DE4222583A1 - Verfahren zur herstellung von geblaesescheiben aus titan unter anwendung einer diffusionsbindung - Google Patents
Verfahren zur herstellung von geblaesescheiben aus titan unter anwendung einer diffusionsbindungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
Titan-Gebläsescheibe für Gasturbinentriebwerke unter Anwen
dung einer Diffusionsbindung.
Auf dem Gebiet der Gasturbinen ist es bekannt, Gebläse
scheiben aus Titan zur Verwendung in Flugzeugtriebwerken aus
massiven geschmiedeten Titanrohlingen herzustellen.
Während hinsichtlich des Schmiedens von Gebläsescheiben in
einstückiger Form für verhältnismäßig kleine Gasturbinen
triebwerke keine großen technischen Probleme auftreten, wird
es bei größeren einstückigen Titanschmiedekörpern zunehmend
schwieriger, nicht nur diese in einem Stück herzustellen,
sondern sie auch auf Defekte zu prüfen. Größere einstückige
Schmiedekörper werden typischerweise als Gebläsescheiben in
Triebwerken größerer Zivilflugzeuge gebraucht. Ein Defekt in
einem solchen Schmiedekörper hat zur Folge, daß die gesamte
Gebläsescheibe verschrottet werden muß, und wenn es sich
dabei um eine große Gebläsescheibe handelt, bedeutet dies
einen beträchtlichen unerwünschten Verlust an Produktions
kosten. Eine kleine Gebläsescheibe erlaubt außerdem eine
wesentlich bessere Kontrolle des Kornfließens.
Die Erfindung bezieht sich grundsätzlich auf ein Verfahren
zum Herstellen einer Gebläsescheibe für Gasturbinentriebwerke
durch Zusammenschweißen einer Anzahl kleinerer Titanschmiede
körper. Es ist wirtschaftlicher, eine große Gebläsescheibe
auf diese Weise herzustellen, weil große Schmiedekörper, mit
größerer Wahrscheinlichkeit Defekte haben als kleinere
Schmiedekörper und größere Schmiedekörper eine umfangreiche
und teuere Schmiedebearbeitung benötigen, und deshalb ist es
leichter, einen kleinen Schmiedekörper zu bearbeiten und zu
handhaben; es ist auch leichter, einen kleinen Schmiedekörper
auf mögliche Defekte zu überprüfen, und es ist weniger teuer,
einen defekten kleinen Schmiedekörper zu verschrotten als
einen großen.
In dieser Beschreibung ist mit dem Begriff "Titan" nicht nur
reines oder im wesentlichen reines Titanmetall gemeint,
sondern auch Titanlegierungen, bei welchen Titan der Hauptbe
standteil oder einer der größeren Bestandteile ist.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Anzahl von
Titanscheiben einschließlich Speichen durch Reibschweißen zu
einem einstückigen Gebläsescheibenkörper verbunden werden.
Dies ermöglicht die Herstellung von einzelnen Lamellen aus
einfachen geraden geschmiedeten Zylindern mit einer mittigen
Bohrung, was die einfache Ausführung einer Ultraschallprüfung
vor dem Verbinden der Lamellen ermöglicht. Allerdings erfor
dert die Verbindung großer Lamellen die Verwendung großer und
teurer Schwungradreibschweißmaschinen. Eine weniger teure
Alternative zum Reibschweißen in diesem Zusammenhang ist die
Diffusionsbindung durch isostatisches Heißpressen.
Gemäß der Erfindung wird das oben erläuterte Problem der Her
stellung großer Titangebläsescheiben durch das in Anspruch 1
angegebene Herstellungsverfahren und dessen weitere Ausge
staltungen nach den Unteransprüchen 2 bis 7 gelöst.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbei
spiels unter Bezugnahme auf die anliegenden schematischen und
nicht maßstäblichen Zeichnungen näher beschrieben, in welchen
zeigen:
Fig. 1 in perspektivischer Ansicht
einen Rohling zur Herstellung
einer Gebläsescheibe für ein
Gasturbinentriebwerk,
die
Fig. 2 bis 4 jeweils im Axialschnitt zwei
Rohlinge nach Fig. 1, die zu
sammen eine Gebläsescheibe er
geben, in aufeinanderfolgenden
Stufen der Herstellung der
fertigen Gebläsescheibe, und
die
Fig. 5 und 6 Mikrophotographie-Schnittbilder
der Grenzfläche zwischen den
beiden Titan-Halbkörpern nach
Ausführung der Erfindung bei
einer linearen Vergrößerung von
200.
