DE68916432T2

DE68916432T2 - Plattensystem mit doppelter legierung.

Info

Publication number: DE68916432T2
Application number: DE68916432T
Authority: DE
Inventors: Wilford Couts; Hugo Delgado; Thimoty Howson; John Hyzak; Steven Reichman
Original assignee: Wyman Gordon Co
Current assignee: Wyman Gordon Co
Priority date: 1988-07-29
Filing date: 1989-07-28
Publication date: 1995-01-19
Anticipated expiration: 2009-07-29
Also published as: EP0431019A4; DE68916432D1; AU4180989A; JP2721721B2; ATE107558T1; GB9001813D0; WO1990002479A2; AU4156593A; EP0431019B1; JPH04500040A; WO1990002479A3; GB2239826B; GB2239826A; EP0431019A1

Description

Es ist im allgemeinen der Fall, daß bei Metallartikeln eine Kombination von Eigenschaften gefordert wird, und oftmals variieren die Anforderungen an die Eigenschaften von einem Abschnitt des Artikels zum anderen. In einigen Fällen kann ein einziges Material die verschiedenen Anforderungen an die Eigenschaften im gesamten Artikel erfüllen. In anderen Fällen ist es jedoch nicht möglich, alle Anforderungen in einem Artikel mit einem einzigen Material zu erfüllen. In derartigen Fällen ist die Verwendung von zusammengesetzten Artikeln bekannt, bei denen ein Abschnitt des Artikels aus einem Material und ein zweiter Abschnitt aus einem anderen Material hergestellt wird. Die verschiedenen Materialien werden auf der Grundlage der Eigenschaften ausgewählt, die für die verschiedenen Abschnitte des Artikels gefordert werden.
Gelegentlich schließt die Verwendung von zusammengesetzten Artikeln jedoch ernsthafte praktische Probleme ein. Beispielsweise drehen sich bei einer Gasturbine die Scheibenräder, die die Schaufeln tragen, mit einer hohen Drehzahl in einer Umgebung mit relativ erhöhter Temperatur. Die Temperaturen, denen das Scheibenrad an seinem äußeren oder Randabschnitt ausgesetzt ist, können im Bereich von 820ºC liegen, wohingegen die Temperatur im Abschnitt der Innenbohrung, die die Welle umgibt, auf der das Scheibenrad montiert ist, im typischen Fall viel niedriger ist, kleiner als 520ºC. Es ist typisch, daß das Scheibenrad beim Betrieb durch die Kriecheigenschaften des Materials im Randbereich mit hoher Temperatur und durch die Zugeigenschaften des Materials im Bohrungsbereich mit niedriger Temperatur eingeschränkt werden kann. Da die Spannungen, denen das Scheibenrad ausgesetzt ist, in starkem Maße das Ergebnis seiner Drehung sind, ist nur das Hinzufügen von weiterem Material zum Scheibenrad in den Bereichen, wo man unangemessene Eigenschaften vorfindet, im allgemeinen keine zufriedenstellende Lösung, da das Hinzufügen von weiterem Material das Gewicht erhöht und zu Spannungen in anderen Bereichen des Scheibenrades führt. Es wurden Vorschläge unterbreitet (US-A-4529452, US-A-4581300, US-A- 4843856), die Rand- und Bohrungsabschnitte des Scheibenrades aus unterschiedlichen Materialien herzustellen und diese unterschiedlichen Materialien miteinander zu verbinden. Das ist kein attraktiver Vorschlag, großenteils im Ergebnis der Schwierigkeiten, denen man beim Verbinden der Materialien miteinander in einer Weise begegnet, die zuverlässig die hohen Dauerschwingspannungen aushält.
Demzufolge ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Metallartikels zur Verfügung zu stellen, der mindestens zwei Abschnitte einschließt, von denen ein jeder aus einer unterschiedlichen Legierungszusammensetzung gebildet wird, wobei die Abschnitte wirksam so miteinander verbunden werden, daß der Artikel Eigenschaften aufweist, die von einem Abschnitt des Artikels zu einem anderen abweichen. Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Scheibenrades für eine Gasturbine bereitzustellen, das einen Bohrungsbereich, der aus einer ersten Legierung gebildet wird, einen peripheren Randbereich, der aus einer zweiten Legierung gebildet wird, und eine wirksame im wesentlichen fehlerfreie Verbindung zwischen den Bereichen aufweist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines achsensymmetrischen Scheibenrades einer Turbine, das optimale Bohrungseigenschaften in seinem Bohrungsbereich und optimale Randeigenschaften in seinem Randbereich aufweist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, mit dessen Hilfe die fehler in der Verbindung zwischen den zwei Legierungen in eine Zone verschoben werden können, die aus dem Werkstück entfernt werden kann, wobei das Verfahren ebenfalls an der Verbindungslinie eine derartige Verformung hervorruft, daß die unerwünschten Auswirkungen irgendwelcher verbleibender fehler minimiert werden.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, mit dessen Hilfe die fehler in der Verbindung zwischen den zwei Legierungsbereichen eines Teils in eine zu opfernde Zone verschoben werden können, die vom fertigen Teil entfernt werden kann, wobei die Verschiebung in einer sehr wirksamen Weise erfolgt, bei der die Mindestmenge des Legierungsmaterials aus dem Teil heraus (in die zu opfernde Zone hinein) verschoben wird, während dennoch ein Entfernen von bis zu 99,9+% der Grenzfläche der ursprünglichen Verbindungslinie und der damit verbundenen Fehler bewirkt wird, wobei das Verfahren ebenfalls an der Verbindungslinie eine derartige Verformung bewirkt, daß die unerwünschten Auswirkungen jeglicher verbleibender Fehler minimiert werden.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Scheibenrades zur Verfügung, das eine Scheibenradachse, eine erste Scheibenradfläche und eine zweite Scheibenradfläche und einen ringförmigen äußeren Rand, der den äußersten Umfang des Werkstückes definiert, aufweist, wobei das Scheibenrad einen mittleren Abschnitt, der aus einer ersten Legierung gebildet wird, und einen ringförmigen peripheren Abschnitt, der aus einer zweiten Legierung gebildet wird, besitzt, und wobei die Grenze zwischen dem mittleren und dem peripheren Abschnitt eine Rotationsfläche um die Scheibenradachse herum ist und durch eine Erzeugende definiert wird, die ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei eine Linie zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende eine Verbindungslinie bildet, und wobei die Fläche einen ersten kreisförmigen Rand an der ersten Fläche des Scheibenrades, der durch das erste Ende der Erzeugenden gebildet wird, und einen zweiten kreisförmigen Rand an der zweiten Fläche des Scheibenrades aufweist, der durch das zweite Ende der Erzeugenden gebildet wird, und wobei das Scheibenrad ebenfalls Material aufweist, das anfangs an der Grenze vorhanden ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
(a) Anordnen des Scheibenrades zwischen einem ersten Gesenk, das eine erste Gesenkpaßfläche aufweist, und einem zweiten Gesenk, das eine zweite Gesenkpaßfläche aufweist, wobei zumindestens eines der Gesenke eine ringförmige Entlüftung besitzt, die in dessen Gesenkpaßfläche gebildet wird, wobei die Entlüftung zwei konzentrische Entlüftungsränder an der Gesenkpaßfläche aufweist, und wobei das Querschnittsprofil der Entlüftung im Grundriß radial zur Scheibenradachse eine Grundlinie, die die Entlüftungsränder verbindet, und eine Höhenlinie aufweist, die sich senkrecht von der Grundlinie bis zu dem Punkt im Profil erstreckt, der von der Grundlinie am entferntesten ist;
(b) Veranlassen, daß sich die Gesenke zueinander längs einer Schmiedeachse nähern, die parallel zur Scheibenradachse verläuft, während das Scheibenrad und die Entlüftung im wesentlichen koaxial gehalten werden, so daß die Entlüftungsränder eine kreisförmige Linie auf einer Fläche des Scheibenrades überbrücken, wobei die kreisförmige Linie die gewünschte Stelle eines der kreisförmigen Ränder der Fläche ist, um dadurch zu bewirken, daß etwas von der ersten Legierung und etwas von der zweiten Legierung zusammen mit einer wesentlichen Menge des Materials, das an der Grenze vorhanden war, in die Entlüftung längs einer Bewegungslinie fließt, die im wesentlichen parallel zur Schmiedeachse verläuft, um in der Entlüftung eine Rippe zu bilden; und
(c) Entfernen der Rippe vom Scheibenrad.
Bevorzugte und wahlweise Merkmale werden in den Ansprüchen 1 bis 26 vorgelegt.
Die wesentliche Menge kann mindestens 80% betragen, vorzugsweise mindestens 90%, noch besser mindestens 95% und am besten mindestens 99% des Materials, das anfangs an der Grenze vorhanden ist.
Im allgemeinen kann die vorliegende Erfindung in zwei Betriebsarten angewendet werden. Die erste Betriebsart, die als Schmiedeverbinden bezeichnet wird, umfaßt die Anwendung des gegenwärtigen Schmiedeverfahrens bei Metallstücken, die eine einfache physikalische Berührung zeigen, oder die miteinander in einer nur begrenzten Weise verbunden wurden, wie beispielsweise mittels des Heftschweißens oder Einkapselungsschweißens. Bei dieser Betriebsart ist das Schmiedeverbinden das hauptsächliche Hilfsmittel zur Verbindung der zwei Metallstücke. Bei der zweiten Betriebsart, die als verbessertes Schmiedeverbinden bezeichnet wird, werden die zwei Metallstücke durch andere Hilfsmittel vor der Anwendung des Schmiedeverfahrens dieser Erfindung verbunden. Bei einer Situation, die besonders für die Anwendung der zweiten Betriebsart dieser Erfindung geeignet ist, sind die zwei Metallstücke Superlegierungen auf Nickelbasis, die aus feinkörnigem Metallpulver hergestellt wurden, und die vor dem verbesserten Schmiedeverbinden miteinander diffusionsverbunden wurden, wobei das Verfahren des isostatischen Heißpressens angewendet wurde. Wenn es durchführbar ist, wird das Schmieden unter Bedingungen ausgeführt, die einen verstärkten plastischen Fluß oder superplastischen Fluß gestatten.
Die Erfindung stellt ebenfalls eine Scheibenradvorform für eine Gasturbine, wie sie im Anspruch 27 dargelegt wird, und ein Paar Schmiedegesenke, wie sie im Anspruch 28 dargelegt werden, bereit.
In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Scheibenradwerkstück für eine Turbine, das die Prinzipien der vorliegenden Erfindung einschließt;
Fig. 2 ein Werkstück, bei dem ein Abschnitt entfernt wurde;
Fig. 3 ein Werkstück, bei dem eine zu opfernde Rippe entfernt wurde;
Fig. 4 ein Prozeßablaufschema;
Fig. 5 ein Prozeßablaufschema;
Fig. 6-17 zeichnerische Darstellungen der verschiedenen Prozeßstufen im Querschnitt;
Fig. 18 eine computersimulierte Querschnittsdarstellung eines Werkstückes vor der Verarbeitung;
Fig. 19 eine computersimulierte Querschnittsdarstellung eines Werkstückes nach der Verarbeitung;
Fig. 20 eine computersimulierte Querschnittsdarstellung eines Werkstückes und ein symmetrisches, abstandsgleiches Entlüftungspaar vor der Verarbeitung;
Fig. 21 eine computersimulierte Querschnittsdarstellung eines Werkstückes und ein symmetrisches, abstandsgleiches Entlüftungspaar nach der Verarbeitung;
Fig. 22 eine computersimulierte Querschnittsdarstellung eines Werkstückes und ein symmetrisches, abstandsgleiches Entlüftungspaar vor der Verarbeitung;
Fig. 23 eine computersimulierte Querschnittsdarstellung eines Werkstückes und ein symmetrisches, abstandsgleiches Entlüftungspaar nach der Verarbeitung;
Fig. 24 eine computersimulierte Querschnittsdarstellung eines Werkstückes und ein asymmetrisches, versetztes Entlüftungspaar vor der Verarbeitung;
Fig. 25 eine computersimulierte Querschnittsdarstellung eines Werkstückes und ein asymmetrisches, versetztes Entlüftungspaar nach der Verarbeitung;
Fig. 26 eine Querschnittsdarstellung eines Werkstückes und ein asymmetrisches, versetztes Entlüftungspaar vor der Verarbeitung;
Fig. 27 eine Querschnittsdarstellung eines Werkstückes und ein asymmetrisches, versetztes Entlüftungspaar nach der Verarbeitung; und
Fig. 28 eine verallgemeinerte Querschnittsdarstellung einer Anordnung der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG

Fig. 1 zeigt eine grafische Darstellung eines Schmiedewerkstückes, das zu einem Scheibenrad für eine Gasturbine verarbeitet wird. Es wird gezeigt, daß das Werkstück 10 noch die zu opfernde Rippe 11 trägt, die angrenzend an die Verbindung zwischen der Bohrung oder der Verschlußkappe 13 und dem Rand 15 angeordnet ist.
Fig. 2 zeigt eine ausschnittsweise Darstellung eines Werkstückes und insbesondere einen Abschnitt der zu opfernden Rippen 11 und 17, die an die Verbindungslinie 16 angrenzen. Die Verbindungslinie 16 ist natürlich tatsächlich eine Rotationsfläche, die die Berührung zwischen dem Bohrungsabschnitt 13 und dem Randabschnitt 15 darstellt.
In Fig. 3 wird das Scheibenrad gezeigt, nachdem die zu opfernde Rippe 11 vom Scheibenrad entfernt wurde.
Wenn auch die vorliegende Erfindung in vielen Situationen angewandt werden kann, bei denen das Verbinden von zwei oder mehreren Metallstücken eingeschlossen ist, ist die Erfindung besonders für eine Anwendung in der Geometrie geeignet, die schematisch in Fig. 28 gezeigt wird. Jene besonders geeignete Geometrie verkörpert ein Verfahren zur Herstellung eines Scheibenrades 150, das eine Scheibenradachse 151, eine erste Scheibenradfläche 152, eine zweite Scheibenradfläche 153 und einen ringförmigen äußeren Rand 171, der den äußersten Umfang des Werkstückes definiert, aufweist. Das Scheibenrad besitzt ebenfalls einen mittleren Abschnitt 154, der aus einer ersten Legierung gebildet wird, und einen ringförmigen peripheren Abschnitt 155, der aus einer zweiten Legierung gebildet wird. Die Grenze 156 zwischen dem mittleren und dem peripheren Abschnitt ist eine Rotationsfläche 157 um die Scheibenradachse 151 herum, und sie wird durch eine Erzeugende 158 definiert, die ein erstes Ende 159 und ein zweites Ende 160 aufweist. Die Fläche 157 besitzt einen ersten kreisförmigen Rand 161 an der ersten Fläche 152 des Scheibenrades 150, der durch das erste Ende 159 der Erzeugenden 158 gebildet wird, und einen zweiten kreisförmigen Rand 162 an der zweiten Fläche 153 des Scheibenrades 150, der durch das zweite Ende 160 der Erzeugenden 158 gebildet wird. Im wesentlichen weist der Prozeß drei Schritte auf. Der erste Schritt umfaßt das Anordnen des Scheibenrades 150 zwischen einem ersten Gesenk 163, das eine erste Gesenkpaßfläche 164 aufweist, und einem zweiten Gesenk 165, das eine zweite Gesenkpaßfläche 166 aufweist. Jede Gesenkpaßfläche besitzt eine konkave Vertiefung 173 und 174, und die zwei Vertiefungen bilden einen Schmiedehohlraum 175. Mindestens eines der Gesenke muß eine ringförmige Entlüftung 167 aufweisen, die in seiner Gesenkpaßfläche und auf der Oberfläche der Vertiefung gebildet wird, wobei die Entlüftung 167 zwei konzentrische Entlüftungsränder 168 und 169 an der Gesenkpaßfläche aufweist. Der zweite Schritt umfaßt, daß die Gesenke 163 und 165 veranlaßt werden, sich einander längs einer Schmiedeachse 170 zu nähern, die parallel zur Scheibenradachse 151 verläuft, so daß die Entlüftungsränder 168 und 169 einen der Ränder der Fläche überbrücken oder bei einigen Anwendungen die Stelle überbrücken, wo der Rand gewünscht wird. Diese Gesenkbewegung bewirkt den Schmiedevorgang, der so durchgeführt wird, daß etwas von der ersten Legierung und etwas von der zweiten Legierung zusammen mit dem Material an der ursprünglichen Verbindungslinie dazu veranlaßt werden, in die Entlüftung längs einer Bewegungslinie, die im wesentlichen parallel zur Schmiedeachse verläuft, zu fließen, um eine Rippe in der Entlüftung zu bilden. Der dritte Schritt umfaßt das Entfernen der Rippe vom Scheibenrad.
Fig. 4 zeigt ein Ablaufschema einer typischen Anwendung des verbesserten Schmiedeverbindens (Betriebsart 2). Bei den Schritten 21 und bzw. 22 werden die Bohrungs- und Rippenabschnitte gebildet, vorzugsweise durch Extrudierung aus feinkörnigem Metallpulver zu einem Strang. Bei den Schritten 23 und 24 werden die Bohrung und der Rand zu Vorformen geschmiedet, vorzugsweise, ohne daß ein Kornwachstum hervorgerufen wird. Bei den Schritten 25 und 26 werden die Teile bearbeitet, und insbesondere werden die Paßflächen so bearbeitet, daß sie zueinander hinsichtlich der Form konform sind, während der Randabschnitt peripher um den Bohrungsabschnitt herum paßt. Bei den Schritten 27 und 28 werden die Paßflächen gereinigt, beispielsweise durch elektrolytisches Polieren. Obgleich sich diese Diskussion auf die Verbindungslinien, die parallel zur Schmiedeachse verlaufen, und die Achse eines achsensymmetrischen Werkstückes konzentrieren wird, muß verstanden werden, daß der Konstrukteur sich dafür entscheiden kann, die Verbindungslinie mit einem Verjüngungswinkel im Interesse der Leichtigkeit der Montage zu versehen (der dazu führt, daß sie nicht parallel zur Achse des Werkstückes verläuft). Das wird natürlich dazu führen, daß die Grenze eher eine kegelige Fläche als eine zylindrische Fläche ist.
Beim Schritt 29 werden die Bohrungs- und Randstücke in Berührung miteinander und im Vakuum eingekapselt angeordnet. Diese Einkapselung kann durch Elektronenstrahlschweißen einfach an den äußeren Rändern der Verbindungsfläche, durch Elektronenstrahlhartlöten in der gleichen Weise oder durch Einkapseln des gesamten Scheibenrades in einer Hülle bewirkt werden. Der Zweck ist, daß die Paßflächen während des Verbindungsvorganges (Schritt 30) sauber gehalten werden.
Beim Schritt 30 werden die zwei Stücke diffusionsverbunden, indem das Werkstück einem isostatischen Heißpressen ausgesetzt wird.
Beim Schritt 31 wird die Einkapselung beseitigt, und beim Schritt 32 wird die Verbindung überprüft.
Der Schritt 33 ist der, bei dem das Werkstück dem verbesserten Schmiedeverbinden unterworfen wird, das anschließend im Detail diskutiert wird. Beim Schritt 34 wird die zu opfernde Rippe entfernt und bei Schritt 35 überprüft.
Beim Schritt 36 wird die Verbindung innerhalb des Werkstückes selbst überprüft. Das Werkstück wird zu der geeigneten Form im Schritt 37 bearbeitet.
Beim Schritt 38 wird das Werkstück lösungsgeglüht, indem entweder eine monotone oder differentielle Wärmebehandlung oder eine Kombination davon angewandt wird.
Beim Schritt 39 wird das Werkstück ausgehärtet (indem die monotone oder differentielle Wärmebehandlung oder eine Kombination davon angewandt wird), und beim Schritt 40 wird das Werkstück überprüft.
Fig. 5 zeigt ein Ablaufschema für die Anwendung der gegenwärtigen Erfindung beim Schmiedeverbinden (Betriebsart 1). Im wesentlichen sind die vorbereitenden Aktivitäten jenen gleich, die in Fig. 4 bis Schritt 59 gezeigt werden. Beim Schritt 59 werden die Bohrung und der Rand in Berührung miteinander angeordnet. An dieser Stelle kann der Prozeß einfach zum nächsten Schritt des Schmiedeverbindens übergehen. Das ist besonders akzeptabel, wo die zwei Stücke miteinander eine Preßpassung erfahren, indem die Verbindungslinie mit einem geeigneten Verjüngungswinkel konstruiert wird, oder indem eine Wärmeausdehnung und eine Zusammenziehung angewendet werden, um eine sehr genaue Passung zu erhalten. Unter geeigneten Umständen kann es jedoch erforderlich sein, die Stücke miteinander durch Heftschweißen zu verbinden oder die Stücke einzukapseln, um die saubere Fläche vor einer Verunreinigung zu schützen.
Die übrigen Schritte sind im wesentlichen die gleichen wie jene, die in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben werden.
Fig. 6 bis 11 zeigen die Schritte der Anwendung der vorliegenden Erfindung, bei der die Entlüftungen 85 und 86 gleichzeitig an jedem Ende der Verbindungslinie während des Schmiedevorganges angeordnet werden.
Fig. 12 bis 17 zeigen eine gleiche Verarbeitungsfolge, bei der die Entlüftung an einer Seite bei einem Schlagschmieden erfolgt und danach die Entlüftung auf der anderen Seite beim anderen Schlagschmieden. Das wird als asymmetrisches Entlüften im Gegensatz zum symmetrischen Entlüften des Prozesses in Fig. 6 bis 11 bezeichnet. Diese Flexibilität der Einstellung der Entlüftungsform und der Stelle gestattet dem Konstrukteur, den Metallfluß in die Entlüftung zu steuern und gibt ihm damit die Möglichkeit, die Verschiebung und die Verformung der Fehler in der ursprünglichen Verbindungslinie zu steuern.
In Fig. 6 bis 17 besteht das Scheibenrad, das im Querschnitt gezeigt wird, aus einer Bohrung und einem Rand (der an zwei Stellen erscheint). Die starke, dunkle Linie, die an den Verbindungslinien erscheint, verkörpert die potentiellen Fehler, die, wie man sieht, immer mehr aus dem Körper des Werkstückes heraus und in die zu opfernden Rippen hinein bewegt werden. Die Fehler können Verunreinigungen, wie beispielsweise Oxide, Schmutz, Staub, Hohlräume oder Einschlüsse im Metall sein. Außerdem kann ein Fehler ebenfalls ein Körnchen, eine Zone oder ein Metallbereich in der oder angrenzend an die Verbindungslinie sein, wobei eine Mikrostruktur vom Schritt des Diffusionsverbindens zu verzeichnen ist, die für die Nutzung nicht geeignet ist (erschöpfte Zone). Fig. 6 zeigt das Scheibenrad oder Werkstück 70 im Querschnitt durch seine Mitte oder Achse hindurch. Das Werkstück 70 besteht aus einer mittleren Bohrung oder Verschlußkappe 71 und einem Rand 72, der in der Zeichnung an zwei Stellen erscheint. Die Bohrung 71 und der Rand 72 sind an einer Verbindungsfläche 73 miteinander in Berührung, die in der Zeichnung als Verbindungslinie 74 und Verbindungslinie 75 gezeigt wird. An der Verbindungslinie 74 und der Verbindungslinie 75 können Fehlersubstanzen vorhanden sein, die als starke, dunkle Linien 76 und 77 gezeigt werden. Das Schmiedegesenk 78 selbst besteht aus einem oberen Gesenk 79 und einem unteren Gesenk 81. Die Vertiefungen sowohl des oberen Gesenkes 79 als auch des unteren Gesenkes 81 umfassen die rippenbildenden Entlüftungen 85 und 86, die an jedem der Enden der Verbindungslinien angeordnet sind. Es ist so zu verstehen, daß diese Entlüftungen tatsächlich kreisförmige Nuten in der Paßfläche des Gesenkes sind.
Die Schmiedegesenke der vorliegenden Erfindung sind normalerweise so geformt, daß sie der Ausgangsform des Werkstückes oder der Vorform genau entsprechen, abgesehen natürlich von den Entlüftungen. Auf diese Weise bewirkt der Vorgang des Schmiedeverbindens eine geringe Veränderung der Form des Werkstückes und relativ kleine Verformungen (Metallfluß) innerhalb des Werkstückes. Die Ausnahme ist der fluß des Metalls angrenzend an die anfängliche Verbindungslinie. Jenes Metall fließt in Richtung der Verbindungslinie und danach parallel zur und mit der Verbindungslinie von den Enden der Verbindungslinie aus nach außen zu in die Entlüftungen. Diese großen Verschiebungen und Verformungen werden fast vollständig an der und angrenzend an die Verbindungslinie und im Bereich an der Mündung der Entlüftung konzentriert. Die Minimierung des Metallflusses im Rest des Werkstückes erhöht die Vorhersagbarkeit des Flusses an der Verbindungslinie und verringert den überfließenden Stoff, während sich die Gesenke schließen. Außerdem minimiert der Prozeß die Verformungsgradienten im Werkstück und minimiert daher die mikrostrukturellen Veränderungen, die sich aus den Verformungsgradienten ergeben würden.
In einigen begrenzten Fällen könnte es jedoch vorteilhaft sein, die Gesenke absichtlich so zu konstruieren, daß sie nicht genau zur Ausgangsform des Werkstückes in einem lokalen Bereich passen, sondern eher die Gesenke so zu gestalten, daß sie ein Sammelbecken mit dem Ausgangswerkstück bilden. Das Sammelbecken (lokaler Spalt zwischen der Vorform und der Gesenkpaßfläche) wird so konstruiert, daß der Metallfluß während des Prozesses passiv aufgenommen wird, und daß dadurch der Fluß während des Prozesses gesteuert wird. Diese Verfahrensweise kann besonders in zwei Situationen nützlich sein. Die erste Situation tritt auf, wenn das Volumen einer Legierung viel größer ist als das der anderen. Die Anwendung des Prozesses in dieser Situation kann manchmal zu einer Wölbung und radialen Verschiebung der Verbindungslinie führen. Diese Ergebnisse können innerhalb akzeptabler Grenzen gehalten werden, indem ein Sammelbecken zur Verfügung gestellt wird, um den Metallfluß von der reichlicheren Legierung aufzunehmen. In der zweiten Situation ermittelte man, daß, wenn ein Ausgangswerkstück mit einer sehr kurzen Verbindungslinie (und daher scheinbar wenigen Fehlern) in den Gesenken mit einem Sammelbecken zwischen einem Ende der Verbindungslinie und einer Entlüftung verarbeitet wird, die Verbindungslinie manchmal veranlaßt werden kann, sich in das Sammelbecken und die Entlüftung hinein zu erstrecken. Das gestattet die Ausdehnung der Länge der Verbindungslinie innerhalb des Gesenkhohlraumes, bevor die Verbindungslinie in die Entlüftung eintritt.
Fig. 6 zeigt die Position des Werkstückes und der Gesenke vor dem Schmiedeschritt.
