DE2831292A1

DE2831292A1 - Verfahren zur herstellung einer turbinenschaufel

Info

Publication number: DE2831292A1
Application number: DE19782831292
Authority: DE
Inventors: Anthony George Nottingham Gale; Andrew Gerard Bourne Duffield Derby Wood
Original assignee: INTERNATIONAL CERAMICS Ltd; INT CERAMICS Ltd; International Ceramics Ltd Derby; Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1977-07-22
Filing date: 1978-07-17
Publication date: 1983-03-31
Also published as: IT1096996B; FR2504828B1; FR2504828A1; IT7825321A0; US4384607A; DE2831292C2

Description

*"-~ Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt WaIIach

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<2 Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 17.Juli I978

Unser Zeichen: _l6 -^1G - K/jä

ANMELDER:

Rolls-Royce Limited, London/England und

International Ceramics Limited, Derby/England

GEGENSTAND:

Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel

PRIORITÄT:

22.JuIi I977
Großbritannien
Nr.50810/77

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Schaufel für ein Gasturbinentriebwerk und auf einen Kern, welcher für dieses Verfahren geeignet ist.

Es ist bei Gießverfahren mit verlorenem Kern üblich, einen Kern zu benutzen, der gewöhnlich aus einem Keramikmaterial besteht und in der Form gehaltert wird, während der Gußkörper hergestellt wird und dessen äußere Oberfläche diejLnnere Oberfläche eines Hohlraums des fertigen Gußstücks definiert. Derartige Kerne werden normalerweise ausgeätzt oder auf andere Weise vom Gußkörper entfernt, um die gewünschten Hohlräume zu bilden. Bei gewissen Gußstücken, z.B. bei gekühlten" Schaufeln für Gasturbinentriebwerke wird die Gestalt des Innenraums äußerst komplex und außerdem muß sie auch noch sehr genau sein. In diesen Fällen wird der Kern selbst normalerweise als Spritzgußteil hergestellt, wobei eine geteilte Form aus zwei oder mehreren Teilen Anwendung findet, die zusammengebaut werden müssen.

Diese Technik mit aufgeteilter Form erfordert, daß alle Vorsprünge der Form und demgemäß auch die Hohlräume im Kern sich ausschließlich in Richtung der Trennung der Formteile erstrecken und sich in dieser Richtung verjüngen und dies ergibt beträchtliche Beschränkungen hinsichtlich der Form des herzustellenden Kerns. Dies hat zu der Notwendigkeit geführt, den inneren Hohlraum von gekühlten Gasturbinenschaufeln duroh Kombination eines Gußverfahrens mit einer spanabhebenden Bearbeitung und sonstigen Bearbeitungstechnik herzustellen, wodurch die Kosten des Endproduktes in erheblichem Maße erhöht wurden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Gasturbinenschaufel zu schaffen, wobei ein Kern benutzt wird, dessen Gestalt den Beschränkungen

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nicht in diesem Maße unterworfen ist, wie es bei bekannten Kernherstellungsverfahren der Fall war.

Gemäß der Erfindung wird das Verfahren zur Herstellung einer Gasturbinenschaufel in der Weise durchgeführt, daß ein zeitweiliger Füllkörper aus entfernbarem Material hergestellt wird, daß der Füllkörper in einer Form gehaltert wird, daß das Kernmaterial in die Form eingespritzt wird, um dort rund um den Füllkörper herum zu erhärten, daß dann der Kern aus der Form entfernt wird und der Füllkörper aus dem Kern entfernt wird, um innerhalb des Kerns einen Hohlraum zu schaffen, der die Gestalt des FUllkörpers besitzt und daß der so erzeugte Kern in einem Gußverfahren mit verlorenem Kern benutzt wird, um die Schaufel herzustellen.

Dss entfernbare Material kann ein Material sein, daß aus dem Kern durch chemische Verfahren ausgeätzt wird oder es kann ein Material mit niedrigem Schmelzpunkt sein, so daß das Material aus dem Kern ausgeschmolzen werden kann oder es kann einfach ein brennbares Material sein, welches ausgebrannt wird und der Verfahrensschritt zur Entfernung des Füllkörpers aus dem Kern, kann demgemäß ein Ätzverfahren sein oder ein Erhitzungsverfahren, je nach dem verwendeten Werkstoff.

