DE2628582B2

DE2628582B2 - Zusammengesetztes Turbinenrad und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE2628582B2
Application number: DE2628582A
Authority: DE
Inventors: Steven Hugh Ann Arbor Mich. Reichman; Don Mahaffey Farmington Mich. Weaver
Original assignee: Special Metals Corp
Current assignee: Special Metals Corp
Priority date: 1975-06-27
Filing date: 1976-06-25
Publication date: 1981-04-16
Also published as: US4063939A; GB1542895A; IT1061927B; CA1045798A; IL49845A0; DE2628582A1; FR2317502A1; IL49845A; SE7607319L; SE423739B; BE843451A; FR2317502B1; JPS5854163B2; DE2628582C3; JPS527311A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Heistellung eines zusammengesetzten Turbinenrades, welches mit einer Vielzahl von am Umfang einer Nabe angeordneten Schaufeln versehen ist

Die verschiedenen im Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren für Turbinenräder sind entweder zu unwirtschaftlich oder führen zu Turbinenräder, welche eine unzulängliche mechanische Festigkeit und/oder Beständigkeit besitzen. Ein anderer Nachteil bekannter Herstellungsverfahren ist darin zu sehen, daß sie nicht für die Massenherstellung geeignet sind.

So ist beispielsweise vorgeschlagen worden, derartige Turbinenräder als einstückiges Gußstück aus einer hochfesten Hochtemperaturlegierung mit Hilfe des Präzisionsformgusses herzustellen. Unglücklicherweise führt jedoch die Erstarrungsgeschwindigkeit bei derartig einstückig gegossenen Rädern zu einem Gefüge mit extrem feiner Korngröße in den Schaufelabschnitten des Rades, während im mittleren Naben- oder Rotorabschnitt ein relativ grobkörniges Gefüge vorhanden ist was im Nabenbereich zu Brüchigkeit und mangelnder Zähigkeit und Festigkeit führt Im Betrieb ist der Nabenabschnitt einer Turbine jedoch wegen der auf die Turbinenräder einwirkenden Zentrifugalkraft einer hohen Beanspruchung unterworfen. Andererseits verhindert das feinkörnige Gefüge der Schaufel das Erreichen optimaler Hochtemperatur- und Dauerfestigkeit So ist in der US-Patentschrift 28 94 318 vorgeschlagen worden, zusammengesetzte Turbinenräder zu bilden und dabei die Schaufeln getrennt auszubilden und anschließend die Schaufeln auch einen Gießvorgang an die zentrale Nabe anzuschließen. Außerdem ist bereits durch die US-Patentschrift 30 32 864 der Vorschlag unterbreitet worden, ein zusammengesetztes Turbinenrad dadurch herzustellen, daß mechanisch eine Vielzahl von einzeln hergestellten Schaufem an eine gesondert ausgebüdett: Nabe durch ein Hochtemperaturschmieden gebunden wird, bei welchem die Nabe so verformt wird, daß eine mechanische Verbindung mit den Schaufeln erfolgt.

Die vorstehend genannten bereits vorgeschlagenen Arbeitsweisen haben sich, wie vorstehend dargelegt aus einer Vielzahl von Gründen als ungeeignet erwiesen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches eine wirtschaftlich vorteilhafte Massenproduktion von Gasturbinenrädern gestattet

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Herstellung von zusammengesetzten Turbinenrädern mit befriedigender Festigkeit und Dauerhaftigkeit zu wirtschaftlich vertretbaren Kosten im Wege der Massenproduktion.

Die mit Hilfe der Erfindung erzielbaren wirtschaftlichen und technischen Vorteile werden dadurch erreicht, daß eine Vielzahl identischer Schaufeln hergestellt wird, die aus einem tragflügelförmig gestalteten Schaufelabschnitt und einem einstückig daran befestigten Wurzelabschnitt bestehen, welcher an der Basis des Schaufelabschnitts befestigt ist und sich von diesem in axialer Richtung erstreckt. Die Schaufeln werden exakt auf die

angestrebten Endabmessungen verarbeitet und bestehen aus hochfesten temperaturbeständigen Werkstoffen, wie Superlegierungen, keramischen Erzeugnissen und anderen vergleichbaren Stoffen. Die Schaufeln werden durch Gießen, Schmieden oder auf pulvermetallurgischem Wege durch Heißpressen hergestellt und anschließend mit Hilfe spanabhebender Werkzeuge auf ihre angestrebten Abmessungen gebracht

Eine Form wird verwendet, die mit einer Vielzahl von sich in radialer Richtung über den Umfang verteilt erstreckenden Formhohlräumen in Gestalt eines Tragflügels versehen ist, die zur Aufnahme der Schaufelabschnitte eines jeden Schaufelelements vorgesehen sind. Dadurch wird eine exakte Ausrichtung der Schaufelabschnitte rings am einen zentralen Formenhohlraum erreicht, der der Gestalt der herzustellenden Turbinenradnabe, auch Rotor genannt, angepaßt ist Die Wurzelabschnitte der Schaufeln erstrecken sich nach innen in den Formenhohlraum hinein, der sodann mit einem Metallpulver gefüllt wird, welches die erforderlichen Eigenschaften im Hinblick auf Festigkeit und Beständigkeit oei hohen Temperaturen besitzt Das legierte Metallpulver wird lose in die Form eingefüllt und dort so gepackt, daß eine Dichte von wenigstens etwa 65% und vorzugsweise von mehr als 70% der 100% betragenden theoretischen Dichte erreicht wird, worauf die Formeinrichtung auf eine erhöhte Temperatur erhitzt wird, um ein Zusammensir. :ern des Metallpulvers zu einer kohärenten Masse zu erreichen, die der herzustellenden Nabe entspricht, und um gleichzeitig eine metallurgische Bindung durch Diffusion zu erzielen, die das gesinterte Pulver mit den Oberflächen der Wurzelabschnitte der Schaufelelemente verbindet Der Sintervorgang wird so durchgeführt, daß eine weitere Verdichtung des Metallpulvers erreicht wird, die vorzugsweise mehr als etwa 95% der 100% betragenden theoretischen Dichte erreicht

