Verfahren zur Herstellung eines Strömungsmaschinenschaufelfusses und/oder dessen am Schaufelträger befindlichen Halterung Bei Strömungsmaschinenschaufeln, insbesondere Gasturbinenschaufeln, aus sprödem Werkstoff, be sonders Keramik- oder Sinterkeramik-Werkstoff, be reitet deren Befestigung bzw. Einspannung im Schau felträger, z. B. Strömungsmaschinenläufer bzw. des sen Schaufelhalterung erhebliche Schwierigkeiten, da die Tragflächen des Schaufelfusses nicht genügend eben ausgeführt werden können.
Durch den Brenn vorgang beim Sintern werden Erhöhungen auf der Fussoberfläche, leichte Verwerfungen usw. hervorge rufen, die bei Belastung, in der Hauptsache durch Fliehkräfte, unerwünscht hohe Druckspannungsspit- zen erzeugen. Bei der Empfindlichkeit des spröden Schaufelwerkstoffes gegen Kerbspannungen können diese Spannungsspitzen zur Zerstörung oder minde stens zur Beschädigung des Schaufelfusses und damit der Schaufel führen.
Diese Empfindlichkeit gegen Kerbspannungen wird durch keilförmige und mit grossem Keilwinkel versehene Tragflächen zu überwinden versucht. Dies führt aber auch zu Einspannungsschwierigkeiten, da allein schon grosse Winkel grosse Normalkräfte erge ben; darüberhinaus erzeugen diese Winkel störende Reibungskräfte zwischen den Tragflächen des Fusses und den anliegenden Stützflächen der Halterung. Die voneinander verschiedenen Ausdehnungskoeffizien ten der Schaufeln und der Halterung am Schaufelträ ger bedingen im keramischen Werkstoff unter diesen Voraussetzungen ausserdem zusätzliche Spannungen.
Eine mögliche Schleifbearbeitung des Schaufelfusses stört den Eigenspannungszustand des Werkstoffes und führt zur Minderung seiner Festigkeit.
Es gibt noch mehrere andere Mittel zur Vermin derung der Schwierigkeiten bezüglich der genannten Unebenheiten des Keramik-Werkstoffes. Sie alle bringen keine allgemeine Lösung des Problems. Durch Aufdampfen oder Aufspritzen dünner, metal lischer Schichten auf die rohen Tragflächen des Fus- ses aber wird keine befriedigende Verbindung erzielt; diese Verbindung hält nicht; wegen der geringen Metallschichtstärke kann die Metallschichtoberfläche auch nicht bearbeitet werden; aus beiden Gründen sind also die Tragflächen des Fusses nicht eben zu bekommen.
Die Erfindung will die genannten Nachteile behe ben. Sie bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstel lung eines Strömungsmaschinenschaufelfusses mit Haltevorsprüngen und/oder dessen am Schaufelträger befindlichen Halterung mit Haltevorsprüngen, wobei der Fuss und/oder die Halterung mindestens an der Oberfläche aus sprödem Werkstoff besteht, bei wel chem Verfahren zuerst dieses Sprödwerkstoffteil roh hergestellt wird und dann auf dieses rohe Teil fest Metallschichten aufgebracht werden. Die ineinander greifenden Haltevorsprünge des Fusses und der Hal terung gewährleisten, dass die Schaufel bei Drehen des Läufers nicht radial nach aussen wegfliegt. Der Fuss bzw. die Halterung kann z.
B. vier oder mehr Haltevorsprünge (z. B. Tannenbaumfuss) oder zwei Haltevorsprünge (z. B. Hammerkopffuss) aufweisen. Die Haltevorsprünge können aussen z. B. spitz, rund oder flach sein. Die Nuten, in denen die Schaufel- füsse sitzen, können z. B. ringförmig, axial oder schräg verlaufen. Auf a11 diese Fuss- oder Nutformen bezieht sich die Erfindung. Die Erfindung besteht darin, dass die Metallschichten mit den Haltevor sprüngen aufgebracht werden oder die Metallschich ten in solcher Dicke aufgebracht werden, dass ihre Bearbeitung zur Endform ohne Berührung des sprö den Werkstoffes durchführbar ist. Somit wird insbe- sondere eine satte oder glatte Auflage erzielt.
Die genannte Bearbeitung ist insbesondere eine mechani sche. Der spröde Werkstoff wird nun nicht mehr be schädigt. Verschiebe- und Gleitbewegungen werden jetzt zumindest stark vermindert. Die Oberflächen der starken Metallschichten können jetzt so bearbei tet, z. B. so feinstbearbeitet werden, dass sie voll kommen plan oder eben sind. Somit wird eine voll kommen formschlüssige Verbindung erzielt, was bei den bekannten Verfahren nur mangelhaft erreicht wird.