Vorzugsweise ist der Füllkörper mit Vorsprüngen versehen, die in entsprechenden Ausnehmungen der Kernform einpassen, um den Füllkörper während des Spritzgußverfahrens und der Verfestigung des Kerns zu haltern.

Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Kern geeignet für ein Gießverfahren mit verlorenem Guß und ebenso bezieht sich die Erfindung auf eine Schaufel, die durch dieses Verfahren hergestellt ist.

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Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Sahnittanslcht eines Spritzgußformgesenkes zur Erzeugung eines zeitweiligen FüllstUckes in einem Einstufenverfahren nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt einer weiteren Spritzgußform, die in einem weiteren-erfindungsgemäßen Verfahrensschritt Anwendung findet,

Fig. 3 eine Schnittansicht eines Kerns, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, wobei die Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 Anwendung fand,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Gießform, in der der Kern nach Fig. 3 benutzt wird.

Fig. 1 zeigt eine Form, die aus zwei zusammenwirkenden Formteilen 10 und 11 besteht und diese Teile sind so ausgenommen, daß zwischen Ihnen die Form eines vorübergehend einsetzbaren Füllstücks 12 definiert wird. Das Füllstück 12 besteht generell aus zwei in Längsrichtung verlaufenden Schienen Ij5 und 14, zwischen denen ein gekrümmter dünner Abschnitt 15 verläuft, durch den Vorsprünge 16 hindurchgehen, die schließlich Löcher durch den dünnen Abschnitt 15 bilden. Es ist ersichtlich, daß Fig. 1 gemeinsam mit sämtlichen anderen Figuren der Zeichnung nur einen querverlaufenden Schnitt der in Frage kommenden Form zeigt und daß tatsächlich der Teil 12 in Längsrichtung verlaufend angeordnet ist. Dies ist jedoch nicht von ausschlaggebender Wichtigkeit für die Erfindung und die Zeichnungen zeigen daher die Längserstreckung nicht. Natürlich hängt die Gestalt der Form von der Gestalt des schließlich zu gießenden Gegenstandes ab.

In dem Formteil 10 können Eingießkanäle 17 und 18 vorgesehen

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sein, so daß ein entfernbares Material in den Raum zwischen den Formteilen eingespritzt werden kann, um diesen Raum auszufüllen und so das Füllstück 12 zu bilden. Hinsichtlich des für das Füllstück 12 benutzten Materials bestehen mehrere Möglichkeiten. So kann ein Material, z.B. Hartwaohs, benutzt werden oder ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt oder ein Material, welches gelöst oder auf ändere Weise durch chemische Einflüsse entfernt werden kann oder es kann ein entfernbares Material sein, welches ausgebrannt werden kann.

Um das Füllstück herzustellen, werden die Formteile 10 und 11 zusammengestellt und in dieser Stellung durch nicht dargestellte Mittel festgehalten. Dann wird das gewählte Material durch den Eingußkanal 17 in flüssiger, plastischer oder in Breiform eingespritzt, bis der Hohlraum zwischen den Formteilen voll ausgefüllt ist. Das flüssige, plastische oder breiförraige Material, welches die Form ausfüllt, läßt man dann erhärten. Das hierfür benutzte Verfahren hängt von dem jeweils benutzten Material ab. Wenn es sich um geschmolzenes Material handelt, kann man dieses einfach abkühlen und erstarren lassen. Wenn es ein in der Wärme aushärtender Kunststoff ist, dann kann es erforderlich sein, die Form zu erhitzen, um den Kunststoff auszuhärten. Wenn dagegen ein chemisches Verfahren benutzt wird, dann kann'ps genügen, ausreichend Zelt verstreichen zu lassen, damit die chemische Reaktion vollendet werden kann.