Ist der Sintervorgang beendet, so wird das einstückige Turbinenrad aus der Form entnommen und einem isostatischen Heißpressen bei einer Temperatur unterzogen, die im allgemeinen innerhalb des Bereichs der Sintertemperatur liegt Das Verpressen erfolgt bei einem Druck von wenigstens etwa 7 N/mm² und vorzugsweise bei einem Druck zwischen 70 und 140 N/nun², wobei der Druck ausreichend lange zur Einwirkung gebracht wird, um eine weitere Verdichtung des gesinterten Nabenabschnitts auf eine Dichte von etwa 100% der theoretischen Dichte zu erreichen und um eine weiiere Diffusionsbindung zwischen den Wurzelabschnitten und der gesinterten Nabe zu erzielen, die eine hochbeanspruchbare metallurgische Bindung darstellt Das so hergestellte zusammengesetzte Turbinenrad kann anschließend spanabhebend bearbeitet werden, um die exakten Endabmessungen des Nabenteils zu erzielen, worauf weitere Wännebehandlungen vorgenommen werden können, um die mechanischen Werkstoffeigenschaften zu verbessern.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In dieser zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung eines typischen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten zusammengesetzten Turbinenrades,

F i g. 2 eine perspektivische Darstellung einer einfachen Schaufel,

F i g. 3 eine perspektivische Darstellung einer Schaufel, welche mit einer gebogenen Platte an ihrer Basis versehen ist,

F i g. 4 eine perspektivische Darstellung einer Schaufel, welche an ihrer Basis mit einer bogenförmigen Umhüllungsplatte versehen ist,

Fig.5 einen Vertikalschnitt durch eine feuerfeste Form, in welcher eine Vielzahl von Schaufeln angeordnet ist, und bei welcher der mittlere Formhohlraum vor dem Sintern mit einem Metallpulver füllbar ist,

F i g. 6 einen Querschnitt durch eine feuerfeste Form mit einem ein Schaufelelement definierenden Formhohlraum, der mit zu sinterndem Pulver gefüllt ist,

F i g. 7 eine photographische Aufnahme eines metallurgischen Schliffes, aus welcher die metallurgische Bindung zu erkennen ist die zwischen dem Wurzelabschnitt der Schaufel und der gesinterten und verdichteten Nabe ausgebildet ist,

F i g. 8 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 9 eine perspektivische Darstellung einer Form, die zur Herstellung der in Fig.8 dargestellten gesinterten Naben-Vorform dient, und

Fig. 10 eine teilweise Aufsicht auf eine in der Nabe verankerte Schaufel.

Wie F i g. 1 zu entnehmen, besteht ein typisches Turbinenrad 10 aus einem zentralen Rotor- oder Nabenabschnitt 12 und einer Vielzahl von Schaufeln 13, die am Umfang Hes Nabenabschnittes in exakten Bogenabständen voneinander befestigt sind. Eine Welle 14 kann im Mittelpunkt des Nabenabschnitts befestigt sein, um als drehbare Lagerung für das Turbinenrad innerhalb einer Gasturbinenanordnung zu dienen. Es sei unterstrichen, daß die Erfindung auch auf die Herstellung von zusammengesetzten Kompressorrädern oder anderen rotierenden Maschinenteilen anwendbar ist wobei stets Vorteile erreicht werden, die denjenigen gleichen, die bei der erfindungsgemäßen Herstellung zusammengesetzter Turbinenräder erzielbar werden.

Das auch als Kompositrad bezeichnete zusammengesetzte Turbinenrad besitzt auch eine Vielzahl von individuellen Schaufelelementen, die einzeln mit Hilfe eines beliebigen geeigneten Herstellungsweges bis einschließlich ihrer Oberflächenbearbeitung fertiggestellt sind. In Fig.2 ist eine einfache oder glatte Schaufel 13' dargestellt, welche aus einem tragflächenförmig gestalteten Schaufelabschnitt 18 und einem einstückig daran ausgebildeten Wurzelabschnit* 20 besteht, der sich in axialer Richtung in Bezug auf den Schaufelabschnitt erstreckt. Dieser Wurzelabschnitt 20 wird in die Nabe des Turbinenrades versenkt, um eine zuverlässige Verankerung der Schaufel am zentralen Nabenteil des Turbinenrades zu gewährleisten. Eine gleichfalls zufriedenstellende Schaufel 13" ist in F i g. 3 dargestellt, welche aus einem tragflügelförmig gestalteten Schaufelabschnitt 24 und eine·· bogenförmig gestalteten Plattform 26 besteht, die einstückig mit der Schaufelbasis verbunden ist Die Umfangsabmessung der bogenförmigen Plattform 26 ist so gewählt, daß nach Zusammenbau einer Vielzahl von Schaufeln 13" ein im wesentlichen kontinuierlicher Segmentring, wie teilweise in der Zeichnung gestrichelt dargestellt, ausgebildet wird, wobei das Ende einer ersten Plattform relativ zur korrespondierenden axialen Kante einer benachbarten zweiten Plattform fluchtend ausgerichtet ist. Ferner sei erwähnt, daß die Plattform 26 eine Bogenlänge besitzen kann, die kürzer ist als der Abstand zwischen benachbarten Schaufeln, derart, daß die zwischen den in Axialrichtung einander gegenüberliegenden Kanten benachbarter Schaufelelemente ausgebildeten Spalte mit dem Werkstoff ausgefüllt sind, aus

