DE3884893T2

DE3884893T2 - Rotierende oder bewegende metallische Komponenten und Verfahren zur Herstellung solcher Komponenten.

Info

Publication number: DE3884893T2
Application number: DE88307666T
Authority: DE
Inventors: Stephen Craig Clark; Stephen Peter Fox; Michael William Kearns; James Entwistle Melville; Donald Francis Neal; John Timothy Pinder; Philip Steven Wood; Kenneth Wilfred Wright
Original assignee: Rolls Royce PLC; IMI Titanium Ltd
Current assignee: Timet UK Ltd
Priority date: 1987-08-27
Filing date: 1988-08-18
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2008-08-19
Also published as: DE3884893D1; EP0305113A3; EP0305113A2; JP2714607B2; JPH0192032A; GB8720248D0; EP0305113B1; US4964564A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Turbomaschinenschaufeln.
Bestimmte Arten von Gasturbinenmotoren verwenden titanlegierte Schaufeln und Scheiben in der Verdichterstufe des Motors. Die Spitze einer jeden Schaufel ist zum Laufen in nächster Nähe zu einem Gehäuse oder einer wärmeabsorbierenden Verkleidung auf dem Gehäuse gestaltet. Während bestimmter Lagen des Motorbetriebs, ist ein Kontakt zwischen den Schaufelspitzen und dem Gehäuse oder seiner Verkleidung möglich und in manchen Fällen unvermeidlich. Unter extremen Bedingungen könnten Vorfälle dieser Art die Anwesenheit von Titan oder Titanlegierungsstaub hervorrufen, der von der titanlegierten Schaufelspitze abgegeben wird. Ein solcher, von der Schaufelspitze abgegebener Titanlegierungsstaub, könnte in einem Verdichter theoretisch eine Entzündung von Titanlegierungsstaub und die Entzündung und Verbreitung von Feuer in den Titanschaufeln selbst zur Folge haben.
In der EP-A-0151103 wurde vorgeschlagen, einen Gegenstand zum Übertragen von Kräften herzustellen, insbesondere zum Übertragen von Momenten, über einen oder mehrere Zähne, Nocken, Rezeptoren oder Ähnlichem, der aus wenigstens zwei verschiedenen Materialien gebildet ist.
In dieser Offenbarung kann ein röhrenförmiger Zylinder aus einem metallischen Material einen inneren Kern aus einem anderen metallischen Material umgeben, mit dem das Material des ersten, äußeren röhrenförmigen Zylinders verbunden ist. Scheiben können dann von dem daraus entstehenden Produkt abgeschnitten werden, um als Rohling für Radzähne oder Ähnlichem verwendet zu werden.
Eine solche Scheibe mit einer Verkleidung aus Titanlegierungsmaterial könnte zur Verwendung als Befestigung an einen Turbomaschinen-Schaufelstiel durch eine ihrer planen Flächen in Betracht gezogen werden. Die Schaufelspitze müßte dann jedoch in ihre notwendige aerodynamische Form gebracht werden, wobei der größte Teil des Materials des äußeren Umfangs entfernt würde, der aus einer Legierung hergestellt sein könnte, dessen Staub in dem Motor wahrscheinlich nicht entzündet würde. Dies würde jedoch das vorstehend genannte Problem nicht lösen, da sowohl die äußerste Endfläche der Schaufel, als auch die wesentlichen Abschnitte der Schaufelspitzen, die nahe dem äußersten Ende liegen, aus einer Titanlegierung bestehen. Das Risiko der Erzeugung von Titanlegierungsstaub durch Kontakt mit den wärmeabsorbierenden Legierungen des Motorgehäuses würde dadurch bestehen bleiben
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Turbomaschinenschaufel zu schaffen, die die Nachteile einer solchen Anordnung beseitigt.
Gemäß einem Erfindungsgedanken weist ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes folgende Schritte auf:
Schaffen eines Verbundbauteils, das eine Oberflächenschicht aus einem Material hat, das sich vom Körper des Bauteils unterscheidet, indem die Oberfläche mit dein Körper verbunden wird, dem Teilen des Bauteils an einer Vielzahl von Stellen um Abschnitte zu schaffen, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand eine Turbomaschinenschaufel ist, und daß das Verbundbauteil eine plane Oberflächenschicht hat, daß das Teilen so stattfindet, daß sich die Abschnitte senkrecht zu der Fläche erstrecken, kund daß jeder eingeteilte Abschnitt nachfolgend durch Verschweißen nur des Körperabschnitts des Abschnitts mit dem Schaufelstiel an dem Schaufelstiel befestigt wird, um die Schaufel zu formen.
