DE102010037690A1

DE102010037690A1 - Turbinenrotor-Fabrikation unter Anwendung des Kaltspritzens

Info

Publication number: DE102010037690A1
Application number: DE102010037690A
Authority: DE
Inventors: Eklavya Bangalore Calla; Raymond Goetze; Surinder Pabla
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-10-07
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2011-04-21
Also published as: US20110078896A1; GB201016721D0; US9138838B2; JP2011080463A; GB2474345A; CH701998B1; US8261444B2; GB2474345B; CH701998A2; JP5791882B2; US20120272523A1

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors (10) schließt ein: (a) Bereitstellen einer Kernwelle (12), (b) Kaltspritzen von Legierungspulver-Teilchen auf die Kernwelle, (c) Regeln des Kaltspritzens zum Bilden von Abschnitten (14), (16), (18) von zumindest unterschiedlicher Gestalt entlang der Kernwelle, um dadurch einen Rotor nahe der Endgestalt zu bilden, und (d) Wärmebehandeln des Rotors nahe der Endgestalt zum Abbauen von Spannungen und zum Bilden einer Diffusionsverbindung über Grenzflächen zwischen einzelnen Pulverteilchen und der Kernwelle (12) und Fertigbearbeiten des Rotors nahe der Endgestalt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Turbinenkomponenten und, mehr im Besonderen, auf die Herstellung eines Turbinenrotors durch ein Kaltspritz-Verfahren.
Rotoren, die in Dampfturbinen, Gasturbinen und Strahltriebwerken benutzt werden, erfahren typischerweise entlang ihrer Längen einen Bereich von Betriebsbedingungen. Unterschiedliche Betriebsbedingungen komplizieren die Auswahl sowohl der Rotormaterialien als auch der Herstellungsverfahren für den Rotor, weil Materialien, die zum Erfüllen einer Betriebsbedingung optimiert sind, zum Erfüllen einer anderen Betriebsbedingung nicht optimal zu sein brauchen. So haben z. B. die Einlass- und Auslassbereiche eines Dampfturbinenrotors unterschiedliche Anforderungen an die Materialeigenschaften. Die Einlassregion hoher Temperatur erfordert typischerweise ein Material mit hoher Kriechbruchfestigkeit, aber nur mäßiger Zähigkeit. Der Auslassbereich, andererseits, erfordert nicht das gleiche Niveau der Hochtemperatur-Kriechfestigkeit, aber geeignete Materialien müssen typischerweise eine sehr hohe Zähigkeit haben, weil lange Turbinenschaufeln, die im Auslassbereich benutzt werden, hohe Belastungen ausüben. Monolithische Rotoren einer einzigen chemischen Zusammensetzung können die Anforderungen an die Eigenschaften in jeder der Stufen geringen Druckes, mittleren Druckes und hohen Druckes aus den oben erwähnten Gründen nicht erfüllen.
Als ein Resultat werden Rotoren häufig durch Zusammenbauen von Segmenten unterschiedlicher Zusammensetzungen konstruiert. So haben z. B. große Dampfturbinen typischerweise eine geschraubte Konstruktion, die aus separaten Rotoren hergestellt ist, die in separaten Hüllen oder Hauben zum Einsatz in unterschiedlichen Sektionen der Turbine enthalten sind. Kleinere Dampfturbinen können Gebrauch von einem Mittelspann machen, der sowohl mit Hoch- als auch Niederdrucktemperatur-Komponenten kuppelt, die sich zusammen in einer Hülle befinden. Rotoren für Gasturbinen und Strahltriebwerke, andererseits, sind häufig konstruiert durch Verbolzen einer Reihe von Scheiben und Wellen miteinander. Während Rotoren mit Bolzenkonstruktion in weitem Rahmen eingesetzt werden, leiden sie an verschiedenen Nachteilen, einschließlich erhöhter Anzahl von Teilen, erhöhten Anforderungen an den Zusammenbau, größerer Länge der Rotorbaueinheit und zunehmender Ausgleichskomplexität.