welchem der Nabenabschnitt besteht. Wie auch bei der in Fig.2 dargestellten Schaufel 13 ist das Schaufelelement 13" mit einem Wurzelabschnitt 28 versehen, der sich in Axialrichtung von der Schaufelbasis erstreckt. Außerdem ist auch eine Plattform oder Ankerplatte vorgesehen, die zur Festlegung der Schaufel im Nabenabschnitt eines Turbinenrades dient.

Eine weitere mit Vorteil zu verwendende Schaufel 13'" ist in F i g. 4 dargestellt. Diese Schaufel besteht aus einem tragflächenförmig gestalteten Schaufelabschnitt 32 und einer bogenförmig gekrümmten Ankerplatte 34, die an der Basis der Schaufel befestigt ist. Außerdem ist an der Schaufelspitze ein bogenförmig gekrümmter Umhüllungsring 36 befestigt. Die Umfangs- oder Bogenlänge des Umhüllungsringabschnitts ist so eingestellt daß nach dem Zusammenbau einer Vielzahl von Schaufeln die sich in Axialrichtung einander gegenüberliegenden Kanten benachbarter UmhüUungsringelemente (wie zum Teil gestrichelt dargestellt) in Anlage aneinander befinden und so gemeinsam einen kontinuierlichen aus Segmenten gebildeten Ring bilden, der sieh rings um den Umfang der Schaufelabschnitte erstreckt. Die Schaufel 13'" ist außerdem mit einem einstückig ausgebildeten und sich in Axialrichtung erstreckenden Wurzelabschnitt 38 versehen, der zur Verankerung der Schaufel in der Turbinenradnabe dient.

Die in den Fig.2 bis 4 dargestellten Schaufeln

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20 können aus jedem hochfesten und wärmebeständigen Werkstoff bestehen, der im Hinblick auf seine Hochtemperaturfestigkeit sowie Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit den Anforderungen gewachsen ist, welchen die Schaufeln im Beirieb ausgesetzt sind. Wenngleich keramische Erzeugnisse, wie Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Tonerde und dergleichen sowie verschiedene in der Fachwelt bekannte Cermets in Sonderfällen verwendet werden können, bestehen die Schaufelelemente vorzugsweise aus sogenannten Superlegierungen, von welchen Superlegierungen auf Nickelbasis am meisten bevorzugt sind. Diese zeichnen sich dadurch aus, daß sie normalerweise in ihren gegossenen und geschmiedeten Formen über carbidische Verfestigung und γ'-Verfestigung verfügen. Derartige Nickel-Superlegierungen enthalten üblicherweise relativ große Mengen an γ' und Komplexcarbiden als zweite Phase in .einer Nickel-Chrom-y-Matrix, wodurch diese Legierungen über ausgezeichnete Hochtemperatur-Festigkeitseigenschaften verfügen, welche die Verwendung derartiger Superlegierungen zur Herstellung von Turbinschaufeln ermöglichen. Bekanntlich sind die Schaufeln einer Gasturbine in ihrem Betrieb dem Angriff heißer Brenngase ausgesetzt. Typische Zusammensetzungen einer Vielzahl von handelsüblichen Nickel-Superlegierungen sind in der folgenden Tafel 1 zusammengestellt.

Tafel 1

Zusammensetzung einiger Nickel-Superlegierungen (Gew.-%)

Legierung	C	Cr	Al	Ti	Mo	W Co Cb	17,5 -	B	Zr Fc V	Ni Andere
Nimonic 75	0,12	20	_	0,5	_	_ _ _	17,5 -	_	_ _ _	Rest -
Nimonic 8OA	0,08	20	1,5	2,4	-	_	20,0 -	-	- -	Rest -
Nimonic 90	0,10	20	1,6	2,4	-	13,5 -	-	- -	Rest -
Nimonic 95	0,12	20	2,0	3,0	-	18,5 -	-	_	Rest -
Nimonic 100	0,20	11	5,0	1,3	5,0	11,0 -	-	_	Rest -
Waspaloy	0,08	19	1.3	3,0	4.4	15,0 -	0,008	0.08 -	Rest -
Udimet 700	0,10	15	4,3	3,5	5,2		0,03	- -	Rest -
Rene 41	0,09	19	1.5	3,1	10,0	12,5 - 1,0	0,005	-	Rest -
IN-100	0,18	10	5,5	5,0	3,0		0,015	0,05 -	Rest -
(vergossen)						10,0 -
M A R-M 200	0,15	9,0	5,0	2,0	-		0,015	0,05 -	Rest -
(vergossen)						2,3 Cb+Ta
B-1900	0,11	8,0	6,0	1,0	6.0		0,015	0,07 -	Rest 4,3% Ta
(vergossen)						10,0 -
INCO-713	0.14	13.0	6.0	0.75	4.5	4,0 9,0 -	0.01	0,1 -	Rest -
(vergossen)
M-252	0,15	19,0	1,0	2,5	9,8	0,005	5,0 (max.) -	Rest -
IN-792	0,15	12,5	3,5	4,0	2,0	-	0,15 0,5 (max.) -	Rest 1,0% Hf

