DE19643390A1

DE19643390A1 - Verfahren zur Herstellung einer Schaufel

Info

Publication number: DE19643390A1
Application number: DE19643390A
Authority: DE
Inventors: Frank Trevor Salt
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1995-10-28
Filing date: 1996-10-21
Publication date: 1997-04-30
Anticipated expiration: 2016-10-22
Also published as: DE19643390B4; FR2740371A1; GB9522112D0; GB2306353B; FR2740371B1; GB2306353A; US5711068A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Herstel lungsverfahren zur Erzeugung einer durch Diffusionsver bindung erzeugten Vorform einer hohlen, stromlinienförmig gestalteten Schaufel aus einer Metallplatte oder einer Platine zur Vorbereitung zur superplastischen Herstellung in hohl ausgebildeten Schaufelformen. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf die Erzeugung von Fanschaufeln für Turbofan-Triebwerke, sie ist jedoch auch anwendbar auf die Erzeugung anderer Rotorschaufeln oder Statorschaufeln für Turbomaschinen oder für Propeller.

Die Diffusionsverbindung eines Stapels von Metallplatten in Gestalt von Laminaten oder Blechen über vorgewählte Be reiche ihrer inneren Oberflächen mit einer nachfolgenden superplastischen Verformung des sich ergebenden resultie renden integralen Aufbaus durch Gaseinblasen zwischen die Formen hat sich als kostengünstiges und bezüglich des Gewichtes günstiges Verfahren zur Herstellung von Fan schaufeln für Turbofan-Gasturbinentriebwerke erwiesen. Die Route, durch die die Komponententeile des Stapels herge stellt werden, hat einen großen Einfluß auf die Gesamt kosten und die strukturelle Integrität der fertigen Fan schaufeln. Beispielsweise ist es während jeder spanabheben den Bearbeitung oder der Formverfahren vor dem Zusammenbau der Komponenten in dem Stapel wichtig, daß nur eine mini male Menge der Bleche, Platten oder der Platinen vergeudet wird, aus denen die Komponenten hergestellt sind.

Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung im weitesten Sinne ein Herstellungsverfahren für die Erzeugung einer Vorform einer hohlen, stromlinienförmig gestalteten Schau fel, wobei die Vorform aus einem durch Diffusion ver schweißten Stapel metallischer Schaufelkomponenten besteht, einschließlich einer ersten und einer zweiten Schaufel flanke, wobei jede Flanke einen Fußabschnitt aufweist, der bei der fertigen Schaufel zur Fixierung der Schaufel in einer Rotorscheibe dient, während ein stromlinienförmiger Abschnitt von dem Fuß nach einer radial äußeren Spitze verläuft, und wobei das Verfahren zur Herstellung der Vorform die folgenden Schritte aufweist:

(a) Es werden Stücke aus metallischem Material in allgemein parallelepipedischer Form erzeugt, wobei die Parallelepipede jeweils eine Länge besitzen, die der Länge der Vorform vom Fuß bis zur Spitze entspricht,
(b) es werden die parallelepipedischen Stücke jeweils in Längsrichtung längs einer geneigten Ebene geschnitten, um zwei getrennte Platten zu erzeugen, deren Dicke sich in Längsrichtung verjüngt,
(c) es werden Schaufelflankenkomponenten aus den Platten erzeugt, indem die Platten an ihren äußeren Ober flächen oder ihren ungeschnittenen Oberflächen derart verformt werden, daß ein dreidimensionales Profil entsteht, das in der fertigen Schaufel ein hohles Inneres der Schau fel bildet,
(d) es wird der Stapel von Schaufelkomponenten auf einander gefügt, wobei die Oberflächen der Schaufelflanken komponenten, die im Schritt (b) ungeschnitten sind, auf einander hin gerichtet sind, und
(e) die Komponenten im Stapel werden durch Diffusion miteinander in einem vorbestimmten Muster verschweißt, wodurch eine Schaufelform gebildet wird, deren Innenaufbau durch die Verschweißmuster definiert ist. Die derart erzeugte Vorform kann bei superplastischen Formtemperaturen aufgeblasen werden, indem ein inertes Gas in den Innenaufbau eingeführt wird, um den hohlen, strom linienförmigen Schaufelteil zu formen. Die dreidimensionale Profilierung der Seiten im oben angegebenen Schritt (c) ermöglicht die Erzeugung einer Schaufelvorform, die keine weitere spanabhebende Bearbeitung erfordert, bevor das Aufblasen stattfindet.

Das Wort "Schaufel", welches in der Beschreibung und in den Ansprüchen benutzt wird, soll nicht im beschränkenden Sinne verstanden werden und soll Rotorschaufeln oder Statorschaufeln von Vortriebsmaschinen, Kompressoren und Turbinen umfassen.

