DE69101246T2

DE69101246T2 - Verfahren zum Formen von hohlen Schaufeln.

Info

Publication number: DE69101246T2
Application number: DE1991601246
Authority: DE
Inventors: J George Asfalg; James R Dillner; Peter E Leibfried; David Porter; William R Reimels
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1990-03-22
Filing date: 1991-03-19
Publication date: 1994-09-22
Anticipated expiration: 2011-03-20
Also published as: JP2978579B2; DE69101246D1; EP0448339A1; JPH04223823A; EP0448339B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Formen eines hohlen länglichen Bauteils, zum Beispiel einer Schaufel wie einer Verdichterschaufel für einen Axialverdichter, und insbesondere auf das Formen hohler, kompliziert geformter Schaufeln.
Verdichterschaufeln aus Vollmaterial mit Stabilität liefernden Dämpfern im mittleren Bereich der Spannweite waren durchweg Standard in der Gasturbinenindustrie. Es ist erwünscht, durch Entfernen des Dämpfers im mittleren Bereich der Spannweite aerodynamische Leistungsfähigkeit zu gewinnen. Das führt zu stark erhöhter Sehnenweite, um bei den versteifungsbandfreien Schaufeln äquivalente Steifigkeit zu erzielen, sowie zu der Notwendigkeit hohler Schaufeln, um Gewicht zu reduzieren.
Bei der Beschreibung des Stands der Technik in dem U.S. Patent 3,628,226 wird Bezug genommen auf die Herstellung von hohlen Schaufeln durch Bearbeiten geschmiedeter Rohlinge. Diese Rohlinge werden verdreht und danach miteinander verbunden. Die Verbindungsflächen sind folglich nicht in einer einzigen Ebene, was es schwierig macht, die Druckbelastung zum Verbinden aufzubringen.
Die in dem U.S. Patent 3,628,226 (das die Merkmale des Teils von Anspruch 1 vor "dadurch gekennzeichnet" offenbart) beschriebene Verbesserung weist zuerst das Aushöhlen flacher Rohlinge und das Formen des ausgehöhlten Rohlings in eine vorläufige Tragflügeloberfläche ohne longitudinale Krümmung auf. Als nächstes werden die Rohlinge an den inneren Oberflächen flach bearbeitet. Diese Rohlinge werden dann diffusionsverbunden, um eine Rohschaufel zu bilden, und danach wird die Schaufel verdreht, um die endgültige Schaufel zu formen.
Um die gewünschte endgültige Schaufel ohne komplizierte Endbearbeitung zu bilden, muß die Ausgangsform festgestellt werden. Diese muß mit dem Wissen eines vorhersagbaren und konstanten Metallflusses während dem Formungsvorgang festgestellt werden. Bei den Formungstechniken des Stands der Technik hat sich dies nicht als möglich erwiesen. Einschnürungen der Materialdicke beim Dehnen, Faltenwerfen zusammengedrückter Bereiche, Reibung in der Form und heiße oder kalte Stellen in den Formen waren einige der Probleme.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Verdrehen eines hohlen, länglichen Titanlegierungsbauteils mit einer Längsachse, das gegenüber dem US-Patent 3,628,226 gekennzeichnet ist durch Schwerkraft-Kriechverformen des unverdrehten Bauteils zu einem verdrehten Bauteil ohne kompressive Belastung des Bauteils anders als an den äußersten Enden und ohne axiale Festlegung des Bauteils anders an an einem Ende, durch Legen des unverdrehten Bauteils auf eine Formhälfte, die eine Gestalt hat, Aufheizen des unverdrehten Bauteils auf ein Temperaturniveau, bei dem Kriechen unter Schwerkraft auftritt und das unverdrehte Bauteil bis zum Anliegen an die Form verformt wird, und gleichzeitiges Aufbringen von Verdrehmomenten an jedem Ende des unverdrehten Bauteils.
Dieses Verfahren wird bei der Produktion von Schaufeln angewandt.
Das bevorzugte Schaufelformungsverfahren der Erfindung liefert eine glatte, korrekte Schaufel mit der Endgestalt mit vorhersagbarem und reproduzierbarem Metallfluß während dem Formen. Folglich kann die Dimensionierung des Ausgangsmaterials genau festgelegt werden und es können reproduzierbare Schaufeln geformt werden. Inhärenten Herstellungstoleranzen wird Rechnung getragen, ohne daß eine zu geringe Dicke bei der fertigen Schaufel zugelassen wird, indem die Gestalt der Schaufel bei einem Zwischenstadium mit Überdicke in dem Toleranzbereich dimensioniert wird. Es ist auch ein Aufbau geschaffen, der Fließen von überschüssigem Metall während dem Stadium der Enddimensionierung und -formung aufnimmt.
Mit Wissen um die fertige Schaufel, die geformt werden soll, und um den beim Formen der Schaufel ablaufenden Vorgang wfrd eine Analyse nach der Methode finiter Elemente hinsichtlich Unverdrehtmachen der Schaufel durchgeführt. Das legt die Ausgangsgestalt des Materials fest. Die Analyse verfolgt die örtlichen Temperaturen, die Zeit und die Spannungsrate in der umgekehrten Richtung.