Die Formteile 10 und 11 werden dann voneinander getrennt, um diesen Zwischenkörper 12 freizugeben. Es kann erforderlich sein, ein Ausputzen oder einen ähnlichen Verfahrensschritt vorzunehmen um die Spuren von Eingußkanälen von dem Zwischenwerkstück zu entfernen. . - . =

Es wird nunmehr auf Fig. 2 der Zeichnung Bezug genommen. Hier', ■ ist der Teil 12 zwischen den Formhälften 19 und 20 einer Kernform eingebaut. In ähnlicher Weise, wie bei der Form nach Fig. 1

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sind die beiden Formhälften derart ausgenommen, daß zwischen ihnen ein Hohlraum verbleibt, der die Form des erforderlichen Kerns 21 hat. In diesem Fall werden jedoch Kanäle 22 und 23 in den Seitenflächen der Formteile angeordnet und diese Kanäle entsprechen in Größe und Gestalt den Schienen Ij5 und und es wird ein zeitweiliger Füllkörper 12 zwischen die Formteile eingebaut und durch die Schienen 13 und 14 in den Kanälen 20 und

23 festgelegt. Es können natürlich auch andere Mittel benutzt werden, um den Körper 12 zu stützen.

Der Körper 12 bildet demgaiäß in dem linken Teil des Hohlraums eine gelochte Scheidewand zwischen einem extrem linken Hohlraum

24 und dem Haupthohlraum 25· Andere wichtige Merkmale bestehen darin, daß Vorsprünge 26 und 27 von den Formteilen I9 und 20 vorstehen und mit ihren Spitzen einander berühren, so daß Stangen gebildet werden, die sich über den Hohlraum erstrecken. Obgleich in der Schnittansicht die Vorspiünge 26 und 27 den Hohlraum 25 in zwei Teile zu teilen scheinen, ist jedooh tatsäohlioh die Stange, die durch diese zwei Vorsprünge gebildet wird, nur eine von mehreren in Längsrichtung verlaufenden Stangen oder Stegen, die in Längsrichtung im Abstand zueinander angeordnet sind.

Der Rest des Haupthohlraumes 25 ist mit kleineren in Längsrichtung verlaufenden Vorsprüngen 28 versehen, die nur eine vergrößerte Oberfläche dieses Hohlraumes bilden und Zuführungs- bzw. Abführungskanäle 29 und 30 erstrecken sich durch den Formteil 19 in die Hohlräume 25 bzw. 24.

Bei der Herstellung werden die Formteile 19 und 20 zusammen mit dem Füllstück 12 in der aus der Zeichnung ersichtlichen Art und Weise zusammengebaut. Die Formteile werden durch nicht dargestellte Mittel zusammengehalten und es wird das Kernmaterial in flüssiger Form oder in plastischer Form oder in Breiform durch den Zuführungskanal 29 in den Hohlraum 25 eingespritzt,

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um diesen anzufüllen.

Dann wird die Form, deren Hohlraum mit dem flüssigen, plastischen oder Schlammaterial angefüllt ist, der erforderlichen Wärmebehandlung unterworfen, um das Material zu verfestigen. Wie weiter oben in Verbindung mit der Form nach Fig. 1 beschrieben, hängt diese Behandlung von dem jeweils benutzten Material ab, welches den Kern bildet, aber ein herkömmliches Material für diese Kerne hat die Gestalt von Keramikmaterial, welches als flüssiger oder halbflüssiger Sohlamm eingespritzt und dann erhitzt oder abgekühlt oder chemisch behandelt wird, um die Masse auszuhärten und zu verfestigen.