Bei den fertigen Rotorschaufeln gibt es Übergangsschultern, wo der stromlinienförmige Abschnitt auf die dickeren Schaufelfußabschnitte trifft. Infolgedessen ist es zweck mäßig, wenn ein zusätzlicher Schritt zwischen den Schritten (a) und (b) vorgenommen wird, der darin besteht, zwei Kanäle in jedem Parallelepiped spanabhebend auszubilden, wobei der eine Kanal in der Nähe eines jeden Endes des Parallelepipeds auf gegenüberliegenden Seiten ausgearbeitet ist und die Kanäle in der Breite des Parallelepipeds verlaufen, wodurch zunächst die Schultern der Schaufelfuß abschnitte der Schaufelflankenkomponenten definiert werden. Wir machen die Kanäle breit genug, damit ein geeignetes Schneidwerkzeug, beispielsweise eine Bandsäge, in einen der Kanäle eintreten kann, und es wird das Parallelepiped in Längsrichtung längs der geneigten Ebene, wie oben be schrieben, geschnitten, und dabei wird der Schnitt in den Kanal auf der anderen Seite des Parallelepipeds eingeführt.

Vorzugsweise haben die Parallelepipede jeweils eine Dicke von wenigstens der maximalen Dicke der Schaufelfußab schnitte der Schaufelflankenkomponenten unmittelbar vor dem Schritt (e). Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besitzen aus Wirtschaftlichkeitsgründen bei der Herstellung und im Sinne einer verbesserten mechanischen Eigenschaft der dünnen metallischen Platte relativ zu der dicken metallischen Platte die Parallelepipede jeweils eine Dicke von wesentlich weniger als der Hälfte der Dicke der Schau felfußabschnitte der Vorform nach dem Schritt (e), wobei die erforderliche Extradicke der Vorform-Schaufelfußab schnitte dadurch erlangt wird, daß wenigstens eine weitere Komponente in den Stapel von Schaufelkomponenten im Schritt (d) eingeführt wird, wobei die wenigstens eine weitere Komponente aus wenigstens einer Platte besteht, die auf den Schaufelfußabschnitt der wenigstens einen Schaufelflanken komponente aufgefügt wird, wobei die wenigstens eine Platte dann durch Diffusionsverschweißung mit dem Schaufelfuß abschnitt während des Schrittes (e) verbunden wird.

Um eine Schaufelvorform zu erzeugen, die in der Lage ist, in eine Hohlschaufel umgeformt zu werden, die einen Ver stärkungskernaufbau besitzt, um eine hohe Festigkeit und Integrität zu erzeugen, fügen wir ein superplastisch verformbares Metallblech zwischen die beiden Schaufel flankenkomponenten im Schritt (d), und die Schaufelflanken komponenten werden dann durch Diffusionsverschweißung mit gegenüberliegenden Seiten des Blechs während des Schrittes (e) verbunden.

Die vorliegende Erfindung umfaßt auch ein Herstellungs verfahren zur Erzeugung einer Vorform einer hohlen, strom linienförmig gestalteten Schaufel, wobei die Vorform ein durch Diffusionsverschweißung verbundener Stapel metalli scher Schaufelkomponenten ist einschließlich erster und zweiter Schaufelflankenkomponenten, wobei jede Flanken komponente einen Schaufelfußabschnitt aufweist, der im fertigen Zustand der Schaufel zur Fixierung der Schaufel in einer Rotorschaufel dient, und außerdem weist die fertige Schaufel einen stromlinienförmigen Arbeitsabschnitt auf, der vom Schaufelfuß nach einer radial äußeren Spitze vorsteht, wobei das Verfahren zur Erzeugung der Vorform die folgenden Schritte aufweist:

(a) Es werden Stücke aus metallischem Material in allgemein parallelepipedischer Form hergestellt, wobei die Parallelepipede jeweils eine Länge besitzen, die wenigstens der Länge der Vorform vom Schaufelfuß bis zur Spitze entspricht,
(b) es werden die Parallelepipede in Längsrichtung entlang einer geneigten Ebene geschnitten, um zwei ge trennte Platten zu erzeugen, deren Dicke sich in Längs richtung verjüngt,
(c) es werden Schaufelflankenkomponenten aus den Platten erzeugt, um die Platten an ihren äußeren Ober flächen so zu gestalten, daß ein dreidimensionales Profil entsteht, das bei der fertigen Schaufel ein hohles Inneres der Schaufel bildet,
(d) es wird der Stapel der Schaufelkomponenten zu sammengestellt, wobei die Oberflächen der Schaufelflanken komponenten, die im Schritt (b) nicht geschnitten wurden, aufeinander weisen, und
(e) es werden die Komponenten im Stapel miteinander durch Diffusion in einem vorbestimmten Schweißmuster verschweißt, wodurch die Schaufelvorform mit einem Innen aufbau erzeugt wird, der durch das Schweißmuster definiert ist.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nunmehr in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Axialströmungs-Fanschaufel für ein Turbofan-Gasturbinen triebwerk, wobei ein Schnitt in Sehnenrichtung der Schaufel eingezeichnet ist, um den Innenaufbau erkennbar zu machen,

Fig. 2 bis 8 Schritte bei der Erzeugung einer Schaufel vorform gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 9 und 10 andere Möglichkeiten zur Erzeugung dergleichen Schaufelvorform.

Die Fanschaufel 1 gemäß Fig. 1, die vorzugsweise aus einer Titanlegierung hergestellt ist, besteht aus einem großen metallischen stromlinienförmig gestalteten, sich drehenden Bauteil. Diese Schaufelkomponente weist einen Schaufelfuß 2 auf, mit dem die Schaufel in einer (nicht dargestellten) Rotorscheibe festlegbar ist. Weiter besitzt die Schaufel komponente einen stromlinienförmigen Abschnitt 3, der dazu dient, die Luft zu fördern, bevor diese in die weiteren Komponenten des Turbofan stromab der Fanschaufel eintritt.