Zunächst wird auf die Fig. 1 bis 4 der Zeichnungen Bezug
genommen. Fig. 1 zeigt einen geschmiedeten Titankörper 10 mit
einer axialen Bohrung 12. Der im wesentlichen zylindrische
Körper 10 ist mit einer feinbearbeiteten und zur Zylinder
achse senkrechten Stirnfläche 14 versehen.
Wie die Fig. 1 bis 3 zeigen, ist der an sich zylindrisch ge
formte Körper 10 an seinem einen Ende mit einem radial vor
springenden Umfangsflansch 16 versehen, dessen Stirnfläche
koplanar mit der Stirnfläche 14 des im übrigen zylindrischen
Körpers 10 ist.
In diese Stirnfläche 18 des Flansches 16 ist eine Ringnut 20
eingearbeitet. Der Radius der radial inneren Wand 22 dieser
Ringnut 20 ist gleich dem Zylinderradius des übrigen Kör
pers 10. Die innenliegende Nutwand 22 stellt daher praktisch
eine Verlängerung der Zylinderoberfläche des Körpers 10 dar,
wie sie hinterhalb des Flansches 16 gegeben ist.
Die Fig. 2 und 3 zeigen nun zwei identische derartige Rohkör
per 10 stirnseitig so einander zugewandt, bzw. aneinander ge
stoßen, daß die Ringflanschen 16 einander zugewandt sind.
Weiter ist aus den Fig. 2 und 3 im Zusammenhang mit den bei
den aneinandergestoßenen Rohkörpern 10 ein Titanring 24 dar
gestellt, der, weil er aus Titan besteht, metallurgisch ver
träglich mit dem Material der Rohkörper 10 ist. Die radialen
Abmessungen des Ringes 24 sind derart, daß er in die Nut 20
der Flansche 16 hineinpaßt, und seine axiale Dicke beträgt
mehr als die einfache Tiefe dieser Nut und weniger als deren
zweifache Tiefe. Infolgedessen erstreckt sich der Ring 24,
wenn er in die Nut 20 eines Rohkörpers 10 eingelegt ist, bei
zwei zusammengestoßenen Rohkörpern 10 über die durch die
beiden aneinanderstoßenden Stirnflächen 14 gebildete Stoßfuge
hinaus und ist außerdem in einer Ringkammer 26, die durch die
beiden Nuten 20 der aneinandergestoßenen Flansche 16 der bei
den Rohkörper 10 gebildet ist, vollständig eingeschlossen,
wie aus Fig. 3 ersichtlich ist. Dabei ist daraufhinzuweisen,
daß der Ring 24 nicht mit straffem Sitz in der Nut 20 sitzt
und ausreichendes Spiel zwischen den Umfangswandungen des
Ringes 24 und des Flansches 16 vorhanden ist.
Eine Titangebläsescheibe für ein Gasturbinentriebwerk wird
gemäß der Erfindung in der folgenden Weise hergestellt:
Zwei gleiche, jeweils mit einem Flansch und einer Umfangsnut
versehene Rohkörper 10 nach Fig. 1 werden aus Titan gear
beitet und die Stirnfläche 14 des eigentlichen Zylinderkör
pers und die Flanschstirnfläche 18 jedes Rohkörpers werden
feinbearbeitet und gereinigt, um eine Oberflächengüte mit
einer Rauhtiefe von weniger als 1 Mikrometer zu erhalten.
Ein Titanring 24, wie oben beschrieben, wird in die Nut 20
des einen Rohkörpers 10 eingesetzt, und der andere Rohkör
per 10 wird in der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Weise
stirnseitig an den einen Rohkörper 10 gestoßen, so daß die
genannte Ringkammer 26 entsteht, die nun den Ring 24 aufnimmt
(Fig. 3).
Die Rohkörper 10 werden nun am Innenumfang der Stoßfuge in
der Bohrung 12 der eigentlichen Zylinderkörper durch Wolfram
inertgasschweißen miteinander verschweißt, wie in Fig. 3 ge
zeigt, um eine innere Dichtung herzustellen. Sodann werden
die so verbundenen Rohkörper 10 in eine Vakuumkammer ge
bracht, die dann evakuiert wird, um Luft aus der Stoßfuge
zwischen den Rohkörpern zu entfernen und auch die Ring
kammer 26 zu evakuieren.