Wenn das K^rnmaterial erhärtet ist, dann wird die Form geteilt und die beiden Hälften I9 und 20 werden voneinander getrennt, um den Kern 21 freizulegen, in dem das Füllstück 12 eingebettet ist. An dieser Stelle werden die Grenzen bekannter Herstellungsverfahren offenbar, da klar ist, daß die Vorsprünge, diedie Formfortsätze bilden und die in diesem Falle als Hälften ausgebildet sind, sich nur in Richtung der Trennung der Hälften erstrecken können und es können keine zurückspringenden Abschnitte in diesen Flächen angeordnet werden. Andernfalls wäre eine Trennung der Formhälften ohne Beschädigung oder Zerstörung des festen Kerns nicht möglich. Demgemäß erstrecken sich bei der beschriebenen Ausführungsform die Vorsprünge und 26 in der richtigen Richtung, so daß sie aus dem Kern herausziehbar sind. Wenn der Winkel dieser Vorsprünge beträchtlich geändert würde, dann könnte eine einspringende Fläche gebildet werden, die eine solche Trennung unmöglich machen könnte. Es ist klar, daß dies eine schwerwiegende Beschränkung hinsichtlich der Formgestaltung des Kerns mit sich zieht, der durch bekannte Verfahren hergestellt wurde, selbst wenn mehr als zwei Formteile benutzt werden. Indiesem Falle werden die Formen

extrem teuer, sie nutzen sich schnell ab und ermöglichen nur kleine Produktionsraten.

Wenn der Kern von der Form freigegeben ist, kam* es wiederum notwendig sein, Ansätze, die Zeugnis von den Eingußkanälen bilden, zu entfernen und dann wird es notwendig, den Einsatzkörper 12 zu entfernen. Das Verfahren, welches zur Entfernung dieses Körpers benutzt wird, hängt wiederum von der Natur des Materials selbst ab. Wenn das Material aus dem Kern ausgeschmolzen oder ausgebrannt werden muß, dann ist eine Erhitzung erforderlich. Wenn das Material dagegen ausgeätzt oder auf andere Weise durch chemische Wirkung entfernt werden soll, kann es erforderlioh sein, den Kern in eingeeignetes chemisches Lösungsmittel oder Reagenz einzutauchen. Auf diese Weise wird der Füllkörper 12 aus dem Kern entfernt und es verbleibt ein entsprechender Hohlraum. Es ist klar, daß es nur möglich ist, jene Abschnitte des Einsatzkörpers 12 zu entfernen, die Zugang zu der äußeren Oberfläche des Kerns haben. Wenn irgendein Teil des Körpers vollständig vom Kernmaterial umschlossen ist, dann ist eine Entfernung nicht möglich, ohne den Rest des Kerns zu beschädigen. Wenn demgemäß ein vollständig umschlossener Abschnitt erforderlich ist, kann es notwendig sein, eine Verbindung herzustellen, um das Innere zugänglich zu machen und die Verbindung oder ihr gegossenes Äquivalent wird in einer späteren Phase des Verfahrens geschlossen.

Figur 3 zeigt im Schnitt den fertigen Kern. Es ist ersichtlich, daß er einfache Löcher 31 und Vertiefungen 32 besitzt, durch die Vorsprünge 26, 27 bzw. 28 während des Formverfahrens hergestellt wurden und daß der sehr komplex ausgebildete Hohlraum 33 nach Entfernung des Füllkörpers verbleibt. Dieser Hohlraum könnte offensichtlich nicht durch die bekannten Verfahren hergestellt werden, weil er sehr viele zurückspringende Oberflächen besitzt und wegen der dünnen Vorsprünge 34, die den

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Löchern 16 im Abschnitt 15 des PUllstUckes entsprechen und die ein Herausziehen der Form aus dem Kern verhindern würden.

Schließlich zeigt Fig. 4 wie der Kern gemäß Fig. ]5 bei einem Gießverfahren mit verlorenem Kern benutzt wird, um eine Schaufel für ein Gasturbinentriebwerk herzustellen. Der Kern wird durch nicht,dargestellte Mittel innerhalb der Außenform gehalten, die in herkömmlicher Weise durch eine verlorene Wachstechnik hergestellt ist. Geschmolzenes Metall wird in die Außenform eingegossen und füllt die Räume zwischen der Form und dem Kern und füllt die Hohlräume innerhalb des Kerns aus. Nach Abkühlung und Erstarrung werden Form und Kern von der so gebildeten Metallsohaufel entfernt. Normalerweise wird diese Entfernung auf chemischem Wege vorgenommen, wobei ein Reagenzmittel benutzt wird, welches selektiv den Kern und das Formmaterial angreift.

