DE3040578A1

DE3040578A1 - Verfahren zum herstellen von turbinenraedern

Info

Publication number: DE3040578A1
Application number: DE19803040578
Authority: DE
Inventors: Bruce Allan Martinsville Ind. Ewing; Earl Wilson Indianapolis Ind. Sodeberg Jun.
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1979-11-23
Filing date: 1980-10-24
Publication date: 1981-05-27
Also published as: GB2063721A; JPS5685501A

Description

Ein ^erfahren nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs ist durch die DE-OS 28 24 369 bekannte

Solche Verfahren sind geeignet zur Herstellung Turbinenrädern, die aus verschiedenen Bauteilen mit unterschiedlichen metallurgischen Eigenschaften zusammengesetzt sind, wobei die Verbindung dieser Bauteile durch einen Diffu sionsvorgang erfolgte Bei dem bekannten Verfahren erfolgt die erforderliche Abdichtung der Berührungsfläche während des Diffusionsvorgangs gegen das die Diffusion bewirkende Medium durch aufgelötete oder aufgeschweißte Wulsttim Bereich der Berührungskanten der zusammengesteckten Teile,,

Die diese zusammenhaltende Kraft ist dem Produkt aus dem Gasdruck und der sankrecht zur Berührungsfläche der zu verbindenden Teile liegenden Fläche_o

Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung des Verfahrens, um die genaue Lage der ^eile zueinander beim Diffttsionsvorgang zu gewährleisten und eine zuverlässige Abdichtung gegen das die Diffusion bewirkende Medium zu sichern.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungeteil des Patentanspruchs 1 herausgestellten Verfahrensschrit te bezüglich der Diffusion gelöst«,

Durch das erfindungsgemässe Verfahren ist das besondere Aufbringen der abdichtenden Lot- oder Schweißwulste entbehrlich, wodurch das Einhalten der genauen Abmessungen des beschaufelten Rings und der an ihm sitzenden Schaufeln erleichtert ist» Es ergibt sich eine grössere ^verbindungs-

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fläche zwischen Ring und Iragscheibe mit einer verstärkten Haltekraft durch die anfängliche metallurgische Bindung, wodurch die Lage beider ^'eile zueinander während des isosta— tischen Heißpressens zuverlässiger aufrechterhalten wird. Hierbei ist ausserdem eine zuverlässigere Abdichtung gegen das die Diffusion bewirkende Medium erreicht, das einen erheblichen -Uruck in der Grössenordnung von 103,421 „4 kPa aufweistο

Das erfindungsgemässe Verfahren wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen Pigo 1 ein Fließschema des Verfahrens, Figo 2 eine perspektivische Darstellung des be« schaufelten R^ngs und der Tragscheibe vor deren Zusammenfügen,

Fig_o 3 einen Schnitt durch die miteinander zusammengefügten Teile vor dem isostatischen Heißpressen und
PIg₀ 4 ein Schliffbild der metallurgischen Bin«

dung zwischen dem R-ing und der T_ragscheibe

Zunächst wird der beschaufelte Ring hergestellt, wobei dieser einteilig oder aus mehrenen zusammenpassenden Segmenten gebildet werden kann. Bei Verwendung von Segmenten können genau ausgerichtete ,luftgekühlte Schaufeln unter Bilden genauer Strömungswege zwischen den Schaufeln hergestellt werden, wie dies Z₀B₀ die TJS-PS 3 732 031 beschreibt.

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Wegen des hier "benutzten Diffus ions verfahr ens "bilden hier aber die Misse der Schaufeln einen Ring mit einer durchgehenden inneren Mantelfläche, die mechanisch mit einer Toleranz bearbeitet wird, die ein Aufschrumpfen auf die noch zu beschreibende Tragscheibe ermöglicht,,

Ein Beispiel des Rings 10 ist in Flg_a 2 dargestellte Ein Innenring 12 ist mit Schaufeln zusammengegossene In der inneren Mantelfläche 16, die bearbeitet wird, sind Löcher 14 vorgesehen, die in die Strömmigswege 15 zwischen den Schaufeln münden_o

Es ist ferner die Tragscheibe 18 herzustellen^ die die Nabe des zu bildenden Turbinenrads darstellt«, Sie wird zweekmässig pulvermetallurgisch hergestellte

Es erfolgt dies durch isostatisches Heißpressen, wobei eine auf die Innenmantelfläche 16 abgestimmte Ixissenmantelfläche 20 gebildet wird« Die Tra.gsch.eibe 18 erhält etwas Übermass und wird mechanisch bearbeitet, so dass sich für die Aufnahme des Rings 10 eine S_chrumpfpassung ergibt_β

Als ausreichend wurde ein Jestsitz zwischen den Mantelflächen 20 und 16 in einer ^"rösse von 0,076 mm festgestellt«