Sodann werden die Rohkörper am Außenumfang der Flansche 16 im
Vakuum durch Elektronenstrahlschweißen miteinander ver
schweißt, um auch eine äußere Umfangsdichtung 28 herzu
stellen. Dabei verhindert der Titanring 24, daß der Elek
tronenstrahl in die eigentlichen Zylinderkörper der Rohkör
per 10 eindringt und dort nachteilige metallurgische Wir
kungen bzw. Defekte hervorruft.
Anschließend werden die beiden verbundenen Rohkörper 10 aus
der Vakuumkammer herausgenommen und in Umgebungsatmosphäre
durch isostatisches Heißpressen bei einer Temperatur von
940°C und einem Druck von 103 MPa während eines zweistündigen
Zyklus einer Diffusionsbindung unterzogen.
Wenn die Vakuumabdichtung an der Grenzfläche zwischen den
Rohkörpern 10 (und daher auch ein Vakuum in der Ringkam
mer 26) während des Diffusionsbindungsvorgangs unversehrt
aufrechterhalten bleibt, ist ein Einwärts-Zusammenfallen
eines oder beider Flansche der Rohkörper auf den Ring 24 in
Intervallen entlang des Flansches zu beobachten, da der
Ring 24 mit losem Sitz in der Ringkammer 26 sitzt. Dies ist
ein klares Anzeichen dafür, daß die Diffusionsbindung erfolg
reich war, da es eine Grundvoraussetzung für eine erfolg
reiche Diffusionsbindung ist, daß die aneinandergestoßenen
Flächen tatsächlich sauberen Metall-Metall-Kontakt haben.
Finden sich keine derartige Eindrückungserscheinungen, muß
angenommen werden, daß die anfängliche Wolframinertgas
schweißung und die Elektronenstrahlschweißung mit dem nach
folgenden Bindungsvorgang nicht vollständig erfolgreich ver
laufen ist und daß Luft in die Ringkammer 26 hineingeleckt
ist.
Die Sichtbarkeit des Zusammenfallens der Flansche auf den
Ring 24 kann dadurch noch verstärkt werden, daß Löcher in
eine oder beide Stirnflächen des Ringes 24 gebohrt werden,
bevor dieser in die Nuten eingesetzt wird. Bei erfolgreicher
Diffusionsbindung ist dann ein sichtbares Einfallen des
radialen Flanschschenkels in diese Bohrungen festzustellen.
Nach erfolgreicher Diffusionsbindung werden die Flansche 16
und der Ring 24 abgedreht, so daß nur noch die zylindrischen,
miteinander verbundenen Grundkörper der Rohkörper 10 stehen
bleiben, wie in Fig. 4 dargestellt ist.
Bei einer metallurgischen Prüfung eines Teststücks, das nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, hat sich
gezeigt, nachdem das Teststück aufgeschnitten worden war, daß
die Flansche vollständig auf den Ring 24 eingefallen waren
und daß es nicht möglich war, sichtbare Grenzen zwischen dem
Ring und den eingefallenen Flanschen festzustellen. Weiter
wurde unter einer 200-fachen Vergrößerung festgestellt, daß
ein Schnitt des Teststückes an der Verbindungsstelle zwischen
den Zylinderkörpern nahe der inneren Bohrung eine Verbindung
hoher Integrität beim Fehlen von Hohlräumen und bei nur mini
malen planaren Grenzen im Grenzbereich zeigte, wie Fig. 5
darstellt. Ein weiterer Schnitt des Teststücks an der Verbin
dungsstelle zwischen den Zylinderkörpern in der Nähe des Um
fangsbereichs ergab eine gute Grenzschichtqualität mit Fehlen
planarer Grenzen, Hohlstellen und Risse, wie in Fig. 6 darge
stellt ist.
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung einer Gebläsescheibe aus einem
Titanwerkstoff für ein Gasturbinentriebwerk mit folgenden
Schritten:
Herstellen mindestens zweier geschmiedeter Rohlinge (10) etwa zylindrischer Grundform mit jeweils einer ebenen, zur Zylin derachse rechtwinkligen Stirnfläche (14),
Bearbeiten dieser ebenen Stirnfläche (14) jedes Rohkör pers (10) auf hohe Oberflächengüte,
stirnseitiges axiales Aneinanderstoßen der Rohkörper (10),
Entfernen von Luft aus der Stoßfuge zwischen den aneinander gestoßenen Stirnflächen (14),
und Diffusionsbindung dem aneinandergestoßenen Rohkörper (10) durch isostatisches Heißpressen zur Herstellung der fertigen Gebläsescheibe.