Der Körper des Bauteils ist typischerweise eine Titanlegierung. Der Metallteil des Verbundes wird erfindungsgemäß nachfolgend an den Schaufelstiel befestigt, indem der Körper des Bauteils an den Schaufelstiel angeschweißt wird. Der Schaufelstiel wäre aus einer ähnlichen Titanlegierung, wie die des Körpers des Bauteils. Typischerweise wäre der Stiel in seinem vollständig vergüteten Zustand. Die Befestigung könnte beispielsweise durch Elektroschweißen oder Reibschweißen ausgeführt werden. Die gesamte Schaufel müßte dann feingeschliffen oder auf exakte Gestalt spanabhebend bearbeitet werden. Die Oberflächenschicht kann mit der Titanlegierung oder einem anderen Metall mittels Explosionsbonding, Diffusionsverbindung oder Reibschweißen oder einer anderen Haftverbindungstechnik oder aller an sich bekannten Technologien, verbunden werden und die, wenn sie angewendet wird, unter geeigneten, gesteuerten Bedingungen die Bildung von bedeutsamen Mengen an intermetallischen Verbindungen mit der Titanlegierung oder einem anderen Metall über den Grenzwert hinaus verhindert. Als Alternative kann die Verbindung durch mechanisches Bearbeiten des Bauteils durchgeführt werden, wie zum Beispiel durch Extrudieren oder Rollen, so daß sich das Bauteil in einer Richtung parallel zur Ebene der Oberflächenschicht des Materials erstreckt. Noch einmal würden die Arbeitsbedingungen, insbesondere das Ausmaß des Aufheizens des Bauteils kontrolliert werden müssen, um die Bildung von großen Mengen an intermetallischen Verbindungen mit dem Körper der Titanlegierung oder einem anderen Metall zu verhindern.
Es kann eine Zwischenschicht zwischen der Oberflächenschicht und dem Körper des Bauteils geben. Eine solche Zwischenschicht wird so ausgewählt, daß sie dazu neigt, einer Diffusion von intermetallsichen Verbindungen aus der Oberflächenschicht des Materials in den Körper aus einer Titanlegierung oder einem anderen Metall zu widerstehen.
Entweder können beide sich gegenüberliegenden Flächen des Oberflächenschichtmaterials und des Körpers mit Furchen versehen sein oder in ähnlicher Weise vor dem Verbinden bearbeitet werden. Wenn beide Flächen mit Furchen versehen sind, ist es vorzuziehen, daß die Furchen auf einer Fläche im wesentlichen in den Furchen der gegenüberliegenden Fläche eingreifen. Die Zwischenschicht wird dann ziwschen die gefurchten Abschnitte plaziert und die Verbindung zwingt die Zwischenschicht eine gewellte Anordnung anzunehmen.
Wo der Körper eine Titanlegierung ist, ist die Oberflächenschicht des Materials typischerweise Nickel oder eine Nickellegierung oder eine Legierung aus einer oder mehreren der folgenden Elementen: Chrom, Kobalt, Kupfer, Eisen, Hafnium, Molybdän, Niob oder Tantal.
Wo der Körper eine Titanlegierung ist, ist die Zwischenschicht typischerweise Hafnium, Molybdän, Niob oder Tantal oder eine Verbindung von einer oder mehreren dieser Materialien mit anderen Elementen. Die Zwischenschicht kann eine Vielzahl von Schichten solcher Materialien aufweisen. So könnte zum Beispiel eine Tantallegierungsschicht an eine Titanlegierung angrenzen und eine Eisenlegierungsschicht an eine nickellegierten Spitze.
Die Titanlegierung, die Zwischenschicht (wenn vorhanden) und die Materialschicht können anfangs mit einem äußeren Rohr oder eine Büchse montiert werden. Eine solche Büchse kann Titan oder eine Titanlegierung aufweisen, oder sie könnte Kupfer mit einer Stahlzwischenschicht zwischen dem Kupferrohr oder der Büchse und deren Inhalte aufweisen. Eine solches äußeres Rohr oder Büchse würde typischerweise durch Ätzen oder einem ähnlichen Verfahren vor dem Verschweißen oder dem elektrochenischen Bearbeiten der geteilten Bereiche entfernt werden.