Ein anderes Verfahren zum Kombinieren verschiedener Materialien in dem einzelnen Rotor ist das Verschweißen von Rotorsegmenten miteinander, die aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind, wobei ein Rotor gebildet wird, der als ein Mehrlegierungsrotor bezeichnet werden kann. Eine geschweißte Rotorkonstruktion hat jedoch auch Nachteile, wie höhere Investitionskosten für die Schweißausrüstung, zusätzliche Produktionskosten für die Schweißvorbereitung und das Schweißen und lange Produktionszeiten, die zum Inspizieren und Verbessern erforderlich sind und die Notwendigkeit der Wärmebehandlung nach dem Schweißen. Die Festigkeit von Rotoren, die eine geschweißte Konstruktion aufweisen, kann auch aufgrund einer Notwendigkeit beschränkt sein, einen geringen Kohlenstoffgehalt in der Schweißstelle aufrechtzuerhalten und der Neigung zu einer großen Anzahl kleiner, nicht-metallischer Einschlüsse, die die lasttragende Fähigkeit reduzieren.
Es bleibt daher ein Bedarf zur Schaffung eines neuen Weges zum Herstellen eines Turbinenrotors, der Materialvergeudung verringert, das Einbeziehen unterschiedlicher Materialien in die Rotorkonstruktion gestattet und Produktionszeit und -kosten, die mit der Herstellung des Rotors verbunden sind, vermindert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer beispielhaften, aber nicht einschränkenden Ausführungsform der Erfindung werden entweder der gesamte Rotor oder einige Teile des Rotors durch ein Kaltspritz-Verfahren hergestellt. Kaltspritzen ist eine Technik, bei der dichte und gut haftende Abscheidungen aufgrund des Aufpralls pulverisierten Ausgangsmaterials auf einem Substrat mit hoher Geschwindigkeit gebildet werden. Die gebildeten Abscheidungen unterliegen keiner Phasentransformation oder Oxidation während des Fluges. Darüber hinaus unterliegen die Pulverteilchen aufgrund des Aufpralls mit hoher Geschwindigkeit starker Dehnung bei sehr hohen Dehnungsraten. Dies führt zu einer Kornverfeinerung und einer sehr feinkörnigen Struktur in dem abgeschiedenen Material. Die Kornverfeinerung führt auch zur Bildung von Nano-Kornstruktur mit einer höheren Festigkeit als Materialien, die durch konventionelle Verfahren geformt werden.
Gemäß einem Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines Turbinenrotors, umfassend (a) Bereitstellen einer Kernwelle, (b) Kaltspritzen von Legierungspulver-Teilchen auf die Kernwelle, (c) Regeln des Kaltspritzens zum Bilden von Abschnitten unterschiedlicher Gestalt entlang der Kernwelle, um dadurch einen Rotor nahe der Endgestalt zu bilden, und (d) Behandeln des Rotors nahe der Endgestalt zur Beseitigung von Spannungen und zum Ausbilden eines Diffusionsverbindens über Grenzflächen zwischen einzelnen Pulverteilchen und der Kernwelle.
In einem anderen Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Reparieren eines beschädigten Rotors, umfassend (a) Vorbereiten eines lokal beschädigten Teiles des Rotors, (b) Kaltspritzen von Legierungspulver-Teilchen auf den lokal beschädigten Teil, (c) Regeln des Kaltspritzens in Stufe (b) zum Wiederherstellen des lokal beschädigten Teiles zum Bilden eines reparierten Teiles, der im Wesentlichen die gleichen Eigenschaften und die gleiche Gestalt aufweist, wie ursprünglich hergestellt, und (d) Wärmebehandeln zumindest des reparierten Teiles.
In noch einem anderen Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors, umfassend: (a) Bereitstellen einer Kernwelle, (b) Kaltspritzen von Legierungspulver-Teilchen auf die Kernwelle, (c) Regeln des Kaltspritzens zum Bilden von Kernwellen-Abschnitten unterschiedlicher Gestalt entlang einer Längenabmessung der Kernwelle, (d) Kaltspritzen zum Bilden einer oder mehrerer Rotorscheiben, die zum Zusammenbau auf der Kernwelle angepasst sind, (e) Fixieren der einen oder mehrerer Rotorscheiben auf dem Rotor zum Bilden eines Rotors nahe Endgestalt, (f) Behandeln des Rotors nahe Endgestalt zum Vermindern von Spannungen und zum Ausbilden eines Diffusionsverbindens über Grenzflächen zwischen einzelnen Pulverteilchen und der Kernwelle, und (g) Fertigformen des Rotors nahe Endgestalt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 zeigt schematisch einen teilgeformten Rotor, hergestellt gemäß einer ersten beispielhaften, aber nicht einschränkenden Ausführungsform der Erfindung,
2 ist ein Fließdiagramm, das ein Rotor-Herstellungsverfahren gemäß einer ersten beispielhaften, aber nicht einschränkenden Ausführungsform der Erfindung zeigt, und
