Einlaßluftstrom des Triebwerks während des Betriebes der Triebwerke auf. Bei der Triebwerksüberholung kommerzieller Fluglinien würde ein solcher Schaden an der Schaufel 10 normalerweise ein Entfernen der Schaufel und Ersetzen durch eine neue Schaufel erfordern. Wegen der großen Anzahl von in jedem Triebwerk verwendeten Schaufeln und der Anzahl von in Betrieb befindlichen Triebwerken sollte klar sein, daß ein Verfahren zum Herstellen von großen Mengen von Schaufeln bei niedrigen Kosten dringend erforderlich ist. Der Bedarf an Schaufeln wird weiter erhöht durch die Herstellung von einer mit jedem Jahr zunehmenden Zahl von neuen Turbinen, Kompressoren und Lüftern.

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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von Schaufeln hoher Qualität mit großen Geschwindigkeiten und niedrigen Kosten. Um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, ist es erforderlich, eine Halteform zu verwenden, wie sie in den zusammengehörigen Formen 28 und 30 gezeigt ist. Die Formen 28 und 30 können mit einem geeigneten bekannten Verfahren hergestellt sein, z.B. durch Gießen nach Gipsmodellen oder Schneiden aus Metallblöcken. Die Form 28 ist das Patrizenteil und die Form 30 das Matrizenteil. Wenn die Formen 28 und 30 vollständig wie in Fig. 5 gezeigt, zusammengefügt sind, wird ein Hohlraum 32 zwischen ihnen durch die Arbeitsflächen 34 und 36 der Formen 28 bzw. 30 definiert. Der Hohlraum 32 hat einen Umriß, welcher den Oberflächen der Schaufel 10 entgegengesetzt und genau entspricht.

Um eine Schaufel 10 nach dem erfindungsjemäßen Verfahren herzustellen, wird eine untere Deckplatte 38 in der Höhlung 32 auf der Arbeitsfläche 36 der Form 30 angeordnet. Es wird angenommen, daß eine Vielzahl von Deckplatten 38 mit Normgröße vorher hergestellt worden sind, von denen jede in (fen Hohlraum 32 paßt. Die Deckplatte 38 ist aus dem gewünschten Konstruktionsmaterial hergestellt, welches normalerweise Titan oder eine Legierung hiervon ist. Eine Vielzahl von Rippenelementen ^O werden dann mit Abstand zueinander auf der Deckplatte 38 angeordnet. Ein Element 44 für die vordere Kante und ein Element 46 für die hintere Kante vervollständigen die sich seitlich erstreckende Anordnung von Rippen 40 auf jeder Seite. Die Rippenelemente 40, 44 und 46 sind vorzugsweise aus dem gleichen Konstruktionsmaterial wie die Deckplatte 38. Ein stangenförmiges Abstandselement 42, welches entweder rund, quadratisch oder von anderem Querschnitt ist, wird zwischen jedem der auseinanderliegenden Rippenelemente 40 angeordnet. Die Abstandselemente 42 sind aus einem anderen Material als dem der Deckplatte 38 und der Rippenelemente 40, 44 und 46 hergestellt, z.B. einem Material, welches nicht Titan oder eine Verbindung hiervon ist. Das Material der Abstandselement 42 soll von Säure angreifbar sein und ist z.B. eine bestimmte Zusammensetzung ^ Stahl.

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Die Titankonstruktion der Deckplatte 38 und der Rippenelemente 40, 44 und 46 sollen von Säure im wesentlichen nicht beeinflußt werden.

in der Arbeitsfläche 36 ist ein zweiter nicht gezeigter Hohlraum vorgesehen, um die Finne 24 aufzunehmen und deren resultierende integrale Verbindung mit der Deckplatte 38 zu ermöglichen. Das Konstruktionsmaterial der Finne 24 ist normalerweise das gleiche wie das der Deckplatte 38.

