DE69605998T2

DE69605998T2 - Verfahren zur Herstellung einer hohlen Turbinenschaufel

Info

Publication number: DE69605998T2
Application number: DE69605998T
Authority: DE
Inventors: Mathieu Philippe Albert Bichon; Xavier Gerard Andre Coudray; Alex Pierre Deblois; Christophe Huon De Kermadec; Jean-Francois Georges Julien Lacuisse; Bruno Andre Marie Rolland
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA; Dassault Aviation SA; SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS; Dassault Aviation SA
Priority date: 1995-09-27
Filing date: 1996-09-26
Publication date: 2000-06-29
Anticipated expiration: 2016-09-27
Also published as: DE69605998D1; CA2186562A1; CA2186562C; JPH09125903A; JP3281551B2; ES2140805T3; FR2739045A1; EP0765711A1; FR2739045B1; EP0765711B1; US5826332A

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer hohlen Turbinenschaufel

Die Vorteile der Verwendung von Schaufeln mit großer Weite ihr Turbotriebwerke haben sich insbesondere bei Gebläserotorschaufeln der Zweikreis-TL-Triebwerke gezeigt. Diese Schaufeln müssen harten Betriebsbedingungen genügen und insbesondere ausreichende mechanische Eigenschaften in Verbindung mit vibrationsdämpfenden Eigenschaften und Festigkeit gegen Auftreffen von Fremdkörpern besitzen. Das Ziel, ausreichende Geschwindigkeiten am Schaufelende zu erzielen, hat ferner dazu geführt, eine Verringerung der Massen anzustreben. Dieses Ziel wird insbesondere durch Verwendung von hohlen Schaufeln erreicht.
Die Gebläseschaufel hat eine spezielle Geometrie in Verbindung mit der geringen Abmessung der Nabe, was dazu führt, eine Schaufel zu bauen, die am Fuß stark gewölbt ist und an der Blattspitze ein sehr flaches Profil hat, wobei das Verdichtungsverhältnis über die Höhe im wesentlichen konstant ist. Außerdem muß eine angemessene geometrische Form für den Übergang zwischen dem Anschluß der Schaufel und dem eigentlichen aerodynamischen Schaufelblatt entwickelt werden. Das führt zu einer Geometrie, die an der Rückseite des Profils im unteren, löffelförmigen Teil mit einer Durchbiegung in der Profilrichtung und einer Wölbung in der radialen Richtung sehr dreidimensional ist.
Um eine gute mechanische Festigkeit der hohlen Gebläseschaufeln aus Titanlegierung zu erzielen, muß der Konzeption der Innengeometrie und ihrer Ausführungsqualität besondere Sorgfalt gewidmet werden, was sich in den folgenden Spezifikationen äußert:
- Ausbildung des Radius zwischen dem Druckseiten-Hautrohling und dem Saugseiten- Hautrohling,
- Ausbildung des Versteillmgsrippensitzradius an den Hautrohlingen der Druckseite und der Saugseite,
- sehr geringe Querschnittsverengung bei den Versteifungen,
- Bewahren der mechanischen Eigenschaften des Basismetalls bei der Ausführung der Diffusionsschweißungen bei hervorragender Qualität aller Haut-/Versteifungsverbindungen,
- Erzielen eines Oberflächenzustands der Innenhohräume nach dem Aufblähen entsprechend den normalen Anforderungen bei Werkstücken aus Titan,
- Optimierung des Fertigungsprogramms, um die eigenen mechanischen Charakteristika der Gebläseschaufeln aus geschmiedetem Titan nicht zu verschlechtern.
Außerdem muß das Herstellungsverfahren die Herstellung von Stücken mit veränderbaren geometrischen Parametern ermöglichen (Veränderung der Dicke der Versteifungs-Haut- Rohlinge, Veränderung des Verlaufswinkels der Versteifung, Veränderung der Breite der Schweißzonen, ...).
Das hergestellte Werkstück muß in der Tat den Anforderungen einer optimierten Geometrie mit einer guten Beständigkeit gegen Vibrationsermüdung, einer guten Festigkeit gegen äußerliche Einflüsse genügen und alle geplanten Bedingungen für die für den Motor erwünschte Lebensdauer erfüllen.
Es ist z. B. aus EP-A-0.500.458 ein Verfahren zur Herstellung einer hohlen Turbinenschaufel bekannt, das aus den folgenden Schritten besteht:
a) ausgehend von der Definition einer herzustellenden Schaufel, Entwicklung der Bestandteile der Schaufel unter Verwendung von Mitteln zum rechnerunterstützten Entwerfen (CAD) und zur rechnergestützten Fabrikation (CAM),
b) Schmieden der Rohlinge auf der Presse,
c) Bearbeiten der Rohlinge,
d) Aufbringen von Diffusionswänden nach einem vorbestimmten Muster,
e) Zusammensetzen der Rohlinge, gefolgt vom Diffusionsschweißen unter isostatischem Druck
