DE102015209745A1

DE102015209745A1 - Verfahren zur Herstellung einer Tl-Blisk

Info

Publication number: DE102015209745A1
Application number: DE102015209745.5A
Authority: DE
Inventors: Dagobert Göpfert; Jürgen Neumann; Walter Sürth
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2015-05-28
Publication date: 2016-12-01
Anticipated expiration: 2035-05-29
Also published as: DE102015209745B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer beschaufelten Scheibe einer Gasströmungsmaschine, insbesondere eines Flugtriebwerks, bei welchem nach einer mechanischen Bearbeitung (10) einer beschaufelten Scheibe eine Oberflächenbearbeitung durch eine Strahlbehandlung (13) an der beschaufelten Scheibe durchgeführt wird, an die sich eine Behandlung durch Gleitschleifen (14) in Anwesenheit einer Flüssigkeit und einer Vielzahl von Gleitschleifkörpern anschließt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer beschaufelten Scheibe einer Strömungsmaschine und insbesondere eines Flugtriebwerks.
STAND DER TECHNIK
In Strömungsmaschinen, wie stationären Gasturbinen oder Flugtriebwerken können sogenannte beschaufelte Scheiben (Blisk) eingesetzt werden, die an einer Scheibe oder einem sich drehenden Rotor integral oder einstückig angeordnete Schaufeln aufweisen und daher im Englischen auch Blade Integrated Disk od. Integrally Bladed Rotor genannt werden, woraus sich die Kunstbezeichnung „Blisk“ (Bladed Disk) ableitet. Obwohl derartige Bauteile für den Einsatz in Strömungsmaschinen gewisse Vorteile aufweisen, ist ihr Einsatz begrenzt, da sich die Herstellung aufgrund der komplexen Strukturen, die eine derartige Blisk aufweist, als durchaus schwierig und aufwendig gestaltet. Dies gilt insbesondere auch deshalb, weil an derartige Bauteile hohe Anforderungen hinsichtlich ihres Eigenschaftsprofils gestellt werden. So müssen beschaufelte Scheiben oder Rotoren eine ausreichende Bauteilsicherheit und -zuverlässigkeit mit entsprechender Festigkeit, insbesondere Schwingungsfestigkeit aufweisen und darüber hinaus glatte Oberflächen für den strömungsoptimierten Einsatz besitzen. Entsprechend sind aus dem Stand der Technik bereits Verfahren zur Herstellung und Bearbeitung von beschaufelten Scheiben bekannt, wie sie beispielsweise in der EP 1 128 933 B1 , DE 10 2005 024 733 A1 , US 8,657,647 B2 und EP 2 103 384 A1 beschrieben sind.
Allerdings sind die bisherigen Verfahrensabläufe bei der Herstellung und Bearbeitung von beschaufelten Scheiben immer noch sehr aufwändig, sodass weiterhin eine vereinfachte Verfahrensdurchführung zur Herstellung und Bearbeitung von beschaufelten Scheiben mit vorteilhaften Eigenschaften, wie günstigen Eigenspannungsverteilungen, hoher Schwingungsfestigkeit, glatten Oberflächen usw. erforderlich sind.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung bzw. Bearbeitung von beschaufelten Scheiben einer Strömungsmaschine, insbesondere einer stationären Gasturbine oder eines Flugtriebwerks bereitzustellen, welches bei hoher Effizienz beschaufelte Scheiben mit einem vorteilhaften Eigenschaftsprofil in zuverlässiger Weise liefert.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, bei der Herstellung einer beschaufelten Scheibe nach der Durchführung einer mechanischen Bearbeitung eine Oberflächenbearbeitung mittels einer Strahlbehandlung durchzuführen und anschließend ein Gleitschleifen der Oberfläche in Anwesenheit einer Flüssigkeit und einer Vielzahl von Gleitschleifkörpern auszuführen. Es hat sich gezeigt, dass mit Hilfe des Gleitschleifens bei Verwendung einer Flüssigkeit ein einfacher Herstellungsprozess möglich ist, der beschaufelte Scheiben mit hervorragenden Eigenschaften liefert, und zwar insbesondere für beschaufelte Scheiben aus Titan-Werkstoffen, bei denen das Material, aus dem die beschaufelten Scheiben gefertigt sind, als größten Anteil Titan aufweist. Insbesondere fallen unter die Titan-Werkstoffe, aus denen die erfindungsgemäß herstellbaren, beschaufelten Scheiben vorzugsweise gebildet sein können, Legierungen auf Basis von intermetallischen Verbindungen, die zum größten Teil aus Titan bestehen.