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine hohle, unverdrehte Schaufel mit linsenförmigem Querschnitt mit sich axial erstreckenden, gegenüberliegende Wände der Schaufel verbindenden Rippen gebildet. Vorzugsweise wird das durchgeführt durch Bearbeiten sich verjüngender Rohlinge mit daran befindlicher Wurzel auf eine genaue Dicke. Der Rohling für jede Schaufelhälfte wird, vorzugsweise durch Heißformen, um Zurückfedern zu verhindern, geformt, um die linsenförmige Querschnittsgestalt zu bilden. Nachdem die Schaufel mit dieser Krümmung in der Querschnittsrichtung geformt ist, wird die konkave Seite flach bearbeitet und Ausnehmungen werden hineingearbeitet unter Stehenlassen von Erhöhungen, die die Rippen der Schaufel bilden werden. Diese Erhöhungen nehmen in Richtung weg von dem Schaufelmaterial in der Dicke vorzugsweise ab, wodurch sich eine Stundenglas-Gestalt bei der geformten Schaufel ergeben wird. Die zwei Schaufelhälften werden dann miteinander diffusionsverbunden. Die Stundenglas-Gestalt der Rippen schafft einen Bereich für den Fluß von überschüssigem Metall sowohl während dem Diffusionsverbinden als auch während dem Enddimensionieren der Schaufel.
Das Bearbeiten der Vorder- und der Hinterkante der Schaufel wird vorzugsweise zu diesem Zeitpunkt ausgeführt, dadurch werden die komplizierten Bearbeitungsprobleme des Umgangs mit der Kante einer verdrehten Schaufel vermieden.
Diese unverdrehte Schaufel wird dann kriechverformt ohne kompressive Belastung anders als an den äußersten Enden und ohne axiale Festlegung anders als an einem Ende. Der weit überwiegende Anteil der Verformung wird bei diesem Schritt ausgeführt. Die Schaufel wird auf eine geformte Kriechform gelegt und mit einer kontrollierten Geschwindigkeit auf ein Temperaturniveau aufgeheizt, bei dem Schwerkraftkriechverformung stattfindet. Die Schwerkraft verformt die Schaufel in Richtung auf die Form und gleichzeitig werden an den Enden der Schaufel Verdrehmomente aufgebracht. Eine Lösungswärmebehandlung der Schaufel wird vorzugsweise bei dem gleichen Schritt durch gleichzeitiges Durchwärmen bei einem Temperaturniveau, das die Betaphase in Lösung bringt, ausgeführt.
Die bevorzugte Verwendung einer Form, die aus beabstandeten Unterstützungen gebildet ist, schafft Zwischenraum zum schnellen Argon-Kühlen der Schaufel.
Danach wird superplastisches Formen benutzt, um die Endgestalt der Schaufel zu bilden. Die Schaufel wird auf die superplastische Temperatur aufgeheizt, und die Form wird mit einer Geschwindigkeit zum Erzeugen der passenden superplastischen Spannungsrate geschlossen. Sobald die Formen geschlossen sind, wird ein Innendruck mit z.B. Argongas aufgebracht, um den Kontakt der Teile der Schaufel zwischen den Rippen mit der Form sicherzustellen.
Das Schaffen von Übergängen an der Vorder- und der Hinterkante der Schaufel kann dann ausgeführt werden, um alle Ungleichmäßigkeiten zu glätten, die sich gebildet haben können. Die Schaufel wird dann chemisch bearbeitet, um jede mögliche Alphaphase zu entfernen; ein konventionelles Bearbeiten der Wurzelgestalt, Altern, Verdichten (peening), Beschichten, Momentengewichtung und Markieren der Schaufel werden ausgeführt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
Fig. 1 ist ein allgemeines Flußdiagramm eines Schaufel- Formvorgangs;
Fig. 2 zeigt das Bearbeiten des sich verjüngenden Rohlings;
Fig. 3 zeigt Heißformen zu einer transversalen Krümmung;
Fig. 4 das Flachbearbeiten der konkarven Oberfläche;
Fig. 5 zeigt die Rippen, die in dem Rohling durch Bearbeiten erzeugt wurden, und Vorsehen des Strömungswegs zum Spülen mit Gas;
Fig. 6 ist ein Schnitt durch Fig. 5;
Fig. 7 zeigt das Diffusionsverbinden;
Fig. 8 zeigt den Schnitt nach dem Verbinden;
Fig. 9 zeigt die Positionierungs- und Haltemerkmale in dem unverdrehten Blatt in Vorbereitung auf das Kriechverformen;
Fig. 10 zeigt den Anfang des Kriechverform-Vorgangs;
Fig. 11 zeigt das Ende des Kriechverform-Vorgangs;
Fig. 12 zeigt das superplastische Verformen und das Dimensionieren mit Argongas;
Fig. 13 ist ein Querschnitt der Schaufel in Endgestalt und zeigt den Übergangsbereich;
Fig. 14 ist eine Ansicht der fertigen Schaufel vor dem Bearbeiten der Wurzel.
Fig. 1 ist ein blockförmiges Flußdiagramm, das die Schritte des Verfahrens zum Formen der fertigen Verdichterschaufel darstellt. Vor dem Herstellen irgendeiner bestimmten Schaufelform, wird eine Berechnung nach der Methode finiter Elemente ausgeführt, wie in Block 1 angegeben. Derartige Berechnungen nach der Methode finiter Elemente sind für sich gut bekannt und werden in irgendeinem körperlichen Gebilde die Spannungen, die Verformungsspannungen und die Verformungen über die Zeit basierend auf bekannten Eingaben berechnen. Die Gestalt der fertigen, zu formenden Schaufel ist der Ausgangspunkt für die Berechnung. Die Schaufel wird dann durch den Formungsprozeß, der verwendet werden soll, zurückgerechnet, um die Ausgangsgestalt zu bestimmen. Die Berechnung ist mit dem Formungsvorgang, der verwendet werden soll, engstens verbunden und benötigt die diversen Materialeigenschaften, Kräfte, Verformungsrate und Temperaturen zu allen Zeiten. Hat man auf diese Weise die Ausgangsgestalt bestimmt, so kann das eigentliche Formen der Schaufel beginnen.