Herstellen mindestens zweier geschmiedeter Rohlinge (10) etwa zylindrischer Grundform mit jeweils einer ebenen, zur Zylin derachse rechtwinkligen Stirnfläche (14),
Bearbeiten dieser ebenen Stirnfläche (14) jedes Rohkör pers (10) auf hohe Oberflächengüte,
stirnseitiges axiales Aneinanderstoßen der Rohkörper (10),
Entfernen von Luft aus der Stoßfuge zwischen den aneinander gestoßenen Stirnflächen (14),
und Diffusionsbindung dem aneinandergestoßenen Rohkörper (10) durch isostatisches Heißpressen zur Herstellung der fertigen Gebläsescheibe.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
jeder Rohkörper rohrartig mit einer Axialbohrung (12) ausge
bildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
beiden Rohkörper (10) zuerst am Innenumfang ihrer Stoßflächen
durch Inertgasschweißen in ihren mittigen Bohrungen und so
dann am Außenumfang ihrer Stoßflächen durch Elektronenstrahl
schweißen miteinander verschweißt (28, 30) werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß
- a) jeder Rohkörper (10) an seinem mit der ebenen Stirn fläche (14) versehenen Ende mit einem radial überstehenden Umfangsflansch (16) ausgebildet wird, dessen eine Stirn fläche (18) koplanar mit der ebenen Rohrkörper-Stirn fläche (14) ist,
- b) in diese Flanschstirnfläche (18) eine Umfangsnut (20) ein gearbeitet wird, deren Tiefenausdehnung parallel zur Achse des etwa zylindrischen Grundkörpers des Rohkörpers (10) ver läuft und wobei der Radius der radial innenliegenden Nut flanke (22) gleich dem Außenradius des zylindrischen Grund körpers des Rohkörpers ist, derart, daß bei dem stirnseitigen Zusammenstoßen der zwei Rohkörper die Nuten (20) von deren Flanschen (16) zusammen eine die Stoßfuge der zylindrischen Grundkörper umschließende Ringkammer (26) bilden,
- c) ein massiver Ring (24) aus metallurgisch mit dem Titan werkstoff der Rohrkörper verträglichen Material mit solchen Abmessungen hergestellt wird, daß er in die genannte Ring kammer (26) hineinpaßt,
- d) der Ring (24) in die Nut (20) des Flansches (16) eines der Rohkörper (10) eingesetzt wird,
- e) die beiden Rohkörper (10) stirnseitig so aneinanderge stoßen werden, daß die Nuten (20) der einander zugewandten Flansche (16) die genannte Ringkammer (26) bilden, welche den Ring (24) einschließt,
- f) die aneinandergestoßenen Rohkörper (10) in eine Vakuum kammer eingesetzt werden,
- g) die Vakuumkammer evakuiert wird, um Luft aus der Stoßfuge zwischen den etwa zylindrischen Grundkörpern abzusaugen und die Ringkammer (26) zu evakuieren,
- h) die Rohkörper (10) am Außenumfang ihrer aneinanderge stoßenen Flansche (16) miteinander elektronenstrahlver schweißt (28) werden, wobei der Ring (24) in der Ring kammer (26) ein Eindringen des Elektronenstrahls in die etwa zylindrischen Grundkörper verhindert, und
- i) die etwa zylindrischen Grundkörper der Rohkörper (10) an ihren aneinandergestoßenen Stirnflächen durch isostatisches Heißpressen diffusionsgebunden werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Rohkörper (10) an ihrem Innenumfang durch Inertgasschweißen
miteinander verschweißt (30) werden, bevor die Ringkammer
evakuiert wird und bevor das Elektronenstrahlschweißen am
Außenumfang der Flansche (16) stattfindet.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das
isostatische Heißpressen bei einer Temperatur von etwa 940°C
und einem Druck von etwa 103 MPa erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Flansche (16) zusammen mit dem darin eingekapselten Ring (24)
nach der Diffusionsbindung der Rohkörper (10) entfernt
werden.
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GB9114999D0 (en) | 1991-08-28 |
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