Die einzelnen Schaufeln oder Schaufelelemente können mit Hilfe bekannter Arbeitsweisen, wie dem Schmieden von Gußteilen, dem Verdichten von Metailpulverchargen und durch geeignete Gießverfahren sowie durch Kombinationen der vorstehend genannten Möglichkeiten hergestellt werden. Da die Korngröße und die Gefügeausbildung der Superlegierungen verantwortlich für die Hochtemperatur-Festigkeit dieser Werkstoffe sind, wird allgemein angestrebt, daß die Schaufeln eine vergleichsweise große Korngröße besitzen, wodurch optimale Hochtemperatur- und Dauerstandsfestigkeit erzielbar sind

Ein großkörniges Gefüge kann durch Präzisionsformguß der Superlegierungen erzielt werden, wobei feuerfeste Formen benutzt werden, deren Formhohlräume den bogenförmigen Endabmessungen der Schaufelelemente entsprechen. Es ist auch schon daran gedacht worden, die einzelnen Schaufelelemente durch Sintern von Superlegierungspulvern unter speziellen Bedingungen herzustellen, wodurch eine Dichte in der Nähe von

100% der theoretischen erzielt werden kann. Auf pulvermetallurgischem Wege hergestellte Schaufelelemente zeichnen sich im allgemeinen durch eine relativ feine Korngröße aus, die im wesentlichen der Größe der ursprünglichen Pulverteilchen entspricht.

F i g. 6 stellt eine zweiteilige feuerfeste Form dar, die eine untere Formhälfte 40 und eine obere Formhälfte 42 besitzt, welche gemeinsam einen Formhohlraum 44 bilden, dessen Profil der in F i g. 3 dargestellten Schaufel 13" entspricht. Der Formhohlraum 44 kann mit einem ι ο Metallpulver der jeweils gewünschten Zusammensetzung gefüllt werden; die gefüllte Form wird vorzugsweise in Vibrationen versetzt, was mit Hilfe von Überschall-Vibratoren erfolgen kann, um eine Schüttdichte des lockeren Pulvers von wenigstens 65% der 100% betragenden theoretischen Dichte zu erreichen. Bevorzugt wird durch das Rütteln eine Dichte von 70 bis etwa 75% erreicht. Die mit Pulver gefüllte Form wird sodann bei erhöhter Temperatur in einer kontrollierten Umgebung unter Bedingungen gesintert, die im folgenden noch ausführlich erläutert werden. Die in Fig.6 dargestellte Formenanordnung ist gleichfalls typisch für eine Form zum Gießen von Schaufelelementen, wobei die in die Form gegossene Legierung nach ihrer Erstarrung aus der Form entnommen und auf die 2ί angestrebten Endabmessungen spanabhebend bearbeitet wird.

Die Schaufeln können auch aus gegossenen Schaufelabschnitten, wie dem Abschnitt 18 in F i g. 2, und einem gesinterten Wurzelabschnitt 20 bestehen, der mit Hilfe i<> geeigneter Hochtemperatur-Sintervorgänge am Schaufelabschnitt befestigt ist. Dieses ermöglicht die Ausbildung eines gegossenen oder geschmiedeten Schaufelabschnitts unter Verwendung des Präzisionsformgusses mit oder ohne anschließende Schmiede vorgänge unab- r-> hängig vom Wurzelabschnitt. Der Wurzelabschnitt kann anschließend mit Hilfe einer hochfesten metallurgischen Diffusionsbindung während einer Sinterung bei erhöhter Temperatur am Schaufelabschnitt unter Bedingungen befestigt werden, die denjenigen gleichen, die beim Sintern des in F i g. 5 dargestellten Nabenabschnitts oder beim Herstellen eines aus gesintertem Metallpulver bestehenden Schaufelelements in einer in F i g. 6 dargestellten Form herrschen.

Eine besonders geeignete pulvermetallurgische Herstellungsweise zur Ausbildung der Schaufelelemente ist in der US-Patentschrift 36 55 458 beschrieben. Bei dem in der genannten Patentschrift beschriebenen Verfahren wird ein Superlegierungspulver mit weniger als etwa 200 ppm Sauerstoff und max. etwa 700 ppm Kohlenstoff >o bei erhöhter Temperatur zu einer Vorform verdichtet, deren Dichte sich der theoretischen nähert Das verdichtete Erzeugnis ist superplastisch und kann weiter zur Ausbildung des angestrebten Tragflügelabschnitts und des genau profilierten Wurzelabschnitts der Schaufel verformt werden, was beispielsweise durch Warmschmieden erfolgen kann. Anschließend wird die geschmiedete Schaufel bei erhöhter Temperatur ausreichend lange einer Wärmebehandlung unterzogen, um ein Kornwachstum bis zu einer Korngröße zu erzielen, t>o welche ein optimales Verhalten bei hohen Temperaturen erwarten läßt wobei die Hochtemperatur-Festigkeit und das Widerstandsvermögen gegen Ermüdung im Vordergrund stehen. Anschließend werden die Schaufelelemente aufgekohlt, um eine gesteuerte b5 Steigerung ihres Kohlenstoffgehaltes von wenigstens etwa 500 ppm bis 2000 ppm oder mehr zu erreichen, wodurch eine Stabilisierung des grobkörnigen Gefüges der Schaufelelemente erreicht wird. Die Aufkohlungsbehandlung wird so ausgeführt, daß bevorzugt eine Carbidausbildung in den Korngrenzen und nicht in der y-Matrix gefördert wird, um auf diese Weise ein weiteres Kornwachstum zu blockieren. Anschließend werden die Schaufelelemente vorzugsweise einem Lösungsglühen unterzogen, um die Materialhomogenität zu verbessern.