Wie in Block 2 angegeben und in der Fig. 2 dargestellt, wird ein Ausgangsrohling 10 aus feinkörnigem 6-4 Titan (6 % Vanadium, 4 % Aluminium) mit einem Schneidwerkzeug 12 zu einer sich verjüngenden Gestalt bearbeitet, von der man erkannt hat, daß sie für die fertige Schaufel richtig ist. Die Alpha-Beta Übergangstemperatur dieser Legierung ist 1.825 F (995ºC). Andere Legierungen könnten bei geeigneter Modifikation der Temperatur- und Druckbedingungen verwendet werden.
Genauigkeit ist beim Herausarbeiten der Dicke erwünscht, um vor dem Bearbeiten der Verbindungsebene und der Rippengeometrie die erwünschte Gestalt aus dem Heißverformungsschritt zu erhalten.
Mit dieser Schaufel ist außerdem Material zum Bilden der Schaufelwurzel 14 verbunden.
Ein Positioniermerkmal in der Form des Loches 16 ist in der Wurzelgestalt zwei Inch von der endgültigen Lage der Z Ebene angeordnet. Die Schaufelhälfte, die bearbeitet wird, ist vorzugsweise an einer Unterdruck-Spannungsvorrichtung befestigt, um die Flachheit der Schaufel beim Bearbeiten sicherzustellen; dadurch werden Abweichungen in der Dicke von der festgelegten Abmessung vermieden.
Block 3 der Fig. 1 gibt an und Fig. 3 zeigt das Verformen des Rohlings, um eine transversale Krümmung zu erhalten. Es ist besonders wichtig, daß die Außenfläche 20 akkurat geformt wird. Heißformen in dem Bereich von 1.550 bis 1.600F (843 bis 871ºC) zwischen Formen 22 und 24 erzeugt die richtige Prägung, während es ein unannehmbares Zurückfedern verhindert. Dies wird unter einer Argon- Schutzabschirmung ausgeführt, um die Bildung eines alpha-Überzugs zu reduzieren, die bei einer Luftumgebung vorkommen würde, obwohl es auch in einem Vakuum ausgeführt werden könnte.
Block 4 der Fig. 1 gibt den Reinigungs-Arbeitsschritt an, bei dem die heißgeformten Platten 10 sandgestrahlt und chemisch gereinigt werden als Vorbereitung für den nächsten Arbeitsschritt. Das entfernt den alpha- Überzug, der die Unversehrtheit der fertigen Schaufel stören würde.
Das Flachbearbeiten der konkaven Oberfläche, wie in Block 5 angegeben, wird ausgeführt unter Verwendung einer Unterdruck-Aufnahme 26. Der Rohling 10 ist darin in einer genauen Ausrichtung mit der Form gehalten, und das Schneidwerkzeug 28 stellt eine flache Verbindungsebene mit präzisem Abstand von der äußeren Oberfläche 20 her, die an der Aufnahme gehalten wird.
Das in Block 6 angegebene Bearbeiten zum Erzeugen von Ausnehmungen wird ausgeführt, während der Rohling 10 noch in der Unterdruck-Aufnahme angeordnet ist. Demzufolge wird dieselbe Genauigkeit der Abmessungen beibehalten. Fig. 5 und 6 zeigen die Ergebnisse dieser Bearbeitung detaillierter. Innerhalb des gesamten Rohlings 10 ist eine gestrichelte Linie 30 gezeigt, die die endgültige Außenlinie der Schaufel wiedergibt. Das überschüssige Material ermöglicht das Trimmen.
Innerhalb der Schaufelhälfte werden eine Mehrzahl von Ausnehmungen 32 bis 37 unter Stehenlassen von Erhöhungen 40 herausgearbeitet. Die Ausnehmung 37 ist besonders breit, und das Herausarbeiten wird so ausgeführt, daß Inseln 42 stehenbleiben, um Zusammenbrechen der Hautfläche während späterer Formungsvorgänge zu vermeiden. Jede Erhöhung ist mit einem Winkel 44 von 15º gegenüber der Vertikalen gebildet, wodurch eine Stundenglasgestalt gebildet wird, wenn zwei Hälften miteinander verbunden werden.
Halbkreisförmige Rinnen 46 und 48 werden zum späteren Aufnehmen einer Einlaß- bzw. Auslaßargonspülleitung 56 eingearbeitet. Die Ausnehmungen 32 und 33 sind durch eine gering eingearbeitete Vertiefung 50 in der Erhöhung an einem Ende strömungsverbunden, ebenso die Ausnehmungen 34 und 35 und die Ausnehmungen 36 und 37. In der Wurzel 44 sind Vertiefungen 52 auf einer Oberfläche zum Verbinden der Ausnehmungen 33 und 34 sowie der Ausnehmungen 35 und 36 eingearbeitet. Man erkennt, daß man einen durchgehenden Serien- Strömungsweg für Fluid innerhalb der Schaufel durch die Ausnehmungen von dem Einlaß 46 zu dem Auslaß 48 erhält. Die Vertiefungen 50 und 52 müssen nur in einer der zwei Schaufelhälften angelegt sein, die schließlich geformt werden.
Block 7 bezeichnet das Glätten und den Arbeitsschritt des chemischen Reinigens, die der spänenden Bearbeitung folgen. Das bereitet die Oberfläche zum späteren Diffusionsverbinden richtig vor.
Die in den Blöcken 2 bis 7 definierten Schritte werden dann für die gegenüberliegende Schaufelhälfte 54 wiederholt, die mit der Schaufelhälfte 10 verbunden werden soll. Das experimentelle Vorgehen hat bis heute beide Schaufelhälften mit der gleichen transversalen Krümmung benutzt. Es ist jedoch möglich, daß sich unterschiedliche Krümmungen für die eine Schaufelhälfte und für die andere Schaufelhälfte als vorteilhaft bei Schaufeln mit bestimmten Endgestalten herausstellen können.
Block 9 gibt wieder und Fig. 7 erläutert das Diffusionsverbinden der ersten Schaufelhälfte 10 mit der zweiten Schaufelhälfte 54. Sie zeigt auch Röhrchen 56 aus rostfreiem Stahl, die gleichzeitig in die Öffnungen 46 und 48 eingebunden werden.
Das Diffusionsverbinden findet zwischen einer oberen und einer unteren Verbindungsform 58 bzw. 60 statt, wobei die Formflächen mit einem geeigneten Trennmittel wie Bornitrit überzogen sind, um eine Wechselwirkung zwischen den Titaneinzelteilen und den Molybdänformen während des Diffusionsverbindens zu verhindern.
