DE3032593A1 - Verfahren zum herstellen eines radialturbinenrades - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Radialturbinenrades.

Bei Turbinenrädern kleiner Gasturbinen ist es wegen der gegebenen Abmessungen schwierig, einen Schaufelkranz aus einem ersten Werkstoff mechanisch mit einer Nabe aus einem anderen Werkstoff zu verbinden. Da die Schaufeln im Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wird der Schaufelkranz zweckmäßig aus einen hochwärmebeständigen Legierung gebildet, während für die Nabe eine Legierung hoher Duktilität zweckmäßig ist, um den dort auftretenden hohen Randspannungen Rechnung zu tragen.

Als Beispiel für einen derartigen zusammengesetzten Aufbau eines Turbinenrads sei die US-PS 2 479 039 genannt. Es wird dort ein mehrstufiges Schleudergußverfahren verwendet, das für Turbinenräder großer Abmessungen gedacht ist. Die Verbindung eines Schaufelkranzes mit einer Nabe durch mechanische Verbindungsmittel bereitet bei kleinen Gasturbinen Schwierigkeiten. So wird in der US-PS 3 940 268 ein Verfahren beschrieben, bei der eine Nabe aus Metallpulver gebildet und mit mehreren radial nach außen gerichteten Schaufelelementen verbunden wird, während die Nabe aus dem Metallpulver durch isostatisches Heißpressen gebildet wird. Hierbei wird das Metallpulver und die Schaufelelemente zueinander ausgerichtet in eine Form eingebracht. Es können auf diese Weise einzelne Schaufeln mit der Nabe verbunden werden, jedoch ist eine ausreichende Genauigkeit nicht zu erzielen, wenn ein Schaufelkranz mit der Nabe zu verbinden ist. Gerade bei Gasturbinen kleiner Abmessungen aber hoher Drehzahl ist eine besondere Genauigkeit erforderlich.

Zur Erzielung einer solchen hohen Genauigkeit ist durch die DE-OS 28 24 369 bekannt, mehrere genau bearbeitete Schaufelkranzelemente herzustellen und dann zusammenzusetzen, um anschließend durch isostatisches Heißpressen mit einer Nabe zu verbinden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses Verfahren zum Herstellen von Radialturbinenrädern zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 herausgestellten Verfahrensschritte gelöst.

Eine vorteilhafte weitere Ausgestaltung des Verfahrens ergibt sich aus dem Unteranspruch.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 ein Fließschema des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine Ansicht eines Kerns für eine Form zum Giessen des Schaufelkranzes,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Wachskerns für die Form zum Giessen des Schaufelkranzes,

Fig. 4 einen Schnitt durch die Form zum Giessen des Schaufelkranzes,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer mit dem Schaufelkranz zu verbindenden Nabe,

Fig. 6 einen Schnitt durch die zusammengefügten Teile des Turbinenrads,

Fig. 7 eine Ansicht auf die linke Seite von Fig. 6,

Fig. 8 eine Ansicht auf die rechte Seite von Fig. 6,

Fig. 9 einen Teilschnitt im Bereich der Berührungsfläche zwischen Schaufelkranz und Nabe nach dem isostatischen Heißpressen,

Fig. 10 ein Schliffbild im Bereich der Diffusionszone zwischen Schaufelkranz und Nabe.

Das Giessen eines Schaufelkranzes erfolgt durch Präzisionsformguss, um einwandfreie radiale Strömungskanäle im Turbinenrad zu erhalten. Hierzu wird ein genaues Modell des Schaufelkranzes aus Wachs hergestellt, das einen Gießlöffel, Eingüsse und Steiger aufweist. Der Gießlöffel leitet geschmolzenes Metall zu den Eingüssen, die als kleine Löcher ausgebildet sind, während der zentrale Raum der Form den Steiger bildet.

Das Wachsmodell wird dann in einen Keramikbrei getaucht und anschließend getrocknet, um eine keramische

Hülle zu bilden. Es werden mehrere Schichten von Keramik aufgebracht, um eine haltbare Gießform zu erhalten. Danach wird das Wachs ausgeschmolzen.

Es erfolgt dann das Abgiessen mit geschmolzenem Metall, wozu hochwertige Legierungen auf Nickelbasis verwendet werden, die mit einer Temperatur von mehr als 1427°C vergossen werden.

Im vorliegenden Fall sind in dem Wachsmodell keramische Kerne enthalten, die nach dem Ausschmelzen des Wachsmodells in der Form verbleiben und in das Metall eingegossen werden. Nach dessen Verfestigen werden die Kerne ausgelaugt und bilden in dem fertigen Schaufelkranz Kühlkanäle.

