DE3780132T2

DE3780132T2 - Verfahren zur herstellung metallischer erzeugnisse aus pulver mittels heiss-isostatisches drucks unter verwendung von keramikkernen.

Info

Publication number: DE3780132T2
Application number: DE8787901735T
Authority: DE
Inventors: Ragnar Ekbom
Original assignee: Asea Stal AB
Current assignee: ABB Stal AB
Priority date: 1986-03-04
Filing date: 1987-03-04
Publication date: 1993-01-14
Anticipated expiration: 2007-03-05
Also published as: FI874843A0; WO1987005241A1; DE3780132D1; FI874843A; SE8600965D0; NO874570L; JPS63503151A; US4855103A; SE456322B; DK577287A; NO874570D0; SE8600965L; DK577287D0; EP0270554A1; ATE77776T1; EP0270554B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Metallprodukten aus Pulver, das im Formenhohlraum enthalten ist, die durch einen gasdichten Mantel gebildet wird, und das in diesem Mantel dem isostatischen Heißpressen unterzogen wird, um einen monolithischen Körper zu bilden, wobei im Formenhohlraum ein Kern aus Keramikmaterial angeordnet ist und nach dem isostatischen Heißpressen vom resultierenden monolithischen Körper gelöst und entfernt wird.
Bei der Herstellung von Schaufelkranzen und Naben mit Schaufelrändern für Kompressoren oder Turbinen durch Anwendung der isostatischen Heißpreßtechnik wurde bereits vorgeschlagen, durch dem Querschnitt der Schaufeln angepaßte Öffnungen in der Wand des Mantels, in dem der Kranz oder die Nabe durch isostatisches Heißpressen eines Metallpulvers hergestellt werden soll, vorgefertigte Schaufeln einzusetzen. Danach ist es erforderlich, zwischen den Schaufeln und der Wand eine gasdichte Verbindung herzustellen, dies erfordert ein exaktes Schweißen an der Seite der Wand, die zum Formenhohlraum zeigt. Dieses Arbeitsverfahren ist teuer und zeitaufwendig und kann an der anderen Seite der Wand nicht wiederholt werden, da an dieser Seite eine Unregelmäßigkeit im Strömungsweg erzeugt würde, die eine inakzeptable Turbulenz hervorruft. Folglich gibt es an dieser einen Seite einen Spalt entlang der Schaufel und in einigen Fällen kann dieser Spalt aufgrund deutlicher Hinweise auf Brüche mit einer damit verbundenen Verringerung der Dauerfestigkeit des Endproduktes nicht akzeptiert werden.
Der Zweck dieser Erfindung ist die Überwindung dieser Nachteile des herkömmlichen Verfahrens der Herstellung von Schaufelkranzen und Naben mit Schaufelrandern und gleichzeitig eine leichtere Regelung der detaillierten Gestaltung des Produktes, wobei strenge Anforderungen an die Festigkeit erfüllt werden. Folglich wurde die vorliegende Erfindung primär für die Herstellung monalithischer Körper durch isostatisches Heißpressen mit darin eingesetzten vorgefertigten Elementen entwickelt, z.B. für die Herstellung von Schaufelkränzen und Naben mit Schaufelrändern für Kompressoren oder Turbinen, wobei diese Schaufeln die vorgefertigten Elemente bilden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Herstellung dieser bestimmten Produkte begrenzt, sondern ist viel umfangreicher. Die Erfindung wird folglich durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet.
Tatsache ist es, daß gegenwärtig beim isostatischen Heißpressen gelegentlich Kerne aus Stahl oder einem anderen Metall verwendet werden. Wenn diese Kerne nicht vom Endprodukt abgezogen werden können, werden sie durch Ätzen entfernt. Der Nachteil dieser Kerne ist es, daß sie bei dem hohen Druck und den hohen Temperaturen, die mit dem isostatischen Heißpressen verbunden sind, nicht formbeständig sind.
Es werden auch Kerne aus Keramikmaterial verwendet, und diese Kerne sind im Gegensatz zu den Metallkernen formbeständig, können jedoch nur durch Abziehen entfernt werden, was deren Verwendung einschränkt.