Das Diffusionsverbinden wird in einer halbkontinuierlichen Unterdruck- Heißpresse ausgeführt. Die fixierte Anordnung wird in eine erste Kammer der Unterdruckpresse gelegt, und die Kammer wird ausgepumpt. Diese Anordnung bewegt sich in eine zweite Kammer hinein, die eine Vorheizzone ist, wo die Temperatur auf 1.600F (871ºC) erhöht wird. Wenn diese Temperatur stabil ist, bewegt sich die Anordnung in die Hauptkammer, die den Preßstempel enthält. Wenn die fixierte Anordnung bei etwa 1.700F (927ºC) stabil ist, wobei das Unterdruckniveau bei etwa 5 x 10 &supmin;&sup5; Torr gehalten wird, wird der Stempel abgesenkt. Eine Belastung von etwa 3.000 Pfund pro Quadratinch (210 kg/cm²) wird auf die sich verbindende Bindungsfläche aufgebracht. Diese wird für ungefähr eine Stunde beibehalten. Jede Temperatur und jeder Druck, der zum Diffusionsverbinden geeignet ist, kann verwendet werden.
Die Verbindungsform 60 hat Ausrichtstifte 62 und 64, die durch Ausrichtöffnungen 16 bzw. 18 in den Schaufelhälften hindurchgehen. Dies erzeugt die geeignete, genaue Ausrichtung der Teile.
Die Röhrchen 56 werden am Ende verschlossen. Da das Verbinden bei Unterdruck ausgeführt wird, wird das Schaufelinnere auf Unterdruck verschlossen.
Die gerade, unverdrehte Schaufel 66, die im Querschnitt linsenförmig ist, ist in Fig. 8 dargestellt. Die verbundene Anordnung wird, noch in der Form und mit der gezeigten Gestalt, bei Unterdruck auf etwa 500F (260ºC) abgekühlt und dann herausgenommen. Das ist nötig zum Schutz der Molybdänformen.
Die Stundenglasgestalt der Rippen mit ihrem minimalen Querschnitt bei der Diffusionsverbindungsebene ergibt die höchste Druckspannung an dieser Stelle. Folglich wird ein Materialfluß in vorbestimmtem Ausmaß an dieser Stelle auftreten. Man sieht auch, daß die Anordnung der Diffusionsverbindung in der Mitte der Rippe jeden kleineren Riß oder begleitende Spannungskonzentration an dieser Stelle lokalisiert. Die Biegespannungen zwischen der Schaufeloberfläche und den Rippen sind weit weg von dieser Stelle.
Die vordere Kante 68 und die hintere Kante 70 der verbundenen und unverdrehten Schaufelanordnung werden zu einer Gestalt bearbeitet, die der Gestalt nah ist, die bei der fertigen Schaufel nötig ist, wie in Block 10 gezeigt. Die Kosten und die Schwierigkeit des Anbringens der Radien an der geraden Schaufel ist erheblich geringer als das Anbringen an der Schaufel mit der Endgestalt nach dem Verdrehen.
Bezugslöcher 72 und 74 werden in der Wurzel in einem bekannten Abstand von der Z Ebene geschaffen, wie in Block 11 vorgeschlagen. An dem Spitzenende der Schaufel ist ein Schlitz 76 an einer vorbestimmten Stelle angeordnet. Diese Stelle ist eine Funktion des des Kriechverformvorgangs, der später ausgeführt wird. Die Z-Ebene ist die Ebene in der Schaufelwurzel, die die radiale Schaufelposition definieren wird, wenn sie in einer Rotorscheibe eingebaut ist.
Die in Block 12 angegebene Befestigung der Scheiben und Gewichte an der Schaufel ist in Fig. 10 dargestellt, wo die Scheibe 78, die ein U- förmiges Halteelement 80 aufweist, an der Wurzel 14 der Schaufel mit mindestens zwei Stiften 82 befestigt ist. Man sieht, daß bei dieser Festlegung das Biegen der Schaufel entlang der Schaufelebene und eine axiale Bewegung der Schaufel in Richtung auf die Scheibe zu oder von ihr weg verhindert sind.
Die Scheibe 84 ist an dem Spitzenende der Schaufel befestigt, wobei das U-förmige Halteelement mit einem durch den Schlitz 76 gehenden Stift versehen ist. Folglich ist das Spitzenende der Schaufel frei, sich um kleine Beträge in der Schaufelebene zu drehen, und ist außerdem axial nicht festgelegt. Während dem Verdrehvorgang ist die Spitze der Schaufel frei, sich auf die Wurzel zu oder von ihr weg zu bewegen. Jedes Schaufelende ist zusätzlich innerhalb der Ränder des U-förmigen Halteelements gegen eine Bewegung rechtwinklig zu der Schaufelkante festgelegt.
Jede Scheibe 78 und 84 ist in Nuten 86 im wesentlichen vertikaler Kanäle 88 gehalten. Jede Scheibe ist deshalb frei, sich zu drehen, aber sie wird bei vertikaler Bewegung von den Kanälen geführt und wird gegen eine axiale Bewegung von den Kanälen festgehalten.
Die Schaufel ist über der Kriechform 90 abgestützt. Es gibt keine obere Form und keine kompressive Belastung, die auf die Schaufel aufgebracht wird. Jede Form 90 ist aus einer Mehrzahl von beabstandeten Segmenten 92 mit Gaszwischenräumen 94 dazwischen gebildet. Die Form oder Matrize 90 ist mit einer keramischen Beschichtung überzogen, um eine Wechselwirkung mit der Titanschaufel während dem Verformen zu verhindern. Anfangs, wenn sie in die Form- Vorformeinrichtung 96 gelegt wird, liegt die Schaufel 66 auf dem höchsten Punkt 98 der Form 90 auf. Ein exzentrisches Gewicht 100 ist an jeder der Scheiben (Block 12 und Fig. 10) angeordnet. Das liefert das gewünschte Verdrehmoment und die Änderung des Verdrehmoments abhängig von der Winkelposition des Gewichts zu Beginn des Vorgangs.