Es hat sich gezeigt, dass sich durch die Anwesenheit einer Flüssigkeit beim Gleitschleifen im Gegensatz zu Pasten, die beispielsweise im Stand der Technik eingesetzt werden, ein vorteilhafter Gleitschleifprozess ergibt, sodass auf aufwändige zusätzliche Bearbeitungsschritte verzichtet werden kann. Insbesondere kann eine Strahlbehandlung der beschaufelten Scheibe vor dem Gleitschleifen durchgeführt werden, ohne dass durch die Strahlbehandlung entstandene Materialaufwürfe an der Oberfläche der beschaufelten Scheibe aufwändig entfernt werden müssten, da die Materialaufwürfe an der Oberfläche beim nachfolgenden Gleitschleifen einfach beseitigt werden können.
Im Gegensatz zu einer pastösen Masse, wie sie im Stand der Technik bei Gleitschleifprozessen eingesetzt wird, wird entsprechend bei der vorliegenden Erfindung eine leicht fließfähige Flüssigkeit ohne Feststoffanteile eingesetzt und die einzigen Festkörper, die während des Gleitschleifprozesses mit der zu bearbeitenden Blisk in Kontakt kommen, sind die zusätzlich zugegebenen Gleitschleifkörper.
Zwischen der mechanischen Bearbeitung und der Strahlbehandlung kann beim vorgeschlagenen Verfahren eine Untersuchung der Oberfläche der beschaufelten Scheibe auf Schädigungen durch Mikrorisse und/oder Poren durchgeführt werden. Die Untersuchung kann durch eine Eindringprüfung erfolgen, der eine Ätzbehandlung zur Reinigung der Oberfläche vorausgehen kann. Die Eindringprüfung kann als eine Farbeindringprüfung und/oder eine Fluoreszenz-Eindringprüfung, bei der eine fluoreszierende Eindringflüssigkeit verwendet wird, durchgeführt werden.
Nach dem Gleitschleifen kann die beschaufelte Scheibe weiter bearbeitet werden, indem beispielsweise eine Spitzenpanzerung aufgebracht wird, wobei vor der Aufbringung der Spitzenpanzerung die Schaufelspitzen gefräst werden können, um die Aufbringung der Schaufelspitzenpanzerung vorzubereiten.
Die mechanische Bearbeitung, die den Ausgangszustand für das erfindungsgemäße Verfahren erzeugt, kann durch eine spanabhebende Bearbeitung, wie insbesondere Fräsen, erfolgen.
Die Strahlbehandlung vor dem Gleitschleifen kann durch Kugelstrahlen und insbesondere Ultraschall-Kugelstrahlen erfolgen, wobei das Ultraschall-Kugelstrahlen deshalb bevorzugt ist, weil sich dadurch definierte und reproduzierbare Druckeigenspannungen in der Oberfläche erzeugen lassen, ohne die Rauheit der Oberfläche zu beeinträchtigen. Darüber hinaus kommt es auch bei feinen Strukturen nicht zu unerwünschten Verformungen.
Das Gleitschleifen kann als einstufiger oder mehrstufiger Gleitschleifprozess ausgeführt werden, wobei beim mehrstufigen Gleitschleifprozess das Gleitschleifen mit unterschiedlichen Gleitschleifparametern in den verschiedenen Prozessstufen durchgeführt wird. Beispielsweise kann bei einem zweistufigen Gleitschleifprozess in einer ersten Stufe das Gleitschleifen mit einer ersten Flüssigkeit durchgeführt werden, während bei der zweiten Stufe eine andere Flüssigkeit für den Gleitschleifprozess Verwendung findet. Darüber hinaus lassen sich die unterschiedlichsten Parameter des Gleitschleifprozesses, wie beispielsweise die Gleitschleifdauer oder die Art der verwendeten Gleitschleifkörper variieren.
Beim Gleitschleifen der beschaufelten Scheibe kann eine oszillierende und/oder translatorische Bewegung und/oder eine Drehbewegung der beschaufelten Scheibe relativ zu den Gleitschleifkörpern und/oder der Gleitschleifvorrichtung ausgeführt werden.
