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Die
Erfindung betrifft eine ringförmige HIP-Kapsel
für das
Heißisostatische
Pressen eines ringförmigen
MMC-Rohlings für
einen Verdichter-Ring sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zum
Richten einer solchen HIP-Kapsel gemäß der Oberbegriffe der Patentansprüche 1, 4
und 9.
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Derzeit
beherrschen metallische Werkstoffe auf Titan- und Nickelbasis den
Triebwerksbau. Beide Werkstoffe haben den Vorteil einer gut beherrschten Herstell-
und Verarbeitungstechnologie und einer hohen Bruchdehnung, d.h.
eines toleranten Verhaltens bei Überbelastung.
Die steigenden Umfangsgeschwindigkeiten haben die Möglichkeiten
dieser konventionellen Werkstoffe ausgereizt und zur integralen Rotorbauweise
als möglichen
Ausweg zu einer weiteren Steigerung geführt.
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Die
neuen Werkstoffgruppen der Titan Aluminide (TiAl) und Metall-Matrix
Verbundwerkstoffe (MMC) haben ein hohes Potential, aber beiden fehlt die
große
Bruchdehnung der klassischen Materialien. Tatsächlich erreichen diese Werkstoffe
nur Bruchdehnungen um 1%, d.h. Überlastung
führt schneller
zum Bruch.
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Es
bedarf großer
Anstrengungen hochbelastete Bauteile aus diesen Werkstoffen so zu
gestalten, dass eine für
Luftfahrtgeräte
unerlässliche
Bedingung erfüllt
wird, nämlich
ein berechenbares Schadensverhalten. Metall-Matrix Verbundwerkstoffe
mit Verstärkungsfasern
hoher Festigkeit und hohem Elastizitätsmodul, z.B. aus hochfesten
Siliziumkarbid, als lasttragende Elemente in einer Titanlegierungs-Matrix
bieten sich für
leichtere Rotorkonstruktionen in der sogenannten integralen Schaufel-Ring Bauform
("Bling" blade ring) an.
Bei Gewichtseinsparungen von 20–30%
gegenüber
herkömmlichen
Titanlegierungen ermöglicht
diese Bauweise auch Vorteile im Hinblick auf konstruktive Flexibilität und eröffnet Gestaltungsfreiraum
für die
Rotordynamik.
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Die
Möglichkeiten
der Feststellung von inneren Fehlern in Metall-Matrix Verbundstoffen
durch zerstörungsfreie
Prüfverfahren
sind begrenzt. Eine Möglichkeit
zur Minimierung innerer Fehler von Metall-Matrix Verbundwerkstoffen
besteht in einer Nachverdichtung durch das Heißisostatische Pressen (HIP).
Das HIP-Verfahren ist eine Variante des Sinterns.
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Bei
diesem Verfahren wird der Körper über mehrere
Stunden hinweg materialabhängig
einem allseitig gleich großen
isostatischen Druck von bis zu mehreren Hundert MPa und einer Temperatur
von circa 80% der Schmelztemperatur ausgesetzt. Während beim
klassischen Sintern das Material erst verdichtet und danach erhitzt
wird, erfolgen beim Heißisostatischen
Pressen das Verdichten und das Erhitzen gleichzeitig. Dadurch wird
das Kornwachstum erheblich eingeschränkt und es verbleibt nahezu
keine Restporosität
im Bauteil. Mit sinkender Porosität steigen Zugfestigkeit, Bruchdehnung
und Kerbschlagzähigkeit,
d.h. die bekannten Nachteile der MMC werden minimiert.
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Für das Heißisostatische
Pressen muss der zu verdichtende MMC-Körper zunächst verkapselt und dann die
Kapsel evakuiert werden. Anderenfalls würde die in den Poren befindliche
Umgebungsluft dem isostatischen Druck entgegenwirken und die Verdichtung
zumindest behindern. Üblicherweise werden
HIP-Kapseln aus Stahl verwendet, die nach dem Heißisostatischen
Pressen spanend, z.B. durch Abdrehen von dem verdichteten Körper entfernt
werden.
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Während des
Heißisostatischen
Pressens kann es aufgrund von Eigenspannungen und Einwirkung der
Schwerkraft zu Verwerfungen und Verzügen eines MMC-Bauteils kommen,
die bei einem luftfahrttechnischen Bauteil wie einem Verdichter-Ring mit
sehr hohen Genauigkeitsanforderungen nicht tolerierbar sind.