In Fig. 7 wurde der Schmiedeschritt durchgeführt, und man kann sehen, daß das Material aus dem Werkstück in die Entlüftungen geflossen war, um Rippen an jeder Seite des Werkstückes zu bilden. Es muß beachtet werden, daß das Fehlermaterial, das als dunkle Linien gezeigt wird, aufgebrochen, ausgedehnt und nach außen zu von der Verbindungslinie aus und in den Bereich der zu opfernden Rippen hinein verschoben wurde. Die dynamische Bewegung des Metalls während des Schmiedevorganges bewirkt eine wirksame Verschiebung des Fehlermaterials aus dem Bereich der Verbindungslinien und setzt jegliches Fehlermaterial, das an der ursprünglichen Verbindungslinie zurückgelassen wird, sehr hohen Verformungen aus. Es ist wichtig zu bemerken, daß die Verformung und die Verschiebung des Materials an den Verbindungslinien durch die allgemeine Verschiebung hervorgerufen wird, die in der Metallmasse durch den Schmiededruck bewirkt wird. Es ist nicht nur das Ergebnis der Bewegung der Bohrung mit Bezugnahme auf den Rand, während sich die Gesenke schließen.
Der Schmiedevorgang ist normalerweise so ausgelegt, daß er bei einer erhöhten Temperatur durchgeführt wird, um die Fließspannung des Metalls zu verringern. Im speziellen Fall der Superlegierungen ist der Schmiedevorgang so ausgelegt, daß er unter isothermischen Bedingungen durchgeführt wird, d.h., Bedingungen, bei denen das Werkstück und die Gesenke nominell die gleiche Temperatur während des Schmiedens aufweisen, und bei denen die superplastische Verformung oder Verformung des Metalls bei verstärkter Plastizität den Metallfluß zur Verbindungslinie und in die Entlüftung hinein verstärkt. Der Prozeß ist so ausgelegt, daß das gesamte Werkstück auf die gleiche Temperatur während des Schmiedens erwärmt wird, anstelle des Falls der lokalen Erwärmung eben des Bereichs der Verbindungslinie. Das hilft dabei, die mikrostrukturelle Gleichmäßigkeit in jeder Legierung im Werkstück aufrechtzuerhalten. Es ist ebenfalls wichtig zu bemerken, daß die Gesenkentlüftungen so konstruiert wurden, daß eine gesteuerte und wirksame Verschiebung der ursprünglichen Verbindungslinie und der damit verbundenen Fehler bewirkt wird. Normalerweise werden die Gesenke so konstruiert, daß sie sich genau an die Kontur der Werkstückvorform vor dem Schmieden anpassen. Als Ergebnis dessen wird die Verformung in großem Umfang an der Verbindungslinie konzentriert. Analytische Simulationen zeigten, daß mittels dieser allgemeinen Hohlraumkonstruktion und der Belastungssituation (Belastung parallel zur Metallbewegung in die Entlüftungen) das reine Metall aus sowohl der Bohrungs- als auch der Randvorform zur Verbindungslinie gedrückt wird, und daß das Metall an der ursprünglichen Verbindungslinie und die Fehler dadurch aus der Teilgeometrie in die zu opfernden Rippen gepreßt werden. Die Entlüftungen sind so konstruiert, daß die maximale Menge des Metalls an der Verbindungslinie für die geringste Menge des gesamten Metalls, das in die zu opfernde Rippe gepreßt wird, entfernt wird. Es ist ebenfalls wichtig zu bemerken, daß das Prinzip des Schmiedeverbindens ausgezeichnete Ergebnisse hinsichtlich der genauen Stelle der endgültigen Verbindungslinie gezeigt hat. Diese Fähigkeit, die Stelle der Verbindungslinie reproduzierbar vorherzusagen, ist für Anwendungen bei Turbinen dringend notwendig.
Fig. 8 zeigt das Werkstück nach dem Entfernen der zu opfernden Rippen an jeder Seite des Werkstückes. Es kann bemerkt werden, daß im wesentlichen das gesamte Fehlermaterial (theoretisch 99,9%+) in die zu opfernden Rippen verschoben wurde, wobei wenig oder kein Fehlermaterial innerhalb des verbleibenden Körpers des Werkstückes zurückbleibt, wenn erst einmal die zu opfernden Rippen entfernt wurden. Weil bemerkt wurde, daß die Einwirkung einer hohen Verformung auf die Fehlermaterialien innerhalb des Werkstückes in bedeutendem Maße den nachteiligen Einfluß der Fehlermaterialien auf die Eigenschaften der Werkstücke verringert, ist es oftmals angemessen, die sehr geringe Menge an Fehlermaterial zu akzeptieren, die bei Fig. 8 im Werkstück verbleibt, und die Verarbeitung des Werkstückes in der konventionellen Weise fortzusetzen.
In Situationen, bei denen es besonders wichtig ist, das potentielle Vorhandensein von Fehlern an der Verbindungslinie zu minimieren, wurde es für wirksam befunden, im wesentlichen ein Umschmieden (Nachschlagen) des Werkstückes nach dem Entfernen der zu opfernden Rippe durchzuführen und dadurch die Fehlerverschiebung wiederum an der Verbindungslinie durchzuführen, die sich aus dem vorhergehenden Schlagschmieden ergab. Das ist ein sehr nützlicher Aspekt des Verbindungsvorganges der vorliegenden Erfindung, weil er die Fortsetzung des Prozesses in mehreren Schritten (Nachschlagen) gestattet, ohne daß die Eigenschaften des Werkstückes verschlechtert werden, und ohne die Notwendigkeit des Heraustrennens der resultierenden Verbindungslinie vom vorhergehenden Schlagschmieden. Das kann besonders wichtig sein, wenn der anfängliche Verbindungsvorgang nicht ein ausreichendes Niveau der Qualität der Verbindungslinie erreicht. In jenem Fall kann der Prozeß wieder ohne Heraustrennen der nichtakzeptablen Verbindung und Vergeudung von Metall durchgeführt werden. Das funktioniert gut im Falle eines zweiteiligen Scheibenrades (Bohrung und Rand), bei dem der Gedanke des Heraustrennens einer nichtakzeptablen Verbindung ernsthafte praktische Probleme mit sich bringt. Andere Verbindungsverfahren, wie beispielsweise das Inertschweißen und Reibungsschweißen, gestatten nicht die erneute Verarbeitung einer Verbindungslinie. Statt dessen muß die nichtakzeptable Verbindung herausgetrennt (und verschrottet) werden, und der Prozeß muß von Beginn an wiederholt werden. Im Falle des zweiteiligen Scheibenrades kann das das Verschrotten des gesamten Werkstückes erfordern, weil das Werkstück nicht ausreichend Metall zur Verfügung haben kann, um das herausgetrennte Stück auszugleichen. Wie den fachleuten bekannt sein wird, könnte die Absicht, dieses Nachschlagen durchzuführen, bei der Konstruktion des Gesenkes und bei der Auslegung des gesamten Schmiedevorganges berücksichtigt werden.
Fig. 9 bis 11 zeigen die Arbeitsfolge des Nachschlagens. Wie durch Beachten der Lokalisierung der dunklen Stellen im Werkstück gesehen werden kann, werden sie vom Körper des Werkstückes aus nach außen zu in die zu opfernden Rippen verschoben, wo sie in Fig. 11 entfernt werden.
Fig. 12 bis 17 zeigen einen Prozeß, bei dem die Rippen in asymmetrischer Weise gebildet werden. Es wurde ermittelt, daß dieses Verfahren unter verschiedenen Umständen sehr wirksam ist, weil längs der Verbindungslinie keine Stelle vorhanden ist, wo die Verschiebung ein wesentliches Gleichgewicht (Nullverschiebung) erreicht. Im Ergebnis dessen verdrängt die Verschiebung, die an jeder Stelle längs der Verbindungslinie bei dem einen oder dem anderen der zwei Schmiedeschritte auftritt, in wirksamer Weise die Fehler aus dem Körper des Werkstückes. Fig. 12 zeigt das unverarbeitete Werkstück 100 und die anderen Elemente, die etwa denen in Fig. 12 entsprechen. Man beachte jedoch, daß das untere Gesenk nicht die randbildenden Entlüftungen aufweist.
Auf diese Weise bewirkt der Schmiedevorgang, wie in Fig. 13 gezeigt wird, die Verschiebung des Materials aus dem Bereich der Verbindungslinie nach oben zu in die Entlüftungen des oberen Gesenkes. Das bewegt sehr wirksam das Material in diesem spezifischen Fall aus etwa den oberen 90% der Verbindungslinie nach oben zu in den Bereich der zu opfernden Rippe; die verbleibenden 10% werden über die Stärke des Scheibenrades stark verformt und gedehnt.
In Fig. 14 wird das Werkstück nach dem Entfernen der oberen zu opfernden Rippe gezeigt.
Da die Menge des Fehlermaterials, die in dem Teil in Fig. 14 verbleibt, nicht akzeptabel sein kann, erfordert diese Ausführung der Erfindung wahrscheinlich die weitere Verarbeitung, die bei Fig. 15 gezeigt wird. In jenem Fall wird ein neuer Satz Gesenke, bei denen keine Entlüftung im oberen Gesenk vorhanden ist, bei denen aber eine Entlüftung im unteren Gesenk vorhanden ist, verwendet. Bei einigen Anwendungen ist es ebenfalls möglich, das Werkstück so zu konstruieren, daß das Werkstück, nachdem die Rippe von einer Seite entfernt wurde, einfach umgedreht und umgeschmiedet werden kann, wobei im wesentlichen die ursprünglichen Gesenke und Entlüftungen wieder verwendet werden können.
Fig. 16 zeigt den zweiten Schmiedeschritt, bei dem die Verschiebung des Materials an der Verbindungslinie nach unten zu in die Entlüftungen im unteren Gesenk auftritt. Das entfernt sehr wirksam 90% der verbleibenden fehler, die über die Verbindungslinie gedehnt wurden, und es beseitigte im wesentlichen 99% der fehler aus dem Hauptkörper des Werkstückes in zwei Arbeitsgängen. Die verbleibenden Fehler wurden in zwei Richtungen gedehnt, wodurch ihr Einfluß auf die Eigenschaften bedeutend verringert wurde.
Fig. 17 zeigt das Entfernen der unteren zu opfernden Rippe und zeigt, daß die Fehler wirksam aus dem Körper des Werkstückes entfernt wurden. Man muß daran denken, daß jegliche Fehler, die im Körper des Werkstückes verbleiben, einer sehr bedeutenden Verformung ausgesetzt wurden, wodurch ihre nachteiligen Einflüsse verringert werden.
Es wurde ermittelt, daß dieser Prozeß 99+% der ursprünglichen Verbindungslinie und der damit verbundenen Fehler aus der endgültigen Form oder dem Volumen heraus und in die zu opfernde Rippe hinein verschieben kann. Das kann in einem oder mehreren Schmiedevorgängen in Abhängigkeit von der Art der Entlüftung (symmetrisch (in beiden Gesenken), asymmetrisch (in einem Gesenk)), der Versetzung der Entlüftung von der Achse, der Profilform der Entlüftung und dem Entlüftungsvolumen oder der Querschnittsfläche erfolgen. Im typischen Fall entfernt ein Schlagschmieden 80 bis 90% der ursprünglichen Verbindungslinie, und das zweite Schlagschmieden entfernt alles bis auf weniger als 1%. Da normalerweise die Fehler, wenn sie vorhanden sind, längs der ursprünglichen Verbindungslinie verteilt werden, steht der Umfang der entfernten Verbindungslinie mit dem Ausmaß des Entfernens der Fehler in Wechselbeziehung. Außerdem werden jegliche verbleibenden Fehler um 350% oder mehr verformt, wodurch im wesentlichen ihr Beitrag zum Ermüdungsbruch bei niedriger Dauerschwingung verringert wird. Der Umfang der Verbindungslinie, die verschoben wird, kann durch Abänderung der Geometrie der Entlüftung verändert (vergrößert) werden. Beispielsweise ist es möglich, 99% der Verbindungslinie in einem einzelnen Arbeitsgang zu entfernen, indem ein vergrößerter Hohlraum benutzt wird. Die betreffenden Fehler können eingeschlossenen Schmutz, Oxide und Hohlräume, metallurgische Fehler und unerwünschte Grenzflächenlegierungen und Karbidfällungen sowie Zonen einschließen, bei denen eine Gammaeisenerschöpfung zu verzeichnen ist. Im wesentlichen wird neues Metall aus dem Körper der Legierungen an der Verbingunslinie vorgelegt.
Die bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Reihe von Verfahrensschritten für die Herstellung eines Scheibenrades mit doppelter Legierung, das für eine Verarbeitung zu Rotoren geeignet ist, wie beispielsweise jene, die in Gasturbinen eingesetzt werden. Das technische Verfahren konzentriert sich auf die Technologie, die am besten mit "Schmiedeverbinden" oder "verbessertem Schmiedeverbinden" beschrieben wird. Wie aus dem Zusammenhang deutlich wird, wird der Begriff "Schmiedeverbinden" manchmal alternativ generisch verwendet, um den Schmiedevorgang selbst zu kennzeichnen, der der Mittelpunkt der beiden Betriebsarten ist. In Versuchen wurde die Durchführbarkeit dieser Technologie für die Herstellung eines Scheibenrades mit doppelter Legierung bei einer Verbindung von hoher Integrität demonstriert.
Das Prinzip des Schmiedeverbindens von pulverigen Metallsuperlegierungen umfaßt vier grundlegende Schritte:
1. Das isothermische Schmieden der Bohrungs- und Randvorformen.
2. Das HIP-Diffusionsverbinden der Bohrungs- und Randvorformen.
3. Die isothermischen Fertigschmiedevorgänge, um die Verbindungslinie lokal zu verformen.
4. Die Wärmebehandlung des schmiedeverbundenen Scheibenrades, um die Eigenschaften in der Bohrung, dem Rand und über die Verbindungslinie zu optimieren.
Der Mittelpunkt des Verfahrens des Schmiedeverbindens ist der Schritt #3, der Fertigschmiedevorgang. Der Zweck dieses Vorganges ist die starke Verformung der ursprünglichen Verbindungslinie und die Verschiebung des Materials der ursprünglichen Verbindungslinie mit den ihr anhaftenden Fehlern nach außerhalb des fertigbearbeiteten Teils. Eine schematische Darstellung einer gebundenen Vorform in einem Satz Gesenke wird in Fig. 6 gezeigt. Die Gesenke sind so konstruiert, daß die Verformung beim Fertigschmiedevorgang auf die Verbindungslinie konzentriert wird. Fig. 18 und 19 zeigen das Ergebnis einer analytischen Simulation des verbesserten Schmiedeverbindungsvorganges. Die Simulation wurde bei Anwendung des ALPID (Analyse der großen plastischen schrittweisen Verformung)-Finite-Element- Computerprogramms der Metallverformung und der Daten der geeigneten Metalleigenschaften durchgeführt.