Das Gußstück ist dann in üblicher Weise durch mechanisches Bearbeiten von den Eingüssen und Steigern zu befreien. Die Schaufelflächen selbst werden hierbei nicht bearbeitet. Im einzelnen kann hierzu auf die US-PS 2752 257 verwiesen werden.

Weiterhin ist eine Nabe zu bilden, worauf diese wie auch der Schaufelkranz mechanisch bearbeitet werden, um für das Zusammenfügen vorbereitet zu werden.

Nach dem Zusammenfügen beider Teile erfolgt ein Verlöten unter Abdichten im Bereich der Berührungsfläche, worauf beide Teile in einer Umgebung ausreichender Temperatur und ausreichenden Druckes durch isostatisches Heißpressen miteinander verbunden werden, indem eine Diffusion im Bereich ihrer Berührungsflächen erfolgt.

Nach dem isostatischen Heißpressen erfolgt noch eine Wärmebehandlung. Es ist dann ein Turbinenrad entstanden, dessen Schaufeln hochtemperaturbeständig sind, und dessen Nabe Spannungen infolge der Fliehkraft oder thermischer Ursachen gewaschen ist, die beim Betrieb auftreten.

Im einzelnen sei unter Hinweis auf Fig. 2 erläutert, dass die erwähnten Kerne 10 zur Bildung von Kanälen im Turbinenrad einen radial nach außen gerichteten Lappen 12 aufweist, und an seiner bogenförmigen unteren Seite zwei Lappen 14 und 16, die seiner Abstützung bzw. der Bildung eines Lochs im endgültigen Gußstück dienen, welch letzteres später durch einen Pfropfen 88 (Fig. 9) verschlossen wird.

Anschließend wird um jeden Kern 10 ein Wachsmodell 20 einer Schaufel gebildet, das eine Eintrittskante 22 und eine radial nach außen gerichtete Austrittskante 24 aufweist, die durch einen im wesentlichen radialen sich verjüngenden Schaufelkopf 26 verbunden sind, wobei eine rückwärtige Kante 28 gebildet ist.

Jedes Schaufelmodell 20 wird dann ausgerichtet zu den anderen in eine Halterung eingesetzt und an den Füßen erfolgte ein Zusammenfügen durch Wachs zu einem geschlossenen Wachsmodell 30 des Schaufelkranzes, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.

Die genaue Lage der Kerne 10 in den Wachsmodellen 20 der Schaufeln werden durch nicht dargestellte Kernstifte während des Eingießens des Wachses bestimmt.

Das Wachsmodell 30 des Schaufelkranzes wird dann in einen Keramikbrei getaucht, wodurch eine keramische Hülle 32 gebildet wird, in die die Lappen 16 eingebettet sind. Nach dem Bilden der keramischen Hülle 32 wird das Wachs des Modells ausgeschmolzen und an der Innenfläche der gebildeten Gießform eine Schicht aus Magnesiumoxidschamotte gebildet. Danach wird eine Legierung Mar.M-247 mit einer Temperatur von etwa 1593°C in die auf eine Temperatur von etwa 1093°C vorgewärmte Form gegossen.

Am fertigen Gußstück reichen die Lappen 12, 14 und 16 der Kerne 10 zweckmäßig bis an die Oberfläche.

Das fertige Gußstück 40 ist in Fig. 6 dargestellt. Es werden nun die Kerne 10 in bekannter Weise ausgelaugt und die durch die Lappen 16 bedingten Löcher im Schaufelkranz 40 verpfropft. Danach erfolgt eine mechanische Bearbeitung der Innenfläche des Schaufelkranzes 40, wobei an dessen Eintrittsseite eine zylindrische Bohrung 42 entsteht, die in eine sich erweiternde konische Bohrung 44 bis zum rückwärtigen Rand 46 des Schaufelkranzes 40 übergeht.

Aus Pulvermetall wird ferner eine Nabe 48 gemäß Fig. 5 gebildet, wozu verfestigte PA-101 verwendet wird. Die Nabe 48 weist eine zylindrische Nase 50 und einen anschließenden konischen Mantel 52 auf. Die Nase 50 wird auf eine zylindrische Mantelfläche 53 bearbeitet, die mit Festsitz in die Bohrung 42 des Schaufelkranzes 40 passt.

Der konische Mantel 52 der Nabe 48 ist ebenfalls bearbeitet, um eine konische Mantelfläche 56 zu erhalten, die der konischen Bohrung 44 des Schaufelkranzes 40 genau entspricht.