Wie F i g. 5 zu entnehmen, ist eine Vielzahl von fertigbehandelten Schaufeln 13a jeweils in in Umfangsrichtung voneinander entfernten und sich in radialer Richtung erstreckenden Formhohlräumen 44 mit der Gestalt eines Tragflügels aufgenommen, wobei die Formhohlräume 44 in einer unteren Formhälfte 50 ausgebildet sind. Durch die Anordnung der Formhohlräume sind die Schaufelabschnitte 52 genau in der richtigen Anordnung gegenüber dem herzustellenden Nabenabschnitt angeordnet. Dabei ist jede Schaufel 13a so angeordnet, daß ein zugehöriger gebogener Plattenabschnitt 54 in Anlage an einer Umfangsfläche 56 eines kreisförmigen Formhohlraums 58 steht, welches das Profil des herzustellenden Nabenabschnitts bestimmt, wodurch sich die Wurzelabschnitte 60 eines jeden Schaufelelements radial ins Innere des Formenhohlraums 58 erstrecken. Eine obere Formhälfte 42 ist auf der Oberseite der unteren Formhälfte 50 angeordnet, was durch das Zusammenwirken von Vorsprüngen 64 an der Unterseite der oberen Formhälfte mit entsprechend gestalteten öffnungen 66 der unteren Formhälfte erleichtert wird. Eine Einfüllöffnung 68 ist im Mittelabschnitt der oberen Formhälfte vorgesehen.

Das Metallpulver 70 wird dadurch so eingefüllt, daß der Formhohlraum im wesentlichen vollständig gefüllt ist und daß die Wurzelabschnitte 60 aller Schaufelelemente in dem Metallpulver aufgenommen sind, um auf diese Weise eine Festlegung der Schaufelelemente für den nachfolgenden Sintervorgang zu erzielen. Wie auch bei der Herstellung von Schaufeln mit Hilfe pulvermetallurgischer Arbeitsweisen, wird das in dem Formhohlraum enthaltene Metallpulver vorzugsweise mit Hilfe von Überschall-Vibratoren gerüttelt, um eine Packungsdichte von wenigstens etwa 65% und vorzugsweise von 70 bis 75% der theoretischen Dichte zu erreichen. Metallpulver mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 1 bis 250 μπι und vorzugsweise von 10 bis 150 μπι können zufriedenstellend verarbeitet werden. Es wird eine Teilchengrößenverteilung über die genannten Bereiche angestrebt, um auf diese Weise eine max. Packdichte zu erreichen.

Werden Superlegierungspulver auf Nickelbasis zur Herstellung des Nabenabschnittes und zur Herstellung der einzelnen gesinterten Schaufelelemente verwendet, so ist es im Interesse befriedigender mechanischer Eigenschaften von Bedeutung, daß der Sauerstoffgehalt des Metallpulvers geringer als etwa 200 ppm ist, wobei Sauerstoffgehalte von weniger als etwa 100 ppm bevorzugt werden. Superlegierungspulver der angestrebten Teilchengröße und mit dem angestrebten Reinheitsgrad können mit Hilfe jedes beliebigen der bekannten Herstellungsverfahren erzeugt werden, wobei das Zerstäuben einer Schmelze der Legierung durch Inertgas bevorzugt wird. Eine für diesen Zweck geeignete Vorrichtung ist in der US-Patentschrift 32 53 783 beschrieben. Insoweit als Nickelsuperlegierungen der in Tabelle 1 zusammengestellten Gattung üblicherweise beträchtliche Aluminium- und Titananteile als Legierungsbestandteile enthalten, erfordert die hohe Reaktivität dieser beiden Elemente und ihre

Bereitschaft, sich bei den hohen Zerstäubungstemperaturen, mit Sauerstoff umzusetzen, Vakuum oder Inertgasatmosphären in den Zerstäubungs- und Sammelkammern, um eine Verunreinigung des Pulvers durch Oxide zu vermeiden. Das Vorliegen derartiger Oxide in Mengen von mehr als 200 ppm verhindert die angestrebten optimalen Eigenschaften. Besonders vorteilhafte Ergebnisse werden erzielt, wenn Helium oder handelsübliches Argon als Inertgas verwendet werden, wobei Metallpulver mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als 250 μίτι und vorzugsweise mit einer Teilcheiigrößenverteilung von 10 bis etwa 150μΐη erzielt werden, die weniger als etwa 100 ppm Sauerstoff enthalten.