Fig. 18 zeigt einen Viertel schnitt im Profil eines Werkstückes in einem Gesenk mit Entlüftungen für das verbesserte Schmiedeverbinden mit symmetrischem Querschnitt und gleichem radialem Abstand. Daher trifft dieser Fall für die symmetrischen Gesenkentlüftungen (obere und untere Hohlräume von gleicher Größe, gleiches symmetrisches Profil und gleicher Abstand von der Scheibenradachse) zu. Nur ein Viertelschnitt muß wegen der geometrischen Symmetrie modelliert werden. Das Linienmuster in Fig. 18 am Werkstück verkörpert ein Finite-Element-Gitter oder -Netz. Jeder Linienschnittpunkt verkörpert eine Stelle des Metalls, und jede geschlossene Figur verkörpert eine Metallzone. Daher kann man sowohl die Verschiebung als auch die Verformung vor (Fig. 18) und nach (Fig. 19) dem Prozeß verfolgen. Weil der Fall der Fig. 18-19 relativ einfach ist, ist das Ergebnis quantitativ relativ genau. Fig. 20-27 schließen kompliziertere Fälle ein, und die Finite-Element-Gitter stellen die Gitterverformung im Ergebnis des Metallflusses für die letzten 20% des Prozeßzyklusses dar. Kumulative Muster stehen nicht zur Verfügung, weil bei diesen komplizierten Fällen ein Prozeß der "erneuten Vernetzung" erforderlich ist. Wenn diese Figuren auch nicht quantitativ den Prozeß darstellen, verkörpern sie auf diese Weise im allgemeinen das qualitative Metallflußbild, das durch die Geometrie der Entlüftung erzeugt wird.
Fig. 19 zeigt die Gitter nach dem verbesserten Schmiedeverbindungsvorgang. Die Verschiebung und die Verformung werden an der Verbindungslinie konzentriert, was zu einem wirksamen Entfernen der ursprünglichen Verbindungslinie und der Fehler führt. Bei diesem Beispiel muß beachtet werden, daß sieben der acht Zonen des Metalls, die in Fig. 18 an die Verbindungslinie angrenzen, in die Entlüftung hinein (aus dem Teil heraus) in Fig. 19 im Ergebnis eines Schmiedevorganges verschoben wurden. Außerdem zeigt der feine Abstand der vertikalen Linien an der Verbindungslinie die Bewegung des reinen Metalls aus dem Körper des Schmiedestückes zur Verbindungslinie, um das ursprüngliche Material an der Verbindungslinie zu ersetzen, das in die Entlüftung gepreßt wurde.
Es muß beachtet werden, daß ein gleicher Metallfluß an der Stelle der ursprünglichen Verbindungslinie zustande gebracht werden kann, die unter einem Winkel mit Bezugnahme zur Belastungsachse verläuft, wie nachfolgend diskutiert wird.
Die Finite-Element-Modellierung der Verschiebungen der Verbindungslinie in maßstabsverkleinerten Schmiedestücken zeigte, daß Verformungen bis zu 350% an der Verbindungslinie und Verschiebungen der ursprünglichen Verbindungslinie von bis zu 98% in eine Position außerhalb des fertigen Teils mit den getesteten Geometrien des Hohlraumes und der Entlüftung erhalten werden können. Diese Ergebnisse wurden durch Versuche bestätigt. Größere Verformungen und stärkere Verschiebungen sind bei anderen Konstruktionen des Gesenkhohlraumes und der Entlüftung zu erreichen.
Die Verformungen und Verschiebungen sind beim Entfernen der Fehler aus der ursprünglichen Verbindungslinie wirksam. Das wurde bei einem Schmiedestück der maßstabsverkleinerten Kontrollstücke mit ebener Verformung demonstriert. Im Extremfall wurden stark oxidierte, ungebundene Grenzflächen drastisch durch das Schmiedeverbinden verbessert. Beim Test an zwei Rene'95 Superlegierungsvorformen bewirkte das Schmiedeverbinden 200% Verformung und 85% Verschiebung der Verbindungslinie aus der fertigen Form des Teils heraus. Das Heraustrennen der oberen und unteren "Rippen" und das Umschmieden verstärkten die Verformung an der Verbindungslinie auf 350% und die Verschiebung der Verbindungslinie aus der endgültigen Form heraus auf 98%. Die Verbindungslinie, die in der endgültigen Form verbleibt, war im wesentlichen fehlerfrei.
Gleiche Ergebnisse wurden bei der Verwendung von nicht gebundenen Paaren von verschiedenen Legierungen gezeigt. Es gab eine bedeutende Verbesserung der Reinheit der Verbindung im Ergebnis des Schmiedeverbindens.
Die gezeigten Ergebnisse des Schmiedens von "schmutzigen" nicht gebundenen Vorformen unterstützen das Prinzip des Schmiedeverbindens. Der Fertigschmiedevorgang entfernt die Grenzfläche der ursprünglichen Verbindungslinie und die damit verbundenen Fehler. Wenn man sich den Produktionsprozeß jedoch vorstellt, werden die Vorformen vor dem Fertigschmiedevorgang diffusionsverbunden. Vor dem Vorgang des Diffusionsverbindens werden die Paßflächen gewissenhaft gereinigt, um eine Verbindung von hoher Integrität herzustellen. Folglich wird der Schmiedeverbindungsvorgang (Betriebsart 2) nur weiter die Eigenschaften der Verbindungslinie verbessern, insbesondere hinsichtlich der Ermüdung, wo eine Fehlermenge so kritisch ist. Dieser Schmiedeverbindungsvorgang ist idealerweise für eine Anwendung beim Verfahren für die Herstellung einer "sauberen" Diffusionsverbindung zwischen verschiedenen pulverigen Metallsuperlegierungen durch elektrolytisches Polieren der Paßflächen und isostatisches Heißpressen (HIP) geeignet.
Außer daß eine Bindefestigkeit und die Reinheit der Verbindung bewirkt werden, gewährt das Verfahren des Schmiedeverbindens für die Herstellung eines Scheibenrades mit doppelter Legierung ebenfalls eine außergewöhnliche Kontrolle der Position der Verbindungslinie. Die Stelle der ursprünglichen Diffusionsverbindung kann auf Bearbeitungstoleranzen überwacht werden (± 0,05 mm). Das anschließende Schmieden in den Fertiggesenken ist ebenfalls ein kontrollierbarer Prozeß, da die Verformung im Bereich der Verbindungslinie konzentriert wird und der Fluß von beiden Seiten der Verbindungslinie aus in Richtung der Mitte und danach nach außen zu parallel zur und längs der Verbindungslinie erfolgt. Der Metallfluß ist bei Anwendung der Finite-Element-Modellierung vorhersagbar. Diese Standardsituation wird in Fig. 18 und 19 gezeigt.
Da der Metallfluß beim Prozeß als konsistent und vorhersagbar ermittelt wurde, kann der Prozeß für spezifische spezielle Probleme vervollkommnet werden. Beispielsweise kann die Entlüftungsform dafür benutzt werden, die Auswirkung abweichender Flußeigenschaften der zwei LA: ierungen zu normalisieren. Dieser Aspekt der Erfindung schließt die Form des Querschnittes der Entlüftung und/oder die Position der Entlüftungsränder in Beziehung zum Rand der Verbindungslinie ein. Wenn die Flußeigenschaften (insbesondere die Fließspannung) der zwei Legierungen gleich sind, wäre die Querschnittsform der Entlüftung auf jeder Seite der Verbindungslinie symmetrisch. Wenn die Flußeigenschaften jedoch unterschiedlich sind, kann die Form der Entlüftung schräg ausgeführt werden, um die Seite zu öffnen, die der Legierung mit der größeren Fließfestigkeit benachbart ist, um den wirksamen Fluß einer jeden Legierung in die Entlüftung hinein zu normalisieren, und um dadurch die Verbindungslinie zu stabilisieren. Man beachte, daß dieses Entlüftungsprofil in Fig. 24 gezeigt wird, obgleich jene Fig. ebenfalls einen anderen Aspekt der Erfindung einschließt (die Versetzung der Entlüftung von der Achse).
Wenn das Schmiedeverbinden mit symmetrischen Entlüftungen durchgeführt wird, die von der Scheibenradachse abstandsgleich sind, wird sogar eine Verbindungsfläche mit einem Verjüngungswinkel (für das Anpassen) parallel zur Achse während des verbesserten Schmiedeverbindungsvorganges vorhersagbar werden. Anpassungswinkel von bis zu 45º wurden analytisch modelliert und bei Anwendung dieser Erfindung für eliminierbar befunden. Fig. 20 und 21 zeigen die Modelle mit einem kleinen Verjüngungswinkel vor und nach dem Schmieden, und Fig. 22 und 23 zeigen die Modelle eines großen Verjüngungswinkels (etwa 45 Grad) vorher und danach. Diese Tendenz jener Entlüftungskonfiguration, eine anfängliche Verbindungsfläche mit einem Verjüngungswinkel in eine Verbindungsfläche mit keinem Verjüngungswinkel (parallel zur Scheibenradachse) umzuformen, kann benutzt werden, um einen bedeutenden Vorteil zu erzielen. für Montage- und Verbindungszwecke ist es manchmal wünschenswert, die separaten Abschnitte des Scheibenrades so zu bilden, daß sie zu einem Verjüngungswinkel passen. Das gestattet, daß die Bearbeitungstoleranz der Paßflächen weniger kritisch ist (weil die kegeligen Abschnitte selbstregulierend sind), und gestattet, wenn die fläche des inneren Elementes etwas überdimensioniert ist, das Auftreten eines verstärkten Grades des Druckes an der Verbindungslinie an verschiedenen Stellen im Prozeß. Es ist jedoch manchmal wünschenswert, diesen Verjüngungswinkel während des Schrittes des Schmiedeverbindens zu eliminieren, so daß die radiale Anordnung der Verbindungslinie gleichmäßig über die Stärke des Scheibenrades erfolgt. Die vorliegende Erfindung stellt ein wirksames Verfahren für das Eliminieren des Verjüngungswinkels zur Verfügung.
Andererseits kann es wünschenswert sein, eine Verbindungslinie mit einem Winkel (Verjüngungswinkel) zur Belastungs- oder Schmiedeachse und Mittellinie oder Achse des Scheibenrades nach dem verbesserten Schmiedeverbindungsvorgang beizubehalten oder einzurichten. Das kann erfolgen, um die zerstörungsfreie Überprüfbarkeit der Verbindungslinie zu verbessern. Es wurde analytisch gezeigt, daß die Gesenkentlüftungen hinsichtlich Form und Stelle (Stelle der oberen und unteren Entlüftungen relativ zueinander) so ausgelegt werden können, daß das zustande gebracht wurde. Es ist daher wichtig zu bemerken, daß das Prinzip des verbesserten Schmiedeverbindens eine genaue und vorhersagbare Überwachung der Stelle und Form der fertiggeschmiedeten Verbindungslinie (insbesondere des Verjüngungswinkels) zur Verfügung stellt. Genauer gesagt, bei einem Verfahren zur Einrichtung oder Beibehaltung des Verjüngungswinkels während des Schrittes des Schmiedeverbindens müssen die Entlüftungen im oberen und unteren Gesenk in unterschiedlichen Abständen von der Scheibenradachse eingerichtet werden, d.h., indem die Ränder einer jeden Entlüftung die Stellen überbrücken, wo die Ränder der Fläche gewünscht werden. Wie in Fig. 24 (vor dem Schmieden) und Fig. 25 (nach dem Schmieden) gesehen werden kann, wird die Anordnung der Entlüftungen mit nicht gleichem Radius (versetzt) die Herausbildung des Verjüngungswinkels bewirken, wo vorher keiner vorhanden war. Fig. 26 (vorher) und 27 (danach) zeigen, wie ein vorhandener Verjüngungswinkel beibehalten werden kann.
Eine Anzahl von geometrischen Beziehungen ist hinsichtlich der Optimierung des Verfahrens dieser Erfindung bedeutend, und ihr Einfluß muß sowohl für jedes Schlagschmieden als auch kumulativ über eine Anwendung mit mehrfachem Schlagschmieden betrachtet werden. Der erste Faktor ist die Querschnittsfläche der Entlüftung, insbesondere in Beziehung zur Länge der Verbindungslinie. Weitere wichtige Faktoren sind zweitens die Querschnittsform der Entlüftungen, drittens die Beziehung zwischen der Höhe und der Mündungsbreite der Entlüftungen und viertens die Beziehung zwischen den Mündungsbreiten der Entlüftungen und der Stärke des Scheibenrades. Es muß verstanden werden, daß Hinweise auf die Querschnittsflächen und die Abmessungen in der Querschnittsebene (die im achsensymmetrischen Fall die Achse umfaßt) direkt mit der dreidimensionalen Geometrie der spezifischen Anwendung oder des Werkstückes in Beziehung stehen und diese einschließen. Daher steht beispielsweise die Querschnittsfläche einer Entlüftung direkt mit dem Volumen der Entlüftung in Beziehung, obgleich die Beziehung nicht immer einfach ist.
Die Querschnittsform und die Querschnittsfläche der Entlüftungen spielen eine bedeutende Rolle bei der Optimierung dieser Erfindung. Beispielsweise wird die Querschnittsfläche der Entlüftung bestimmen, wieviel Metall aus dem Werkstück durch die Entlüftung herausbewegt wird. Gleichfalls wird das gesamte Metall, das aus dem Werkstück durch eine spezielle Anwendung dieser Erfindung bewegt wurde, etwa gleich der gesamten Querschnittsfläche der verwendeten Entlüftungen sein, wobei eine jede Wiederverwendung einer Entlüftung eine separate Verwendung in Betracht zieht.