Nach dieser Bearbeitung werden der Schaufelkranz 40 und die Nabe durch Polieren oder Vakuumentgasung gereinigt. Der Schaufelkranz 40 wird sodann auf 204°C erhitzt, während die Nabe 48 in flüssigem Stickstoff auf -196°C abgekühlt wird. Es kann dann die Nabe leicht in die Bohrungen des Schaufelkranzes 40 eingeführt werden. Nach einem Temperaturausgleich zwischen beiden Teilen ergibt sich ein vorgegebener Festsitz.

Es liegt dann eine rückwärtige Fläche 58 der Nabe 48 ausgerichtet mit den rückwärtigen Kanten 59 der Schaufeln 60 am Schaufelkranz 40. Jede Schaufel 60 hat eine Eintrittskante 62 und eine Austrittskante 64, die durch einen radial nach außen gebogenen Schaufelkopf 66 miteinander verbunden sind. Die einzelnen Schaufeln 60 sind an ihren Füßen mit der gemeinsamen Grundplatte 68 verbunden, die zwischen den Schaufeln Flächen 69 der Nabe aufweist. Nach dem Auslaugen der Kerne 10 sind Kühlluftkanäle gebildet, die über eine Öffnung 70 mit einer Kühlluftquelle 72 zwischen dem Turbinenrad und einer zugeordneten umlaufenden Dichtung 74 gebildet ist. Die Öffnung 70 stellt die Verbindung mit einem Hohlraum 76 im Schaufelkranz 40 an jeder Schaufel her, der über einen seitlichen Schlitz 78 in jeder Schaufel 60 dicht stromabwärts ihrer Eintrittskante 62 ge- bildet ist.

Wie die Fig. 6 und 7 zeigen, sind die freiliegenden Kanten der Berührungsfläche 82 zwischen dem Schaufelkranz 40 und der Nabe 48 durch Lötnähte 80 und 81 abgedichtet. Hierzu wird eine Bor-Silizium modifizierte MAR-M247 Lötlegierung verwendet, die folgende Zusammensetzung in Gew.-% hat:

0,17 C, 1,4% Hf, 10,0% Cr, 0,6% Mo, 5,5% Al, 1,6% Ti, 9,7% Co, 10,8% W, /,06 Zr, 1,1% B, 3,1% Ta, 2,5% Si und 53,47% Ni.

Nach dem Aufbringen des Lötmittels erfolgt ein Lötzyklus in mehreren Stufen: 30 Minuten bei 1218°C, 10 Minuten bei 1093°C und eine Stunde bei 1149°C.

Nach dem Löten werden die Lötnähte durch Abdrücken in Heliumgas geprüft und anschließend an den Kanten 80 und 81 mittels einer Heliumsonde durch ein Massenspektrometer abgetastet.

Es wird sodann der gesamte Bereich der Lötung, sowie der unter Festsitz zusammengefügten Teile des Schaufelkranzes und der Nabe unmittelbar einer Umgebung für isostatisches Heißpressen ausgesetzt. Es werden diese Teile für drei Stunden einer Temperatur von etwa 1204°C und einem Druck von 103,421.4 kPa von Argongas ausgesetzt.

Danach werden die Teile einem Diffusionszyklus ausgesetzt und zwar für zwei Stunden bei einer Temperatur von 1107°C und einem doppelten Alterungsvorgang von vier Stunden bei 843°C und folgend 16 Stunden bei 760°C.

Eine metallurgische Nachprüfung der Verbindungszone 82 zeigte einen axialen Bereich 84, der parallel zur Achse des Turbinenrads verläuft und einen konisch verlaufenden Bereich 86. Es handelt sich um eine vorzügliche metallurgische Bindung hoher Festigkeit bei Bruchversuchen durch Zug und Dehnung.

Die mikroskopische Untersuchung zeigt, dass sich die Verbindungszone 82 gleichmäßig im Schaufelkranz 40 und in der Nabe 48 erstreckt. Das Verpfropfen der Löcher vor dem Heißpressen ist völlig ausreichend, um eine gleichmäßige Bindung im gesamten Bereich der Verbindungszone 82 zu erreichen.