Die pulvergefüllten Formen werden anschließend in einen Sinterofen eingebracht und für eine genügende Zeitdauer auf eine höhere Temperatur erhitzt, um eine Diffusionsbindung der einzelnen Pulverteilchen untereinander und an die Wurzelabschnitte 60 der Schaufelelemente zu einer kohärenten Masse zu erreichen, was mit einer weiteren Verdichtung des Pulvers auf eine Dichte von wenigstens etwa 90 und vorzugsweise 95% der theoretischen einhergeht.

Die jeweilige Sintertemperatur, -atmosphäre und -dauer schwanken in Abhängigkeit von Art und Zusammensetzung des benutzten Metallpulvers. Im Falle der in Tafel 1 zusammengestellten Nickel-Superlegierungspulver kann eine einstufige Sinterung bei Temperaturen erfolgen, die im allgemeinen zwischen 1093° C und einer unterhalb der Solidustemperatur der jeweiligen Legierung liegen. Vorzugsweise erfolgt das Sintern bei Temperaturen von etwa 1204 bis 1260° C und wird unter Vakuum während etwa 24 Stunden durchgeführt. Dabei wird eine hohe Verdichtung der Pulver während des Sinterns angestrebt und erzielt. Die Sintertemperatur wird innerhalb des oberen Bereichs der normalerweise beim Sintern von Superlegierungspulvern zulässigen Temperaturen gehalten, um eine größtmögliche Verdichtung der Pulver während des Sintervorgangs zu gewährleisten.

Anstelle der vorstehend genannten einstufigen Sinterung kann auch eine zweistufige Sinterung von Nickel-Superlegierungspulvern ausgeführt werden, wie in der US-Patentanmeldung 3 01 433 vom 27. Oktober 1972 vorgeschlagen. In der genannten Patentanmeldung ist ein erster Sinterschritt unter Vakuum bei Temperaturen von 871 bis 1093° C beschrieben, der dazu dient, eine Umwandlung der Primärcarbide zu komplexen Carbiden, eine Diffusionsbindung und Brücken zwischen den Pulverteilchen an ihren Berührungspunkten auszubilden. Anschließend wird die vorgesinterte Masse auf eine zweite Sintertemperatur erhitzt, die oberhalb der ersten Sintertemperatur liegt und bis zur Temperatur des beginnenden Schmelzens reichen kann. Die Erhitzung erfolgt ausreichend lange, um ein weiteres Wachstum der Übergangsbrücken und eine einheitlich gesinterte Masse zu gewährleisten.

Nach dem Abkühlen von Sintertemperatur wird das zusammengesetzte Turbinenrad aus der Form entnommen und vor dem isostatischen Heißpressen, welches eine weitere Verdichtung hervorrufen soll, untersucht Zu diesem Zeitpunkt kann auch eine spanabhebende Bearbeitung der Nabe ausgeführt werden, um beispielsweise eine zentrale Bohrung in der Nabenachse auszuführen, wie in Fig.5 mit der Bezugszeichen 70 strichpunktiert dargestellt Diese Bohrung 70 gestattet es während des isostatischen Heißpressens das Ende der in Fig. 1 dargestellten Welle 14 in die Bohrung einzustecken und eine metallurgische Bindung zwischen dem We'.lenende und dem Nabenabschnitt des Turbinenrades auszubilden. Die Welle kann aus einer hochfesten Nickellegierung im geschmiedeten Zustand "> bestehen, welche zuvor durch entsprechende Bearbeitung auf etwa ihre Endabmessungen gebracht worden ist. Die Welle kann außerdem mit Keilnuten u. ä. in ihrem Endabschnitt versehen sein, um ein mechanisches Ineinandergreifen von komplementär zu den Nuten

ίο ausgebildeten Vorsprüngen über die Länge der Bohrung herbeizuführen, was die Festigkeit der Verbindung zwischen Welle und Turbinenradnabe erhöht.

Das isostatische Heißpressen wird mit Hilfe eines Druckgefäßes oder Autoklaven ausgeführt, in welchem mit Hilfe eines Druckmittels, wie Argon, ein beachtlicher Druck aufgebaut wird. Dieser Druck ruft in Verbindung mit der herrschenden hohen Temperatur eine weitere Verfestigung und Verdichtung der gesinterten Nabe des Turbinenrades auf eine etwa 100% der theoretisch erreichbaren Dichte betragenden Dichte hervor. Für das isostatische Heißpressen geeignete Drücke liegen im Bereich von 7 N/mm² bis zu den höchsten durch die Autoklavenkonstruktion ermöglichten Drücken. Normalerweise werden Drücke von etwa 70 bis 140 N/mm² bevorzugt Die beim isostatischen Heißpressen herrschende Temperatur gleicht im wesentlichen der während des Sintervorgangs benutzten Temperatur und schwankt in Abhängigkeit von der jeweiligen Zusammensetzung des zur Herstellung der Nabe verwendeten Metallpulvers. Für Nickel-Superlegierungspulvern der in Tafel 1 zusammengestellten Gattung eignen sich Temperaturen von etwa 1038° C bis ⁷.ur Temperatur des beginnenden Schmelzens der Legierung. Bevorzugt sind Temperaturen von 1093 bis 1260° C.