Eine obere Deckplatte 48 wird auf die Rippenelemente 40, 44 und 46 aufgelegt und ist aus dem gleichen Material wie die Deckplatte 38 hergestellt. Es wird ebenso angenommen, daß eine Vielzahl von Deckplatten 48 mit Normgröße vorher gestellt worden ist, wobei jede Deckplatte 48 in den Hohlraum 32 paßt. Ein dritter nicht gezeigter Hohlraum ist in der Form 28 zum Einführen der Finne 26 und deren endlicher integraler Befestigung an der Deckplatte 48 ausgebildet.

Das Unterteil 12 wid gleichzeitig mit dem Ausbilden der Schaufel 10 hergestellt, wobei es mit einem Ende der Rippenelemente 40 zusammenwirkt. Der Flansch 14 ist so angeordnet, daß er die Arbeitsfläche 36 berührt, während der Flansch 16 die Arbeitsfläche 34 berührt.

Wenn die sich hieraus ergebende Anordnung der Schaufel 10 in dem Hohlraum 32 in zusammengefügter Stellung der Form 28 mit der Form 40 angeordnet ist, umschließt eine dünnwandige Retorte 50 die Formen 28 und 30. Eine Leitung 52 wie in Fig. 4 gezeigt, ist mit der Retorte 50 verbunden und steht in Verbindung mit einer nicht gezeigten Vakuumpumpe. Bei der Betätigung der Pumpe wird innerhalb der Retorte 50 ein Vakuum erzeugt, und die Anwendung einer Kraft durch eine geeignete nicht gezeigte Preßeinrichtung drückt die Formen 28 und 30 zusammen. · Die Seitenwände der Retorte 50 biegen sich zum Kompensieren des

Zusammendrückens der Formen 28 und 30.

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Die Temperatur der Formen und der resultierenden Anordnung muß auf einen Wert angehoben werden, bei welchem bei Druckanwendung eine Diffusionsbindung mit festen Zustand der Anordnung auftritt. Die Quelle für die Wärmeenergie ist nicht gezeigt, da es nur erforderlich ist, die Anordnung aufzuheizen. Wenn das Materäial der Anordnung Titan ist, tritt eine vollständige Bindung innerhalb einer vernünftigen Zeit bei einer Temperatur von mindestens 871⁰C und einem Druck von etwa l4l kg/cm ein. Dieser Druck und diese Temperatur müssen über mehrere Stunden aufrechterhalten werden, bis die Bindung vollendet ist. Es versteht sich, daß der Druck, bei welchem die Bindung erreicht wird, sich mitden Eigenschaften der miteinander verbundenen Metalle und mit den verwendeten Temperaturen ändert. Z.B. ist der Minimaldruck für Titan ungefähr 21,1 kg/cm , für rostfreien Stahl etwa 49,2 kg/cm und für Niob etwa 246 kg/cm . Entsprechend den Eigenschaften des Werkstücksmaterials werden Temperatur, Druck und Zeit zur Erzielung einer fertigen Bindung entsprechend variieren. Auch die Dicke der zusammenzufügenden Teile stellt einen zu beachtenden Paktor dar.

Während des Bindevorgangs wird ein ständiges Vakuum aufrechterhalten. Dies sorgt für die für das Binden erforderliche saubere Atmosphäre. Eine Oberflächenoxydation von Titan und anderen diffusionsbindbaren Metallen verhindert eine Diffusionsbindung. Das Vakuum dient zum Evakuieren von Sauerstoff aus dem Inneren der Retorte 50 wodirch eine Oxydation der Werkstückteile während des Bindevorgangs vermieden wird.