Nach der mechanischen Bearbeitung werden die Mantelflächen 20 und 16 im Vakuum entgast, wobei sie für eine Stunde auf einer Temperatur von 1149°C gehalten werden« Pur das Aufschrumpfen wird der Ring 10 auf etwa 204°C erhitzt, während die Mantelfläche 20 de» ^ragscheibe 18 auf

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minus 196°C abgekühlt wird₀ Nach dem Aufsetzen des Rings auf die Tragscheibe und nach Erreichen des Temperaturausgleichs ist eine gute mechanische Verbindung beider ¹^iIe erzielt ₉ worauf die Wärmebehandlung im Vakuum beginnen kann«, Bei dieser wird eine metallurgische Bindung zwischen Ring und Tragscheibe gebildet, bevor das isostatische Heißpressen vorgenommen wird«, Diese metallurgische Bindung tritt zwischen den linienförmigen Berührungskanten 21 und 23 über die gesamte Umfangsfläche 22 ein, die zwischen den Seiten 25 und 27 der Tragscheibe 18 liegt,,

Pur den Ring und die Tragscheibe wurden folgende Werkstoffe verwendet:

Tragscheibe

0,12 12,7 9,4 1,9 4,0 3,8 4,1 3,7 0,01 0„02 0o9 Rest

Alle Werte in Gewichts^.

Weitere geeignete Werkstoffe sind AF95, AF2-&IDA und Astroley«,

	beschaufelter Ring
0	0,15
Cr	9,0
Go	10,0
Mt	2,5
W	10,0
Ta	1,5
Ti	1,5
Al	5,5
B	0,02
Zr	0,05
H f	1,0
Ni	Rest

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	AP95	0,17	Αϊ^	2,75 -	«.'IDA	Astroloy	—	0,09
C	0,06 -		0,30 -	4,20 -	0,35	0,03 -	—
Mn	0,15		0,10	0,010 -		0,15	—
Si	0,20		0,10	0,05 -		0,20
P	0,015		0o0i5	1,00		0,015	—
S	0,015	15,00	0,015			0,015	Reste	16,00
Cr	13,00 -	9,00	11,50 -	0,010	12,50	14,00 -	18,00
Oo	7,00 -	3,70	9,50 -	0,005	10,50	16,00 -	5,50
Mo	3,30 -	3,70	2,50 -	1_o00 -	3,50	4,50 -
W	3,30 -	3,70	5,50 -6,	0,0002	,50	—
Nb	3,30 ~	2,70	—	0.00005		—	3,60
Si	2,30 -	3,70	Rest	3,25	3,20 -	4,15
Al	3,30 -	0,020	4,80	3,85 -	0,030
B	0,005-	0,07	0,020	0,020-
Zr	0,03 -		0,15	0,06
Ee	0,50			0,50
Gu	0,50			0,10
O	0,005
N	0,005
Ta			2,00
Pb
Bi
Ni	Rest

Die Wärmebehandlung im Yakuum erfolgt nach dem Zusammenfügen der beiden 1'eiLle, wobei sie für die Zeit von einer bis zu sechs Stunden auf einer temperatur Von 1227 C gehalten werden,, Es ergibt sich dann an der Berühungsfläche 22 eine ausreichende metallurgische Bindung, die beide Teile miteinander verbindet und diesen -^ereich nach aussen abdichtet. Als Nebenwirkung dieser Wärmebehandlung tritt aber in dem pulvermetallurgischem Werkstoff eine Porenbildung infolge der Koaleszenz und Ausdehnung der adsorbierten und absorbierten G-ase ein, die bei der Herstellung der Tragscheibe entstanden«

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Durch die Abdichtung an der Fläche 22 kann das Medium für die isostatische Heißverpressung nicht über die Kanten 21 und 23 eindringen, so dass dieses lediglich auf die durch-· gehende Aussenfläche 29 von Ring und Tragscheibe einwirken kann ο

Es wird daher anschliessend das isostatische Heißpres-^ sen vorgenommen, bei dem die gebildeten Poren beseitigt werden und die vollständige metallurgische Bindung zwischen dem Ring 10 und der Tragscheibe 18 erfolgt» Die Temperatur beträgt hierbei 1213°C und auf die Teile wirkt Argongas mit einem Druck von 103 421„4 kPa für eine Zeit von drei Stunden ein„ Anschliessend kann eine Wärmebehandlung zürn Bilden eines Überzugs vorgenommen werden, die bei einer temperatur von ti21 G zwei Stunden dauert« Danach kann eine Wärmebehandlung zur Alterung vorgenommen werden, die bei 843⁰C vier Stunden und anschliessend bei 76O°G weitere sechzehn Stunden dauert.