3 ist ein Fließdiagramm eines Rotor-Reparaturverfahrens gemäß einer zweiten beispielhaften, aber nicht einschränkenden Ausführungsform der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt einen teilgeformten Rotor 10, der auf einer Kernwelle oder einem Dorn 12 kaltgespritzt ist. Der Rotor 10 ist mit aufgebauten Abschnitten gezeigt, die Hochdruck(HP)-, Mitteldruck(IP)- und Niederdruck(LP)-Abschnitte 14, 16 bzw. 18 entlang einer geometrischen Mittellinie oder Rotationsachse 20 definieren, unter Anwendung eines Kaltspritz-Verfahrens, das unten detaillierter beschrieben wird.
Mit Bezug auf die Verfahrensübersicht, die in 2 gezeigt ist, wird in einer ersten beispielhaften, aber nicht einschränkenden Ausführungsform der Erfindung der gesamte Rotor 10 unter primärer Anwendung eines ansonsten bekannten Kaltspritz-Verfahrens hergestellt. Die erste Stufe 1 schließt die Herstellung der Kernwelle oder des Dornes 12 ein. Spezifisch wird die Kernwelle oder der Dorn 12 gereinigt, oberflächen-endbearbeitet und maschinell zu dem erforderlichen Profil und der erforderlichen Gestalt bearbeitet. Zur Übereinstimmung der Terminologie wird eine „Kernwelle” unten als eine Ausführungsform beschrieben, bei der die Kernwelle Teil des fertigen Rotors bleibt. Die Kernwelle kann jedoch auch in Form eines entfernbaren „Dornes” bereitgestellt werden, der während oder nach Abschluss der Rotorherstellung, wie weiter hierin beschrieben wird, entfernt wird.
Stufe 2 in der ersten beispielhaften, aber nicht einschränkenden Ausführungsform schließt die Kaltspritz-Abscheidung auf der Kernwelle 12 ein, um einen Rotor nahe Endgestalt zu bilden. Ein oder mehrere Kaltspritz-Kanonen/Düsen, die auf einem oder mehreren Robotern, CNC oder anderen geeigneten automatisierten Maschinen montiert sind, werden zum Aufbau des Rotors 10 bis zu einer in 1 gezeigten Gestalt nahe Endgestalt benutzt. Der Abstand während des Spritzens beträgt üblicherweise zwischen 10 mm und 100 mm. Die Spritz-Kanone/Düse kann entworfen sein, auf große Bereiche zu spritzen, indem man z. B. einen großen Austrittsbereich in der Düse hat. Es ist auch möglich, mehr als eine Kanone gleichzeitig zu benutzen, um größere Spritzgeschwindigkeiten zu erzielen oder an Erfordernisse zum Spritzen mit unterschiedlichen Raten oder zum Spritzen unterschiedlicher Materialien anzupassen. Die Kanonen sind üblicherweise auf einer traversierenden Einrichtung der oben erwähnten Art montiert und die traversierende Einrichtung kann programmiert sein, um (durch Spritzen) spezifische Profile zu erzielen, die in unterschiedlichen Teilen des Rotors erforderlich sein mögen. Automatisierte Maschinen dieser Art sind im Stande der Technik allgemein bekannt und müssen nicht detailliert beschrieben werden.
Pulvermaterial einer ausgewählten Zusammensetzung wird auf die Kernwelle 12 gespritzt, um den Rotor aufzubauen und die verschiedenen Dicken in den Abschnitten 14, 16 und 18 und, wahlweise, die (nicht gezeigten) Räder oder Scheiben zu bilden, die die Turbinenschaufeln abstützen. In dieser Hinsicht ermöglichen die ein oder mehreren Spritzkanonen die Herstellung komplexer Gestalten unter Einsatz unterschiedlicher Materialien in verschiedenen Bereichen entlang der Länge des Rotors, wobei Änderungen in der Pulvermaterial-Zusammensetzung und -Dicke während des Spritzverfahrens vorgenommen werden, wie durch das Regelprogramm der Maschine diktiert. Während z. B. die erforderlichen Rotormerkmale im Kompressorabschnitt der Maschine gebildet werden, kann NiCrMoV-Pulver für Anwendungen bis zu 650°F benutzt werden, während CrMoV-Pulver für Anwendungen bis zu 810'°F benutzt werden kann. Zusätzlich kann in einer Übergangsregion zwischen dem Kompressorabschnitt des Rotors und dem Turbinenabschnitt des Rotors mit Temperaturen bis zu 1100°F eine abgestufte Mischung von CrMOV und einer Legierung auf Nickelbasis mit der folgenden nominellen Zusammensetzung in Prozent benutzt werden:

Ni 52,50

Co 1,00

Cr 19,00

Mo 3,05

Fe 17,00

Si 0,35

Mn 0,35

C 0,080

Al 0,600

Ti 0,900

Cu 0,30

P 0,015

B 0,006

S 0,015

Nb + Ta 5,125

Eine solche Legierung ist unter der Bezeichnung IN 718^® erhältlich. In anderen Worten, können die Abscheidungen in der Übergangsregion mit größeren Mengen von CrMoV beginnen, mit graduell zunehmenden Mengen des z. B. IN 718^®-Gehaltes, um einen glatten Übergang zu reinem IN 718^® an der Turbinenseite des Rotors zu erzielen. Alternativ kann eine andere Legierung auf Nickelbasis im Turbinenabschnitt bis zu 1100°F benutzt werden z. B. eine Legierung der folgenden Zusammensetzung in Prozent:

Nickel	55,0–59,0
Chrom	19,0–22,5
Molybdän	7,0–9,5
Niob	2,75–4,0
Titan	1,0–1,7
Aluminium	0,35 max
Kohlenstoff	0,03 max
Mangan	0,35 max
Silicium	0,20 max
Phosphor	0,015 max
Schwefel	0,010 max
Eisen	Rest

Eine solche Legierung ist erhältlich unter der Bezeichnung IN 725^®, die durch ein Pulvermetallurgie-Verfahren gebildet ist. Noch eine andere Legierung auf Nickelbasis kann benutzt werden (bis zu 905°F), z. B. in der hinteren Welle des Turbinenrotors. Diese dritte Legierung kann die folgende Zusammensetzung in Prozent aufweisen:

Kohlenstoff	0,06
Mangan	0,35
Silicium	0,35
Phosphor	0,020
Schwefel	0,015
Nickel + Kobalt	44,0
Chrom	17,5
Kobalt	1.00
Eisen	Rest
Aluminium	0,40
Titan	2,00
Bor	0,006
Kupfer	0,30
Nb + Ta	3,30

