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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schweißen (Diffusionsverbinden)
von Werkstücken aus einer Nickellegierung, insbesondere von Teilen von Gasturbinenschaufeln,
bei dem die Werkstücke sich in Paßflächen berühren.
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Es ist bekannt, die Schweißung von Werkstücken durch Flächenberührung
bei einer in der Nähe der Soliduslinie des Werkstoffes liegenden Temperatur durchzuführen.
Hierbei wurde auf die zu verbindenden Werkstücke ein erheblicher, gegeneinander
gerichteter Druck ausgeübt, der bewirkte, daß die an den Berührungsstellen teigig
bzw. schmelzflüssig gewordenen Werkstücke miteinander so weit angenähert wurden,
daß die Diffusionsbindung einsetzen bzw. fortschreiten konnte. Um dabei eine Verschiebung
der Werkstücke längs ihrer Berührungsfläche zu vermeiden, muß die Druckrichtung
sehr genau festgelegt werden, und die Werkstücke müssen präzise eingespannt werden,
was bei der Massenherstellung, z. B. der Herstellung von Turbinenschaufeln, sehr
beschwerlich ist. Außerdem bedingen die angewandten Drücke außer einer möglichen
Verzerrung und Verschiebung an den Paßflächen unterschiedliche Maße der Zusammendrückung,
so daß die Toleranzen relativ hoch und beispielsweise für Gasturbinenschaufeln unzulässig
werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Schweißung
von Werkstücken einfacher und mit einem höheren Grad an Genauigkeit durchzuführen.
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Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß die Werkstücke durch Schweißung
(Diffusionsbindung) bei einer Temperatur verbunden werden, die der Solidustemperatur
der Legierung entspricht oder vorzugsweise 0,5 bis 15° C unter dieser Temperatur
liegt, in einem Vakuum von etwa 5X10-5 Torr. Dadurch wird gewährleistet,
daß die Formstabilität der Einzelwerkstücke erhalten bleibt und nach dem Diffusionsschweißvorgang
die Endabmessungen auch über die Schweißnaht gemessen die gleichen sind, die vor
dem Verschweißen beim dichten Aneinanderlegen der Paßflächen gemessen wurden. Das
erforderliche Vakuum kann dabei leicht in einer Kammer hergestellt werden, in der
eine Anzahl zu verbindender Werkstücke, z. B. mehrere Turbinenschaufeln, untergebracht
sind, ohne daß eine besondere Einspannung dieser Werkstücke erforderlich wäre. Es
hat sich gezeigt, daß diese Vakuumanordnung eine gleichmäßige Schweißung (Diffusionsbindung)
über die gesamte Paßfläche bewirkt, ohne. daß die Teile an ihren Paßflächen im teigigen
oder schmelzflüssigen Zustand miteinander verschweißen.
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Die zu verbindenden Werkstücke können zweckmäßigerweise durch pulvermetallurgische
Verfahren hergestellt werden oder auch durch einen Sinterungsvorgang.
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Insbesondere ist die Erfindung für die Herstellung von Turbinenschaufeln
von Gasturbinenstrahltriebwerken anwendbar, in denen Kühlkanäle ausgebildet sind.
Hierbei werden die Schlitze in den Paßflächen ausgebildet, und das erfindungsgemäße
Schweißverfahren (Diffusionsverbindungsverfahren) gewährleistet, daß diese Schlitze
bzw. andere Bohrungen Kanäle od. dgl. in der gewünschten Weise in Deckung maß- .
genau verbleiben.
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Infolge der stromlinienförmigen Gestaltung der Turbinenschaufel ist
die Größe und Anzahl der für eine maximale Kühlwirkung erforderlichen Luftkanäle
durch die bisher bekannten Verfahren zur Herstellung der Löcher in dem Profil beschränkt.
Bisher wurden z. B. die Kanäle in den stranggepreßten vorgeformten Schaufeln eingebohrt,
oder es folgte eine Elektrobearbeitung der Löcher. Außerdem ist es durch die Entwicklung
von hochtemperaturbeständigen Superlegierungen, die den Spannungs-/Temperaturbedingungen
in einem Gasturbinentriebwerk standhalten können, immer schwieriger geworden, kleine
Kanäle über die Gesamtlänge der Schaufel zu bohren oder auf elektrische Weise zu
bilden und gleichzeitig die erforderliche Genauigkeit und die erforderlichen Relativstellungen
zu gewährleisten, und es sind überdies nur verhältnismäßig einfache Ausführungen
auf diese Weise herstellbar.
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Ein Ziel der Erfindung besteht bei Anwendung auf Gasturbinenschaufeln
darin, das mechanische Problem der Bildung von Kanälen zu lösen. Gemäß der Erfindung
werden bei Anwendung auf Gasturbinenschaufeln durch an sich bekannte Verfahren Schlitze
in der Oberfläche wenigstens eines Teiles eines Schmiedestückes oder einer Schaufel
angebracht, wobei die Oberfläche oder die Oberflächen in dem Teil so gewählt werden,
daß sie sich mit der Stellung decken, wo im Inneren der fertiggestellten Schaufel
die Kanäle erforderlich sind, wobei anschließend die Oberfläche des die Schlitze
enthaltenden Teiles mit der entsprechenden Oberfläche eines anderen Teiles zur Passung
gebracht wird und die Teile zu einem einzigen Stück vereinigt werden, indem sie
auf Temperaturen zwischen Solidustemperatur -1/2'C und Solidustemperatur -15°C während
einer Zeit gehalten werden, die ausreicht, die beiden Teile nur durch Diffusion
im festen Aggregatzustand zu verbinden.