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Die
Patentschrift
US 6
210 633 B1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen
mit komplexer Form durch Heißisostatisches
Pressen von Pulver in einer HIP-Kapsel. Die Dicke der Kapselwände ist
so gewählt,
dass beim HIP-Vorgang eine im wesentlichen unidirektionale, axiale
Verformung erfolgt. Dabei weist die Kapsel obere und untere Endstücke auf,
die dicker und steifer als die zylindrisch umlaufende Seitenwand
ausgeführt
sind.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine HIP-Kapsel
anzugeben, die für
das Heißisostatische
Pressen eines ringförmigen MMC-Rohlings
für einen
möglichst
exakten MMC-Verdichter-Ring geeignet ist, sowie eine für deren
genaue Ausrichtung benötigte
Vorrichtung und ein Verfahren.
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Die
Erfindung ist in Bezug auf die zu schaffende HIP-Kapsel, auf die
zu schaffende Vorrichtung und auf das zu schaffende Verfahren durch
die Merkmale der Patentansprüche
1, 4 und 9 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen HIP-Kapsel, der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die
Aufgabe wird bezüglich
der zu schaffenden, ringförmigen
HIP-Kapsel erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die HIP-Kapsel an ihren beiden Axialseiten jeweils eine konzentrische
Schräge
aufweist.
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Eine
solche erfindungsgemäße ringförmige HIP-Kapsel
lässt sich
in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Richten besonders exakt ausrichten.
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Dabei
wird die Aufgabe bezüglich
der zu schaffenden Vorrichtung zum Richten einer ringförmigen HIP-Kapsel
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass
die Vorrichtung mindestens zwei ringförmige Richtplatten aufweist,
welche jeweils eine zu einer Schräge einer HIP-Kapselseite korrespondierende Schräge aufweisen,
dass
die Richtplatten auf einer zentralen Achse zentriert angeordnet
sind, und dass die Richtplatten derart beabstandet anordbar sind,
dass die HIP-Kapsel zwischen ihnen anordbar ist.
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Bezüglich des
zu schaffenden Verfahrens zum Richten mindestens einer ringförmigen HIP-Kapsel
wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die mindestents eine HIP-Kapsel zwischen mindestens zwei ringförmigen Richtplatten angeordnet
wird, welche jeweils eine zu einer Schräge einer HIP-Kapselseite korrespondierende
Schräge
aufweisen, und welche jeweils auf einer zentralen Achse zentriert
angeordnet sind, wobei die zentrale Achse parallel zur Richtung
der Gravitation ausgerichtet ist.
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Dabei
sorgen die korrespondierenden konzentrischen Schrägen der
Kontaktflächen
zwischen der HIP-Kapsel und den Richtplatten für die Zentrierung der HIP-Kapsel
und dafür,
dass radialer Verzug während
des Heißisostatischen
Pressens minimiert wird. Das Eigengewicht der HIP-Kapsel und das
Gewicht der mindestens einen über
ihr liegenden Richtplatte minimiert den axialen Verzug der HIP-Kapsel während des
Heißisostatischen
Pressens.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die HIP-Kapsel entlang ihres
Innen- und ihres Außenradius
bezogen auf ihre axiale Dicke zentral angeordnete Hohlräume auf.
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Diese
Hohlräume
schließen
sich während des
Heißisostatischen
Pressens und definieren so das Maß der Schrumpfung der HIP-Kapsel
während des
Heißisostatischen
Pressens. Die zentrale Anordnung minimiert den Einfluss der Schrumpfung
auf die Schrägen
der Axialseiten der HIP-Kapsel.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Innenseite
der HIP-Kapsel jeweils in Axialrichtung eine nach außen gewölbte, ballige
Kontur auf.
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Eine
derartige Kontur gleicht das Einschnüren der HIP-Kapsel während des
Heißisostatischen Pressens
weitgehend aus, so dass der resultierende heißgepresste MMC-Ring gerade
Wände aufweist.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung zum Richten
einer HIP-Kapsel mindestens eine Richtplatte auf, auf der mindestens
zwei Abstandhalter angebracht sind, vorzugsweise in gleicher Entfernung
zur zentralen Achse, vorzugsweise derart, dass die Abstandhalter
in Bohrungen in der mindestens einen Richtplatte eingesteckt sind.
Vorzugsweise ist die axiale Dicke der Abstandhalter geringer als
die axiale Dicke der HIP-Kapsel.
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Die
Abstandhalter begrenzen die axiale Schrumpfung der HIP-Kapsel während des
Heißisostatischen
Pressens und erlauben eine grobe Zentrierung der ringförmigen HIP-Kapsel
vor der eigentlichen Zentrierung durch die geschrägten Richtplatten. Das
einfache Einstecken erleichtert den Austausch der Abstandhalter.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung
zum Richten einer HIP-Kapsel mindestens eine Kontaktfläche zwischen
der HIP-Kapsel und den Richtplatten auf, die mit einer Antiverschweißbeschichtung
versehen ist.