Es soll betont werden, daß die Montage und die mechanische Bearbeitung des Verbundmaterials die Möglichkeit irgendeiner wesentlichen Diffusion aus der Materialschicht in das Titan oder die Titanlegierung entweder während dem Erwärmen oder der Wärmebehandlung des Verbundmaterials während seiner Verarbeitung, oder während der nachfolgenden Wartung des Bauteilabschnitts vermeiden muß. Die Dicke und die Zusammensetzung der intermetallischen Schicht ist unter diesem Gesichtspunkt gestaltet worden.
Die Titanlegierung kann typischerweise eine Legierung wie beispielsweise IMI 829 oder IMI 834 oder Titan 6242 sein, die in ihrer Eigenart für die Anwendung in hohem Druckbereich und daher hohem Temperaturbereich des Verdichters konstruiert ist.
Nachfolgend werden erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Rahmen von Beispielen beschrieben.
Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht eines Bauteils auf dem Weg der Herstellung.
Fig. 2 ist eine schematische, isometrische Ansicht, die ein alternatives Bauteil auf dem Weg der Herstellung zeigt.
Fig. 3 ist eine schematische, isometrische Ansicht einer erfindungsgemäß hergestellten Gasturbinenschaufel.
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, die ein Verfahren zur Verbindung einer Flächenschicht mit dem Körper eines Bauteils zeigt.
In Fig. 1 hat ein Körper 10 aus einer Titanlegierung eine Flächenschicht 11 aus einer Nickellegierung, die mit dieser durch Explosionsschweißtechnologien verbunden ist. Der Verbund wird durch eine bekannte Vorrichtung entlang der Linien 12 geteilt, um eine Vielzahl ähnlicher halbfertiger Bauteile oder Bauteilbereiche zu schaffen. In Fig. 1 ist keine Zwischenschicht gezeigt, aber dies ist ein alternatives Merkmal des Verfahrens. Sie würde zwischen der Flächenschicht 11 und dem Körper 10 positioniert werden.
Fig. 2 zeigt einen Teil des Herstellungsverfahrens eines Schaufelspitzenbereiches. Das Bauteil 22, das in gestrichelter Linie dargestellt ist, ist geeignet, um nachfolgend auf den Stiel einer solchen Schaufel geschweißt zu werden. Ein einzelner, geteilter Bereich 24 weist gemäß Fig. 1 eine Flächenschicht 21 aus einer Nickellegierung auf, die mit einem Körper 20 aus einer Titanlegierung verbunden ist.
Die feinbearbeitete Turbinenschaufel gemäß Fig. 3 hat einen Stielabschnitt 30 aus einer Titanlegierung, an die eine Spitzenbereichskomponente 31 durch Elektronenstrahlschweißen entlang der Schweißlinie 32 angebracht wird. Die Spitzenbereichskomponente 31 geht aus dem Feinbearbeiten oder Schleifen eines Bauteils, wie beispielsweise des Bauteils 22 aus Fig. 2 hervor. Die äußerste Schaufelspitze ist zur Trennung aus einer Nickellegierung vom Rest der aus einer Titanlegierung bestehenden Schaufel zusammengesetzt.
Eine spezielle Verbindungstechnik zwischen einer Flächenschicht 41 und einem Körper 40 ist in Fig. 4 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel sind sowohl beide sich gegenüberliegenden Flächen 43 und 44 der jeweiligen Flächenschicht 41 und des Körpers 40 so mit Furchen versehen, daß sie sich miteinander verzahnen. Zwischen 43 und 44 ist eine Zwischenschicht 42 dazwischenplaziert, die, wenn 40 und 41 durch beispielsweise Diffusionsverbindung zusammengepreßt werden, eine gewellte Lage zwischen der Flächenschicht 41 und dem Körper 40 einnimmt. Eine andere, nicht gezeigte Alternative besteht darin, eine vorgewellte Zwischenschicht zu verwenden. In diesem Fall kann nur eine der sich gegenüberliegenden Flächen mit Furchen versehen sein.
In einer weiteren Alternativen die Explosionsbonding verwendet, wird die Wellung der sich gegenüberliegenden Flächen als Teil der Schnittstellenreaktion erzeugt. Eine solche Verbindung kann mit oder ohne einer Zwischenschicht ausgeführt werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes das folgende Schritte aufweist:

Schaffen eines Verbundbauteils, das eine Oberflächenschicht (11; 21) aus einem Material hat, das sich vom Körper (10; 20) des Bauteils unterscheidet, indem die Oberflächenschicht mit dem Körper verbunden wird;

dem Teilen des Bauteils an einer Vielzahl von Stellen (12), um Abschnitte (24) zu schaffen, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand eine Turbomaschinenschaufel ist und das Verbundbauteil eine plane Oberflächenschicht hat, daß das Teilen so stattfindet, daß sich die Abschnitte (24) senkrecht zu der Fläche erstrecken, und daß jeder eingeteilte Abschnitt nachfolgend durch Verschweißen nur des Körpers (20) des Abschnitts (21) mit dem Schaufelstiel (30) an dem Schaufelstiel (30) befestigt wird, um die Schaufel zu formen.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (24) zu seiner endgültigen Gestalt (31) spanend bearbeitet oder geschliffen wird und nachfolgend an dem Schaufelstiel (30) befestigt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bauteilabschnitt einen Körperabschnitt aus einer Titanlegierung hat und der Körper nachfolgend an einem Schaufelstiel (30) aus einer Titanlegierung befestigt wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bauteilabschnitt an einem Stiel (30) aus einer Titanlegierung in seinem vollständig vergüteten Zustand befestigt wird.

5. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenschicht (11; 21) mit dem Körper (10; 20) des Bauteils durch Explosionsbonden verbunden wird.

6. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Zwischenschicht (42) gibt, die sich zwischen der Flächenschicht (41) und dem Körper (42) des Bauteils befindet, wobei eine solche Zwischenschicht dazu neigt, der Diffusion von Intermetallen aus der Flächenschicht des Materials in den Körper des Bauteils zu widerstehen.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der sich gegenüberliegenden Flächen der Flächenschicht (41) oder des Körpers (43) vor dem Verbinden in einer solchen Weise mit Furchen versehen (43, 44) wird, daß die Furchen auf einer Fläche dazu angepaßt sind, im wesentlichen mit den Furchen auf der gegenüberliegenden Fläche in Eingriff zu sein, wobei die Zwischenschicht (42) eine gewellte Lage in dem verbundenen Verbund annimmt.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper des Verbundes eine Titanlegierung ist und die Flächenschicht des Materials aus einer Gruppe ausgewählt wird, die eine der folgenden Metalle oder Metallegierungen aufweist; Nickel, Chrom, Kobalt, Kupfer, Eisen, Hafnium, Molybdän, Niob, Tantal, oder Titan.

9. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper des Verbundes aus einer Titanlegierung besteht und die Zwischenschicht aus einer Gruppe ausgewählt wird, die folgende Materialien oder eine Verbindung aus einem dieser Materialien mit anderen Elementen aufweist; Hafnium, Molybdän, Niob oder Tantal.