Der stromlinienförmige Arbeitsabschnitt 3 besitzt eine progressive Verdrillung zwischen dem radial inneren Ende, wo der Abschnitt den Schaufelfuß 2 trifft, und dem radial äußeren Ende oder der Schaufelspitze 4. Der stromlinien förmige Abschnitt besitzt an der Schaufelspitze breitere Sehnenabmessungen Ct als Schaufelsehnendimensionen Cr in der Nähe des Schaufelfußes.

Der stromlinienförmige Abschnitt 3 der Schaufel 1 ist über den größten Teil der Erstreckung hohl ausgebildet, aber innen sind die Teile kreuzweise hart verlötet, um eine maximale Festigkeit und Integrität herzustellen. Die Verbindung erfolgt dabei durch einen Aufbau nach Art eines Warrenriegels. Dies wird durch ein expandiertes metalli sches Kernblech 5 gebildet, wie dies weiter unten be schrieben ist.

Die Schaufel besteht aus einer ersten Schaufelflanken komponente 6, einer zweiten Schaufelflankenkomponente 7 und dem Kernblech 5, das zwischen die erste und zweite Flanken komponente 6 und 7 eingefügt ist. Jede Schaufelflanken komponente 6, 7 weist einen stromlinienförmigen Teil 8, 9 und einen Schaufelfußabschnitt 10, 11 auf, und zusammen bilden sie die gesamte äußere Form der Schaufel 1. Obgleich zur Veranschaulichung die fertige Fanschaufel 1 so darge stellt ist, als ob sie aus drei unterschiedlichen Kompo nenten 5, 6 und 7 besteht, verschwinden während der Diffu sionsverschweißung, die weiter unten beschrieben wird, die Zwischenflächen zwischen den drei Komponenten, und die Schaufel erhält einen einheitlichen oder integralen Aufbau.

Wie bereits erwähnt, wird die Schaufel 1 durch ein Ver fahren hergestellt, welches eine superplastische Verformung der durch Diffusionsverschweißung verbundenen Schaufel vorform umfaßt, beispielsweise der Vorform 80, die in Fig. 8 dargestellt ist. Die Diffusionsverschweißung der Vorform 80 erfolgt an bestimmten Stellen der Zwischenflächen zwischen dem Kernblech 5, bevor dieses expandiert ist, und den Schaufelflankenkomponenten 6, 7. Dieser Teil des Verfahrens wird weiter unten im einzelnen beschrieben.

Nunmehr wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Der Beginn des Herstellungsverfahrens für eine Schaufelvorform, beispiels weise der Vorform nach Fig. 8, ist die Erzeugung eines Stückes aus einem plattenartigen Metallegierungsmaterial 20. Dieses Material bildet später die Flankenkomponenten 6 und 7 der fertigen, in Fig. 1 dargestellten Schaufel. Wie bekannt, besitzt eine Metallegierung, die für die Erzeugung von hochintegrierten Fanschaufeln durch Diffusionsver schweißung und superplastische Verformung geeignet ist, eine Zusammensetzung, die (in Gewichtsprozenten) aus etwa 6% Aluminium, 4% Vanadium, den geringen Mengen anderer Elemente, die hauptsächlich aus dem Verfahren herrühren, und Rest Titan besteht.

Die Stücke 20 können durch Abschneiden aus aufgerolltem Titanplattenmaterial der Dicke T in rechteckige oder ähnliche Formen erzeugt werden. Das Walzverfahren führt zu Stücken 20, deren innere und äußere Hauptflächen 21, 22 im wesentlichen eben sind und parallel zueinander verlaufen. Nach einer etwa notwendigen Besäumung und Reinigung können die Flächen 21, 22 als Bezugsflächen für die nachfolgenden spanabhebenden Bearbeitungsschritte benutzt werden. Infolge unserer gewählten speziellen Bearbeitungsroute mit den aufeinanderfolgenden Schritten bevorzugen wir, das Material in Rechtecke zu schneiden, um rechteckige Prismen oder Parallelepipede zu erzeugen. Natürlich müssen die Stücke keine parallelepipedische Form besitzen, wenn dies nicht durch die Notwendigkeit der folgenden Schritte des Ver fahrens erforderlich ist. Die Dicke T der Stücke 20 sollte jedoch wenigstens der erforderlichen maximalen Dicke der Schaufelfußabschnitte der Schaufelflankenkomponenten 6, 7 entsprechen, während die Länge L wenigstens der erforder lichen Länge der Schaufelflankenkomponenten vom Schaufelfuß nach der Schaufelspitze entsprechen sollte.

Nachdem ein Stück 20 in Form eines Parallelepipeds erzeugt ist, besteht der erste Schritt des bevorzugten Verfahrens darin, einen Stirnfräser 23 zu benutzen, um zwei Kanäle 24, 25 durch spanabhebende Bearbeitung auf beiden Parallel epipeden zu erzeugen. Der eine Kanal 24 wird auf der Fläche 21 in einem Abstand D vom Ende 26 des Parallelepipeds angebracht, und der andere Kanal 25 ist im gleichen Abstand D vom anderen Ende 27 auf der Seite 22 des Stückes ange bracht, die der Seite des ersten Kanals 24 gegenüberliegt. Die Kanäle 24, 25 laufen über die Breitseite des Parallel epipeds 20, und in einer Vorstufe definieren sie Schultern der Schaufelfußabschnitte 10, 11 (Fig. 1) der künftigen Schaufelflankenkomponenten 6, 7.