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Derartige
beschichtete Kontaktflächen
können
sich auch zwischen den Richtplatten und der zentralen Achse befinden,
oder auch zwischen den Richtplatten und den Abstandhaltern. Sie
dienen dazu, ein Verschweißen
dieser Teile während
des Heißisostatischen
Pressens zu verhindern. Die Beschichtung kann durch übliche thermische
Spritzverfahren aufgebracht werden, z.B. durch Plasmaspritzen, Lichtbogendrahtspritzen
oder auch Hochtemperaturflammspritzen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung
zum Richten einer HIP-Kapsel mindestens zwei HIP-Kapseln zwischen
mindestens drei Richtplatten auf, die auf einer zentralen Achse zentriert
angeordnet sind.
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Dies
hat den Vorteil, dass das Heißisostatische
Pressen für
alle übereinander
angeordneten HIP-Kapseln mit denselben Verfahrensparametern erfolgt.
Erwähnt
sei noch, dass die Gewichtskraft der übereinander gestapelten ringförmigen HIP-Kapseln und
Richtplatten klein ist im Verhältnis
zur Druckkraft des Heißisostatischen
Pressens, da deren Anzahl durch die Abmessungen der Anlage zum Heißisostatischen
Pressen begrenzt ist.
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Der
resultierende MMC-Ring ist weitestgehend frei von Verzug und Gefügefehlern,
weist aber die Vorteile des MMC-Werkstoffs ohne die übliche geringe
Bruchdehnung auf.
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Nachfolgend
werden anhand der 1 und 2 sowie
eines Ausführungsbeispiels
die erfindungsgemäße ringförmige HIP-Kapsel
für das
Heißisostatische
Pressen eines ringförmigen
MMC-Rohlings für
einen Verdichter-Ring eines Triebwerks sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung
und das erfindungsgemäße Verfahren
zum Richten einer solchen HIP-Kapsel näher erläutert. Dabei zeigen:
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1:
Querschnitt einer ringförmigen HIP-Kapsel
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2:
Schnitt durch die zentrale Achse mit daran zentrierten zwei Richtplatten
und dazwischen befindlicher HIP-Kapsel (sowie gestrichelt angedeutet
eine darüber
angeordnete zweite HIP-Kapsel und eine dritte Richtplatte)
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Die
Figuren sind lediglich schematische und nicht maßstabsgerechte Darstellungen.
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Gemäß dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
besteht die ringförmige
HIP-Kapsel 1 aus vier miteinander verschweißten Stahlteilen.
In ihrem Inneren ist die HIP-Kapsel 1 mit einem Ti-SiC-Faser-Metall-Matrix-Composit gefüllt. Die
vier Einzelteile sind an den beiden axialen Schweißflanschen 3a und 3b sowie
an den beiden radialen Schweißflanschen 3c und 3e sowie
an der weiteren Fügestelle 3d verschweißt. Dabei
werden die Fügestellen
in der Reihenfolge 3a, 3b, 3c, 3d und 3e geschweißt, um möglichst
lange einen Evakuierspalt für das
MMC offen zu halten.
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Die
ringförmige
HIP-Kapsel 1 weist an ihren beiden Axialseiten jeweils
eine konzentrische Schräge 2a und 2b auf.
Die Schrägen 2a und 2b sind
derart ausgebildet, dass die Hip-Kapsel 1 sich auf beiden Axialseiten
zu der zentralen Achse 9 hin mit einem Flankenwinkel 2c von
5° verjüngt. Eine
solche erfindungsgemäße ringförmige HIP-Kapsel 1 lässt sich
in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Richten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Richten besonders
exakt ausrichten. Vorrichtung und Verfahren werden nachfolgend beschrieben.
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Die
HIP-Kapsel 1 weist entlang ihres Innen- und ihres Außenradius
bezogen auf ihre axiale Dicke zentral angeordnete Hohlräume 31, 32 auf.
Diese Hohlräume 31, 32 schließen sich
während
des Heißisostatischen
Pressens und definieren so das Maß der Schrumpfung der HIP-Kapsel 1 während des
Heißisostatischen
Pressens. Die zentrale Anordnung der Hohlräume 31, 32 minimiert
den Einfluss der Schrumpfung auf die Schrägen 2a, 2b der
Axialseiten der HIP-Kapsel 1.