Die Metallschichten werden auch zum Übertra- gen der Kräfte herangezogen. Die Verbindung ist dann form- und kraftschlüssig. Es bilden sich auch keine Oxydhäutchen auf den tragenden Flächen, wie sie bei den bekannten, obengenannten dünnen Schichten auftreten.
Die Keilwinkelform mit grossem Keilwinkel ist jetzt nicht mehr notwendig, sondern es können die bei rein metallischen Schaufeln bekannten Formen zur Anwendung kommen, wie z. B. Hammerkopf- oder Tannenbaumfuss. Es kann, wenn es die unter schiedliche Wärmedehnung bedingt, durch Nachbe arbeitung an den Spitzen der Haltevorsprünge oder an den Einschnürungen die Materialstärke so abgear beitet werden, dass die beiden verschiedenen Werk stoffe entsprechend arbeiten können.
Durch metall freie quer zur Schaufelnut stehende Stirnflächen des Fusses ist jederzeit auch schon bei der Bearbeitung eine Kontrolle möglich. Somit können die Tragflächen vom Werkstoff her von waagerecht bis zu einem be liebig grossen Winkel ausgeführt werden, und der eingebettete Keramikfuss kann eine werkstoffge rechte Form mit der geringsten Kerbempfindlichkeit erhalten.
In Ausgestaltung des Verfahrens gemäss der Er findung kann so vorgegangen werden, dass zuerst das Sprödwerkstoffteil roh ohne die Haltevorsprünge her- P er t wird, dann die Metallschichten mit den Halte stell vorsprüngen aufgebracht werden und zuletzt die Halte vorsprünge zur Endform bearbeitet werden.
Diese Be arbeitung kann weggelassen werden, wenn die Metall schichten mit den Haltevorsprüngen entsprechend der Endform aufgebracht werden. Es kann aber auch so vorgegangen werden, dass zuerst das Sprödwerkstoff- teil roh mit den Haltevorsprüngen hergestellt wird, dann die Metallschichten auf die Haltevorsprünge aufgebracht werden und zuletzt die Endform aus den Metallschichten herausgearbeitet wird. Es kann fer ner so vorgegangen werden, dass die Metallschichten in der genannten Dicke nur auf rohe Tragflächen ge bracht werden.
Die anderen Flächen des Fusses blei ben dann metallfrei. Es können aber auch die Metall schichten in der genannten Dicke auf rohe Tragflä chen und andere rohe Flächen gebracht werden und dann die genannte Bearbeitung in dem Sinne durch geführt werden, dass die Schichtdicke der Endform an den Tragflächen grösser ist als an den anderen Flächen.
Schliesslich können die Metallschichten in der genannten Dicke auf rohe Tragflächen gebracht werden und auf andere rohe Flächen in solcher ge- ringeren Dicke gebracht werden, dass diese Dicke auch nach Bearbeitung der Tragflächen-Metall- schichten noch kleiner ist als die Dicke dieser letztge nannten Schichten, wonach die genannte Bearbeitung nur der Tragflächen durchgeführt wird, während die anderen Flächen nicht bearbeitet werden.
Insbeson dere werden die Metallschichten auf den Spitzen der Haltevorsprünge und/oder Einschnürungen dünner hergestellt als auf den Tragflächen, und zwar damit Wärmedehnungen besser aufgenommen werden kön nen.
Wenn z. B. ein Laufschaufelfuss aus Sprödwerk- stoff betrachtet wird, so wird insbesondere fast der ganze Fuss mit Metall überzogen; die Ausnahme bil den die schon oben erwähnten Stirnflächen. Auf jeden Fall erhalten aber die Tragflächen die Metall schichten. Auch kann auf eine rohe Schaufelfusssohle aus sprödem Werkstoff eine Metallschicht gebracht werden, und zwar z. B. in der genannten Dicke mit anschliessender oben genannter Bearbeitung.
Die letztgenannte Schicht kann auch eine tragende Nase o. dgl. zur Abstützung der Schaufel am Halterungs- nutgrund bei stillstehendem Läufer einschliessen. Die vom heissen Strömungsmittel der Maschine berühr- ten Teile eines Sprödwerkstoffusses sind zumindest vorwiegend frei von Metall; auf die in der Halte- rungsnut steckenden Teile des Fusses sind wie ange geben die Metallschichten aufgebracht.
Der genannte spröde Werkstoff ist insbesondere Keramik oder Sinterkeramik Werkstoff.
In allen Fällen können die Metallschichten z. B. durch Lötung oder durch Giessen aufgebracht wer den, durch Lötung insbesondere auf rohe Haltevor sprünge.
