DE3726056C2

DE3726056C2 -

Info

Publication number: DE3726056C2
Application number: DE3726056A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. 8035 Gauting De Betz
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1987-08-06
Filing date: 1987-08-06
Publication date: 1990-01-25
Also published as: DE3726056A1; FR2619034B1; GB2208389A; FR2619034A1; GB2208389B; GB8818778D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles mit Bereichen stark unterschiedlicher Wandstärke durch isostatisches Pressen 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 Schmiederohrteil 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 unter 1. genannte Fertigungsmethode erfordert 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.

Aus der DE-OS 31 14 659 ist ein Verfahren zum Formen einer Auskleidung in den Hohlräumen eines Körpers durch Anbringen von verfestigtem Pulver und Binden des Pulvers an den Wänden mit Hilfe eines isostatischen Warmpreßvorgangs bekannt. Dabei werden in zylindrischen Hohlräumen des Körpers mittels rohrförmiger Elemente Zylinderspalte gebildet, in die Metallpulver gefüllt wird. Nach dem Evakuieren der pulvergefüllten Zylinderspalte wird der Körper einem isostatischen Warmpreßvorgang unterworfen, worauf sich eine Nachbearbeitung anschließt, die im allgemeinen die Entfernung der rohrförmigen Elemente beinhaltet. Voraussetzung für die Anwendung dieses vorbekannten Verfahrens ist eine bestimmte festliegende äußere Form des Körpers einschließlich eines vorgearbeiteten Hohlraums. Die Ausbildung der äußeren Form des Körper sowie des vorgearbeiteten Hohlraums erfolgt nach herkömmlichen Verfahren mit den obengenannten Nachteilen. Darüber hinaus erfordert die genaue Positionierung und Befestigung der rohrförmigen Elemente beachtlichen Fertigungsaufwand.

Aus der DE-OS 28 42 688 ist ein Verfahren zum Herstellen zusammengesetzter Strukturen für wassergekühlte Gasturbinenkomponenten bekannt, bei dem um einen massiven Holm Kühlröhren verlegt werden, über die Kühlröhren eine Blechkapsel gebildet wird und der Zwischenraum mit Pulver aufgefüllt wird. Die ganze Anordnung wird heißisostatisch gepreßt, und nach dem Preßvorgang wird die Kapselwand entfernt, so daß ein Bauteil mit Kühlkanälen entstanden ist, dessen äußere Schicht pulvermetallurgisch hergestellt ist. Dieses vorbekannte Verfahren beinhaltet in jedem Fall ein je nach der gewünschten äußeren Kontur mehr oder weniger kompliziertes Entfernen der Preßkapsel mit entsprechendem Fertigungsaufwand.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Herstellungsverfahren zu vermeiden und ein Verfahren für die Fertigung von Bauteilen, die aus in einer Kapselform gepreßten Pulvern bestehen, mit Bereichen stark unterschiedlicher Wandstärken, wie z. B. Gehäuse von Triebwerken und Triebwerksteilen, anzugeben, welches in seinen Verfahrensschritten mit relativ geringem Aufwand an Fertigungsmitteln maßgenau, rationell und insbesondere wirtschaftlich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß mit relativ wenigen Verfahrensschritten die herzustellenden Bauteile praktisch ohne Werkstoffabfall maßgenau endgefertigt werden können.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß man von einfachem billigen Halbzeug (üblicherweise ebenen Blechen) ausgehen kann, die ihrerseits mit herkömmlichen Verfahren vorgeformt werden können. Alternativ kann die Formung der Halbzeuge zu der gewünschten Körperkontur des herzustellenden Bauteils mit in das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des gesamten Bauteils einbezogen werden. Ein solches Verfahren umschreibt Patentanspruch 2.

Dieses Verfahren läßt sich besonders bei Serienfertigung wirtschaftlich anwenden, da das Aufblasen der Kapselwände gegen entsprechend gestaltete Hohlformen und/oder Formstempel erfolgen kann, d. h. die Kontur des endgültigen Bauteils nur einmal für die Hohlform bzw. den Formstempel mit herkömmlichen Bearbeitungsverfahren erzeugt werden muß.