Eine solche Legierung ist unter der Bezeichnung In 706^® erhältlich.
Ähnliche Verbindungen existieren auch in den Kompressor- und Turbinen-Rotorabschnitten, wo Übergänge zwischen verschiedenen Stufen und/oder Abschnitten (HP, IP und LP) mit Änderungen in den Temperaturprofilen verbunden sind. Materialänderungen können während des Kaltspritzens der Rotorscheiben oder -räder (innerhalb der gleichen oder verschiedener Scheiben) auch erforderlich sein.
Die Materialzusammensetzungs-Übergänge können durch Variieren der Pulverzusammensetzung in einer einzigen Pulver-Zuführungsvorrichtung erzielt werden oder es können verschiedene Pulverzusammensetzungen aus mehreren Zuführungsvorrichtungen in den erforderlichen Verhältnissen zugeführt werden. Die Fähigkeit des Kaltspritz-Verfahrens zum Bilden abgestufter Überzüge kann, in anderen Worten, ausgenutzt werden, um einen graduellen Übergang in der Legierungs-Zusammensetzung bereitzustellen, wo immer er erforderlich ist, z. B. um die Spannungen aufgrund einer Fehlanpassung von Koeffizienten der Wärmeausdehnung zu verringern oder um andere Anforderungen an Materialeigenschaften zu erfüllen.
Während der Ausführung von Stufe 2 hängen verschiedene Kaltspritz-Parameter vom Kanonendesign (z. B. dem Verhältnis des Bereiches des Düsenausganges zum Düsenhals) ab. Die unten angegebene Gleichung beschreibt die Strömung in einer konvergierenden/divergierenden Düse, die in dem gedrosselten Zustand betrieben wird:
worin A die Fläche des Düsenausganges und A* die Fläche des Düsenhalses ist und Gamma (γ) der adiabatische Index oder das Wärmekapazitäts-Verhältnis Cp (Wärmekapazität bei konstantem Druck)/Cv (Wärmekapazität bei konstantem Volumen) des benutzten Verfahrensgases ist.
Die Gasstromungs-Parameter hängen von dem Verhältnis A/A* ab. Eine gewisse minimale Gasmassenströmung ist erforderlich, um die Düse in dem gedrosselten Zustand zu betreiben. Nachdem die Düse im gedrosselten Zustand arbeitet, beträgt die Austrittsgas-Geschwindigkeit die durch die obige Gleichung angegebene Mach-Zahl (M). Gas mit einem höheren Gammawert ist nützlich, da es zu einer größeren Mach-Zahl führt. Das weitere Erhöhen der Gasmassenströmung erhöht jedoch per se nicht die Gasaustritts-Geschwindigkeit, sondern macht das Gas in der Düse dichter. Das dichtere Gas übt mehr Zugkraft auf die zugeführten Teilchen aus und beschleunigt sie so zu einem höheren Grade. Der Effekt des Erhöhens der Gasmassenströmung besteht in diesem Falle in der Erhöhung der Teilchen-Geschwindigkeit. Höhere Teilchen-Geschwindigkeiten sind beim Kaltspritzen im Allgemeinen gut, insbesondere, da die Teilchen oberhalb einer gewissen kritischen Minimalgeschwindigkeit wandern müssen, um den Überzug zu bilden. Das Erhöhen des Gasdruckes erhöht die Gasmassenströmung, wobei jedoch zu bemerken ist, dass einige Kaltspritzsysteme mit Massenströmungsreglern ausgerüstet sind und in solchen Systemen kann die Gasmassenströmung direkt erhöht werden.
Die Rolle der Temperatur beim Erhöhen der Gasgeschwindigkeit ist etwas indirekt. Wie aus der obigen Gleichung ersichtlich, steht die Gastemperatur nicht in Beziehung zur Austritts-Mach-Zahl, doch haben heißere Gase einen höheren Wert für die Mach-Zahl (d. h., die Schallgeschwindigkeit ist in heißeren Gasen höher) und dies beeinflusst die Austritts-Gasgeschwindigkeit, da heißeres Gas mit einer höheren Geschwindigkeit wandert.
Mit diesen allgemeinen Kaltspritz-Parametern im Gedächtnis wird man erkennen, dass die spezifischen Kaltspritz-Parameter, die in irgendeinem gegebenen Verfahren zum Herstellen eines Turbinenrotors durch Kaltspritzen benutzt werden, variieren mögen, wie erforderlich, um die erwünschten Resultate zu erzeugen. In anderen Worten, geben diese allgemeinen Parameter ein Verstehen dahingehend, wie die spezifischen Spritzparameter, wie Gasströmung, -druck und -temperatur, Düsendesign, Abstand zwischen Düsenaustritt und Substrat usw. einzustellen sind.
Das Kaltspritz-Verfahren ist vorteilhaft dahingehend, dass es weniger Zeit benötigt und einfacher als konventionelle Herstellungstechniken zu regeln ist. Grundsätzlich ist das Formen durch Kaltspritzen ein additives Verfahren, das effizienter ist als ein typisches Materialentfernungs-Verfahren (z. B. schmieden und dann maschinell bearbeiten).