Als Gleitschleifkörper können unterschiedlich geformte Körper aus unterschiedlichen Materialien eingesetzt werden, wobei sich jedoch insbesondere keramische Rundzylinder mit einer Dichte von vorzugsweise 1 bis 5 m/cm³ bzw. 2 bis 3 g/cm³ als vorteilhaft erwiesen haben.
Die Flüssigkeiten, die beim Gleitschleifprozesse eingesetzt werden, können chemisch aktive Flüssigkeiten umfassen, die mit der Oberfläche der beschaufelten Scheibe und/oder daran anhaftenden Fremdstoffen reagieren oder diese lösen können.
Entsprechend kann es sich bei den Flüssigkeiten um Säuren, Basen oder Reinigungsflüssigkeiten handeln. Allerdings ist auch der Einsatz neutraler Flüssigkeiten möglich.
Das Gleitschleifen kann für eine Zeitdauer von bis zu fünf Stunden, insbesondere drei bis fünf Stunden, durchgeführt werden, sodass sich an den Oberflächen der beschaufelten Scheibe eine mittlere Rauheit ≤ 0,5 µm insbesondere ≤ 0,25 µm ergibt. Die mittlere Rauheit ist hierbei so definiert, dass der mittlere Abstand eines Messpunktes auf der Oberfläche zur Mittellinie angegeben wird, wobei die Mittellinie innerhalb einer Bezugsstrecke das Profil der Oberfläche so schneidet, dass die Summe der Profilabweichungen bezogen auf die Mittellinie minimal wird.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in
1 eine perspektivische Darstellung einer beschaufelten Scheibe (Blisk),
2 den Verfahrensablauf eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung und in
3 einer Gleitschleifvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben. Allerdings ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen davon möglich sind.
Die 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer sogenannten Blisk 1 (Blade Integrated Disk or Integrally Bladed Rotor), die eine Scheibe 2 und eine Vielzahl daran integral angeordneter Schaufeln 3 aufweist. Die gezeigte Blisk 1 ist eine einreihige Blisk 1, bei der nur eine umlaufende Reihe von Schaufeln 3 vorgesehen ist. Es können jedoch auch Blisktrommeln zum Einsatz kommen (nicht gezeigt), bei der mehrere Schaufelreihen nebeneinander an einer oder mehreren miteinander integral verbundenen Scheiben vorgesehen sind. Beispielsweise lassen sich derartige Blisktrommeln durch das axiale Verschweißen von mehreren Blisken 1, wie sie in 1 dargestellt sind, erzeugen. Auch derartige Blisktrommeln können durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt werden.
Die 2 beschreibt den Verfahrensablauf eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Schritte 10 bis 16 der Reihe nach durchgeführt werden.
Nachdem ein Rohbauteil einer Blisk 1 fertiggestellt ist, wird dieses gemäß der Erfindung im Schritt 10 mechanisch endbearbeitet, wobei bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Endbearbeitung durch Fräsen erfolgt.
Nach dem Fräsen wird die Blisk 1 im Schritt 11 geätzt, um eine saubere Oberfläche zu erzeugen und Bearbeitungsspuren der vorangegangenen mechanischen Bearbeitung zu entfernen.
Danach wird im Schritt 12 eine Rissprüfung durchgeführt und zwar mittels einer fluoreszierenden Eindringprüfung, bei der mit einem fluoreszierenden Eindringmittel und unter Umständen mit Hilfe von UV-Bestrahlung (UV = ultraviolett) Mikrorisse und/oder Poren sichtbar gemacht werden können.
Nach der Durchführung der Rissprüfung im Schritt 12 wird im Schritt 13 eine Oberflächenbearbeitung durch Ultraschall-Kugelstrahlen durchgeführt, um die Oberfläche der Blisk 1 zu verdichten bzw. zu verfestigen und Druckeigenspannungen in die Oberfläche einzubringen. Beim Ultraschall-Kugelstrahlen werden Kugeln, die zusammen mit der zu bearbeitenden Blisk 1 in einer Kammer angeordnet sind, durch hochfrequente Schwingungen angeregt, um sich relativ zu der zu bearbeitenden Blisk 1 zu bewegen und beim Auftreffen auf die Blisk 1 die entsprechende Oberflächenbearbeitung durchzuführen.