Nach dem Einschneiden besitzen die Kanäle 24, 25 flache Seiten und einen flachen Bodenabschnitt, wie aus Fig. 3 ersichtlich. Die Bodenflächen 30, 31 der Kanäle sind unter einem Winkel A° relativ zu den oberen und unteren Flächen 21, 22 des Parallelepipeds 20 geneigt. Die Kanäle sind breit genug, um eine Bandsäge 32 einführen zu können, die in einen Kanal 24 eintritt, das Parallelepipedstück 20 längs einer geneigten Ebene 33 parallel zu den Bodenflächen 30, 31 des Kanals schneidet und in den anderen Kanal 25 eintritt. Hierdurch werden zwei getrennte identisch sich in Längsrichtung verjüngende Platten 40, 41 geschaffen, die in Fig. 4 dargestellt sind. Infolge des Winkels, unter dem sie durch die Bandsäge geschnitten wurden, verjüngen sich diese Platten in Längsrichtung unter dem Winkel A° über diese Abschnitte der Platten, die schließlich die stromlinien förmigen Abschnitte 8, 9 der Schaufelflankenkomponenten 6, 7 bilden, wie dies in den Fig. 1 und 8 dargestellt ist.

Es ist nicht wesentlich, daß die Kanäle einen flachen Boden besitzen. Es ist lediglich erforderlich, daß die Kanäle groß genug sind, um das Band einer Bandsäge einfügen zu können, und daß die Seite des Kanals senkrecht zur Be wegungsrichtung der Bandsäge verläuft, d. h. senkrecht zu der Ebene 33.

Der nächste Schritt im Verfahren ermöglicht die Erzeugung von Schaufelvorformen, die keiner weiteren spanabhebenden Bearbeitung bedürfen, bevor die superplastische Verformung zwischen den Formgesenken erfolgt. Wie in den Fig. 5 bis 7 dargestellt, wird jede sich verjüngende Platte, beispiels weise die Platte 40, auf der den Kanal tragenden Seite formgefräst, um ein Profil zu bilden, das dreiseitig ausgebildet ist.

Der erste Schritt der Profilierung ist aus Fig. 5 ersicht lich. Es wird ein Formfräser 50 benutzt, um den Rest des Kanals 34 in der Platte 40 zu vergrößern. Der Fräser 50 ist so gestaltet, daß ein Schulterradius 51 am Übergang zwischen dem stromlinienförmigen Abschnitt 8 und dem Schaufelfuß 10 der Vorform 80 (Fig. 8) gebildet wird, und dieser Schulter radius 51 erstreckt sich über die Bodenfläche 30 des Kanals 24 weiter nach dem Spitzenende der Platte 40. Ein weiteres Formfräsen wird erforderlichenfalls durchgeführt, um die Dicke der verbleibenden Platte zu vermindern und um ein innen verjüngtes Profil gemäß Fig. 6 über jenen Abschnitt der Platte zu erzeugen, der den stromlinienförmigen Teil 8 der Schaufelflankenkomponente 6 bildet.

Der zweite Schritt bei der Profilierung besteht gemäß Fig. 7 darin, mehrere Fräswerkzeuge, beispielsweise ein Fräswerkzeug 70, zu benutzen, um den Profilierungsprozeß zu vollenden. Diese Fräser entfernen selektiv zusätzliches Material aus den Abschnitten der verjüngten Oberfläche der Platte 40, um die fertige Schaufelflankenkomponente 6 zu erzeugen. Das Ergebnis ist ein dünnerer verjüngter Rand abschnitt 71 und eine Formtasche 72 in der verjüngten Oberfläche.

Der nächste Schritt im Verfahren besteht darin, die Ober flächen 21, 22 der Schaufelflankenkomponenten 6, 7 mit einem gewünschten Muster von Trennmaterial zu überziehen, damit jene Bereiche auf diesen Oberflächen definiert werden, auf denen eine Diffusionsverschweißung zwischen ihnen und dem Kernblech 5 nicht erfolgen wird. Das Trenn material verhindert, daß die gegenüberliegenden Metall oberflächen in metallurgische Berührung miteinander ge langen, während die Diffusionsverschweißung stattfindet.

Ein geeignetes Material hierfür ist pulverisiertes Yttrium oxid in einem Binder und Lösungsmittel, was unter der Bezeichnung "Stopyt 62A" von GTE Service Corporation of 100 Endicott Street, Danvers, MA 01923, USA, zur Verfügung gestellt wird. Dies ermöglicht es, daß das Trennmuster durch ein einfaches Schirmdruckverfahren auf die Flächen 21, 22 aufgebracht wird.

