DE19643390A1 - Verfahren zur Herstellung einer Schaufel - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer SchaufelInfo
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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 (15)
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.
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