Vorzugsweise werden auf das Sprödwerkstoffteil, das insbesondere lediglich aus Metalloxyden, wie Magnesiumoxyd, Berylliumoxyd und ganz besonders Aluminiumoxyd, besteht, Molybdän- oder Mangan schichten aufgebracht. Als Werkstoffe für die Schich ten werden mit Vorteil hochwarmfeste und oxyda tionsbeständige Metalle, z. B. Chrom, Nickel, Chrom-Nickel oder Tantal verwendet, speziell auch zum Auflöten der Schichten.
Dabei geniesst der jenige Werkstoff den Vorzug, der in der Wärme dehnung dem jeweiligen Sprödwerkstoff am günstig sten angepasst werden kann. Für die Metallschichten können auch niedriger schmelzende Metalle oder Metallegierungen verwendet werden, soweit die Tem peratur des Strömungsmittels der Strömungsmaschine und/oder der Kühlungszustand des Sprödwerkstoff- teiles dies erlauben bzw. erlaubt. Die Metallschicht kann auch in verschiedenen Lagen aufgebracht wer den.
In der Zeichnung sind in Fig. 1 bis 4 vier Aus führungsbeispiele von Sinterkeramik-Gasturbinen- laufschaufelfüssen dargestellt, von denen die gemäss Fig. 1, 2 und 4 nach Verfahren gemäss der Erfindung hergestellt wurden.
über dem Fuss ist noch der übergang zum zuge hörigen, mit dem Fuss aus einem Stück bestehenden Schaufelblatt 10 zu sehen. Der Fuss sitzt in der Hal terung 11 des Läufers der Gasturbine. Die Halterung 11 besteht mit diesem Läufer aus einem Stück. Läu fer und Halterung 11 bestehen aus Metall, und zwar aus demselben. Die Nut in der Halterung 11 nimmt die Schaufelfüsse auf. Die Nut hat etwa die Form wie der Fuss. Der Fuss hat Haltevorsprünge 14 und Ein schnürungen 15. Die Nutwandteile sind Metallober flächen.
Die insbesondere durch die Zentrifugalkraft der Schaufel auf Druck beanspruchten Stützflächen der Nutwand sind mit 12 bezeichnet, die ihnen ge genüberliegenden Sinterkeramik-Tragflächen des Fusses mit 13. Der Keilwinkel der Stützflächen 12 bzw. Tragflächen 13 ist mit 16 bezeichnet.
Auf die Haltevorsprünge 14 und die Einschnü- rungen 15, aber nicht auf die beiden Stirnflächen 17 des Fusses, sind Metallschichten aufgebracht, die schraffiert gezeichnet sind. Beim Hammerkopffuss gemäss Fig. 1 verlaufen die Stütz- und Tragflächen 12 und 13 waagerecht, beim Hammerkopffuss ge- mäss Fig. 2 schräg mit kleinem Keilwinkel 16.
Ge- mäss Fig. 2 stützt sich der Fuss über die Nase 18 am Halterungsnutgrund 19 ab, gemäss Fig. 1 über die gesamte Metallschicht der Schaufelfussohle 20. Ge- mäss Fig. 1 sind die Metallschichten in der genannten Dicke u. a. auf die rohen Tragflächen 13, die rohen Halsflächen 21 und die rohe Schaufelfussohle 20, auch aussen die Form des Fusses aufweisend, ge bracht worden. Dann ist die genannte Bearbeitung durchgeführt worden.
Gemäss Fig. 2 liegen die Dinge ähnlich. Gemäss Fig. 3 ist der Keilwinkel 16 bedeu tend grösser als gemäss Fig. 2. Es handelt sich ge- mäss Fig. 3 um eine Halterung-Fuss-Verbindung be kannter Art ohne metallische Einbettung, also ohne Metallschichten auf den Fussoberflächen. Auch die Halterung besteht aus Metall.
Gemäss Fig. 4 handelt es sich um einen Tannenbaumfuss. Rechts ist der Fuss nach Aufbringen der Metallschicht durch Gies- sen zu sehen. Zuerst ist also der Fuss roh mit Halte vorsprüngen 14 hergestellt worden, und dann ist durch Giessen die Metallschicht ohne Haltevorsprünge aufgebracht worden. Sie kann auch wie gemäss Fig. 1 und 2 mit Haltevorsprüngen aufgebracht wer den. Links ist der Fuss in Endform zu sehen. Diese ist aus den Metallschichten mechanisch herausgear beitet worden. Die Schichtdicke der Endform ist an den Tragflächen 13 grösser als an den anderen Flä chen des Fusses.
Die Erfindung kann mit gleichen Vorteilen auch bei Strömungsmaschinenleitschaufelfüssen und/oder deren Halterungen angewendet werden.