Als praktisches Minimum (für die symmetrische Entlüftungsform) erfordert diese Erfindung eine Gesamtbewegung des Metalls aus dem Werkstück heraus, die der Ausgangsstärke des Scheibenrades (die Dimension der Stärke) an der anfänglichen Verbindungslinie mal einem Viertel (25%) jener Dimension gleichwertig ist. Als bevorzugtes Minimum erfordert diese Erfindung eine Bewegung des Metalls aus dem Werkstück heraus, die der Ausgangsstärke des Scheibenrades (die Dimension der Stärke) an der Verbindungslinie mal der Hälfte (50%) der Dimension der Stärke gleichwertig ist. Als optimaler Wert erfordert die Erfindung eine Bewegung des Metalls aus dem Werkstück heraus, die der Dimension der Stärke mal 100% der Stärke gleichwertig ist. Die Optimierung gleicht die zunehmende Entfernung von Fehlern gegenüber dem zunehmenden Metallabfall aus. Das Entfernen des Metalls kann in einem oder in mehr als einem Vorgang in Abhängigkeit von den technischen Überlegungen, wie beispielsweise der Gesenkfestigkeit, den Fähigkeiten der Schmiedepresse, usw., vorgenommen werden. Bei Anwendungen, wo das frei sein der Verbindungslinie von Fehlern nicht eine kritische Forderung ist (beispielsweise, wo das Vorhandensein von 20% der anfänglichen Fehler tolerierbar ist), kann ein geringeres Entfernen von Metall als beschrieben angemessen sein.
Die Querschnittsform der Entlüftungen kann viele Formen annehmen. Die bevorzugte Form ist etwa die eines Dreiecks mit einer Grundseite, die anfangs an das Werkstück angrenzt, und die die Mündung der Entlüftung bildet, und einer Höhenlinie, die den Abstand zwischen der Grundseite und der entferntesten Stelle der Entlüftung von der Grundseite aus definiert. In der Praxis werden die Innen- und Außenkanten abgerundet. Die zwei Entlüftungsprofile, die in Fig. 20 (ein ausgeglichenes oder symmetrisches Profil) und Fig. 24 (unausgeglichenes oder asymmetrisches Profil) gezeigt werden, wurden als besonders wirksam ermittelt, nicht nur beim Betrieb, sondern auch bei der analytischen Computermodellierung. Diese Entlüftungen könnten als glockenförmig beschrieben werden. Sie können durch eine Höhe (H), einen Krümmungsradius (RC) am Scheitel (geschlossenes Ende), einen Verjüngungswinkel (A1 und A2) für jede Seite und Eintrittskrümmungsradien (ER1 und ER2) charakterisiert werden. Die Breite (W) (Mündung) der Entlüftung wird durch die Schnittlinie der Entlüftungswand (längs des Verjüngungswinkels) mit der fortsetzung der Gesenkvertiefung (Gesenkpaßfläche) definiert. Die Eintrittsradien sind nicht in der Definition der Entlüftungsbreite enthalten.
Die Beziehung zwischen der Breite der Entlüftungsmündung und der Stärke des Scheibenrades oder anfänglichen Länge der Verbindungslinie ist wichtig. Eine schmale Mündung oder Breite neigt dazu, den fluß an der Verbindungslinie zu konzentrieren und entfernt daher die maximale ursprüngliche Verbindungslinie für das minimale gesamte Metall, das in die Entlüftung verschoben wird. Das verkörpert den theoretisch wirksamsten Prozeß mit dem geringsten Metallabfall. Eine schmale Breite begrenzt jedoch den Metallfluß infolge der Reibungswirkungen längs der Entlüftungswand, und diese Einschränkung des Flusses ist unerwünscht. Eine breitere Mündung zeigt die entgegengesetzten Auswirkungen. Das Verhältnis zwischen der Entlüftungsbreite und der anfänglichen Länge der Verbindungslinie muß zwei oder weniger betragen, vorzugsweise zwischen 2,0 und 0,1 und optimal zwischen 1,0 und 0,2 sein. Diese Werte gelten für den symmetrischen Querschnitt. Eine geeignete Regulierung muß für die asymmetrischen Profile vorgenommen werden.
Bei einer typischen Anwendung mit einem Schlagschmieden wird die gesamte Querschnittsentlüftungsfläche der beiden Entlüftungen gleich der mittleren Breite der Entlüftungen mal der anfänglichen Länge der Verbindungslinie oder größer sein. Der Querschnitt der Entlüftung wird im wesentlichen dreieckig sein, wobei die Grundseite am Werkstück zu finden ist, und wobei die Breite (W) der Entlüftung die Länge der Grundseite ist und die Höhe die Länge einer Höhenlinie, die eine Linie ist, die den Abstand zwischen der Grundseite und der Entlüftungsstelle verkörpert, die von der Grundseite am weitesten entfernt ist. Der Querschnitt kann auf beiden Seiten der Höhenlinie symmetrisch sein, oder er kann asymmetrisch sein, d.h., der Abschnitt der Grundseite auf einer Seite der Höhenlinie ist größer als der Abschnitt auf der anderen Seite.
Um eine maximale Übertragung der Verbindungslinie in die Entlüftung bei einer minimalen Übertragung von Metall zu erreichen, muß die Breite der Entlüftung verglichen mit der Höhe der Entlüftung klein sein. Als praktischer Extremfall muß die Höhe eines symmetrischen Entlüftungsprofils der halben Breite der Entlüftung gleich oder größer als diese sein. Es wird bevorzugt, daß die Höhe der Entlüftung mindestens der Breite der Entlüftung entspricht und optimal mindestens dem 2-fachen der Breite der Entlüftung. Bei Anwendung dieser Prinzipien auf die allgemeinen Fälle der mehrfachen Entlüftungen und/oder mehrfachen Schlagschmiedevorgänge entspricht die gesamte Querschnittsfläche der Entlüftungen, die beim Verfahren eingesetzt werden, etwa der mittleren Entlüftungsbreite aller Entlüftungen, die beim Verfahren eingesetzt werden, mal der Ausgangsstärke des Scheibenrades. Es muß verstanden werden, daß jeder Rand der Entlüftung gekrümmt sein wird, daß aber die Entlüftungsbreite so ermittelt wird, als ob die Krümmungen (Eintrittsradien) nicht vorhanden wären.
Durch Anwendung der Verfahren der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein voll ständiges Entfernen (mehr als 99,9%) des Materials der Verbindungslinie und der Fehler an der Verbindungslinie zu erreichen. Dennoch kann dieses Ergebnis mit einem hohen Wirkungsgrad erhalten werden; nicht nur in Form der Energie und des Ausrüstungsaufwandes, sondern ebenfalls in Form des Metallabfalls. Wenn der Prozeß bei Scheibenrädern für Turbinen angewendet wird, die aus kostspieligen Superlegierungen hergestellt werden, ist die Minimierung des Metallabfalls besonders wichtig. Weil der vorliegende Prozeß bewirkt, daß das Metall, das in die zu opfernde Rippe fließt, hauptsächlich aus den Zonen kommt, die an der Verbindungslinie oder angrenzend an diese zu finden sind, im Gegensatz zu dem, daß es aus anderen Zonen des Werkstückes kommt, neigt der Prozeß dazu, ein Minimum an Metall zu vergeuden, das erforderlich ist, um die extrem saubere Verbindungslinie im Werkstück zu erhalten.
Diese wünschenswerte Tendenz, daß der Metallabfall speziell aus der Zone an der Verbindungslinie oder angrenzend an diese kommt, kann manchmal noch weiter verstärkt werden, indem Gesenke eingesetzt werden, die etwas kühler sind als das Werkstück. Das Abkühlen des Werkstückes in Berührung mit den Gesenken neigt dazu, den Fluß an der Werkstückoberfläche, die durch die Ränder der Entlüftung überbrückt wird, und im Inneren des Werkstückes zu begünstigen, da diese Bereiche weniger abgekühlt werden. Daher wird der Metallfluß in der mittleren Stärke in Richtung der Verbindungslinie und danach nach außen zu parallel zur Verbindungslinie in die Entlüftungen hinein unterstützt.
Das Verfahren, das in dieser Beschreibung dargelegt wird, ist besonders nützlich, wenn es bei Superlegierungen angewendet wird, und wenn es unter Bedingungen zum Einsatz kommt, die gestatten, daß der Metallfluß mit verstärkter Plastizität auftritt. Um eine verstärkte Plastizität zu erreichen, müssen insbesondere bestimmte Legierungen vorher verarbeitet werden, um eine extrem feine Korngröße zu entwickeln und beizubehalten. Danach wird der Prozeß der vorliegenden Erfindung bei einer Temperatur durchgeführt, die sich der Rekristallisationstemperatur nähert, die aber unterhalb der Kornvergröberungstemperatur der Legierungen liegt, und bei Anwendung niedriger Verformungsgeschwindigkeiten. Das erfordert normalerweise, daß sowohl die Gesenke als auch das Werkstück auf annähernd die Rekristallisationstemperatur des Werkstückes erwärmt werden. Das Metall des Werkstückes fließt viel leichter als es bei niedrigeren und bedeutend höheren Temperaturen sowie schnelleren Verformungsgeschwindigkeiten der Fall wäre, und das führt zu einem wirksamen und vorhersagbaren Metallfluß von längs der Länge der Verbindungslinie nach außen zu in die Entlüftungen. Das gestattet die Anwendung von Entlüftungen für das verbesserte Schmiedeverbinden mit größeren Verhältnissen von Höhe zu Breite, wodurch der Wirkungsgrad des Entfernens der Verbindungslinie vergrößert wird. Durch Anwendung des vorliegenden Verfahrens unter Bedingungen, die eine verstärkte Plastizität gestatten, kann der Prozeß wirksam bei Legierungspaaren angewendet werden, die anderenfalls keine geeignete Auswahl darstellen würden.
Für den Zweck dieser Diskussion muß der Begriff verstärkte Plastizität benutzt werden, um die allgemeinen Betriebsbedingungen anzusprechen, bei denen die Fließspannung eines Werkstückes durch ein isothermisches Schmieden bei erhöhter Temperatur und niedriger Verformungsgeschwindigkeit verringert wird, während die feinkörnige Struktur beibehalten wird. Die Superplastizität betrifft den Abschnitt dieser Betriebsbedingungen, bei dem die Empfindlichkeit der Verformungsgeschwindigkeit 0,35 oder größer ist. Die Subsuperplastizität betrifft den Abschnitt der Betriebsbedingungen, bei dem die Empfindlichkeit der Verformungsgeschwindigkeit kleiner als 0,35 ist.
Ein weiterer wichtiger Teil des Prinzips eines Scheibenrades für eine Turbine mit doppelter Legierung ist die Notwendigkeit einer zerstörungsfreien Bewertung. Das wird hinsichtlich des endgültigen Erfolges eines Scheibenrades mit doppelter Legierung kritisch sein. Betreffs der zerstörungsfreien Bewertung stellt das Prinzip des Schmiedeverbindens ein einzigartiges zerstörungsfreies Hilfsmittel für die "Prüfung" der Qualität der Verbindungslinie zur Verfügung. Das Material, das in die Entlüftungen geschmiedet wird, verkörpert über 99% der ursprünglichen Verbindungslinie. Jenes Material kann aus dem Schmiedestück als zerstörbarer "Versuchsring" herausgenommen und untersucht werden. Es wird eine Prüfung der Qualität der ursprünglichen Diffusionsverbindung, insbesondere von dessen Reinheit, bewirken. Es wird ebenfalls eine Prüfung des Schmiedestückes der Verbindungslinie bewirken; die Verbindungslinie muß in der Rippe und in einer vorhersagbaren Orientierung vorhanden sein.
Es ist manchmal möglich, beim Verfahren des Schmiedeverbindens ein "Nachschlagen" durchzuführen. Wenn die Verbindungslinie, die in die Entlüftung verschoben wird, nicht die erforderliche Reinheit aufweist, kann das Teil wiederum geschmiedet werden, wobei die zusätzliche Verbindungslinie in die Entlüftungen verschoben wird, ohne daß die Mikrostruktur im Werkstück verschlechtert wird, und ohne daß die nichtakzeptable Verbindungslinie herausgetrennt wird. Dieses Material kann wiederum entfernt und metallografisch untersucht werden.
Eine weitere potentielle Anwendung der Fähigkeit des "Nachschlagens" würde die maschinelle Bearbeitung und Ultraschallkontrolle eben dieses Bereichs der Verbindungslinie nach dem Schmieden einschließen. Wenn ein Fehler vorhanden war, könnte das Teil wiederum im Gesenk für das verbesserte Schmiedeverbinden umgeschmiedet werden, um jene Fehler der Verbindungslinie zu entfernen, und es wird danach erneut geprüft.
Die Fähigkeit, daß das Prinzip des verbessertem Schmiedeverbindens die Stelle und die Orientierung der Verbindungslinie nach dem Schmieden genau überwacht, kann für den Erfolg der zerstörungsfreien Prüfung, insbesondere der Ultraschallprüfung, kritisch sein.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Scheibenrades (150), das eine Scheibenachse (151), eine erste Scheibenfläche (152) und eine zweite Scheibenfläche (153) und einen ringförmigen äußeren Rand (171), der den äußersten Umfang des Werkstückes definiert, aufweist, wobei die Scheibe (150) einen mittleren Abschnitt (154), der aus einer ersten Legierung gebildet wird, und einen ringförmigen peripheren Abschnitt (155), der aus einer zweiten Legierung gebildet wird, besitzt, und wobei die Grenze (156) zwischen dem mittleren und dem peripheren Abschnitt (154,155) eine Rotationsfläche (157) um die Scheibenachse (151) ist und durch eine Erzeugende (158) definiert wird, die ein erstes Ende (159) und ein zweites Ende (160) aufweist, wobei eine Linie zwischen dem ersten Ende (159) und dem zweiten Ende (160) eine Verbindungslinie bildet, und wobei die Fläche (157) einen ersten kreisförmigen Rand (161) an der ersten Fläche (152) des Scheibenrades (150), der durch das erste Ende (159) der Erzeugenden (158) gebildet wird, und einen zweiten kreisförmigen Rand (162) an der zweiten Fläche (153) des Scheibenrades (150) aufweist, der durch das zweite Ende (160) der Erzeugenden (158) gebildet wird, und wobei das Scheibenrad (150) ebenfalls Material aufweist, das anfangs an der Grenze (156) vorhanden ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