Nach dem Ultraschall-Kugelstrahlen im Schritt 13 wird im Schritt 14 ein Gleitschleifprozess durchgeführt, wie er nachfolgend mit Bezug auf 3 detailliert beschrieben wird.
Nach dem Gleitschleifen wird bei dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Weiterbearbeitung der Blisk in der Weise vorgenommen, dass die Spitzen der Schaufelblätter 3 für die nachfolgend aufzubringende Spitzenpanzerung gefräst werden (Schritt 15), während im Schritt 16 dann die entsprechende Spitzenpanzerung auf die Schaufelspitzen aufgebracht wird.
Die 3 zeigt in einer rein schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer Gleitschleifvorrichtung 20, mit der der Schritt 14 des Gleitschleifens durchgeführt werden kann. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Gleitschleifvorrichtung 20 ist die Blisk 1 mit den integral an der Scheibe 2 angeordneten Schaufeln 3 in einem Behälter 21 aufgenommen, in dem sich eine Vielzahl von Gleitschleifkörpern 29 in Form von Zylindern mit runder Basisfläche befinden. Die Gleitschleifkörper 29 sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem keramischen Material mit einer Dichte zwischen 2 bis 3 g/cm³ gefertigt. Die Gleitschleifkörper 29 umgeben die zu bearbeitende Blisk 1 vollständig, auch wenn in der 3 aufgrund der schematischen Darstellung nur einzelne Gleitschleifkörper 29 dargestellt sind. Zusätzlich ist in dem Behälter 21 eine Flüssigkeit vorgesehen, die aus einem der Flüssigkeitsbehälter 22 oder 24 über entsprechende Zuleitungen 23 zugegeben werden können. Die entsprechende Flüssigkeit kann über eine Pumpe 28 an einem Abfluss des Behälters aus dem Behälter 21 wieder abgesaugt werden, sodass sowohl während der Bearbeitung einer Blisk 1 in der Gleitschleifvorrichtung 20 als auch davor und danach nacheinander unterschiedliche Flüssigkeiten in dem Behälter 21 eingesetzt werden können.
Bei den Flüssigkeiten kann es sich um chemisch aktive Substanzen handeln, die mit der Oberfläche der Blisk 1 chemische Reaktionen bewirken können, beispielsweise eine ätzende Wirkung oder eine reinigende Wirkung aufweisen können. Entsprechend können die Flüssigkeiten, die eingesetzt werden können, sowohl sauer als auch basisch sein und entsprechend durch verschiedene Säuren oder Basen gebildet sein.
Wie bereits erwähnt können nacheinander unterschiedliche Flüssigkeiten eingesetzt werden, um beispielsweise zunächst mit einer ätzenden Säure die Oberfläche der Blisk 1 zu ätzen und anschließend mit der Zugabe eines Reinigungsmittels die Oberfläche der Blisk 1 von den Ätzprodukten zu säubern.
Die Zugabe kann nicht nur während des Gleitschleifprozesses erfolgen, sondern kann auch ohne Gleitschleifprozess vor dem Gleitschleifen oder nach dem Gleitschleifen erfolgen.
Das Gleitschleifen mit der Vielzahl der Gleitschleifkörper 29 und der zugegebenen Flüssigkeit erfolgt in der Weise, dass über einen Antrieb 26 eine Welle 25 drehend angetrieben wird, an der die Blisk 1 im gezeigten Ausführungsbeispiel horizontal gelagert ist, sodass die Blisk 1 in dem Gemenge aus Gleitschleifkörpern 29 und Flüssigkeit eine Drehbewegung ausführt.
Die Drehbewegung kann nur in einer Richtung erfolgen oder als Hin- und Her-Bewegung durchgeführt werden, sodass die Drehrichtung in bestimmten Zeitintervallen geändert wird.
Zusätzlich oder alternativ kann eine oszillierende Relativbewegung zwischen den Gleitschleifkörpern 29 und der Blisk 1 dadurch bewirkt werden, dass der Behälter 21, der federnd über die Federn 27 gelagert ist, zu Schwingungen angeregt wird, sodass durch die Massenträgheit eine Relativbewegung zwischen den Gleitschleifkörpern 29 und der Blisk 1 bewirkt wird. Die schwingende Bewegung des Behälters 21 kann ebenfalls durch den Antrieb 26 bewirkt werden, wenn der Antrieb 26 während der Drehbewegung aufgrund einer erzeugten Unwucht den Behälter 21 zum Schwingen anregt.