Es ist weiter wichtig, daß die volumetrische Masse des Materials der Anordnung innerhalb des Hohlraums 32 gleich oder größer als der zwischen den Formen 28 und 30 auftretende Leerraum ist. Durch die Anwendung einer zusammendrückenden Kraft vertikal zu der Anordnung, welche durch Pfeile 54 und 56 angedeutet ist, wird eine seitliche oder horizontale Kraft der Anordnung gegen den Hohlraum 32 bewirkt. Wenn eine solche seitliche Beschränkung nicht vorhanden wäre, würde die zusammendrückende Kraft eine beträchtliche Vergrößerung der Länge und Breite

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gleichzeitig mit einer Verringerung der Dicke der Anordnung ergeben. Da jedoch die seitlihe Verformung beschränkt ist, ergibt sich eine beträchtliche Reaktionskraft quer durch die Anordnung. Diese seitliche Kraftkomponente ist wesentlich für das Auftreten der Diffusionsbindung im festen Zustand. Wenn der volumetrische Inhalt der Anordnung nicht ausreichte, um den Leerrraum des Hohlraumes 32 vollständig auszufüllen, tritt die notwendige seitliche Kraft durch die Anordnung nicht auf. Im Idealfall sollte die volumetrische Masse der Anordnung gleich dem Volumen des Hohlraumes 32 sein. Praktisch tritt eine leichte Überbemessung der Masse der Anordnung in der Größenordnung von -j± 0,ol bis 10 % auf. Um dieses Überschußmaterial zu kompensieren, ist eine Vielzahl nicht gezeigter kleiner Lücken in der Art von Öffnungen oder Vertiefungen in den Oberflächen der Arbeitsflächen 34 und 36 vorzusehen. Das Überschußmaterial muß dann während des Bindevorgangs in diese Lücken fließen, wobei die Größe dieser Öffnungen abhängt von dem Druck, welchem die Formen unterworfen werden, da bei größeren Öffnungen eine geringere Kraft für das Ausweichen des Werkstückmaterials aus dem Hohlraum 32 erforderlich ist.

Die Diffusionsbindung ist gekennzeichnet durch die Bildung einer Bindung Metall zu Metall zwischen Berührungsflächen bei geeigneten Drücken undTemperaturen unter dem Schmelzpunkt % des Metalls. Bindungen mit annähernd der Festigkeit des Hauptmaterials lassen sieh hierdurch erreichen. In bestimmten Fällen wird ein dünnes Zwischenlägenmaterial oder ein eutekti-S3her Formen vorgesehen, während bei anderen Arten der Diffusionsbiridung kein Zwischenlagenmaterial erforderlich ist. Der Vorgang der Diffusionsbindung umfaßt ein überschreiten der Druekstreckgrenze zur Erzielung einer plastischen Verformung des Werkstückmaterials. Von diesen Eigenschaften der plasti-. sehen Verformung unter Druck und Temperatur kann in der Erfin-

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dung vorteilhaft Gebrauch gemacht werden, um ein Fertigteil mit glatten Oberflächen herzustellen, bei welchem nur wenig zusätzliche Arbeit erforderlich ist. Nur der Austrieb und die Überschußmasse, welche in die Lücken geflossen ist, müssen entfernt werden. Außerdem werden an den Berührungspunkten der Rippenelemente 40 mit den Deckplatten 38 und 48 Aussparungen ausgebildet, welche die Verbindung durch Verringerung der Konzentration der Beanspruchung verstärken.

Vor dem TrimmungsVorgang der Schaufel 10 wird die Schaufel gekühlt und hierauf Säure zum Auslaufen der Abstandselemente 42 aus Stahl aus der Anordnung aus Titan verwendet. Dieses Auslaugen führt zu einer vollständigen Auflösung der Abstandselemente 42, wodurch die gewünschte hohle Schaufel 10 aus Titan übrig bleibt. Die Bewegung des Auslaugbades mit Ultraschall oder die Anwendung einer frischen Auslauglösung auf die Metallzwischenfläche kann zur Beschleunigung der Ätzgeschwindigkeit zweckmäßig sein. Zur Entfernung der Wechselwirkungsprodukte von Stahl wird die chemische Ätzung der Titanoberflächen im Anschluß an die Entfernung der Abstandselemente 42 erforderlich sein.