Die Dauer des isostatischen Heißpi essens schwankt in Abhängigkeit von der angewandten Temperatur, dem angewandten Druck und der Dichte der gesinterten Nabe. Im allgemeinen wird 1 bis 10 Stunden lang heißgepreßt

Nach Beendigung des isostatischen Heißpressens wird das zusammengesetzte Turbinenrad abgekühlt und aus dem Autoklaven entnommen, worauf es abschließend maschinell bearbeitet und auf die vorgeschriebenen Abmessungen gebracht wird.

Während der einstufig oder zweistufig ausgeführten Sinterung und während des isostatischen Heißpressens wird eine hochfeste gleichmäßige metallurgische Diffusionsbindung zwischen den Oberflächen der Wurzelabschnitte 60 der Schaufelelemente und dem den Nabenabschnitt bildenden Metallpulver ausgebildet. Die resultierende metallurgische .Diffusionsbindung zeichnet sich durch das Fehlen einer nennenswerten Trennungslinie zwischen der ursprünglichen Wurzelabschnittoberfläche und der ursprünglichen Pulverschicht aus, welche den Nabenabschnitt bilden. Statt dessen ist ein gleichmäßiger Übergang des Gefüges zu beobachten, der genau einem einheitlichen Werkstück entspricht Eine mikrophotographische Aufnahme eines metallurgischen Schliffes, der eine typische metallurgische Diffusionsbindung zwischen einem gesinterten Nabenabschnitt und der Oberfläche von Wurzelabschnitten zeigt, ist in F i g. 7 wiedergegeben. Die photographische Aufnahme wurde bei 10Ofacher Vergrößerung aufgenommen und zeigt die metallurgische Diffusionsbindung, die zwischen dem grobkörnigen Gußgefüge eines Schaufelabschnittes (obere Hälfte der photographischen Aufnahme) und dem feinkörnigen

pulvermetallurgisch hergestellten Nabenabschnitt (untere Hälfte der photographischen Aufnahme) erzielt wurde. Die beiden miteinander verbundenen Teile bestehen aus der in Tafel 1 aufgeführten Legierung 1N-792. In Fig. 7 ist keine deutliche Bindungslinie zu erkennen, aber das Vorliegen eines Kornwachstums über die Korngrenzflächen ist zu erkennen, welches während des Sinterns und des nachfolgenden isostatischen Heißpressens hervorgerufen wurde.

Innerhalb des vorstehend beschriebenen Verfahrens '-.ann die Korngröße der Schaufeln auf eine Größe gesteigert werden, die optimale Festigkeit und Dauerfestigkeit gewährleistet, während das feine Korn der Naben im wesentlichen auf einer Größe aufrechterhalten werden kann, die im wesentlichen der Größe der ursprünglichen Pulverteilchen entsprechen. Auf diese Weise garantiert die Gefügeausbildung der Schaufeln insgesamt ein ausgezeichnetes Hochtemperaturverhalten der Schaufeln, während das extrem feinkörnige Gefüge der Nabe ausgezeichnete Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften besitzt, die erforderlich sind, um den höheren Beanspruchungen und niedrigeren Temperaturen zu widerstehen, denen die Nabe im Betrieb ausgesetzt ist Demzufolge kann das zusammengesetzte Turbinenrad in Hinsicht auf Legierungszusammensetzung und Korngefüge nach Wunsch variiert werden, um die mechanischen Eigenschaften optimal an die späteren Betriebsbedingungen anzupassen. Dadurch kann das für den jeweiligen Verwendungszweck geeigneteste Material verwendet werden, was eine größtmögliche Nutzung der zur Verfügung stehenden Werkstoffe darstellt und zur Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens beiträgt. Demgegenüber führen die bisher bekannten einstückig gegossenen Turbinenräder nach dem Stand der Technik zu Turbinenrädern, welche in ihren Schaufeln über ein extrem feinkörniges Gefüge verfügen, was ursächlich ist für unzureichende Hochtemperaturfestigkeit und für ungenügende Dauerfestigkeitseigenschaften, wohingegen bei diesen bekannten Turbinenrädern die zentralen Naben wegen der unterschiedlichen Abkühlungs- und Erstarrungsbedingungen zwischen den Schaufeln einerseits und den Naben andererseits über ein grobkörniges Gefüge verfügen, welches die Turbinenräder bruchanfällig macht und ausgerechnet im Bereich der größten Beanspruchung ungenügende Zähigkeit- und Festigkeit zur Folge hat

Im Rahmen der Erfindung kann die Nabe dadurch hergestellt werden, daß das in einer Form enthaltene Metallpulver vorgesintert wird, und daß die resultierende Vorform anschließend mit den Schaufeln versehen wird, worauf durch einen weiteren Sintervorgang und ein anschließendes isostatisches Heißpressen eine einheitliche Turbinenradanordnung erzeugt wird. Wie F i g. 8 zu entnehmen, besitzt eine vorgeformte Nabe 72 einen zentralen Wellenabschnitt 74 und einen scheibenförmigen Bereich 76, dessen Umfang mit einer Vielzahl

-> von sich in Axialrichtung erstreckenden Nuten 78 versehen ist, die in genauen Abständen voneinander über den Umfang verteilt angeordnet sind. In diese Nuten kann jeweils der Wurzelabschnitt 80 einer Schaufel 13 hineingeschoben und somit örtlich fixiert

in werden.