Die Befestigung und die Schaufel der Fig. 10 werden in einen Unterdruckofen oder einen Argonbehälter gebracht und mit einer kontrollierten Geschwindigkeit auf 1.700F (962ºC) (Block 13) aufgeheizt. Während dieses Aufheizzyklus kriecht die Titanschaufel mit einer sehr niedrigen Geschwindigkeit in Richtung auf die konturierte Matrizenform. Gleichzeitig bringen die Gewichte 100 ein Verdrehmoment auf die Schaufel auf. Die Schaufel kriecht mit einer sehr niedrigen Geschwindigkeit bis sie auf der Form ruht, die die verdrehte Schaufel 101 formt. Das Gewicht ist so gewählt, daß es eine derartige Verdrehgeschwindigkeit liefert, daß das Verdrehen und Absinken gleichzeitig stattfinden, wobei eine Seite der Schaufel mehr oder weniger gleichmäßig mit der Form in Kontakt kommt. Zu viel oder zu wenig Verdrehung würde bewirken, daß ein Rand der Schaufel, der zuerst Kontakt hat, lokal eine Verdrehung in die falsche Richtung beginnen würde, was bei dem abschließenden Verdrehen zurückgeführt werden müßte. Wenn das in einem Argonbehälter ausgeführt wird, sollte eine innere Argonspülung benutzt werden, um ein Kollabieren in das Vakuum zu vermeiden.
Die zulässige Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur während des Aufheizens ist eine Funktion der Geometrie des Teils. Wenn die Geschwindigkeit zu hoch ist, werden sich Bereiche deutlich vor den dickeren Bereichen aufheizen. Kriechen wird dann vorzeitig auftreten und zu ungeeigneten Verdrehungen führen.
Man sieht, daß die Schaufel zu dieser Zeit einen Unterdruck enthält, da die Spülröhrchen bei Unterdruck verschlossen wurden. Folglich wird beim Aufheizen der Schaufel in einem Argonbehälter oder jedenfalls während dem Beginn des späteren Argonkühlens an der Außenseite der Schaufel Druck über dem Unterdruckniveau bestehen. Aus diesem Grund wurden die in Fig. 5 gezeigten Inseln 42 in den breiten Kanälen innerhalb der Schaufel angeordnet.
Die Anordnung der Scheiben und Gewichte kann sich abhängig von dem Design der zu formenden Schaufel umfassend ändern. Selbst bei der einzigen ausgewählten Formgebung bleibt eine große Vielfalt von Anordnungen, die die Schaufel herstellen könnten, wobei aber einige von diesen weniger Materialverlagerung als andere erzeugen. Die Schaufel muß nicht notwendigerweise an der Mittelachse jeder Scheibe angeordnet sein. Die im wesentlichen vertikalen Kanäle 88, die mit jeder Scheibe zusammenwirken, müssen nicht vollständig rechtwinklig bzw. senkrecht sein. Außerdem kann die Anordnungsstelle zwischen der Spitze 76 und der Scheibe 84 zu einer Seite oder zur anderen versetzt sein.
Man sieht, daß die Formung der Schaufel nicht einfach Verdrehen der Schaufel um eine Mittellinie ist, die durch die Wurzel der Schaufel geht und rechtwinklig zu der Wurzel ist. Gewöhnlich wird es etwas Versatz oder Verlagerung der Schaufel weg von dieser Mittellinie geben, häufig zu einem Punkt, an dem kein Teil der Spitze auf dieser Mittellinie liegt. Folglich ist eine Auswahl der Anordnung, die diese Verlagerung mit weniger Metallverformung erzeugt, zu bevorzugen. Aber welcher Weg auch gewählt wird, er muß bei der Berechnung nach der Methode der finiten Elemente benutzt werden, die die Ausgangsform liefert.
Fig. 11 zeigt die im wesentlichen verdrehte Schaufel 101, wie sie auf der Matrizenform in ihrer verdrehten Gestalt zur Ruhe kommt. Das Lösungswärmebehandlungs-Durchwärmen wird gleichzeitig mit diesem Kriechverformen ausgeführt, indem die Temperatur für eine Stunde beibehalten wird, um die beta-Struktur in Lösung zu bringen. Dem Durchwärmen schließt sich ein rasches Kühlen mit 120F (67ºC) pro Minute an. Das wird mit einem schnellen Argonkühlen (Block 14) geleistet, indem kühles Argon gegen die Schaufel geleitet wird. Dies ist möglich durch die unterbrochene Unterstützungsanordnung für die Schaufel. Die Freiheit und das Abstützen der Schaufel an dem Spitzenende ermöglichen es, daß sich die Schaufel abkühlt und zusammenzieht ohne Wärmeunterschiede zwischen der Schaufel und der Befestigung, was eine Verformung der Schaufel bewirken könnte.
Die Erfindung erreicht den Großteil des Verdrehens für die endgültige Schaufelgestalt bei diesem Vorgang, und vorzugsweise mindestens 80 % des Verdrehens. Dieser Vorgang des Schwerkraft-Kriechverformens ist von Schaufel zu Schaufel wiederholbar und kann bei der Analyse nach der Methode der finiten Elemente leichter vorhergesagt werden, da es keine Reibung in der Form und keine anderen Variablen gibt, die die Vorhersage bei anderen Formungsarten beeinträchtigen.
Eine feine Kornstruktur erleichtert den Metallfluß während dem Kriechverformen und dem superplastischen Verformen. Nach dem Beginn mit einer feinkörnigen Struktur werden die Verformungsschritte mit dem Ziel ausgeführt, die Zeit-Temperatur-Bedingungen zu minimieren, die ein Kornwachstum fördern. Die gleichzeitige Lösungsdurchwärmung für die Lösungswärmebehandlung und das Schwerkraft-Kriechverformen reduziert Kornwachstum wirksam. Diese Durchwärmung wird bei 50 bis 75ºF (28 bis 42ºC) unterhalb der Phasenübergangstemperatur durchgeführt. In den meisten Fällen wird die Kriechverformung während dem Ansteigen der Temperatur abgeschlossen.