Der dünne gelochte Abschnitt J>6 zeigt, wie das erfindungsgemäße Verfahren benutzt werden kann, um eine Schaufel zu erzeugen, die eine Auftreffkühlung am Vorderrand des Arbeitsprofils besitzt. Bisher mußten solche g#.ochten Abschnitte aus getrenntem Blech hergestellt sein, die später in getrennten Herstellungsstufen in das Schaufelprofil eingebaut wurden. Die Erfindung macht es möglich, wenigstens einfache Kühlmittellöcher dieser Art direkt in der Schaufel durch Gießen herzustellen.

/Es ist klar, daß zahlreiche Abwandlungen getroffen werden könnten. So könnte der Füllkörper statt dem Spritzgußverfahren durch zahlreiche andere Verfahren hergestellt werden. Er könnte spanabhebend hergestellt werden oder er könnte sogar von Hand geschnitzt oder geformt werden. Es ist auch klar, daß in gewissen Fällen der Füllkörper auf andere Weise entfernt werden kann. So könnte ein einfaoher zylindrischer Füllkörper einfach durch Wegziehen entfernt werden.

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Leerseite

Claims

η Λ ., Patentansprüche

1) Verfahren zur Herstellung einer Schaufel für ein Gasturbinenstrahltriebwerk Öurch Gießen mit verlorener Gußform, wobei ein Kern benutzt wird, der innere Hohlräume in der Schaufel oder im Kern definiert, dadurch gekennzei ohne t, daß aus entfernbarem Material ein zeitweiliger Füllkörper (12) hergestellt wird, daß der Füllkörper in einer Form (19,20) gehalten wird, daß das Kernmaterial in die Form (19,20) eingespritzt wird und um den Füllkörper herum erstarrt, daß der Kern (21) aus der Form entfernt wird und daß der Füllkörper (12) aus dem Kern (21) entfernt wird, so daß innerhalb des Kerns ein Hohlraum (33) gebildet wird, der die Form des Füllkörpers (12) besitzt und daß der so erzeugte Kern (21) in einem Gießverfahren mit verlorenem Kern benutzt wird, um die Schaufel herzustel len.

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet, daß der zeitweilige Füllkörper (12) im Spritzgußverfahren hergestellt wird.

3) Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitweilige Füllkörper (12) aus dem Kern (21) durch Zerstörung des Füllkörpers (12) entfernt wird.

4) Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitweilige Füllkörper (12) aus einem Material, besteht, welches aus dem Kern (21) durch chemische Mittel ausgeätzt werden kann.

5) Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzei chnet,

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daß der zeitweilige Füllkörper (12) aus einem Material mit niedrigem Schmelzpunkt besteht, so daß er aus dem Kern (21) ausgeschmolzen werden kann.

6) Verfahren nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß der zeitweilige Füllkörper (12) aus einem brennbaren Material besteht, welches aus dem Kern (21) ausgebrannt werden kann.

7) Verfahren nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitweilige Füllkörper (12) aus dem Kern (21) durch Erhitzung des Kerns (21) auf eine hohe Temperatur entfernt wird.

b) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet, daß der zeitweilige Füllkörper (12) mit Vorsprüngen (Ij5,l4) versehen ist, die in entsprechende Ausnehmungen (22,23) der Kernform (19,20) einstehen, um den Füllkörper (12) während des Einspritzens und während der Verfestigung des Kernmaterials zu haltern.

9) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkern mit einem Wachs überzogen wird, dessen äußere Gestaltjder Form der zu gießenden Schaufel entspricht, daß eine Umhüllung (35) aus Keramikmaterial auf der äußeren Oberfläche des Wachskörpers aufgebracht wird, daß das Wachs entfernt wird und daß geschmolzenes Metall in die so gebildete Form eingegossen wird.

10) Kern für ein Gießverfahren mit verlorenem Kern, dadurch gekennzeichnet, daß er gemäß einem der Ansprüche 1-9 ausgebildet 1st.

11) Form zur Herstellung einer Turbinenschaufel, dadurch g e kennze i chne t, daß sie gemäß einem der Ansprüche 1-9 ausgebildet ist.

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