Die vorgeformte Nabe 72 besteht aus den gleichen Pulverzusammensetzungen, wie vorstehend beschrieben, und wird unter Verwendung einer in Fig.9 dargestellten Formenanordnung 84 hergestellt. Die Formenanordnung 84 umfaßt eine untere Formhälfte 50 und eine obere Formhälfte 42, die nach dem Zusammenbau einen inneren Formenhohlraum 90 umschließen, der eine im wesentlichen der Nabe 72 entsprechende Konfiguration besitzt.

Der innere Formenhohlraum 90 wird durch eine im zentral oberen Ende der oberen Formhälfte 42 vorgesehene öffnung 92 in bereits beschriebener Weise mit Pulver gefüi't und gesintert. Die Vorform wird anschließend mit der erforderlichen Anzahl «on Schaufeln 13 versehen, wie in F i g. 8 dargestellt, wobei das Zusammenwirken der Wurzelabschnitte und Nuten 78 dazu dient, die Schaufeln säuberlich in der richtigen radialen und umfangsmäßigen Ausrichtung rings um den Umfang der scheibenförmigen Abschnitte 76 zu fixieren.

Die zusammengefügte Anordnung wird anschließend einem weiteren Sintervorgang unter den gleichen Bedingungen, wie bereits beschrieben, unterworfen, wobei eine metallurgische Diffusionsbindung zwischen der Vorform und den Schaufelelementen entwickelt

J5 wird. Die resultierende gesinterte Anordnung wird anschließend isostatisch in der gleichen Weise heißverpreßt wie zuvor beschrieben, wodurch ein einstückiges Turbinenrad mit näherungsweise 100% der theoretischen Dichte erzielt wird.

Wie in Fig. 10 dargestellt, kann ein Wurzelabschnitt 94 einer Schaufel 136 schwalbenschwanzförmig gestaltet sein, um so eine gute mechanische Verriegelung zusammen mit entsprechend gestalteten Nuten 98 in dem scheibenförmigen Bereich 100 eines vorgeformten Nabenabschnitts herzustellen. Ein derartiges mechanisches Ineinandergreifen des Schaufelelements und der Naben-Vorform fördert die Einheitlichkeit des nach dem isostatischen Heißpressen erhaltenen Produkts und reduziert deutlich die Komplexität der Formen, die

so erforderlich sind, um den Nabenabschnitt und die Schaufelelemente während der letzten Sinterung so zu unterstützen, daß eine Fehlausrichtung der Schaufelelemente gegenüber dem Nabenabschnitt vermieden wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines zusammengesetzten Turbinenrades mit einer Vielzahl von am Umfang einer Nabe befestigten Schaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Schaufelelementen hergestellt wird, die jeweils einen Schaufelabschnitt mit einem einstückig angeschlossenen Wurzelabschnitt besitzen, welcher sich axial von der Basis des Schaufelabschnittes erstreckt, daß die Schaufelelemente auf ihre exakten Endabmessungen bearbeitet und in radialer Ausrichtung am Umfang einer Form in genauen Abständen voneinander so angeordnet werden, daß sich ihre Wurzelabschnitte in den Formhohlraum erstrecken, der der Gestalt der Turbinenradnabe entspricht, daß der Formhohlraum mit einem Superlegierungspulver so gefüllt wird, daß eine Schüttdichte von wenigstens 60% der theoretischen Dichte erreicht wird und die Wurzelabschnitte von de:m Superlegierungspulver umhüllt werden, daß die Form mit den darin angeordneten Schaufelelementen und dem Superlegierungspulver auf eine Sintertemperatur erhitzt wird, bis der nunmehr einstückige Sinterkörper eine Dichte von wenigstens 90% der theoretischen Dichte erreicht hat und daß anschließend der Sinterkörper isostatisch heißgepreßt wird, bis das die Radnabe bildende Superlegierungspulver eine Dichte von etwa 100% der theoretischen Dichte errreicht hat

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintern des Superlegierungspulvers zweistufig erfolgt, wobei die erste Stufe unter Vakuum bei einer Temperatur von 871 bis 1093⁰C erfolgt und die zweite Stufe bei einer oberhalb der in der ersten Stufe verwandten Temperatur erfolgt, deren obere Grenze durch die Soliduslinie der Superlegierung gegeben ist

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Vielzahl von Schaufelelementen aus der Schmelze eines hochtemperaturfesten und eine hoher Dauerstandsfestigkeit besitzenden Materials in einen Formenhohlraum geeigneter Gestalt gegossen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Schaltelementen zunächst durch keramische Schaufelabschnitte gebildet wird, an deren Basis jeweils ein aus einer Superlegierung bestehender Wurzelabschnitt angesintert wird.

5. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 2 auf die Herstellung der Schaufelelemente.

6. Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Superlegierungspulver λ in einer Form entsprechend der Gestalt der herzustellenden Turbinenradnabe, die an ihrem Umfang mit einer Vielzahl von in gleichmäßigen Abständen angeordneten Nuten versehen ist, bis zum Erreichen einer Dichte von wenigstens 85% der theoretischen Dichte gesintert wird, daß die so erhaltene Vorform aus der Form entnommen und die Schaufelelemente mit ihren Wurzelabschnitten in exakter radialer Orientierung vor dem Zusammensintern zu einem einstückigen Sinterkörper in die Nuten eingefügt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelwurzeln und die Nuten in der Turbinenradnabe so geformt werden, daß jede Schaufelwurzel nach dem Einfügen in die Nute eine mechanisch ineinandergreifende Verbindung bildet