Stufe 3 in dem Verfahren schließt ein Behandeln durch Glühen z. B. des abgeschiedenen Materials, ein, um Spannungen im Material zu vermindern und die erwünschte Mikrostruktur zu erzielen.
Stufe 4 schließt das Umwandeln der Gestalt nahe der Endgestalt, die in Stufe 2 erzeugt wurde, in die Endform oder die Endgestalt (d. h., Fertigformen) mit der erwünschten Oberflächenqualität, Dicken und Profilen ein. Dies kann durch konventionelle Mittel erzielt werden, wie Schmieden, maschinellem Bearbeiten, Schleifen, und Ähnlichem oder Kombinationen davon.
Heißisostatisches Pressen (HIP) kann auch ausgeführt werden, falls erforderlich. HIP ist brauchbar zum weiteren Verringern der Porosität und zum Verbessern der mechanischen Eigenschaften. HIP kann, falls erforderlich, entweder nach Stufe 3 oder nach Stufe 4 angewendet werden.
Stufe 5 gilt nur für solche Anwendungen, bei denen ein entfernbarer Dorn 12 eingesetzt wird. Dieser Umstand beeinflusst die Auswahl des Materials für den Dorn. So kann z. B. der Dorn aus Aluminium hergestellt sein, das durch Auflösen in einer alkalischen Lösung entfernt werden kann. Alternativ können einige Dorne durch maschinelle Bearbeitung entfernt werden. Andere Dornmaterial-Auswahlen schließen Nichtmetalle, wie Kunststoffe, Gummis oder Wachs, ein, die durch Erhitzen des Rotors nach dem Bilden gemäß Stufen 1–4 entfernt werden können oder einfach herausgestoßen werden können.
Als eine Alternative zu den „zu entsorgenden” Dornen, die oben diskutiert wurden, können permanente, wiederverwendbare Dorne in dem Verfahren ebenso eingesetzt werden. Diese Dorne werden durch z. B. Aufbringen eines Entformungsmittels auf den Dorn vor dem Kaltspritzen entfernbar gemacht. Entformungsmittel, wie Bornitrid, werden im weiten Rahmen eingesetzt beim Schmieden und Gießen. Das Entformungsmittel wird als dünner Film auf den Dorn aufgebracht und verhindert Haftung des kaltgespritzten Materials. Eine dünne Schicht von tiefschmelzendem Material kann auch als Entformungsmittel dienen, da das Material nach dem Abschließen des Kaltspritzens weggeschmolzen werden kann, was das Entfernen des Dornes dadurch ermöglicht.
In noch einer anderen Technik, einen Dorn entfernbar zu machen, können die Kaltspritz-Parameter eingestellt werden, lose haftende Teilchen nahe der Dornoberfläche zu erzeugen (z. B. durch Benutzen geringerer Gasmassen-Strömungsraten und Temperatur zum Erzeugen einer Abscheidung aus Aufschlägen geringer Geschwindigkeit, die nicht gut an dem Dorn haften werden).
Der Vorteil des Einsatzes eines Dornes 12 ist, dass interne Designs, die auf dem Rotor selbst erwünscht sind, in den Dorn als externe Merkmale eingearbeitet werden können. Ist z. B. ein Kühlkanal auf dem Rotor erwünscht, dann kann er auf dem Dorn als ein Vorsprung eingeschlossen sein, und das nachfolgende Spritzformen auf dem Vorsprung resultiert in der Bildung eines Kanals. Durch Benutzen komplexer Dorndesigns können komplexe interne Merkmale (z. B. für Kühlkanäle) in den Rotor eingeschlossen werden.
In einer anderen beispielhaften, aber nicht einschränkenden Ausführungsform könnten die Rotorscheiben allgemein, wie oben beschrieben, kaltgespritzt und dann auf dem kaltgespritzten Rotor 10 fixiert werden. („Fixieren” kann ein Verbindungsspritzen oder ein Schweißen an der Grenzfläche erfordern, um die Scheiben mit dem Rotor zu verbinden). Entweder eines oder beide des Rotors und der Rotorscheiben können durch Kaltspritzen gebildet werden.