Dann werden Paare von Schaufelflankenkomponenten 6, 7 zusammen gestapelt, wobei das dünnere Kernblech 5 wie in Fig. 8 angedeutet eingefügt ist. Das Kernblech wird eben falls durch ein Walzverfahren mit anschließender Reinigung der gewalzten Oberflächen hergestellt. Eine genaue Lage anordnung der drei Schichten im Stapel relativ zueinander wird unter Zuhilfenahme bekannter Festlegemittel erreicht. Diese können aus Dübeln (nicht dargestellt) bestehen, die die Seitenteile des Stapels durchdringen und später im Herstellungsverfahren abgeschnitten werden. Es ist ersicht lich, daß die ebenen ungeschnittenen, mit einem Trennmittel überzogenen Oberflächen 21, 22 einander gegenüberliegen, wobei das Kernblech 5 dazwischen angeordnet ist, nachdem es auf die erforderliche Form zugeschnitten ist.

Um die Vorform 80 der fertigen Schaufelgestalt zu voll enden, werden die drei Schichten 5, 6, 7 im Stapel zunächst miteinander über den Umfang des Stapels derart verschweißt, daß eine hermetische Abdichtung im Inneren gewährleistet ist. Eine geeignete Schweißtechnik ist das TIG-Schweiß verfahren (Tungsten electrode/Inert Gas shield), und diese Verschweißung erfolgt um die freiliegenden Ränder der drei Schichten im Stapel. Dann wird ein Rohr 81 mit einer kleinen Bohrung in den Rand des Stapels eingesetzt, indem ein kleines Loch 82 eingebohrt und das Rohr darin ver schweißt wird. Statt dessen kann ein Randabschnitt des Kernbleches 5 und ein gegenüberliegender Randabschnitt einer der Flächen 21, 22 der Schaufelflankenkomponenten derart ausgenommen werden, daß dazwischen ein Loch zur Aufnahme des Rohres gebildet wird. Ein Ende des Rohres 3 könnte dann in einer Lage dazwischen während des Zusammen baus des Stapels aufgenommen werden. Dann würde das Rohr in seiner Lage gleichzeitig mit den Rändern der Komponenten des Stapels verschweißt. Jedenfalls steht das Rohr im Loch mit einer Nut 83 im Kernblech 5 in Verbindung, und diese Nut verbindet ihrerseits mit einem Bereich des Trenn materials auf einer der überzogenen Flächen 21, 22. Bei der Ausbildung des Stapels wird gewährleistet, daß alle Be reiche des Trennmaterials mit dem Rohr 81 über andere durchgehende Bereiche von Trennmaterial und/oder über Schlitze in der Dicke des Kernbleches 5 miteinander in Verbindung stehen.

Bei der Vollendung der Vorbereitungen für das Diffusions schweißverfahren ist der Stapel vollständig über seinen Umfang abgedichtet, außer am Einlaß, der durch das Rohr 81 gebildet wird. Dann wird der Zusammenbau in einem Auto klaven untergebracht und auf eine Temperatur zwischen 250°C und 350°C erhitzt, so daß das Lösungsmittel aus dem Trenn material "ausgebacken" wird, welches über den Seiden schirm ausgebreitet wurde. Dies geschieht unter kontinuier licher Evakuierung durch das Rohr 81, damit die Entfernung von Verunreinigungen gewährleistet wird, die sich schädlich auf die Qualität des Diffusionsschweißverfahrens auswirken könnten und ebenso schädlich auf die Schaufelvorform, die hieraus resultiert.

Danach wird das Rohr abgedichtet, um ein Vakuum im Inneren des Aufbaus aufrechtzuerhalten, während dieser Aufbau in dem Autoklaven auf eine Temperatur zwischen 900°C und 950°C, vorzugsweise auf 925°C, aufgeheizt wird. Dann wird der Argondruck im Autoklaven auf einen Druck zwischen 20,26 × 10⁵ Nm^-2 (294 lbs/sq.in) und 30,39 × 10⁵ Nm^-2 (441 lbs/sq.in) angehoben. Diese Temperatur und dieser Druck werden ungefähr 2 Stunden lang aufrechterhalten. Dann werden Temperatur und Druck auf die Umgebungswerte abge senkt, und der Aufbau wird aus dem Autoklaven entfernt. Dann ist die Diffusionsverschweißung in jenen Bereichen erfolgt, wo kein Trennmaterial vorhanden ist. Definitions gemäß verschwinden die Zwischenflächen zwischen den Schau felflankenkomponenten 6, 7 und der Kernschicht 5 effektiv, wenn eine erfolgreiche Diffusionsverschweißung erfolgt ist, und es verbleibt ein einheitliches Werkstück mit einem integralen Aufbau, der durch das Muster des Trennmaterials definiert ist. Eine Schaufelvorform 80, die für die fol gende superplastische Verformung bereit ist, wurde auf diese Weise hergestellt.