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Die
Innenseite der HIP-Kapsel 1 weist eine nach außen gewölbte, ballige
Kontur auf. Eine derartige Kontur gleicht das Einschnüren der
HIP-Kapsel 1 während
des Heißisostatischen
Pressens weitgehend aus, so dass der resultierende heißgepresste MMC-Ring
gerade Wände
aufweist.
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Die 2 zeigt
schematisch und nicht maßstabsgerecht
eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum
Richten einer ringförmigen
HIP-Kapsel 1, wobei die Vorrichtung zwei ringförmige Richtplatten 4, 10 aufweist,
welche jeweils eine zu einer Schräge 2a, 2b einer
HIP-Kapselseite korrespondierende konzentrische Schräge 5, 11a aufweisen,
wobei die Richtplatten 4,10 auf einer zentrale
Achse 9, die parallel zur Richtung der Gravitation ausgerichtet
ist, zentriert angeordnet sind, wobei die Richtplatten 4, 10 derart beabstandet
angeordnet sind, dass die HIP-Kapsel 1 zwischen ihnen angeordnet
ist.
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Dabei
sorgen die korrespondierenden konzentrischen Schrägen 2a und 2b sowie 5 und 11a der Kontaktflächen zwischen
der HIP-Kapsel 1 und den Richtplatten 4, 10 für die Zentrierung
der HIP-Kapsel 1 und dafür, dass radialer Verzug während des
Heißisostatischen
Pressens minimiert wird, d.h. der Ring bleibt rund. Das Eigengewicht
der HIP-Kapsel 1 und das Gewicht der über ihr liegenden zweiten Richtplatte 10 minimiert
den axialen Verzug der HIP-Kapsel 1 während des Heißisostatischen
Pressens, d.h. der Ring bleibt eben.
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Auf
der unteren Richtplatte 4 sind acht Abstandhalter 8 gleichmäßig über den
Umfang der Richtplatte 4 verteilt, um eine gleichmäßige Krafteinleitung
zu gewährleisten.
Die acht Abstandhalter 8 sind in gleicher Entfernung zur
zentralen Achse in acht Bohrungen 7 in die Richtplatte 4 eingesteckt.
Die axiale Dicke der Abstandhalter 8 ist geringer als die axiale
Dicke der HIP-Kapsel 1.
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Die
Differenz 13 der axialen Dicken von HIP-Kapsel 1 und
Abstandhalter 8 begrenzt die axiale Schrumpfung der HIP-Kapsel 1 während des
Heißisostatischen
Pressens. Ferner erlauben die Abstandhalter 8 eine grobe
Zentrierung der ringförmigen
HIP-Kapsel 1 vor der eigentlichen Zentrierung durch die
geschrägten
Richtplatten 4 und 10. Das einfache Einstecken
erleichtert den Austausch der Abstandhalter 8.
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Die
Abstandhalter 8 weisen ebene Kontaktflächen zu den Richtplatten 4 und 10 auf,
um Beschädigungen
der Richtplatten 4 und 10 weitestgehend auszuschließen.
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Die
Kontaktflächen
zwischen der HIP-Kapsel 1 und den Richtplatten 4 und 10,
zwischen den Richtplatten 4, 10 und der zentralen
Achse 9 und zwischen den Richtplatten 4, 10 und
den Abstandhaltern 8 sind mit einer Antiverschweißbeschichtung
aus Aluminiumoxid versehen. Die Beschichtungen dienen dazu, ein
Verschweißen
dieser Teile während
des Heißisostatischen
Pressens zu verhindern.
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Ferner
weisen die Richtplatten 4, 10 in ihren Schrägen 5, 11a Ringnute 6 auf,
in welche die Schweißflansche 3a, 3b der
HIP-Kapsel 1 eingreifen können. Die Ringnute 6 sind
ausreichend weit ausgestaltet, um thermische Differenzdehnungen
der Schweißflansche 3a, 3b zuzulassen.
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Ebenfalls
in 2 ist eine weitere Ausgestaltung gestrichelt gezeichnet
angedeutet, bei der die Vorrichtung zum Richten zwei HIP-Kapseln 1 zwischen
drei Richtplatten 4, 10 aufweist, die auf einer zentralen
Achse 9 zentriert angeordnet sind.
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Dies
hat den Vorteil, dass das Heißisostatische
Pressens für
beide übereinander
angeordneten HIP-Kapseln 1 mit denselben Verfahrensparametern erfolgt.