Mit Bezug auf 3 ist eine Reparaturanwendung des Kaltspritz-Verfahrens gezeigt. In einer ersten Stufe 1.1 braucht nur die lokal beschädigte Rotoroberfläche gesäubert zu werden, vorzugsweise in der gleichen Weise wie in Stufe 1 des zuerst beschriebenen Rotor-Herstellungsverfahrens. Zusätzlich muss die beschädigte Fläche in geeigneter Weise geöffnet werden, um das Ausführen der Spritzoperation darauf zu gestatten. Stufen 1.2, 1.3 und 1.4 werden in im Wesentlichen der gleichen Weise wie Stufen 2–4 des vorher beschriebenen Verfahrens ausgeführt. Mit Ausnahme der lokalen Natur des Reparaturverfahrens (was z. B. erfordert, das nur der vorbereitete, lokal beschädigte Teil des Rotors kaltgespritzt und dann geglüht wird, um den lokal beschädigten Teil wieder zu einem reparierten Teil herzustellen, der im Wesentlichen die gleichen Eigenschaften und im Wesentlichen die gleiche Gestalt wie der ursprünglich hergestellte Rotor hat) sind die Verfahrensstufen und Verfahrensparameter im Wesentlichen wie oben in Verbindung mit der Rotor-Herstellungsverfahren beschrieben. Es sollte klar sein, dass in Abhängigkeit von der Stelle des beschädigten Teiles des Rotors die Zusammensetzung des Legierungspulvers in axialer und/oder radialer Richtung während der Kaltspritzoperation variieren kann. So kann z. B. die Variation der Pulvermaterial-Zusammensetzung erforderlich sein für beschädigte Bereiche, die an der Grenzfläche zwischen der Rotorwelle und einem Rad oder einer Scheibe liegen.
In noch einer anderen beispielhaften, aber nicht einschränkenden Ausführungsform kann das Kaltspritzen benutzt werden, um eine Spur oder einen Streifen aus Material, wie NiCr, aufzubringen, um das Befestigen von Instrumentenleitungen an dem Rotor zu erleichtern. Derzeit werden Instrumentenleitungen an HVOF- oder luftplasmagespritzte Materialien auf dem Rotor heftgeschweißt. Die Materialien, die typischerweise auf den Rotor gespritzt werden, sind Legierungen auf Ni-, Co- oder Fe-Basis. Der Zweck des Überzuges ist es, eine Schicht auf dem Rotor bereitzustellen, bei der die Heftschweißperle nicht in das Rotormaterial eindringt. Porosität und Oxide in den Spuren sind Schlüsselursachen des Versagens der Spuren. Die Merkmale kaltgespritzter Spuren, weniger Oxide, geringere Porosität und bessere Haftung, helfen bei der Verbesserung der Lebensdauer der Spuren. Die dichtere Spur verhindert auch das Eindringen der Heftschweißung in das Rotorsubstrat. Dies ist eine Schlüsselanforderung für die Leistungsfähigkeit, die nicht durch HVOF- und plasmagespritzte Spuren erfüllt werden kann. Irgendeine Löt-, Hartlöt- oder Schweiß-Operation, die auf den kaltgespritzten Spuren ausgeführt wird, hat eine bessere Integrität, verglichen mit HVOF- oder luftplasmagespritzten Spuren.
Der Nutzen der Anwendung des Kaltspritzens wird auch in einer Verringerung der Maskierungsanforderung, verglichen mit HVOF oder Plasmaspritzen, reflektiert.
Ein anderes Verfahren zum Aufbringen der Instrumentations-Leitungen wäre das Kaltspritzen eines Überzuges direkt auf die Zuleitungen, die auf dem Rotor angeordnet sind, sodass die Zuleitungen an der Rotoroberfläche befestigt werden. Die Dicke und Breite des Überzuges hängt von den Zentrifugalkräften ab, die im Gebrauch auf die Zuleitungen wirken. Da ein kaltgespritzter Überzug eine festere Bindung an das Substrat fördert, ist er mehr in der Lage, die Zuleitungen an den Rotor zu binden. Eine konventionelle Glühstufe kann erforderlich sein, um die Diffusionsbindung zwischen der kaltgespritzten Spur und der Rotoroberfläche zu verbessern.
Während die Erfindung in Verbindung damit beschrieben wurde, was derzeit als die praktischste und bevorzugteste Ausführungsform angesehen wird, sollte klar sein, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken soll, die in den Geist und Umfang der beigefügten Ansprüche fallen. Dieses Verfahren kann auch zum Herstellen anderer metallischer/Legierungs-Teile für verschiedene Anwendungen benutzt werden.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors 10 schließt ein: (a) Bereitstellen einer Kernwelle 12, (b) Kaltspritzen von Legierungspulver-Teilchen auf die Kernwelle, (c) Regeln des Kaltspritzens zum Bilden von Abschnitten 14, 16, 18 von zumindest unterschiedlicher Gestalt entlang der Kernwelle, um dadurch einen Rotor nahe der Endgestalt zu bilden, und (d) Wärmebehandeln des Rotors nahe der Endgestalt zum Abbauen von Spannungen und zum Bilden einer Diffusionsverbindung über Grenzflächen zwischen einzelnen Pulverteilchen und der Kernwelle 12 und Fertigbearbeiten des Rotors nahe der Endgestalt.
Bezugszeichenliste

