DE4222583C2 - Verfahren zur Herstellung von Gebläsescheiben aus Titan unter Anwendung einer Diffusionsbindung - Google Patents

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 Velust 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.

Es ist möglich, Rohkörper durch Reibschweißen zu einem einstückigen Gebläsescheibenkörper zu verbinden. Allerdings erfordert die Verbindung großer Rohkörper die Verwendung großer und teurer Schwungrad-Reibschweißmaschinen.

Eine weniger teure Alternative zum Reibschweißen stellt die Verbindung von Rohkörpern mittels Diffusionsbindung durch isostatisches Heißpressen dar. Das Diffusionsschweißen ist an sich bekannt, beispielsweise aus der DE-Zeitschrift "Schweißtechnik" Nr. 6/1973, Seiten 104 bis 105, oder aus der EP-0 167 492 B1, die sich auf die Herstellung eines mehrtei­ ligen Verbundkörpers, beispielsweise eines Ventilstößels, durch Diffusionsverschweißen im Wege isostatischen Heißpres­ sens aus Rohteilen aus verschiedenen Materialien bezieht. Aus der DE 42 04 449 A1 ist das isostatische Heißpressen zum Diffusionsverbinden eines Titanlegierungsubstrats mit einer Titanlegierungsfolie bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches die Anwendung des Diffusionsschweißens zum Verbinden zweier etwa zylindrischer Rohrkörper zum Herstellen von Gebläsescheiben der oben genannten Art ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das im Patentan­ spruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestal­ tungen dieses Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

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 Gastubinentriebwerk,

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 Wolframinertgasschweißung 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 (6)

1. Verfahren zur Herstellung einer Gebläsescheibe aus einem Titanwerkstoff für ein Gasturbinentriebwerk aus mindestens zwei geschmiedeten Rohkörpern (10) etwa zylindrischer Grund­ form, die mit jeweils einer ebenen, zur Zylinderachse rech­ winkligen und auf hohe Oberflächengüte bearbeiteten Stirn­ fläche (14) stirnseitig axial aneinander gestoßen sind, ge­ kennzeichnet durch folgende Maßnahmen:

• a) jeder Rohkörper (10) wird an seinem die ebene Stirnfläche (14) aufweisenden Ende mit einem radial überstehenden Um­ fangsflansch (16) ausgebildet, der eine mit der ebenen Rohkörper-Stirnfläche (14) koplanare Stirnfläche (18) hat,
• b) in diese Flanschstirnfläche (18) wird eine Umfangsnut (20) eingearbeitet, derart, daß die Umfangsnuten in den Flanschstirnflächen (18) der axial aneinandergestoßenen Rohkörpern (10) zusammen eine Ringkammer (26) bilden,
• c) in die Ringkammer (26) wird ein massiver Ring (24) aus metallurgisch mit dem Titanwerkstoff der Rohkörper (10) verträglichem Material eingesetzt,
• d) die beiden mit dem eingelegten Ring (24) axial aneinander­ gestoßenen Rohkörper (10) werden in einer Vakuumkammer zu­ nächst am Außenumfang ihrer aneinandergestoßenen Flansche (16) miteinander elektronenstrahlverschweißt (28), wobei der massive Ring (24) in der Ringkammer (26) ein Eindrin­ gen des Elektronenstrahls in die etwa zylindrischen Grund­ körper der beiden Rohkörper (10) verhindert, und
• e) anschließend werden die etwa zylindrischen Grundkörper der Rohkörper (10) an ihren aneinandergestoßenen Stirnflächen durch isostatisches Heißpressen diffusionsgebunden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsnuten (20) in die Flanschstirnflächen (18) derart ein­ gearbeitet werden, daß der Radius der radial inneren Nut­ flanke (22) gleich dem Außenradius des zylindrischen Grund­ körpers des jeweiligen Rohkörpers (10) ist, derart, daß die Ringkammer (26) die Stoßfuge der zylindrischen Grundkörper der beiden Rohkörper (10) umschließt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Elektronenstrahlschweißen der Rohkörper (10) am Außenumfang ihrer aneinandergestoßenen Flansche (16) die beiden Rohkörper (10) am Innenumfang ihrer Stoßflächen durch Inertgasschweißen miteinander verschweißt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das isostatische Heißpressen bei einer Temperatur von etwa 940°C und einem Druck von etwa 103 MPa erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Flansche (16) zusammen mit dem darin eingekapselten Ring (24) nach der Diffusionsbindung der Roh­ körper (10) entfernt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der massive Ring (24) mit losem Sitz in die Ringkammer (26) eingelegt wird.