DE3726056A1 - Verfahren zur herstellung von bauteilen mit unterschiedlichen wandstaerken - Google Patents

Verfahren zur herstellung von bauteilen mit unterschiedlichen wandstaerken

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit Bereichen stark unterschiedlicher Wandstärken durch isostatisches Pressen in einer Formkapsel.
Im Maschinenbau finden vielfach Bauteile Verwendung, deren einzelne Bereiche stark unterschiedliche Wandstärken aufweisen. Z. B. wird bei Gehäusen von Triebwerken eine relativ dünne Metallhaut von massiven Stützrippen aufgespannt und getragen. Hinzu kommen zumeist Anschlußflansche und Lageraugen, die ebenfalls dickere Wandstärken erfordern.
Zur Herstellung solcher Bauteile werden heute überwiegend drei alternative Wege beschritten:
  • 1. Ein massives Schmiederohteil wird spanabhebend soweit bearbeitet, bis die gewünschte Struktur erreicht ist.
  • 2. Ein vorgesehenes Bauteil wird hergestellt, indem Bleche, Gußteile und mechanisch bearbeitete Einzelteile unlösbar in geeigneter Weise, z. B. durch Schweißen, zusammengesetzt werden.
  • 3. Ein erforderliches Bauteil wird komplett durch Guß erzeugt.
Die vorgenannten Fertigungsverfahren bringen nach wie vor Probleme mit sich. So erfordert die unter 1. genannte Fertigungsmethode hohe Herstellungskosten neben großen Materialverlusten durch anfallende Späne. Auch können gewisse Wandstärkenmaße aus fertigungstechnischen Gründen nicht unterschritten werden.
Der unter 2. angeführte Fertigungsweg ist bezüglich erforderlicher Vorarbeiten und im Hinblick auf das Schweißen sehr aufwendig. Insbesondere stellen sich Probleme dadurch, daß durch Wärmeverzug beim Schweißen die Fertigungsgenauigkeit leidet, wodurch die Qualitätssicherung aufwendig wird.
Schließlich bringt die komplette Gußversion empfindliche Größen- und Wanddickenbegrenzungen mit sich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Herstellungsverfahren zu vermeiden und ein Verfahren für die Fertigung von Bauteilen, die aus in einer Kapselform gepreßten metallischen Pulvern bestehen, mit Bereichen stark unterschiedlicher Wandstärken, wie z. B. Gehäuse von Triebwerken und Triebwerksteilen, vorzuschlagen, das in seinen Verfahrensschritten mit relativ geringem Aufwand an Fertigungsmitteln maßgenau, rationell und insbesondere wirtschaftlich arbeitet.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 niedergelegten Merkmale.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß mit relativ wenigen Verfahrensschritten die herzustellenden Bauteile praktisch ohne Werkstoffabfall maßgenau endgefertigt werden können.
Weitere, das erfindungsgemäße Verfahren ausgestaltende und ergänzende Merkmale sowie ein die Erfindung realisierendes Fertigungsbeispiel gehen aus den Unteransprüchen hervor.
In der Zeichnung sind zwei Fertigungsbeispiele gemäß der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1a und 1b die Herstellung eines konischen Gehäuses mit Ringflanschen, Stützrippen sowie einem Rohrflansch und Fig. 2a bis 2g die Herstellung einer Turbinenschaufel.
Wie aus Fig. 1a hervorgeht, werden zur Herstellung eines konischen Gehäuses zwei miteinander korrespondierende konische Ringe 1 und 2 aus hochverformbarem Werkstoff, z. B. einer Metallegierung auf der Basis von Titan oder Aluminium, aufeinandergesetzt und an ihrer oberen und unteren Außenkante miteinander fest verbunden, z. B. verschweißt, wobei in der Schweißnaht 3 Aufblasröhrchen 4 eingesetzt sind. Die Wandbereiche bzw. Teilflächen a der einander benachbarten Wandflächen der Kapselbleche bzw. konischen Ringe 1 und 2, die nicht miteinander unlösbar verbunden werden sollen, d. h. die Teilflächen a, die unter den zu erzeugenden Ringflanschen 5, Stützrippen 6 und dem Rohrflansch 7 liegen, werden mit einem Trennmittel beschichtet, während die Teilflächen b der einander benachbarten Wandflächen der Kapselbleche bzw. konischen Ringe 1 und 2 z. B. durch Diffusionsschweißen fest miteinander verbunden werden. Nach dem Diffusionsschweißen wird über die Aufblasröhrchen 4 ein Preßgas eingeblasen, wodurch Hohlräume 8 für die späteren Ringflansche 5, Stützrippen 6 und den Rohrflansch 7 gebildet werden, wobei die jeweilige Größe bzw. die Volumen der Ausbeulungen des äußeren Kapselbleches bzw. konischen Ringes 2 durch außen anliegende Hohlformen 9 definiert werden, die das herzustellende Bauteil bzw. die Blechkapsel einschließen und dessen Außenkonfiguration festlegen. Die Innenform wird durch entsprechende Formstempel gewährleistet.