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Vorzugsweise werden die zu verbindenden metallischen Teile einer Wärmebehandlung
im Vakuum unterworfen, bevor sie nach dem vorgenannten Verfahren miteinander verbunden
werden. Die Wärmebehandlung besteht vorzugsweise in einer Erhitzung der zu verbindenden
Einzelteile über einen Zeitraum zwischen 15 und 60 Minuten auf eine Temperatur zwischen
5 und 20°C unter der Solidustemperatur des Metalls oder der Legierung, aus der die
Teile hergestellt werden. Die Wärmebehandlung wird vorzugsweise in einem Vakuumofen
bei einem Druck von weniger als 5X10-5 Torr durchgeführt.
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Die Schlitze können, falls erforderlich, auch in beiden Teilen angeordnet
werden.
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Die Behandlungszeit beträgt vorzugsweise 2 bis 24 Stunden, und sie
hängt von dem Werkstoff und der benutzten Temperatur ab. Die Schlitze können durch
spanabhebende Bearbeitung, durch Gießen, durch Bohren, durch ein Elektroverfahren
oder auf andere Weise hergestellt werden.
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Der Diffusionsprozeß wird vorzugsweise in einem Vakuumofen durchgeführt.
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Die Zahl der Abschnitte ist nicht begrenzt. Es hat sich jedoch gezeigt,
daß die Paßoberflächen eine gute Kontaktberührung aufweisen müssen, damit die Diffusion
erfolgen kann.
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Die zwecks Bildung des Endproduktes bearbeiteten Abschnitte können,
falls erforderlich, aus Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzungen hergestellt
werden, jedoch ist es zweckmäßig, daß das Grundmetall das gleiche ist.
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Es ist außerdem erwünscht, daß die ausgebildeten
Oberflächenstrukturen
der beiden zu verbindenden Flächen in gleicher Richtung verlaufen, wenn sie aus
geschmiedeten oder bearbeiteten Legierungen bestehen. Wenn sie jedoch aus gegossenem
Material bestehen, hat sich dies nicht als kritisch oder notwendig erwiesen.
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Nachdem die Diffusion und die Verbindung vollendet ist, kann das Teil
durch Hobeln, Schmieden oder Prägen oder eine unmittelbare Bearbeitung fertiggestellt
werden, um die äußere Form zu erzeugen.
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Statt dessen können die Einzelabschnitte auch durch pulvermetallurgische
Verfahren z. B. dadurch hergestellt werden, daß jeder der Abschnitte in Gegenken
gepreßt wird, um die erforderlichen Kühlkanäle zu erhalten, und daß dann ein Sinterprozeß
durchgeführt wird. Die beiden Teile oder mehrere Teile werden dann durch Diffusion
miteinander derart verbunden, daß sie eine für eine Schaufel geeignete Bauform aufweisen.
Statt dessen können auch einfache Blocks gepreßt, gesintert und maschinell bearbeitet
werden, um die Kühlkanäle zu bilden. Abschließend können die Teile dann durch das
Diffusionsverfahren im festen Aggregatzustand miteinander vereinigt werden.
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Die Erfindung umfaßt die Verwendung sämtlicher Werkstoffe, die durch
ein Diffusionsverfahren im festen Aggregatzustand verbunden werden können, und zwar
bei Temperaturen bis zur Solidustemperatur oder der Schmelzbeginn-Temperatur des
Werkstoffes. Insbesondere ist die Erfindung jedoch für Legierungen mit hoher Temperaturbeständigkeit
anwendbar, die für die gekühlten Schaufeln in Turbinentriebwerken Anwendung finden.
Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele zur Herstellung von Turbinenschaufeln
beschrieben.
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Beispiel Zwei Schaufelhälften werden aus einer Legierung gegossen,
die als Basisbestandteil Nickel enthält. Die inneren benachbarten Oberflächen der
beiden Hälften werden dann flach geschliffen, und es werden durch maschinelle Bearbeitung
Schlitze eingefügt, die als Kühlmittelkanäle dienen. Die beiden Hälften werden dann
aufeinandergefügt und in einem Vakuumofen bei einem Druck von weniger als
5X10-5 Torr 20 Stunden lang bei 1235° C erhitzt. Die Solidustemperatur dieser
Legierung beträgt 1240° C.
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An den aufeinanderstoßenden Flächen der beiden Teile findet eine Diffusion
im festen Aggregatzustand statt, so daß eine einstückige Turbinenschaufel hergestellt
wird, die Kühlkanäle enthält, welche durch die bearbeiteten Schlitze gebildet worden
sind.
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Die Festigkeit der Verbindung wurde durch Versuchs-Zugstäbe ermittelt,
die aus der Schaufel hergestellt waren.