Weitere, die erfindungsgemäßen 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 hervorgeht, 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 Wandfläche 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 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

1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles mit Bereichen stark unterschiedlicher Wandstärken durch isostatisches Pressen einer Formkapsel, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) wenigstens zwei dreidimensional geformten Kapselwände aus Blech werden so aufeinander gelegt, daß sie in einem den Bereich mit dünnerer Wandstärke bildenden, ersten Teilbereich teilweise oder aufeinander liegen, in einem zweiten Teilbereich einen oder mehrere Hohlräume ausbilden,
b) die Kapselwände werden in ihrem ersten Teilbereich flächig, in ihrem zweiten Teilbereich entlang der Ränder der Hohlräume unlösbar zusammengefügt,
c) die Hohlräume werden mit Pulver gefüllt, entgast und verschlossen,
d) die gefüllte Kapsel wird isostatisch zum fertigen Bauteil gepreßt.

2. Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles mit Bereichen stark unterschiedlicher Wandstärken durch isostatisches Pressen einer Formkapsel, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) wenigstens zwei kongruente Raumform aufweisende Kapselwände aus Blech werden flächig aufeinander gelegt und zumindest entlang den Rändern eines Teilbereiches gasdicht unlösbar gefügt,
b) innerhalb der gasdicht gefügten Ränder wird (werden) durch Aufblasen ein (mehrere) Hohlraum (Hohlräume) erzeugt,
c) die Hohlräume werden mit Pulver gefüllt, entgast und verschlossen,
d) die gefüllte Kapsel wird isostatisch zum fertigen Bauteil gepreßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapselwände zu Beginn des Verfahrens ebene Platten sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapselwände vor ihrem Zusammenfügen in den Bereich der mit Pulver aufzufüllenden Hohlräume des Bauteils mit einem Trennmittel beschichtet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügung der Ränder der mit Pulver auszufüllenden Hohlräume des Bauteils durch Schweißnähte, insbesondere Rollschweißnähte erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufblasen der Kapselwände gegen entsprechend gestaltete Hohlformen und/oder Formstempel erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufblasen der Kapselwände in mehreren Stufen erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Kapselwände aus Blechen einer Ni-Basislegierung verwendet werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den Kapselwänden vorgeformte massive Elemente als Bestandteil der Kapselform verwendet werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 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 10, dadurch gekennzeichnet, daß Kapselwände aus verschiedenen Werkstoffen verwendet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Kapselwände aus Schichten verschiedener Werkstoffe verwendet werden.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, zur Herstellung einer Turbinenschaufel mit einem zentralen Kühlkanal, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) vier ebene im wesentlichen gleich konturierte Kapselbleche (10 bis 13) werden aufeinanderliegend entlang ihrer Ränder unlösbar, z. B. durch Diffusionsschweißen zusammengefügt;
b) durch ein in den Spalt zwischen den beiden mittleren Kapselblechen (11, 12) mündendes Röhrchen (15) wird der Kapselverband gegen eine den zentralen Hohlraum (17) definierende erste zweiseitige Hohlform (16′, 16′′) aufgeblasen;
c) der so entstandene zentrale Hohlraum (17) wird mit einem inkompressiblen Füllstoff (F) gefüllt;
d) über Füllröhrchen (18, 19) werden die Spalte zwischen jeweils den noch flächig aufeinander liegenden Kapselblechen (10, 11 bzw. 12, 13) gegen eine die Außenform der Turbinenschaufel definierende zweiseitige Hohlform (20′, 20′′) aufgeblasen;
e) der inkompressible Füllstoff (F) wird aus dem zentralen Hohlraum (17) wieder entfernt;
f) die durch das Aufblasen entstandenen Hohlräume (21, 22) zwischen dem ersten und dem zweiten Kapselblech (10, 11) und dem dritten und vierten Kapselblech (12, 13) werden mit Pulver gefüllt und durch isostatisches Pressen der Kapsel bei geeigneter Temperatur die fertige Turbinenschaufel erzeugt.