Die Hohlräume 8 werden nun mit Pulver gefüllt, das aus dem gleichen Material bestehen kann, wie die beiden Kapselbleche bzw. konischen Ringe 1 und 2. Dann wird in den mit Pulver gefüllten Hohlräumen 8 eine gewünschte Atmosphäre erzeugt, entweder wird mit Vakuum, einem Schutzgas oder mit Reaktionsgas gearbeitet. Nach dem gasdichten Verschließen der Hohlräume 8 werden durch heißisostatisches Pressen die Pulverschüttungen im gewünschten Maß verdichtet, wobei Formschluß zwischen dem Pulver und den Kapselblechen bzw. konischen Ringen 1 und 2 erreicht wird. Zur Fixierung der inneren Konfiguration des Bauteiles wird ein Stützkonus k eingesetzt. Nach dem Pressen und gegebenenfalls einer Wärmebehandlung wird, falls erforderlich, noch eine mechanische Bearbeitung am Bauteil vorgenommen.
Wie aus den Fig. 2a bis 2g hervorgehet, welche die Fertigung einer Turbinenschaufel demonstrieren, wird die Kapselform im wesentlichen von vier verformbaren Kapselblechen 10, 11, 12 und 13 aus einer hochwarmfesten Nickelbasislegierung gebildet, wobei die äußeren Kapselbleche 10 und 13 mit einer Schicht 14 aus korrosionsbeständigem Material versehen sind. Das Fertigungsverfahren verläuft nach folgenden Verfahrensschritten: Zuerst werden die Teilflächen b der einander benachbarten sechs Wandflächen der vier Kapselbleche 10 bis 13 z. B. durch Diffusionsschweißen unlösbar zusammengefügt. Dann wird zwischen die nicht zu verbindenden, mit einem Trennmittel vorpräparierten Teilflächen a der einander zugekehrten Wandflächen der beiden mittleren Kapselbleche 11 und 12 über ein nach außen sich erstreckendes Röhrchen 15 Preßluft L eingeblasen, wodurch diese Teilflächen a gegen eine einen zentralen Hohlraum definierende erste zweiseitige bzw. zweiteilige Hohlform 16′, 16″ zu einem zentralen Hohlraum 17 aufgeweitet werden, der den Kühlmittelkanal der Turbinenschaufel bildet. Dieser wird dann mit einem inkompressiblen Füllstoff F gefüllt (Fig. 2a bis 2d).
Anschließend wird auch zwischen die nicht zu verbindenden Teilflächen a der einander zugekehrten Wandflächen des ersten Kapselbleches 10 und des zweiten Kapselbleches 11 sowie zwischen die nicht zu verbindenden Teilflächen a der einander zugekehrten Wandflächen des dritten Kapselbleches 12 und des vierten Kapselbleches 13 über nach außen sich erstreckende Röhrchen 18 und 19 Preßluft L eingeblasen, worauf die Teilfläche a des ersten Kapselbleches 10 und die Teilfläche a des vierten Kapselbleches 13 gegen eine die Außenform des Bauteils bzw. der Turbinenschaufel definierende zweite zweiseitige bzw. zweiteilige Hohlform 20′, 20″ aufgeweitet werden. Dann wird der inkompressible Füllstoff F aus dem zentralen Hohlraum 17 entfernt, worauf die Hohlräume 21 und 22 zwischen dem ersten und zweiten Kapselblech 10 bzw. 11 und dem dritten und dem vierten Kapselblech 12 bzw. 13 mit Pulver gefüllt und gasdicht verschlossen werden. Schließlich wird das Bauteil durch isostatisches Verpressen des Pulvers bei geeigneter Temperatur fertigerzeugt (Fig. 2e bis 2g).