EP-A-0 036 202 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Metallprodukten und insbesondere von Schaufelelementen für Fluidrotationsmaschinen, bei dem ein Metallpulver im Hohlraum einer gasdichten Form enthalten ist und dem isostatischen Heißpressen unterzogen wird, um einen monolithischen Körper zu bilden. Ein Keramikkern ist im Formenhohlraum vorgesehen und wird nach dem isostatischen Heißpressen vom erzeugten monolithischen Körper entfernt.
In EP-A-0 072 424 wird bei der Sinterfertigung komplizierter Formen ein Kern aus Graphit oder Bornitrid verwendet, wobei dieser Kern auf chemische oder mechanisch zerstörende Weise nach der HIP-Behandlung entfernt wird.
Im spezifischen Fall des Anfügens von Schaufeln oder anderen vorgefertigten Elementen dient der Kern bei der vorliegenden Erfindung auch als Halterung, um diese vorgefertigten Elemente in einer festen Position zu halten, indem diese Elemente teilweise durch den Kern aufgenommen werden.
Nach einer besonderen Ausführungsform werden bei der EP-A-0 036 202 vorgefertigte Schaufeln im Keramikkern aufgenommen und so angeordnet, daß ein Teil von ihnen in das Pulver ragt.
Wenn Graphit als Material des Befestigungskörpers verwendet wird, das dann weggesprengt wird, neigt das Graphit zur Diffusion in das Metall - zumindest soweit, daß bisher kein Verfahren oder keine Maßnahme entwickelt wurde, um dies bei den zugehörigen hohen Temperaturen zu verhindern - es kann folglich eine Modifizierung der Eigenschaften des Metalls hervorrufen, die nicht erwünscht ist und nicht immer akzeptiert werden kann.
Um diese Erfindung zu erläutern, werden nachfolgend Ausführungsformen detaillierter beschrieben, die für die Herstellung von Schaufelkränzen und Naben mit Schaufelrändern angewendet werden, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, worin
Fig. 1 eine axiale Schnittansicht des Mantels für das isostatische Heißpressen ist, der für die Herstellung von Schaufelkränzen mit einem Schaufelrand zwischen den Kränzen eingerichtet ist,
Fig. 2 eine Perspektivansicht des Befestigungskörpers in der Ausführungsform der Fig. 1 ist, an den die Schaufeln angebracht sind, und
Fig. 3 eine axiale Schnittansicht des Mantels für das isostatische Heißpressen ist, der für die Herstellung einer Nabe mit Schaufelrändern eingerichtet ist.
Es wird zuerst auf Fig. 1 Bezug genommen, in der ein Mantel für das isostatische Heißpressen gezeigt ist, der ein zylindrisches Außengehäuse 10 aus Stahlblech, ein zylindrisches Innengehäuse 11 ebenfalls aus Stahlblech, einen kreisförmigen ringförmigen Boden 12 und eine kreisförmige ringförmige Abdeckung 13 umfaßt, wobei diese beiden ebenfalls aus Stahlblech bestehen, wobei zwischen diesen vier Elementen durch Schweißen gasdichte Verbindungen hergestellt wurden, da der Mantel für das isostatische Heißpressen gasdicht sein muß. Bevor die Abdeckung auf die beiden Gehäuse montiert und befestigt wird, wird ein ringförmiger Körper 14, der die Schaufeln 15 trägt, die zum Beispiel durch Ziehen vorgefertigt wurden und aus Stahl oder einer geeigneten Legierung bestehen, im Formenhohlraum angeordnet, die durch den Mantel gebildet wird, wobei die Schaufeln ihre Endform aufweisen.