(a) Anordnen des Scheibenrades (150) zwischen einem ersten Gesenk (163), das eine erste Gesenkpaßfläche (164) aufweist, und einem zweiten Gesenk (165), das eine zweite Gesenkpaßfläche (166) aufweist, wobei zumindestens eines der Gesenke (163,165) eine ringförmige Entlüftung (167) besitzt, die in dessen Gesenkpaßfläche (164,166) gebildet wird, wobei die Entlüftung (167) zwei konzentrische Entlüftungsränder (168,169) an der Gesenkpaßfläche (164,166) aufweist, und wobei das Querschnittsprofil der Entlüftung (167) im Grundriß radial zur Scheibenradachse (151) eine Grundlinie, die die Entlüftungsränder (168,169) verbindet, und eine Höhenlinie aufweist, die sich senkrecht von der Grundlinie bis zu dem Punkt im Profil erstreckt, der von der Grundlinie am entferntesten ist;

(b) Veranlassen, daß sich die Gesenke (163,165) zueinander längs einer Schmiedeachse (170) nähern, die parallel zur Scheibenachse (151) verläuft, während das Scheibenrad (150) und die Entlüftung (167) im wesentlichen koaxial gehalten werden, so daß die Entlüftungsränder (168,169) eine kreisförmige Linie auf der Fläche des Scheibenrades (150) überbrücken, wobei die kreisförmige Linie die gewünschte Stelle eines der kreisförmigen Ränder (161,162) der Fläche ist, um dadurch zu bewirken, daß etwas von der ersten Legierung und etwas von der zweiten Legierung zusammen mit einer wesentlichen Menge des Materials, das an der Grenze (156) vorhanden war, in die Entlüftung (167) längs einer Bewegungslinie fließt, die im wesentlichen parallel zur Schmiedeachse (170) verläuft, um in der Entlüftung (167) eine Rippe (11) zu bilden; und