Block 15 gibt das Reinigen an, das sich an den Kriechverformvorgang anschließt. Die Anordnung wird zum Zweck des Entfernens von Formschmiermitteln chemisch gereinigt.
Wie in den Blöcken 16 und 17 gezeigt, sind die Spülröhrchen geöffnet und die Form in einem vorgeheizten Ofen angeordnet, wo sie auf 300F (149ºC) aufgeheizt wird. Ein Fluß von Argongas wird durch die Hohlräume der Schaufel in dem Serien-Strömungsmuster hindurchgeleitet, bis ein Taupunkt von ungefähr -60F (-51 ºC) eingestellt ist. Das stellt genügend die Entfernung von Wasserdampf sicher, um einen Wasserstoff- oder Sauerstoffangriff in dem Inneren der Schaufel zu verhindern.
Die Schaufel wird dann in einen beheizten Formensatz 102 der Presse 104 zum superplastischen Verformen gebracht, wie in Block 18 angegeben. Während das plastische Materialverformen normalerweise durch übermäßige Einschnürung bei Zugverformung begrenzt ist, zeigen gewisse Materialien ein superplastisches Phänomen. Titan ist eines dieser Materialien, und das superplastische Phänomen ist eine Funktion der Korngröße, des Temperaturniveaus und der Verformungsgeschwindigkeit. Dieser abschließende Verformungsschritt wird vorzugsweise in diesem Bereich ausgeführt.
Die Formen sind auf einer Formungstemperatur von 1550F (843ºC). Sobald die Schaufel diese Formungstemperatur erreicht hat, wird die Form langsam mit einer kontrollierten Geschwindigkeit geschlossen, die mit den Anforderungen der superplastischen Verformung vereinbar ist. Das Argonspülen wird in dieser Zeit fortgesetzt, läßt eine Überwachung auf Verunreinigung zu und erleichtert die Drucksteuerung im Inneren auf einem Niveau nur wenig über Atmosphärendruck. Wenn ein relativ flaches Teil zwischen den Formen statt dem im wesentlichen verdrehten Stück angeordnet wäre, bestünden zwischen den Formen und dem Teil große Freiräume. Die Gleichmäßigkeit des Aufheizens und der genau vorhersagbare Metallfluß würden aufgegeben.
Sobald die Form geschlossen ist, wird die Abgabe aus der Spülkammer geschlossen, und der Druck in den Hohlräumen der Schaufel wird von der Steuerung 106 auf etwa 600 psi (4200 kPa) aufgebaut. Der Druck wird für etwa 10 Minuten beibehalten. Nach dieser Zeit wird er auf Spülungsflußniveau reduziert, und die Ablaßöffnung wird wieder geöffnet. Dieser innere Druck formt sämtliches Material zwischen den Rippen zurück, das sich möglicherweise von den Formflächen weggeformt hat.
Die Form für diesen Arbeitsschritt ist die Endgestalt-Form, die nach dem Ermöglichen des Temperaturschrumpfens die Endgestalt und -größe liefert, mit Ausnahme eines Übermaßes für das chemische Bearbeiten, das später beschrieben wird. Inhärente Toleranzen gibt es bei jedem Vorgang, und Untermaß der Schaufel ist unerwünscht, da Konsistenz bzw. Festigkeit erstrebt ist. Eine Schaufel mit Untermaß würde außerdem zu Beulen von dem Argondruckformen führen. Folglich ist die Dicke der geformten Schaufel bis zu diesem Punkt so eingerichtet, daß sie mit allen negativen Toleranzen nicht unter der schließlich gewünschten Dicke sein wird. Deshalb kann man davon ausgehen, daß etwas überschüssiges Material vorhanden ist. Während des superplastischen Verformvorgangs wird dieses Material durch Zusammenpressen der Rippen untergebracht, besonders der engen Bereiche der Stundenglas-Rippen, die als bevorzugt angegeben wurden.
Es wurde festgestellt, daß dort, wo die lokale Verformung des Materials nicht zu groß ist, konventionelles Kriechverformen zwischen den Formen akzeptabel ist.
Wie in Block 19 angegeben, wird die Schaufel dann chemisch bearbeitet, indem etwa 0,003 bis 0,004 inch (0,08 bis 0,10 mm) entfernt werden, um sämtliche Formschmiermittel und jeglichen alpha-Überzug zu entfernen, der sich gebildet haben könnte.
Wie in Block 20 angemerkt, kann der Übergang an der Vorderkante 68 und der Hinterkante 70 der Schaufel 108 mit Endgestalt durch Abziehen mit der Hand geschaffen werden. Die Wurzelgestalt kann dann, wie nötig, durch Bearbeiten der Wurzel 14 geschaffen werden.
Das Altern der Schaufel, wie in Block 21 angegeben, wird dann bei einer Temperatur von 1100ºF (592ºC) 6 Stunden lang ausgeführt. Der abschließende Block 22 empfiehlt das konventionelle Verdichten, das Beschichten, das Momentengewichten und das Markieren der Schaufeln, welches danach ausgeführt wird. Das bereitet die Schaufeln wie benötigt zum Einbau in einen Verdichter vor.
Fig. 14 stellt die Gestalt der fertigen Schaufel 108 vor dem Bearbeiten der Wurzelgestalt dar.
Schwerkraft-Kriechverformen zum Erzeugen eines vorherrschenden Teils des Verdrehens erleichtert die Vorhersage des Metallflußes. Gleichzeitiges Hitzedurchwärmen zur Lösungswärmebehandlung minimiert das Kornwachstum und spart Zeit. Der Innendruck bei dem Vorgang des Endformens vermeidet eine gewellte Schaufeloberfläche.