Durch das beschriebene Verfahren kann eine integral beschaufelte Scheibe (Blisk), die insbesondere aus einem Titan-Werkstoff gefertigt sein kann, in einfacher Weise bearbeitet werden, wobei durch die Oberflächenbearbeitung eine sehr glatte Oberfläche mit einer mittleren Rauheit ≤ 0,5 µm insbesondere ≤ 0,25 µm erreicht werden kann, wobei gleichzeitig die erforderlichen Eigenschaften hinsichtlich Schwingungsfestigkeit, Eigenspannungsverteilung und dergleichen erreicht werden können.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden können, solange der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht verlassen wird. Die vorliegende Offenbarung schließt sämtliche Kombinationen der vorgestellten Einzelmerkmale mit ein.
Bezugszeichenliste

1: Blisk
2: Scheibe
3: Schaufel
10: Fräsen
11: Ätzen
12: Rissprüfung
13: Ultraschall-Kugelstrahlen
14: Gleitschleifen
15: Spitzenfräsen
16: Spitzenpanzerung
20: Gleitschleifvorrichtung
21: Behälter
22: Füssigkeitsbehälter
23: Zuleitung
24: Flüssigkeitsbehälter
25: Welle
26: Antrieb
27: Feder
28: Pumpe
29: Gleitschleifkörper

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1128933 B1 [0002]
DE 102005024733 A1 [0002]
US 8657647 B2 [0002]
EP 2103384 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer beschaufelten Scheibe (1) einer Gasströmungsmaschine, insbesondere eines Flugtriebwerks, bei welchem nach einer mechanischen Bearbeitung (10) einer beschaufelten Scheibe eine Oberflächenbearbeitung durch eine Strahlbehandlung (13) an der beschaufelten Scheibe durchgeführt wird, an die sich eine Behandlung durch Gleitschleifen (14) in Anwesenheit einer Flüssigkeit und einer Vielzahl von Gleitschleifkörpern (29) anschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der mechanischen Bearbeitung (10) und der Strahlbehandlung eine Untersuchung der Oberfläche der beschaufelten Scheibe durch eine Eindringprüfung (12) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Eindringprüfung eine Ätzbehandlung (11) vorausgeht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringprüfung (12) eine Farbeindringprüfung oder eine Fluoreszenzeindringprüfung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Gleitschleifen (14) eine Schaufelspitzenbearbeitung mit Schaufelspitzenfräsen (15) und/oder Schaufelspitzenpanzerung (16) gegebenenfalls in der genannten Reihenfolge erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Bearbeitung (10) durch eine spanabhebende Bearbeitung und insbesondere Fräsen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlbehandlung (13) durch Kugelstrahlen oder Ultraschall-Kugelstrahlen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitschleifen (14) als mehrstufiger Gleitschleifprozess mit unterschiedlichen Gleitschleifparametern durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Gleitschleifen (14) die beschaufelte Scheibe eine oszillierende und/oder translatorische Bewegung und/oder eine Drehbewegung relativ zu den Gleitschleifkörpern (29) und/oder einer Gleitschleifvorrichtung (20) ausführt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor, während oder nach dem Gleitschleifen (14) eine oder mehrere chemisch aktive Flüssigkeiten, insbesondere unterschiedliche Flüssigkeiten nacheinander, vorzugsweise Säuren oder Basen oder Reinigungsflüssigkeiten verwendet werden und/oder dass als Gleitschleifkörper (29) keramische Rundzylinder vorzugsweise mit einer Dichte von 1 bis 5 g/cm³, insbesondere 2 bis 3 g/cm³ verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitschleifen (14) für eine Zeitdauer von bis zu 5 h, insbesondere 3 bis 5 h durchgeführt wird und/oder dass das Gleitschleifen so durchgeführt wird, dass die Oberfläche der beschaufelten Scheibe eine mittlere Rauheit kleiner oder gleich 0,5 µm, insbesondere kleiner oder gleich 0,25 µm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für eine beschaufelte Scheibe aus einem Ti-Werkstoff verwendet wird.