Die erreichte hohe Güte der Verbindung über den gesamten Bereich der Verbindungszone 82 wurde durch Mikro- und Makro-Überprüfungen bestätigt, wie auch die mechanischen Eigenschaften bei einer Temperatur von 649°C. Für letztere wurden besondere Prüfungen auf Zug und Dehnung an aus hergestellten Verbindungen entnommenen Probestücken vorgenommen. Die physikalischen Eigenschaften des Metalls PA 101 bei Raumtemperatur und bei 649°C zeigen, dass der rückwärtige Bereich 58 des Turbinenrads eine Festigkeit aufweist, die den höchstwertigen, zur Zeit verfügbaren Werkstoffen eigen ist, wie z. B. Nickel-Chrom-Kobalt-Legierungen. Die physikalischen Eigenschaften von in Fertigform gegossenem Mar-247 ermittelt, entsprechen denen bei gleicher Wärmebehandlung beim erfindungsgemäßen Verfahren erreichten. Diese Eigenschaften werden den Anforderungen beim

Bau moderner Gasturbinen gerecht.

Das Verpfropfen der durch die Lappen 16 der Kerne 10 bedingten Löcher hatte keinen wesentlichen störenden Einfluss.

Fig. 10 zeigt in 100-facher Vergrößerung die Struktur der Verbindungszone 82 nach dem isostatischen Heißpressen. Es handelt sich hier um die Verbindung einer Nabe 48 aus PA 101-Metallpulver mit einem Schaufelkranz 40 aus gegossenem Mar-M247.

Nachstehend noch einige Prüfergebnisse:

Probestücke einer Verbindung von PA 101 mit MAR-M247

Prüfung auf Zug bei 649°C

Muster 0,2% Y.S, UTS % % Bem.

Ksi + Ksi + El RA

1 123,8 140,4 2,8 3,9 Bruch a. Gußstück

2 131,1 146,5 5,7 5,5 Bruch a. Gußstück

3 117,5 126,1 6,1 11,6 Bruch a. Gußstück

4 114,2 130,4 5,3 10,6 2

+ 1 kai kongruent 6894.76 kPa

Prüfung auf Dehnung bei 649°C, 861, 845 kPa

Muster Stunden bis % % Bem.

zum Bruch El RA

1. 53,7 2,8 3,9 Bruch a. Gußstück

2. 75,8 1,4 8,0 Bruch a. Gußstück

3. 41,1 1,9 6,7 Bruch a. Gußstück

4. 76,8 3,7 7,4 Bruch a. Gußstück

Neben-Probestücke aus PA 101

Prüfung auf Spannung bei Raumtemperatur

0,2% Y.S. UTS % %

Ksi + Ksi + EL RA

141,9 220,5 15,4 13,4

137,5 209,3 12,2 11,6

+ 1 ksi kongruent 6894,76 kPa

Prüfung auf Spannung bei 649°C

0,2 Y.S. UTS % %

Ksi + Ksi + El RA

131,8 200,7 19,2 18,6

126,9 194,9 20,5 21,9

Prüfung auf Dehnung bei 649°C

Spannung Stunden bis %

Ksi + zum Bruch El

140 31,8 8,7

140 9,3 5,0

+ 1 ksi kongruent 6894,76 kPa

Auf Maß gegossene Probestangen aus Mar-M247

Prüfung auf Dehnung bei 760°C, 723, 950 kPa

Stunden bis % %

zum Bruch El RA

27,6 1,7 3,5

23,8 1,3 2,0

Prüfung auf Dehnung bei 982°C, 220, 632 kPa

26,2 12,9 14,5

29,7 9,5 13,5

Die Werte %El sind die prozentuale Längung der Probestücke bis zum Bruch, und die Werte %RA die prozentuale Verringerung des Querschnitts der Probestücke bis zum Bruch.

Werkstoffe für den gegossenen Schaufelkranz und die aus Metallpulver gebildeten Nabe sind nachstehend angegeben:

Gegossener Schaufelkranz aus Mar-M 247 in Gew-%

0,15% C, 9,0% Gr, 0,5% MO, 5,5% Al, 1,5% Ti, 10,0% Co, 10,0% W, 1,35% Hf, 0,05% Zr, /,015% B, 3,1% Ta, Rest Ni.

Nabe aus PA 101 in Gew-%

0,15% C, 12,6% Cr, 9,0% Ca, 2,0% Me, 4,0% W, 4,0% Ta, 4,0% Ti, 3,5% Al, 0,015% B, 0,10% Zr, 1,0% Hf, Rest Ni.

Bei einer abgewandelten Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bei einem gegossenen Schaufelkranz 40 die Nabe 48 aus einer geschmiedeten Titan 6-4-Legierung gebildet. Der Schaufelkranz 40 besteht aus einer Titanlegierung Ti6-4, die folgende Zusammensetzung in Gew.-% hat: 6,0% Al, 4,0% V, 0,38 Fe, 0,2% C, 0,1% C, 0,05% Ni, 0,0125% H und Rest Titan.