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Claims

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Patentansprüche

iJ Verfahren zur Herstellung von Schaufeln mit mindestens einem inneren Erleichterungsloch, dadurch gekenn ζ e i c hne t, daß mindestens ein Rippenelement zwischen einem Paar Deckplatten und mindestens ein Abstandselement zwischen den Deckplatten und benachbart dem Rippenelement angeordnet werden, das Konstruktionsmaterial des Abstandselements verschieden von dem der Deckplatten gemacht wird, ein Paar zusammengehöriger Formen vorgesehen wird, deren Arbeitsflächen einen Hohlraum definieren, welcher die genaue Größe und Form der Schaufel aufweist, die resultierende An-Ordnung von Rippenelement, Abstandselement und Deckplatten in den Formen angeordnet wird, wobei der volumetrische Inhalt der resultierenden Anordnung mindestens gleich dem Volumen des Hohlraums ist, wenn die Formen zusammengefügt sind, die resultierende Anordnung einer genügenden Wärmeenergie ausgesetzt wM,um eine Diffusionsbindung der Flächen zwischen den Deckplatten und den Rippenelementen bei einem vorbestimmten Druck zu bewirken, die resultierende Anordnung gleichzeitig mit der Anwendung der Wärmeenergie dem genannten vorbestimmten Druck ausgesetzt wird und die Wärmeenergie und der Druck über eine Zeitdauer aufrechterhalten werden, welche ausreicht, die Diffusionsbindung der Deckplatten mit den Rippenelementen zu bewirken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weiter die resultierende Anordnung aus den Formen und der Druckumgebung entfernt und die Abstandselemente von der Anordnung entfernt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung der Abstandselemerte von der Anordnung dadurch erfolgt, daß die Abstandselemente einer zum Auslaufen der Abstandselemente geeigneten Säure ausgesetzt werden.

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H. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Konstruktionsmaterial der Rippenelemente und der Deckplatten im wesentlichen durch die Säure unbeeinflußt bleibt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzei chnet, daß eine Vielzahl von metallischen Rippenelementen und eine Vielzahl von metallischen Abstandselementen zur Erzeugung einer Vielzahl von Erleichterungslöchern verwendet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von genormten oberen Deckplatten und eine Vielzahl von genormten unteren Deckplatten hergestellt wird, die Vielzahl von zumindest teilweise aus Titan bestehenden Rippenelementen zwischen den benachbart mit Abstand zueinander angeordneten oberen und unteren Deckplatten angeordnet wird, die Vielzahl von stangenförmigen Abstandselementen hauptsächlich aus Stahl zwischen den benachbart mit Abstand zueinander angeordneten oberen und unteren Deckplatten angeordnet wird, wobei jeweils ein Abstandselement zwischen jedem Paar benachbarter Rippenelemente liegt, die resultierende Anordnung und die Formen in eine dünnwandige Retorte gebracht werden, die resultierende Anordnung einer ausreichenden Wärmeenergie ausgesetzt wird, um die Temperatur der Anordnung auf 87I C bis 9^O⁰C zu bringen, die Retorte mit einem Inertgas gefüllt wird, eine Kraft zum Zusammenpressen der

Formen mit einer Druckkraft im Bereich von etwa 1^1 kg/cm bis

ρ
etwa 352 kg/cm zugeführt wird, diese Temperatur und dieser Druck auf die resultierende Anordnung über eine ausreichende Zeitdauer zur Bewirkung der Diffusionsbindung im festen Zustand und zum Fließen der Rippenelemente zur Bildung von Füllern durch plastische Verformung der Rippenelemente aufrechterhalten werden, die resultierende Anordnung aus den Formen und der Druckumgebung entfernt wird, die resultierende Anordnung gekühlt wird, und jedes der Abstandselemente durch Säure aus der resultierenden Anordnung ausgelaugt wird.

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