Zusammenfassend wird das Turbinenrad also so hergestel]t, dass der genau dimensionierte beschaufelte Ring aus einer korosionsbeständigen, wärmefesten Superlegierung gegossen wird, die Tragscheibe aus einem Werkstoff hoher Festigkeit pulvermetallurgisch gebildet wird und daruf beide ¹WIe nach mechanischer Bearbeitung mechanisch durch Aufschrumpfen mit« einander verbunden werden,, Die gesamte hierbei entstehende Berührungsfläche wird durch die Wärmebehandlung im Vakuum

L
metallurgisch gebunden und wird da^rch zu einer Abdichtung,

so dass das Argongas mit hohem D_ruck und hoher Temperatur

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nur auf die AussenfIache des Rings und der ^xragscheibe einwirken kann, wobei ausser der Vollendung der metallurgischer Bindung auch die bei der "Vakuumbehandlung entstandenen Porer beseitigt werden.

Bei einem Ausführungsbeispiel wurde die Tragscheibe 18 pulvermetallurgisch unter Verwendung von Argon hergestellte In diesem Falle ist die Wärmebehandlung im Vakuum bei einer ausreichend hohen Temperatur für eine ausreichende Dauer durchzuführen, um das in der Tragscheibe 18 von der Herstellung noch enthaltene Argon auszutreiben, wobei eine Porenbildung in der Tragscheibe bedingt ist„ Diese Anormalitäten verschwinden aber bei den anschliessenden isostatischqn Heißpressen , wie auch andere zuvor in der Berührungsfläche 22 möglicherweise aufgetretene Anormalitäten verschwinden,,

Da die Abdichtung durch die anfängliche metallurgische Bindung sehr zuverlässig ist, ist ein Ausfüllen der Löcher 14 im beschaufelten Ring 10 vor dem Aufschrumpfen nicht mehl erforderlich.

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■Jll·

Leerseite

Claims

Patentanwalt
Dip'.-lng. K. Walther

ivELrci -^e 9

1OCtO BEnLirJ 19

24-ο Oktober 1980 W-w-3451

General Motors Corporation, Detroit. Michigan, Y₀St₀A,

Verfahren zum Herstellen von Turbinenrädern

Patentansprüche :

"I/o Verfahren zum Herstellen von Turbinenrädern mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Vorformen eines Geschaufelten Rings (10) aus hochwertigem Werkstoff, wobei die Schaufeln genau bestimmte Abstände voneinander zum Bilden von Strömungskanälen aufweisen und die Innenmantelfläche (16) des Rings mit einer vorgegebenen Toleranz bearbeitet wird;

b) Bilden einer Tragscheibe (18) aus einem Metall hoher Festigkeit mit einer Aussenmantelflache (20) die mit ei«. ner vorgegebenen Toleranz bearbeitet ist;

c) Aufschrumpfen des Rings auf die Tragscheibe unter Bilden einer im wesentlichen linienförmigen Kantenberührung mit einer durchgehenden Berührungsfläche zwischen den Mantelflächen von Ring und Tragscheibe;

d) Verbinden von Ring und Tragscheibe durch Diffusion; gekennzeichnet durch folgende weitere Verfahr rensschritte:

ORIGiNAL INSPECTED

e) Die Diffusion enthält eine erste Stufe, in der Ring und Tragscheibe einer Wärmebehandlung im Vakuum ausgesetzt werden, wobei die temperatur und die Behandlungszeit so eingestellt werden, dass in der gesamten Berührungsfläche zwischen den Mantelflächen eine metallurgische Bin— dung eintritt, die nach aussen abdichtet, so dass der Zutritt von heissem Medium für das isostatische Heiß« pressen zur Berührungsfläche verhindert ist;

f) die Diffusion enthält eine folgende zweite Stufe, in der die im wesentliche durchgehende Aussenfläche (29) von Ring und Tragscheibe unmittelbar dem Medium für das isostatisch^ Heißpressen ausgesetzt istj

g) die Diffusion enthält eine folgende dritte Stufe, in der das isostatische Heißpressen mit einem Druclaerfolgt, bei dem Ring und Tragscheibe zur Vollendung der metallurgi— sehen Bindung zwischen ihren Mantelflächen zusammengedrückt und Anormal!täten im Bereich der Berührungsfläche beseitigt werden.

2 * Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der beschaufelte Ring (10) aus einer Super— legierung gegossen wird, und in der inneren Mantelfläche (16) Löcher (H) erhält, die in die Strömungswege zwischen den Schaufeln münden und die während der ersten Stuf· der Diffusion abgedichtet aber nicht ausgefüllt werden.

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3 ο Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Der "beschaufelte Ring (1θ) wird zusammen mit den die Strömungswege begrenzenden Schaufeln aus einer Superle« gierung gegossen und an seiner inneren Mantelfläche (16) mit enger Toleranz bearbeitet;

b) die Tragscheibe (18) wird pulvermetallurgisch aus einem Metall hoher Festigkeit unter Anwesenheit von Argon ge« bildet»

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