Claims (16)

1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit Bereichen stark unterschiedlicher Wandstärken durch isostatisches Pressen in einer Formkapsel, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche des Bauteiles mit dünnen Wandstärken durch teilweises oder flächig durchgehendes unlösbares Zusammenfügen von Teilflächen (b) der einander benachbarten Wandflächen der Kapselbleche (1 und 2 bzw. 10 bis 13) gebildet werden, während die anderen Bereiche des Bauteiles mit dickeren Wandstärken bzw. größeren Wandvolumen aus mit verpreßtem Pulver ausgefüllten Hohlräumen (8 bzw. 21 und 22) zwischen den Kapselblechen (1 und 2 bzw. 10 bis 13) der Kapselform bestehen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche des Bauteiles mit dickeren Wandstärken bzw. größeren Wandvolumen (Hohlräume 8 bzw. 21 und 22) durch vorheriges gasdichtes Zusammenfügen der diese Wandbereiche (Teilflächen a) eingrenzenden Ränder und nachheriges Aufblasen der Kapselbleche (1 und 2 bzw. 10 bis 13) innerhalb dieser Teilflächen (a) der einander benachbarten Wandflächen gebildet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapselbleche vor ihrem Zusammenfügen in den Bereichen (Teilflächen a) des Bauteiles mit dickeren Wandstärken bzw. größeren Wandvolumen mit einem Trennmittel beschichtet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingrenzung der Bereiche (Teilflächen a) des Bauteiles mit dickeren Wandstärken bzw. größeren Wandvolumen durch Schweißnähte, insbesondere Rollschweißnähte erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapselbleche (1 und 2 bzw. 10 bis 13) in den Wandbereichen des Bauteiles mit dickeren Wandstärken bzw. größeren Wandvolumen (Teilflächen a) gegen entsprechend gestaltete bzw. die fertige Bauteilform bildende Hohlformen (9 bzw. 16′, 16″ bzw. 20′, 20″) und Formstempel aufgeblasen werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufblasen der Kapselbleche (1 und 2 bzw. 10 bis 13) in mehreren Stufen erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapselbleche (1 und 2 bzw. 10 bis 13) vor dem Zusammenfügen ihrer Ränder grob vorgeformt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapselbleche (1 und 2 bzw. 10 bis 13) vor ihrem Zusammenfügen zur fertigen Kapselform in ihrer endgültigen Form vorgeformt sind.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß vorgeformte massive Elemente aus metallischem oder nichtmetallischem Werkstoff Bestandteile der Kapselform sind.
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Kapselform artgleich mit dem Material des zu verpressenden Pulvers ist.
11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Kapselform verschieden von dem Material des zu verpressenden Pulvers ist.
12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapselform aus mehr als zwei Kapselblechen (10 bis 13) besteht.
13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kapselbleche (1 und 2 bzw. 10 bis 13) aus artverschiedenen Werkstoffen bestehen.
14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kapselbleche (1 und 2 bzw. 10 bis 13) aus Schichten verschiedener Werkstoffe bestehen.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, zur Herstellung einer innengekühlten Turbinenschaufel mit einem zentralen Kühlkanal, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapselform aus vier Kapselblechen (10 bis 13) besteht, die zuerst mit den fest miteinander zu verbindenen Teilflächen (b) der einander benachbarten sechs Wandflächen der vier Kapselbleche (10 bis 13) unlösbar, z. B. durch Diffusionsschweißen, zusammengefügt werden,
daß dann die nicht zu verbindenden, mit einem entsprechenden Trennmittel vorpräparierten Teilflächen (a) der einander zugekehrten Wandflächen der beiden mittleren Kapselbleche (11 und 12) über ein nach außen sich erstreckendes Röhrchen (15) gegen eine den zentralen Hohlraum (17) definierende erste zweiseitige Hohlform (16′, 16″) aufgeblasen werden und der so entstehende Hohlraum (17) mit einem inkompressiblen Füllstoff (F) gefüllt wird,
daß dann die nicht zu verbindenden Teilflächen (a) der einander zugekehrten Wandflächen der beiden Kapselbleche (10 und 11) und der einander zugekehrten Wandflächen der beiden Kapselbleche (12 und 13) über nach außen sich erstreckende Röhrchen (18 und 19) gegen eine die Außenform des Bauteiles bzw. der Turbinenschaufel definierende zweite zweiseitige Hohlform (20′ und 20″) aufgeblasen werden,
daß dann der inkompressible Füllstoff (F) aus dem zentralen Hohlraum (17) wieder entfernt wird,
daß dann die Hohlräume (21 und 22) zwischen dem ersten und dem zweiten Kapselblech (10 und 11) und dem dritten und vierten Kapselblech (12 und 13) mit Pulver gefüllt werden und
daß schließlich durch isostatisches Verpressen dieses Pulvers bei geeigneter Temperatur das fertige Bauteil erzeugt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und vierte Kapselblech (10 bzw. 13) auf ihren nach außen zeigenden Wandflächen mit einer Schicht (14) aus korrosionsbeständigem Material versehen sind.
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