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Eine
vorstehend beschriebene ringförmige HIP-Kapsel 1 wird
zum Richten in einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung zwischen
zwei ringförmigen
Richtplatten 4, 10 angeordnet, welche jeweils eine
zu einer Schräge 2a, 2b einer
HIP-Kapselseite korrespondierende Schräge 5, 11a aufweisen,
welche jeweils auf einer zentrale Achse 9 zentriert angeordnet
sind, wobei die zentrale Achse 9 parallel zur Richtung
der Schwerkraft ausgerichtet ist.
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Auf
der unteren Richtplatte 4 werden acht Abstandhalter 8 gleichmäßig über den
Umfang der Richtplatte 4 verteilt in gleicher Entfernung
zur zentralen Achse 9 in acht Bohrungen 7 in die
Richtplatte 4 eingesteckt. Die axiale Dicke der Abstandhalter 8 ist
geringer als die axiale Dicke der HIP-Kapsel 1.
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Auf
die untere zentrierte Richtplatte 4 wird die ringförmige HIP-Kapsel 1 gelegt.
Die Abstandhalter 8 erlauben eine grobe Zentrierung der
HIP-Kapsel 1. Auf die HIP-Kapsel 1 wird eine zweite
Richtplatte 10 gelegt, die mittels der zentralen Achse 9 zentriert wird.
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Die
eigentliche Zentrierung der HIP-Kapsel 1 erfolgt über die
korrespondierenden konzentrischen Schrägen 2a, 2b und 5, 11a der
HIP-Kapsel 1 und der Richtplatten 4, 10.
Außerdem
minimieren die korrespondierenden konzentrischen Schrägen 2a, 2b und 5, 11a den
radialen Verzug der HIP-Kapsel 1 während des Heißisostatischen
Pressens.
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Das
Eigengewicht der HIP-Kapsel 1 und das Gewicht der über ihr
liegenden zweiten Richtplatte 10 minimieren den axialen
Verzug der HIP-Kapsel 1 während des Heißisostatischen
Pressens, d.h. der Ring bleibt eben.
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Die
Abstandhalter 8 begrenzen die axiale Schrumpfung der HIP-Kapsel 1 während des
Heißisostatischen
Pressens.
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Die
ausgerichtete HIP-Kapsel wird in der Richtvorrichtung in einem HIP-Ofen
heißisostatisch gepresst.
Nach dem Heißisostatischen
Pressen wird die weitestgehend verzugfreie HIP-Kapsel 1 der Richtvorrichtung
entnommen und die Kapsel wird vom verdichteten MMC-Ring abgetragen.
Der resultierende MMC-Ring ist weitestgehend frei von Verzug und
Gefügefehlern,
weist aber die Vorteile des MMC-Werkstoffs ohne die übliche geringe
Bruchdehnung auf.
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Die
erfindungsgemäße HIP-Kapsel
sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung
und das erfindungsgemäße Verfahren
erweisen sich in den Ausführungsformen
der vorstehend beschriebenen Beispiele als besonders geeignet für das Heißisostatische Pressen
eines ringförmigen
MMC-Rohlings für
einen Verdichter-Ring eines Triebwerks.
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Insbesondere
können
so erhebliche Vorteile bezüglich
der Genauigkeitsanforderungen in allen drei Hauptachsen des Verdichterrings
erzielt werden. Aber auch innere Spannungen und Gefügefehler werden
minimiert.
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Die
Erfindung ist nicht nur auf die zuvor geschilderten Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern vielmehr auf weitere übertragbar.
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So
ist zum Beispiel denkbar, die Fügeflansche
der HIP-Kapsel ausschließlich
an ihren Radialseiten anzuordnen.
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Außerdem kann
die Anordnungsreihenfolge HIP-Kapsel – Abstandhalter – zentrale
Achse vertauscht werden in Abstandhalter – HIP-Kapsel – zentrale
Achse.
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Denkbar
ist es auch die HIP-Kapsel nicht zu der zentralen Achse hin zu verjüngen, sondern
von ihr weg.
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- 1
- HIP-Kapsel
- 2a,
2b
- Schräge, konzentrisch
- 2c
- Flankenwinkel
- 3a,
3b
- Schweißflansch,
axial
- 3a–3e
- Fügestelle
- 31,
32
- Hohlraum
- 4
- Richtplatte
- 5
- Schräge, konzentrisch
- 6
- Ringnut
- 7
- Bohrung
- 8
- Abstandhalter
- 9
- zentrale
Achse
- 10
- Richtplatte
- 11a,
11b
- Schräge, konzentrisch
- 12a,
12b
- Ringnut
- 13
- Differenz
der axialen Dicken von HIP-Kapsel und Abstandhalter