Die Nabe ist somit aus einem schmiedbaren Werkstoff hoher Festigkeit gebildet und hat die gleiche Form wie beim ersten Ausführungsbeispiel, so dass sie in die Bohrung des Schaufelkranzes aus der Titan 6-4-Legierung passt. Der Teil aus schmiedbaren Werkstoff ist auch hier im Bereich der auftretenden hohen Spannungen im rückwärtigen Bereich 58 des Turbinenrades vorgesehen. Auch in diesem Falle wer- den die zu verbindenden Teile zunächst gründlich gereinigt, sodann der Schaufelkranz aus der gegossenen Titan 6-4-Legierung auf 204°C erwärmt und die Nabe 48 aus schmiedbarer Titan 6-4-Legierung durch Eintauchen in flüssigen Stickstoff abgekühlt. Nach Temperaturausgleich der ineinander gesteckten Teile sind diese mit einem Festsitz verbunden. Die Berührungsfläche wird sodann evakuiert und die freien Kanten durch Elektronenstrahlschweißung abgedichtet.

Danach erfolgt das isostatische Heißpressen für zwei Stunden bei 899°C und einem Druck von 103, 421 kPa. Das Turbinenrad ist während dieses Vorgangs in einem heißen isostatischem Behälter untergebracht, der mit Titansplittern gefüllt ist, um eine Oxidation der Schaufeln zu verhindern.

Die Verwendung der Nabe aus Titan hat den Vorteil mit nahezu Fertigmass aufweisenden Schaufelkränzen verbunden zu werden und dabei seine Ermüdungsfestigkeit an kritischen Verbindungsstellen beizubehalten. Es kann über plastisch verformende Schmiedetechnik verwendet werden, um die Nabe auf nahezu Fertigmass zu bearbeiten, während der Schaufelkranz in der erstbeschriebenen Weise mit reinen Bohrungen versehen wird. Es wird hierdurch die mechanische Bearbeitung der zu verbindenden Flächen beider Teile verringert.

Prüfung der Spannung bei Raumtemperatur an Proben von Verbindungen von Teilen aus Titan 6-4-Legierung ergaben folgende Werte:

Muster * UTS Bruchstelle

ksi +

Guß Ti 6-4 130 ----

Verb. 1 130,4 i. Verbindung

Verb. 2 135,0 i. Verbindung

Verb. 3 128,5 i. Verbindung

+ 1 ksi kongruent 6894,76 kPa

* Schaufelkranz gegossen, Nabe geschmiedet.

Claims (2)

1. Verfahren zum Herstellen eines Radialturbinenrades, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Bilden durch Giessen eines Schaufelkranzes (40) mit mehreren radial gerichteten Schaufeln (60), die gleichmäßig über den Umfang einer ringförmigen Grundplatte (68) verteilt an dieser sitzen, die einen axialen Bereich und einen in radialer Richtung geneigten Bereich (46) aufweist;

b) mechanisches Bearbeiten der Innenfläche der Grundplatte (68) zum Bilden einer zylindrischen Bohrung (42) an der Eintrittsseite des Schaufelkranzes (40) und einer anschließenden konischen Bohrung (44);

c) Bilden einer Nabe (48) aus einer hochfesten Legierung, die eine zylindrische Mantelfläche (53) und eine anschließende konische Mantelfläche (56) aufweist;

d) Einsetzen der Nabe (48) in die bearbeiteten Bohrungen (42, 44) des Schaufelkranzes (40) mit einem vorgegebenen

Festsitz in ihrer Berührungsfläche (82);

e) Evakuieren dieser Berührungsfläche (82) und Abdichten ihrer freiliegenden Kanten (80, 81);

f) isostatisches Heißpressen der zusammengefügten Teile bei einer Temperatur von mehr als 760°C und einem Druck von mehr als 96,526,6 kPa zum Bilden einer metallurgischen Bindeschicht zwischen dem Schaufelkranz und der Nabe.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Schaufel (60) ein Kern (10) zum Bilden eines Luftkanals (18) eingegliedert wird, der mit einem Lappen (16) durch die Grundplatte (68) nach außen ragt und dass vor dem mechanischen Bearbeiten der Innenfläche der Grundplatte die Kerne ausgelaugt und die im Bereich der Lappen entstehenden Löcher in der Grundplatte verschlossen werden.