Der Körper, der in Fig. 2 separat mit den darin eingesetzten Schaufeln 15 gezeigt ist, besteht aus hexagonalem Bornitrid, einem Keramikmaterial, das maschinell leicht bearbeitet und durch Zersprengen leicht entfernt werden kann und das diese Eigenschaften Wit Formbeständigkeit bei den zum isostatischen Heißpressen gehörenden hohen Temperatur und Druck kombiniert. Bornitrid ist als Pulver im Handel erhältlich und der Körper 14 wird aus diesem Pulver gefertigt, indem zuerst ein fester zylindrischer Körper durch isostatisches Heißpressen hergestellt wird. Das isostatische Heißpressen wird in herkömmlicher Weise durchgeführt, da jedoch ein Keramikmaterial betroffen ist, muß die Temperatur beim isostatischen Heißpressen höher als beim herkömmlichen isostatischen Heißpressen eines Metallpulvers, nämlich etwa 1700ºC, sein. Bei dieser hohen Temperatur kann der Mantel nicht aus Metall sein, er muß aus Glas bestehen. Der vom festen zylindrischen Körper erhaltene Ring 14 wird durch maschinelle Formgebung hergestellt. Die Öffnungen 16 für die Schaufeln werden ebenfalls durch maschinelle Formgebung im Ring gefertigt, wobei diese Öffnungen wie die Schaufeln geformt und abgemessen sind, so daß die Schaufeln ohne Schwierigkeiten durch diese Öffnungen hindurch eingesetzt werden können. Der Ring weist eine radiale Dicke auf, die geringer als die Länge der Schaufeln ist, so daß die Schaufeln so angeordnet werden können, daß die beiden Endabschnitte an den entgegengesetzten Seiten des Ringes vorstehen, wie es in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist. Die Schaufeln werden mit einer Drahthalterung 17 befestigt, die durch Punktschweißen an jede Schaufel angebracht wird. Es ist bevorzugt, daß die Öffnungen im Körper 14 an den Öffnungskanten an beiden Seiten des Körpers gekrümmt sind.
Wenn der Körper mit den daran angebrachten Schaufeln danach in den Formenhohlraum eingesetzt wird, wird er darin konzentrisch angeordnet. Er wird durch Punktschweißen an der einen oder der anderen Seite des Ringes am Boden 12 befestigt, wie es mit der Bezugsziffer 18 gezeigt wird. Der restliche Teil des Formenhohlraums im Mantel wird mit dem Metallpulver gefüllt, aus dem der durch isostatisches Heißpressen hergestellte Körper gefertigt werden soll, wie es mit der Bezugsziffer 19 gezeigt ist. Folglich befindet sich an jeder Seite des Körpers 14 Pulver, und die davon vorstehenden Endabschnitte der Schaufeln sind im Pulver eingebettet. Erst wenn dies erfolgt ist, wird die Abdeckung 13 befestigt, die den Mantel fest mit dem Körper 14 verschließt, der den Abstand zwischen dem Boden und der Abdeckung überspannt. Um die Vertiefung der Form zu evakuieren oder zu entgasen, ist die Abdeckung mit zwei Verbindungsstutzen 20 und 21 versehen, jeweils einer an jeder Seite des Körpers 14.
Danach wird das isostatische Heißpressen auf vollständig herkömmliche Weise durchgeführt, wobei das Pulver und die Schaufeln miteinander verbunden werden, so daß ein monolithischer homogener Körper gebildet wird, wobei der Körper 14 aus Bornitrid auf den Blättern zwischen den beiden Ringen verbleibt, die durch das Pulver gebildet werden.
Wenn der Mantel entfernt wurde, was auf herkömmliche Weise durch maschinelle Bearbeitung erfolgen kann, und der Körper 14 folglich freiliegt, wird auch dieser Körper entfernt, was durch Zersprengen erfolgt, um auch die Schaufeln in dem Raum zwischen den Ringen freizulegen. Danach ist der monolithische Körper zur Endbearbeitung bereit.