Kurz gesagt, erfordert das superplastische Formgebungs verfahren die Erhitzung der Schaufelvorform 80 auf eine superplastische Verformungstemperatur, und es wird die Vorform zwischen Gesenkhälften gehalten, deren Oberflächen die gewünschte Außenform der Schaufel definieren. Jene Teile des Innenaufbaus an der Zwischenfläche, die nicht miteinander durch Diffusionsverschweißung verbunden sind, werden ausgedehnt und voneinander getrennt, indem ein geeignetes inertes Gas, beispielsweise Argon, unter hohem Druck in das Innere der Schaufel über ein weiteres Rohr mit kleiner Bohrung eingeblasen wird, das an der gleichen Stelle wie das Rohr 81 eingepaßt wird. Auf diese Weise werden die Schaufelflankenkomponenten 6, 7 nach außen gegen die Formgesenkoberflächen expandiert, und sie nehmen die gewünschte Form an. Dabei ziehen sie jene Teile des Kern bleches 5 mit sich, an denen sie verschweißt sind, wodurch ein Zug in entgegengesetzten Richtungen erfolgt, um eine superplastische Expansion zu erreichen und den gewünschten expandierten Kernaufbau zu erhalten. Infolge der Expansion gegen die Formoberfläche werden die Außenprofile der Schaufelflankenkomponenten einschließlich der Konturtaschen 72 auf die Innenseite der Schaufel übertragen, wodurch der gewünschte hohle Aufbau erreicht wird.

Die expandierte Schaufelvorform 80 kann dann einer End trimmbearbeitung und einer spanabhebenden Bearbeitung unterworfen werden, um die Schaufel fertigzustellen.

Um die Verdrillung im Schaufelprofil zu erzeugen, wird der während der Diffusionsverschweißung erzeugte integrale Aufbau in eine Verdrillmaschine eingelegt. Der Schaufelfuß wird abgeschrägt, und das Schaufelprofil wird verdrillt, bevor die Schaufel superplastisch ausgedehnt wird, wie dies in der EP-A-0 568 201 beschrieben ist. Der Inhalt dieser Anmeldung wird zum Zwecke der Offenbarung in diese An meldung einbezogen, und dieses Dokument liefert eine voll ständige Beschreibung des Verdrillverfahrens.

Obgleich die vorstehende Beschreibung sich auf die Erzeu gung einer Schaufelvorform konzentrierte, die gegenüber liegende Schaufelflankenkomponenten mit einem einzigen Kernblech zwischen den Flankenkomponenten aufwies, kann die Erfindung auch auf Schaufelvorformen Anwendung finden, die kein solches Kernblech besitzen, und wo der fertige Hohl schaufelaufbau keine Querversteifung durch einen expan dierten Kernaufbau benötigt. Es ist klar, daß das Her stellungsverfahren ähnlich ist. Jedoch wird das Trenn material gleichförmig über einen vorbestimmten Bereich der ungeschnittenen Fläche einer der Schaufelflankenkomponenten aufgetragen. Dieser Bereich des Trennmittels definiert natürlich das Ausmaß des unverschweißten hohlen Innenraums des Arbeitsabschnitts der fertigen Schaufel.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 9 und 10 dargestellt. Hierbei ist die Dicke T der Teile 20 aus Plattenmaterial geringer als die maximale Dicke der Schaufelfußabschnitte der Schaufelflanke, und die Dicke T ist größer als die Dicke der Schaufelflanke. Es wird ein Kanal 24, 25 mit einer nur sehr geringen Tiefe in die Flächen 21, 22 der Materialstücke 20 eingeschnitten, oder möglicherweise wird überhaupt kein Kanal in die Flächen 21, 22 eingeschnitten. Die Bandsäge zerschneidet die Teile 20 in zwei sich verjüngende Stücke 40, 41, entweder beginnend in den Kanälen oder direkt von einer der Flächen 21 aus. In diesem Fall ist es notwendig, zusätzlich Blöcke 50 aus Material vorzusehen, um die volle Dicke zu erreichen, die bei den Schaufelfußabschnitten der Schaufel flanken erforderlich ist. Diese zusätzlichen Materialblöcke 50 werden durch Diffusionsverschweißung mit den Stücken 40, 41 an den Enden 26, 27 wie aus Fig. 10 ersichtlich ver bunden, während die Diffusionsverschweißung stattfindet, um die integralen Schaufelfüße zu bilden.

Dann werden die Teile 40 zu einem Stapel zusammengebaut und miteinander über den Umfang des Stapels derart verschweißt, daß eine hermetische Abdichtung erfolgt. Ein geeignetes Schweißverfahren hierfür ist wiederum ein TIG-Verfahren (Tungsten electrode/Inert Gas shield), und die Verschwei ßung erfolgt über die freien Ränder der drei Lagen im Stapel. Dann wird ein Rohr mit einer kleinen Bohrung in den Rand des Stapels eingefügt, indem dort ein kleines Loch eingebohrt wird und indem das Rohr darin eingeschweißt wird. Dann werden die Blöcke 50 im Stapel zusammengestellt, und der Umfang der Blöcke 50 wird an den Enden 26 ver schweißt, und der Raum zwischen dem Block 50 und dem Stück 40 wird hermetisch abgedichtet. Der Raum zwischen den Blöcken 50 und den Teilen 40 wird dann evakuiert, und zwar entweder über ein getrenntes Rohr oder über einen Kanal, der in das Ende 26 eingebohrt ist, um das Hauptrohr mit dem Raum zwischen den Teilen 40 zu verbinden. Der Vorteil dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, daß es wirt schaftlicher im Hinblick auf die Materialausnutzung ist und die Möglichkeit geschaffen wird, dünneres Material zu benutzen, welches verbesserte mechanische Eigenschaften besitzt.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ein Herstel lungsverfahren, bei dem die Bandsäge einen Schnitt zwischen Kanälen durchführt, die in die Seiten der Parallelepipede durch spanabhebende Bearbeitung eingebracht sind; es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, einen Schnitt über die gesamte Länge entsprechend bemessener Platten mit der Band säge längs einer geneigten Ebene zu führen und die Schul tern der Schaufelfußabschnitte danach auszubilden, wenn dies zweckmäßig erscheint.