Claims

1. Verfahren zum Verdrehen eines hohlen, länglichen Titanlegierungsbauteils (66) mit einer Längsachse, dadurch gekennzeichnet,

daß es aufweist:

Schwerkraft-Kriechverformen des unverdrehten Bauteils (66) zu einem verdrehten Bauteil ohne kompressive Belastung des Bauteils anders als an den äußersten Enden und ohne axiale Festlegung des Bauteils anders als an einem Ende, durch

Legen des unverdrehten Bauteils auf eine Formhälfte (90), die eine Gestalt hat,

Aufheizen des unverdrehten Bauteils auf ein Temperaturniveau, bei dem Kriechen unter Schwerkraft auftritt und das unverdrehte Bauteil bis zum Anliegen an die Form verformt wird,

und gleichzeitiges Aufbringen von Verdrehmomenten an jedem Ende des unverdrehten Bauteils.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Kriechverformung des unverdrehten Bauteils aufweist:

Drehen eines ersten Endes des unverdrehten Bauteils mit Festlegung des ersten Endes in der axialen Richtung;

und Drehen des zweiten Endes des unverdrehten Bauteils ohne Festlegung des zweiten Endes in der axialen Richtung und in der Biegerichtung der Ebene des unverdrehten Bauteils.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Schritt des Drehens jedes Endes des unverdrehten Bauteils aufweist:

Drehen jedes Endes des unverdrehten Bauteils durch Aufbringen eines exzentrischen Gewichts (100).