Es ist vollkommen klar, daß das durch die Erfindung vorgeschlagene Herstellungsverfahren den oben genannten herkömmlichen Verfahren überlegen ist, da auf das teure und zeitaufwendige Schweißen entlang der Schaufeln verzichtet wird. Da es darüber hinaus die Möglichkeit der Gestaltung des Übergangs zwischen den Ringen und den Schaufeln gibt, was in Hinblick auf die Festigkeit günstig ist, indem einfach die Öffnungskanten der Löcher für die Schaufeln im Körper 14 gekrümmt sind, ist das erfindungsgemäße Verfahren dem vorher angewendeten Verfahren in einem weiteren sehr wichtigen Aspekt überlegen.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf eine Nabe mit Schaufelrändern ist in Fig. 3 gezeigt, in der die gleichen Bezugsziffern für Elemente verwendet wurden, die bereits in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind. In diesem Fall stehen die Schaufeln nur an einem Endabschnitt aus dem Körper 14 vor, und es ist nur ein Stutzen 20 zum entgasen erforderlich, da das Pulver nur im Formenhohlraum an der Innenseite des Ringes vorhanden ist. Die Schaufeln können in der gleichen Weise wie in den Fig. 1 und 2 mit einer Drahthalterung gehalten werden, obwohl dies in Fig. 3 nicht gezeigt ist. Die Herstellung des monolithischen Körpers findet in genau der gleichen Weise wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 statt, und es ist folglich nicht erforderlich, diese Herstellung hier detailliert zu beschreiben. Wenn das Gehäuse vom fertigen monolithischen Körper abgezogen wird, ist es, da es sich um eine Nabe mit Schaufelrändern handelt, in diesem Fall möglich, das Außengehäuse 10 auf den äußeren Enden der Schaufeln 15 als Band zu belassen, wie es im Falle langer Schaufeln erforderlich sein kann. In Fig. 3 ist darüber hinaus eine Modifizierung oder Verbesserung gezeigt, die einer Erläuterung bedarf.
Wenn die Schaufeln an die Ringe oder Naben in allgemein bekannter Art und Weise angebracht werden, indem eine "Tannenwurzel"-Verbindung oder eine Schwalbenschwanzverbindung verwendet wird, wird an dieser Anfügungsstelle eine geeignete Dämpfung der Schwingungen erreicht, denen die Schaufel während der Benutzung ausgesetzt sein kann. Weder bei dem oben genannten herkömmlichen Herstellungsverfahren noch bei dem unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschriebenen Herstellungsverfahren wird eine solche Dämpfung erreicht, sie kann jedoch durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens leicht erhalten werden. In Fig. 3 ist ein zylindrisches Gehäuse 22 aus Metallblech gezeigt, das an der Innenseite des Körpers 14 angeordnet ist und innerhalb dessen ist ein Ring 23 angeordnet, der an dazu passenden Öffnungen auf die Blätter 15 aufgeschoben ist. Dieser Ring sollte aus einem dämpfenden Keramikmaterial, z.B. Bornitrid, bestehen, das in diesem Fall kubisches Bornitrid sein kann, da der Ring 23 nicht entfernt werden soll; er wird in der Nabe eingebettet, die vom Pulver 19 gebildet wird. Wenn das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird, ist es somit möglich, die geforderte Dämpfung in einfacher Weise zu erhalten.
Da es sich schwer vermeiden läßt, daß das Pulver in die Öffnungen im Körper 14 eindringt und sich dann während des isostatischen Heißpressens mit dem Schaufelmaterial verbindet - als Folge davon kann die Oberfläche der Schaufeln ungleichmäßig sein und das Schaufelprofil vom gewollten Profil abweichen - wird der Abschnitt der Schaufeloberfläche, der innerhalb des Körpers 14 angeordnet ist vorzugsweise mit einem Ablösemittel wie Aluminiumoxid überzogen.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Metallprodukten aus Pulver, das im Formenhohlraum enthalten ist, der durch einen gasdichten Mantel gebildet wird, und das in diesem Mantel dem isostatischen Heißpressen unterzogen wird, um einen monolithischen Körper zu bilden, wobei im Formenhohlraum ein Kern aus Keramikmaterial angeordnet ist ünd nach dem isostatischen Heißpressen vom resultierenden monolithischen Körper gelöst und entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus hexagonalem Bornitrid, der den Kern bildet, durch Zersprengen entfernt wird.