Die Erfindung wurde vorstehend unter Benutzung einer Band säge beschrieben, die zwei getrennte, in Längsrichtung verjüngte Platten erzeugt; es ist jedoch in gleicher Weise auch möglich, eine Drahtschneidtechnik, eine Elektro entladungsbearbeitung oder andere geeignete Methoden zu benutzen.

Die Erfindung wurde vorstehend beschrieben in Verbindung mit einer spanabhebenden Bearbeitung von Taschen auf den äußeren Oberflächen der Platten, um danach den hohlen Innenraum der Schaufel durch ein superplastisches Ver formungsverfahren zu erzeugen. Es ist jedoch in gleicher Weise auch möglich, die Taschen auf den inneren Oberflächen der Platten auszuarbeiten und den Innenraum der Schaufeln einfach durch Diffusionsverschweißung der Platten mit einander herzustellen, wie dies in den US-A-3 628 226 und US-A-3 588 980 beschrieben ist.

Claims

1. Herstellungsverfahren zur Erzeugung einer Vorform (80) einer hohlen, stromlinienförmig gestalteten Schaufel (1), wobei die Vorform (80) aus einem durch Diffusionsver schweißung verbundenen Stapel metallischer Schaufelkompo nenten (5, 6, 7) mit ersten und zweiten Schaufelflanken komponenten (6, 7) besteht, wobei jede Schaufelflanken komponente (6, 7) einen Schaufelfußabschnitt (10, 11) auf weist, der bei der fertigen Schaufel (1) zur Festlegung der Schaufel (1) in einer Rotorscheibe dient, während ein stromlinienförmiger Arbeitsabschnitt (8, 9) von dem Schau felfußabschnitt (10, 11) nach einer radial äußeren Spitze (4) vorsteht, und wobei das Verfahren zur Herstellung der Vorform die folgenden Schritte aufweist:

(a) es werden Teile (20) aus metallischem Material hergestellt, die im wesentlichen die Form eines Parallel epipeds aufweisen, wobei die Parallelepipede jeweils eine Länge besitzen, die wenigstens so groß ist wie die Länge der Vorform (80) vom Schaufelfuß bis zur Spitze,

gekennzeichnet durch

(b) Aufschneiden eines jeden Parallelepipeds (20) in Längsrichtung längs einer geneigten Ebene (33) zur Er zeugung zweier getrennter Platten (40, 41), die eine in Längsrichtung sich verjüngende Dicke aufweisen,
(c) es werden aus den Platten (40, 41) die Schaufel flankenkomponenten (6, 7) hergestellt, indem die Platten (40, 41) an ihren Schnittflächen oder an ihren nicht ge schnittenen Oberflächen (21, 22) so geformt werden, daß ein dreidimensionales Profil darauf entsteht, das bei der fertigen Schaufel (1) ein hohles Inneres der Schaufel (1) erzeugt,
(d) es wird der Stapel von Schaufelkomponenten (6, 7) so zusammengebaut, daß die Oberflächen (21, 22) der Schau felflankenkomponenten (6, 7), die im Schritt (b) unge schnitten sind, aufeinander gerichtet sind, und
(e) es werden die Komponenten (6, 7) im Stapel in einem vorbestimmten Schweißmuster durch Diffusionsver schweißung verbunden, wodurch eine Schaufelvorform (80) mit einem Innenaufbau geschaffen wird, der durch das Schweiß muster bestimmt ist.

2. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Schritt zwischen den Schritten (a) und (b) liegt, und dieser Schritt eine spanabhebende Bearbeitung umfaßt, mit der zwei Kanäle (24, 25) auf jedem Parallelepiped (20) gebildet werden, wobei jeweils ein Kanal (24, 25) in der Nähe des Endes des Par allelepipeds (20) an gegenüberliegenden Seiten ausge arbeitet wird und die Kanäle (24, 25) über die Breite des Parallelepipeds (20) verlaufen, wodurch vorher die Schaufel fußabschnitte (10, 11) der Schaufelflankenkomponenten (6, 7) geschaffen werden.

3. Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß während des Verfahrensschrittes (b) eine Schneidvorrichtung in einen der Kanäle (24) ein greift und das Parallelepiped (20) in Längsrichtung entlang der geneigten Ebene (33) zerschneidet und bei Vollendung des Schneidschrittes in den anderen Kanal (25) eintritt.

4. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelepipede (20) jeweils eine Dicke von wenigstens der maximalen Dicke der Schaufelfußabschnitte (10, 11) der Schaufelflankenkompo nenten (6, 7) unmittelbar vor dem Verfahrensschritt (e) aufweisen.

5. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelepipede (20) jeweils eine Dicke von beträchtlich weniger als der Hälfte der Dicke der Schaufelfußabschnitte (10, 11) der Vorform (80) nach dem Schritt (e) besitzen.

6. Herstellungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine weitere Kompo nente (60) in den Stapel der Schaufelkomponenten (6, 7) während des Verfahrensschrittes (d) eingelegt wird, um die erforderliche Dicke der Vorform der Schaufelabschnitte zu erhalten, wobei wenigstens eine weitere Komponente (60) wenigstens aus einer Platte besteht, die auf den Schaufel fußabschnitt (10, 11) wenigstens einer der Schaufelflanken komponenten (6, 7) gefügt wird, wobei die wenigstens eine Platte durch Diffusionsverschweißung mit dem Schaufelfuß abschnitt (10, 11) während des Verfahrensschrittes (e) verbunden wird.

7. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidvorrichtung (32) eine Bandsäge ist.

8. Herstellungsverfahren nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während des Verfahrensschrittes (d) ein superplastisch verformbares Metallblech (5) zwi schen die beiden Schaufelflankenkomponenten (6, 7) gelegt wird, wobei die Schaufelflankenkomponenten (6, 7) dann durch Diffusionsverschweißung an gegenüberliegenden Seiten des Bleches (5) während des Verfahrensschrittes (e) fest gelegt werden, wodurch eine Schaufelvorform (80) entsteht, die superplastisch zu einer Hohlschaufel (1) verformt werden kann, die einen ausgedehnten Kernaufbau hoher Festigkeit und Integrität besitzt.

9. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Verfahrens schritt zwischen die Verfahrensschritte (c) und (d) einge schoben wird und dieser Verfahrensschritt die Aufbringung eines Trennmaterials in einem vorbestimmten Muster auf der ungeschnittenen Oberfläche (21, 22) wenigstens einer der beiden Schaufelflankenkomponenten (6, 7) umfaßt, um eine Diffusionsverschweißung der nicht geschnittenen Oberflächen (21, 22) in Bereichen zu verhindern, die außerhalb des vorbestimmten Schweißmusters liegen.

10. Schaufelvorform, welche durch ein Herstellungs verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche herge stellt ist.

11. Herstellungsverfahren nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Verfahrensschritt nach dem Verfahrensschritt (e), bei welchem zusätzlichen Verfahrensschritt die Schaufelvorform (80) superplastisch verformt wird, um eine Hohlschaufel (1) mit einem Innen aufbau zu schaffen.

12. Stromlinienförmig gestaltete Schaufel, hergestellt durch ein superplastisches Verformen der Schaufelvorform gemäß Anspruch 11.

13. Herstellungsverfahren für die Erzeugung einer Vorform (80) einer hohlen, stromlinienförmig gestalteten Schaufel (1), wobei die Vorform (80) aus einem durch Diffusionsverschweißung bestehenden Stapel metallischer Schaufelkomponenten (5, 6, 7) besteht, die erste und zweite Schaufelflankenkomponenten (6, 7) aufweisen, wobei jede Flankenkomponente (6, 7) einen Schaufelfußabschnitt (10, 11) aufweist, der bei der fertigen Schaufel zur Festlegung der Schaufel (1) in einer Rotorscheibe dient, während ein stromlinienförmiger Abschnitt (8, 9) sich von dem Schaufel fußabschnitt (10, 11) nach einer radial äußeren Spitze (4) erstreckt, und wobei das Verfahren zur Erzeugung der Vorform die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

(a) es werden Stücke (20) aus metallischem Material in Form eines Parallelepipeds erzeugt, wobei die Parallel epipede jeweils eine Länge besitzen, die wenigstens so groß ist wie die Länge der Vorform (80) vom Schaufelfuß bis zur Spitze,
gekennzeichnet durch
(b) Aufschneiden eines jeden Parallelepipeds (20) in Längsrichtung längs einer geneigten Ebene (33) zur Erzeu gung von zwei getrennten, sich in Längsrichtung verjüngen den Platten (40, 41),
(c) es werden die Schaufelflankenkomponenten (6, 7) aus den beiden Platten (40, 41) hergestellt, indem die Platten (40, 41) an ihren geschnittenen Oberflächen so geformt werden, daß ein dreidimensionales Profil darauf gebildet wird, das bei der fertigen Schaufel (1) ein hohles Inneres der Schaufel (1) bildet,
(d) es werden die Schaufelflankenkomponenten (6, 7) aufeinander ausgerichtet, um einen Stapel von Schaufel komponenten (6, 7) zu schaffen, wobei die Oberflächen (21, 22) der Schaufelflankenkomponenten (6, 7), die im Ver fahrensschritt (b) ungeschnitten verblieben, aufeinander weisen, und
(e) es werden die Komponenten (6, 7) im Stapel durch Diffusionsverschweißung miteinander in einem vorbestimmten Schweißmuster verbunden, wodurch die Schaufelvorform (80) mit einem Innenaufbau geschaffen wird, der durch das Schweißmuster bestimmt ist, und die Vorform superplastisch verformt werden kann, um die Schaufel (1) mit hohlem, stromlinienförmigem Profil zu erhalten.

14. Herstellungsverfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Verfahrensschritt nach dem Verfahrensschritt (e), welcher zusätzliche Ver fahrensschritt eine superplastische Verformung der Schau felvorform (80) aufweist, um eine Hohlschaufel (1) mit einem Innenaufbau zu schaffen.