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Schritt des Kriechverformens aufweist:

Vorsehen der Formhälfte, die eine Gestalt hat, mit beabstandeten, geformten Unterstützungen (94);

und schnelles Abkühlen des verdrehten Bauteils nach dem Kriechverformen mittels Hindurchleiten eines Stroms inerten Gases zwischen den geformten Unterstützungen.

5. Verfahren nach Anspruch I, bei dem das Bauteil eine hohle, innen verstärkte Titanlegierungsschaufel ist, wobei das Verfahren aufweist:

Bilden einer hohlen, unverdrehten Schaufel (66), die einen linsenförmigen Querschnitt und sich axial erstreckende, gegenüberliegende Wände der Schaufel verbindende Rippen (40) besitzt, für das Schwerkraft-Kriechverformen;

und nach dem Verdrehen der Schaufel ein abschließendes Heißformen der verdrehten Schaufel (101) zu einer Schaufel mit der Endgestalt, durch

Anordnen der verdrehten Schaufel zwischen einem Paar von Endgestalt-Formen (102);

Aufheizen der verdrehten Schaufel mindestens auf die Temperatur, bei der Kriechen stattfindet, aber auf eine geringere Temperatur als die Phasenübergangstemperatur,

Schließen der Formen (102),

und Anlegen eines Innendruckes bei geschlossenen Formen, wobei die verdrehte Schaufel, die in dem Kriechverformungsschritt geformt wurde, mindestens 80 Prozent der Verdrehung der Schaufel mit der Endgestalt aufweist;

Kühlen der Schaufel mit der Endgestalt;

und Schaffen von Übergängen an der Vorderkante und an der Hinterkante der Schaufel mit der Endgestalt.

6. Verfahren nach Anspruch 5 außerdem aufweisend:

Lösungs-Wärmebehandeln der Schaufel gleichzeitig mit dem Kriechverformen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Schaufel Lösungswärmebehandelt wird, indem sie eine Stunde auf der Lösungs- Durchwärmtemperatur gehalten wird und danach schnell abgekühlt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das außerdem aufweist:

Bemessen der Dicke der hohlen, unverdrehten Schaufel mit linsenförmigem Querschnitt so, daß sie verglichen mit der Solldicke in dem Toleranzbereich bis zu dem Schritt des abschließenden Heißformens überschüssige Schaufeldicke besitzt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem der Schritt des Bildens einer hohlen, unverdrehten Schaufel aufweist:

Bilden der Rippen mit stundenglasförmigem Querschnitt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem der Schritt des Bildens einer hohlen, unverdrehten Schaufel aufweist:

Bilden der Rippen mit Rippenzwischenräumen, die an jedem Ende in Strömungsverbindung mit einem benachbarten Raum sind, wodurch ein Serien-Strömungsweg zum Spülen mit inertem Gas geschaffen wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei dem der Schritt des Bildens der unverdrehten Schaufel aufweist:

Flachbearbeiten eines sich verjüngenden Rohlings (10) für eine erste und eine zweite Schaufelhälfte;

Heißformen jedes Rohlings zu einer festgelegten Querschnittskrümmung;

Flachbearbeiten der konkaven Seite jedes Rohlings;

Bearbeiten zum Erzeugen von Längsausnehmungen (32-37) unter Stehenlassen von Rippen zwischen diesen in jeder Schaufelhälfte;

Diffusionsverbinden der zwei Schaufelhälften miteinander;

und Einsetzen einer Spülleitung in Strömungsverbindung mit dem Inneren der unverdrehten Schaufel während des Diffusionsverbindens.

12. Verfahren nach Anspruch 11, das außerdem aufweist:

Bearbeiten der Vorderkante (68) und der Hinterkante (70) der unverdrehten Schaufel nach dem Diffusionsverbinden und vor dem Verdrehen.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, bei dem der Schritt des Kriechverformens der unverdrehten Schaufel aufweist:

Drehen des Wurzelendes (14) der hohlen, unverdrehten Schaufel mit Festlegung des Wurzelendes in der axialen Richtung und in der Biegerichtung der Schaufelebene;

und Drehen des Spitzenendes der hohlen, unverdrehten Schaufel ohne Festlegung in der axialen Richtung und in der Biegerichtung der Schaufelebene.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 13, bei dem der Schritt des Kriechverformens der unverdrehten Schaufel aufweist:

Drehen jedes Schaufelendes durch Aufbringen eines exzentrischen Gewichts.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem der Schritt des Drehens jedes Schaufelendes aufweist:

Befestigen einer Scheibe (78,84) an jedem Ende der unverdrehten Schaufel;

Anordnen des Außenrands jeder Scheibe in im wesentlichen vertikalen Kanälen (86) und Befestigen von exzentrischen Gewichten (100) an jeder Scheibe.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 15, bei dem der Schritt des Kriechverformens aufweist:

Vorsehen der Kriechform mit beabstandeten, geformten Unterstützungen;

und schnelles Abkühlen der verdrehten Schaufel nach dem Kriechverformen, mittels Hindurchleiten eines Stroms inerten Gases zwischen den geformten Unterstützungen.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 16, bei dem der Schritt des abschließenden Heißformens aufweist:

Aufheizen der verdrehten Schaufel mittels beheizter Formen (102) auf eine superplastische Temperatur.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Schritt des abschließenden Heißformens aufweist:

Anlegen eines Innendrucks mit einem inerten Gas, nachdem die Formen geschlossen sind.