10: Rotor
12: Kernwelle
14: Abschnitt
16: Abschnitt
18: Abschnitt

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Rotors (10), umfassend: (a) das Bereitstellen einer Kernwelle (12); (b) das Kaltspritzen von Legierungspulver-Teilchen auf die Kernwelle; (c) das Regeln des Kaltspritzens zum Bilden von Abschnitten (14, 16, 18) unterschiedlicher Gestalt entlang der Kernwelle, um dadurch einen Rotor nahe der Endgestalt zu bilden, und (d) das Wärmebehandeln des Rotors nahe der Endgestalt zum Abbauen von Spannungen und zum Bilden einer Diffusionsverbindung über Grenzflächen zwischen einzelnen Pulverteilchen und der Kernwelle (12).
Verfahren nach Anspruch 1, worin dir Kernwelle (12) ein integraler Teil des Rotors (10) bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend: (e) das Fertigformen des Rotors nahe der Endgestalt durch irgendeines von Schmieden, maschinellem Bearbeiten, Schleifen oder Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 1, worin eine Materialzusammensetzung der genannten Legierungspulver-Teilchen zumindest in axialen Längsabmessungen des Rotors (10) variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin Stufe (c) ausgeführt wird, um eine oder mehrere Scheiben auf der Kernwelle (12) zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 5, worin eine Zusammensetzung der Legierungspulver-Teilchen entlang einer radialen Richtung der einen oder mehrerer Scheiben variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, worin die Material-Zusammensetzung in einem Kompressorabschnitt des Rotors (10) eine Legierung auf Chrombasis und im Turbinenabschnitt des Rotors eine Legierung auf Nickelbasis einschließt.
Verfahren nach Anspruch 3, worin die Kernwelle (12) aus einem Material zusammengesetzt ist, das ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Metalle, Kunststoffe und Gummis.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Kernwelle (12) die Form eines entfernbaren Dornes aufweist, der nach Stufe (e) entfernt wird.
Verfahren zum Reparieren eines beschädigten Rotors (10), umfassend: (a) das Vorbereiten eines lokal beschädigten Teiles des Rotors, (b) das Kaltspritzen von Legierungspulver-Teilchen auf den lokal beschädigten Teil, (c) das Regeln des Kaltspritzens in Stufe (b), um den lokal beschädigten Teil zur Bildung eines reparierten Teiles wieder herzustellen, der im Wesentlichen die gleichen Eigenschaften und im Wesentlichen die gleiche Gestalt hat wie ursprünglich hergestellt, und (d) das Wärmebehandeln zumindest des reparierten Teiles.