(c) Entfernen der Rippe (11) vom Scheibenrad (150).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine oder beide Legierungen eine Superlegierung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Erzeugende (158) eine Gerade ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Erzeugende (158) vor dem Verfahren parallel zur Scheibenradachse (151) verläuft oder einen Verjüngungswinkel mit Bezugnahme auf die Scheibenradachse (151) aufweist, und bei dem die Erzeugende (158) nach dem Verfahren parallel zur Scheibenradachse (151) verläuft.

5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Erzeugende (158) vor dem Verfahren parallel zur Scheibenradachse (151) verläuft oder einen Verjüngungswinkel mit Bezugnahme auf die Scheibenradachse (151) aufweist, und bei dem die Erzeugende (158) nach dem Verfahren einen Verjüngungswinkel mit Bezugnahme auf die Scheibenradachse (151) aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Abstand zwischen jedem Punkt auf der Rotationsfläche (157) und der Scheibenradachse (151) kleiner ist als der Abstand zwischen dem äußeren Rand des Scheibenrades (150) und der Scheibenradachse (151).

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Entlüftung (167) in nur einer der Gesenkpaßflächen (164,166) vorhanden ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem nach dem Schritt (c) entweder das Werkstück (100) umgedreht wird und die Schritte des Verfahrens wiederholt werden oder das Werkstück (100) in einem zweiten Paar Schmiedegesenken (163,165), bei denen die Entlüftung (167) in der anderen Gesenkpaßfläche (164,166) vorhanden ist, angeordnet wird und die Schritte des Verfahrens wiederholt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die erste Gesenkpaßfläche (164) mit einer ersten Entlüftung (85) und die zweite Gesenkpaßfläche mit einer zweiten Entlüftung (86) versehen wird, wobei die erste Entlüftung (85) und die zweite Entlüftung (86) während des Verfahrens von der Scheibenradachse (151) abstandsgleich oder nicht abstandsgleich sind, und wobei das Querschnittsprofil der Entlüftungen (85,86) um die Höhenlinie herum symmetrisch oder asymmetrisch ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das Verfahren so durchgeführt wird, daß sich das Werkstück (10,70,100) mit verstärkter Plastizität verformt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem sich das Werkstück (10,70,100) subsuperplastisch oder superplastisch verformt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem das Verfahren mit dem gesamten Werkstück (10,70,100) und vorzugsweise auch den Gesenken (79,81,163,165) bei annähernd der gleichen erhöhten Temperatur durchgeführt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem das Verfahren mit den Gesenken (79,81,163,165) und dem gesamten Werkstück (10,70,100) bei annähernd der gleichen erhöhten Temperatur und so durchgeführt wird, daß das Kornwachstum des Werkstückes unterdrückt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem im wesentlichen das gesamte Material, das ursprünglich an der Verbindungslinie vorhanden ist, veranlaßt wird, sich in die Entlüftung oder die Entlüftungen (85,86,167) zu bewegen.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem ein ausreichender Fluß in der Entlüftung oder den Entlüftungen (85,86,167) auftritt, um innerhalb im wesentlichen des gesamten Werkstückes (10,70,100) einen Massenfluß hervorzurufen.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem die Fläche des Entlüftungsprofils der Länge der Grundlinie mal der Anfangslänge der Verbindungslinie gleicht oder größer ist als diese.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem das Entlüftungsprofil im wesentlichen dreieckig ist.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das Profil auf beiden Seiten der Höhenlinie symmetrisch ist.

19. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Abschnitt der Grundseite auf einer Seite der Höhenlinie größer ist als der Abschnitt auf der anderen Seite.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem die Höhe des Entlüftungsprofils der Länge der Grundlinie gleicht oder größer ist als diese, wobei sie vorzugsweise mindestens die doppelte Länge aufweist.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei dem die gesamte Querschnittsfläche der Entlüftungen (85,86,167), die beim Verfahren eingesetzt werden, annähernd der durchschnittlichen Öffnungsbreite aller Entlüftungen, die beim Verfahren eingesetzt werden, mal der Anfangsstärke des Scheibenrades (150) gleicht.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei dem sich kein Teil der Rippe weiter von der Scheibenradachse (151) erstreckt als der äußere Rand (171).

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei dem während des Schrittes (b) die Ränder (168,169) der Entlüftung (167) alle näher bei der Scheibenradachse (151) liegen als der äußere Rand (171) des Scheibenrades (150).

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei dem jede Gesenkpaßfläche (164,166) mit einer Schmiedevertiefung versehen ist, die die Entlüftung (167) umfaßt, und wobei mit Ausnahme der Entlüftungen (167) die Formen der Vertiefungen der Schmiedegesenke (163,165) einen Hohlraum definieren, der eng mit der Anfangsform des Werkstückes (10,70,100) übereinstimmt, wobei der Fluß in die Entlüftungen (167) während des Schmiedeprozesses vorzugsweise im wesentlichen mit Ausnahme der Rippen (11) in den Entlüftungen (167) so verläuft, daß eine geringe Veränderung der form des Werkstückes (10,70,100) während des Prozesses zu verzeichnen ist, und daß die Verschiebungen und Verformungen im Werkstück (10,70,100) längs der Grenze konzentriert werden, während das Metall an der und angrenzend an die Grenze in die Entlüftungen (167) fließt.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, bei dem im Anschluß an den Schritt (c) der Prozeß an der Verbindungslinie, die sich aus der vorangegangenen Anwendung des Prozesses ergibt, wiederholt wird.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, bei dem die wesentliche Menge im wesentlichen das gesamte Material ist, das anfangs an der Grenze vorhanden war, oder mindestens 80 %, vorzugsweise mindestens 90 %, des Materials, das anfangs an der Grenze vorhanden war.

27. Vorform, die für die Gestaltung eines Scheibenrades für eine Gasturbine geeignet ist, wobei die Vorform aufweist:

(a) ein Scheibenrad (10), das eine Scheibenradachse, eine erste Scheibenradfläche und eine zweite Scheibenradfläche und einen ringförmigen äußeren Rand, der den äußersten Umfang des Scheibenrades (10) definiert, aufweist, wobei das Scheibenrad (10) einen mittleren Abschnitt (13), der aus einer ersten Legierung gebildet wird, und einen ringförmigen peripheren Abschnitt (15), der aus einer zweiten Legierung gebildet wird, aufweist, und wobei die Grenze (16) zwischen dem mittleren und dem peripheren Abschnitt eine Rotationsfläche um die Scheibenradachse ist und durch eine Erzeugende definiert wird, die ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei die Fläche einen ersten kreisförmigen Rand an der ersten Fläche des Scheibenrades (10), der durch das erste Ende der Erzeugenden gebildet wird, und einen zweiten kreisförmigen Rand an der zweiten Fläche des Scheibenrades (10) aufweist, der durch das zweite Ende der Erzeugenden gebildet wird, und

(b) eine zu opfernde Rippe (11), die an einer Fläche des Scheibenrades (10) angebracht ist, und die so ausgeführt ist, daß sie davon entfernt werden kann, wobei die Rippe (11) vollständig innerhalb des äußeren Randes ist, und wobei die Grenze (16) so hindurchgeht, daß sie etwas von jeder Legierung enthält, und daß die Fehler, die an der Grenze vorhanden sind, von denen im wesentlichen alle in jenem Abschnitt der Grenze vorhanden sind, der sich innerhalb der Rippe (11) befindet, und der Rest davon in starkem Maße gedehnt wurden.

28. Schmiedegesenkpaar, das so konstruiert ist, daß ein Scheibenrad (150) gebildet wird, das eine Scheibenradachse (151), eine erste Scheibenradfläche (152) und eine zweite Scheibenradfläche (153) und einen ringförmigen äußeren Rand (171), der den äußersten Umfang des Werkstückes definiert, aufweist, wobei das Scheibenrad einen mittleren Abschnitt (154), der aus einer ersten Legierung gebildet wird, und einen ringförmigen peripheren Abschnitt (155), der aus einer zweiten Legierung gebildet wird, aufweist, und wobei die Grenze (156) zwischen dem mittleren und dem peripheren Abschnitt (154,155) eine Rotationsfläche (157) um die Scheibenradachse (151) ist und durch eine Erzeugende (158) definiert wird, die ein erstes Ende (159) und ein zweites Ende (160) aufweist, wobei die Fläche (157) einen ersten kreisförmigen Rand (161) an der ersten Fläche (152) des Scheibenrades (150), der durch das erste Ende (159) der Erzeugenden (158) gebildet wird, und einen zweiten kreisförmigen Rand (162) an der zweiten Fläche (153) des Scheibenrades (150) aufweist, der durch das zweite Ende (160) der Erzeugenden (158) gebildet wird, und das aufweist:

(a) ein erstes Gesenk (163), das eine erste Gesenkpaßfläche (164) und eine erste Vertiefung (173) aufweist, die in seiner Gesenkpaßfläche (164) gebildet wird, und die so konstruiert ist, daß sie mit dem Scheibenrad (150) in Eingriff kommt, wobei das erste Gesenk (163) eine ringförmige Entlüftung (167) aufweist, die in seiner Gesenkpaßfläche (164) und in der Vertiefung gebildet wird, und wobei die Entlüftung (167) zwei konzentrische Entlüftungsränder (168,169) an der Gesenkpaßfläche (164) aufweist, die beide vollständig innerhalb der Vertiefung (173) liegen, und die so angeordnet sind, daß ein gewünschter kreisförmiger Rand des Scheibenrades (150) überbrückt wird, und

(b) ein zweites Gesenk (165), das eine zweite Gesenkpaßfläche (166) und eine zweite Vertiefung (174) aufweist, die so konstruiert sind, daß sie mit dem Scheibenrad (150) in Eingriff kommen.