f) Aufblähen unter Gasdruck und superplastisches Formen,
g) Endbearbeitung.
Diese Erfindung hat zur Aufgabe, an den zahlreichen bekannten Herstellungsverfahren iur hohle Turbinenschaufeln wesentliche Verbesserungen vorzunehmen, die insbesondere darauf abzielen, Schaufeln zu schaffen, die dank einer zweckmäßigen Geometrie, insbesondere was die Ausführung des Hohlraums der Schaufel betrifft, unter Betriebsbedingungen verbesserte mechanische Eigenschafen aufweisen.
Diese Aufgaben werden mit einem Herstellungsverfahren für hohle Turbinenschaufeln der obengenannten Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß
- m Verfahrensschritt (c) eine Materialreserve in bestimmten Bereichen der Innenseite der Druckseiten- und Saugseitenhaut vorgesehen wird und in den Verfahrensschritten (b) und (c) an jedem Ende der Rohlinge Elemente als Lagerzapfen angeordnet werden und an jedem Rohling mindestens zwei Fixierlöcher hergestellt werden,
- der Verfahrensschritt (d) mit folgendem Ablauf ausgeführt wird:
(d1) Anbringen einer Maske organischen Typs auf mindestens einer Seite von mindestens einem der Rohlinge,
(d2) Ausschneiden der Maske nach einem vorbestimmten Muster, das die Grenzen der geschweißten und der nicht geschweißten Bereiche darstellt, auf einer NC-Maschine, wobei in den Bereichen, die den Verbindungen an der Vorder- und der Hinterkante der Schaufel entsprechen, wo sich ein Hohlraumradius bildet, sowie in den Bereichen des Versteifungsrippensitzradius an der Druckseiten- und Saugseitenhaut durch ein Einstellen der Ausschneideposition der Maske ein Verschieben der Schweißungsgrenze erfolgen kann,
(d3) Enthüllen der nicht geschweißten Bereiche,
(d4) Reinigung der Oberflächen,
(d5) Aufbringen eines Beschichtungsprodukts zur Bildung einer Diffusionswand auf den zuvor vorbereiteten Flächen,
(d6) Enthüllen der restlichen Maske,
(d7) Vorhärtungsbehandlung des Diflhsionsschutzprodukts,
(d8) Reinigung und Überprüfung der zu schweißenden Oberflächen,
- in Verfahrensschritt (e) der Vorgang des Zusammenfügens der Rohlinge unter Benützung der genannten End-Lagerzapfen und seitlicher Positionierstifte, die in die genannten Fixierlöcher eingeführt werden, ausgeführt wird,
- in Verfahrensschritt (f) ein vorbestimmter Zyklus des Formpressens durchgeführt wird, bei dem:
(f1) vor Beginn des Blähens ein Kaltablösen der Rohlinge ausgeführt wird,
(f2) nach dem Schließen der Form, in die das am Ende des Verfahrensschritts (e) erhaltene Werkstück in Sandwich-Form eingebracht wurde, vor dem Blähen ein Fließen des in Überdicke vorgesehenen Materials um den Hohlraum der Schaufel herum ausgeführt wird,
(f3) die Schaufel nach dem Formen mit Hilfe eines mechanischen Mittels, das die Schaufel unter Spannung setzt, bei Formungstemperatur aus der Form entnommen wird.
Die Anordnungen dieser Erfindung ermöglichen es, die Innengeometrie zu schaffen, die die gewünschten Eigenschaften der Schaufel gewährleistet, insbesondere;
- eine allgemeine Geometrie des Querschnitts, vor allem Anzahl, Form und Position der Versteifungen sowie Position und Größe des Hohlraums,
- eine Geometrie bestimmter Stellen, vor allem an den Schweißungsgrenzen Beginn Hohlraum und Verbindung Haut/Versteifungen. Wir unterscheiden dabei, wie es üblich ist, den Hohlraumradius an der Vorderkante nicht von dem an der Hinterkante, und bezeichnen Ihn mit Hohlraumradius. Desgleichen machen wir keine Unterscheidung zwischen den Radien der Verbindung Haut/Versteifungen, in welcher Position sie sich auch befinden, und bezeichnen sie mit Radius der Haut/Versteifungs-Verbindung.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor, wobei
Fig. 1 in einer Vorderansicht eine hohle Turbinenschaufel zeigt, die mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hergestellt ist,
Fig. 2 eine schematische Querschnittansicht der Schaufel von Fig. 1 zeigt,
Fig. 3 ein Verbindungsdetail zwischen zwei Elementen der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Schaufel zeigt,
Fig. 4 in einer Teilansicht die Details der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Schaufel zeigt,
Fig. 5 in einer schematischen Perspektivansicht Rohlinge zeigt, die in dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren verwendet werden,
Fig. 6 in einer schematischen Perspektivansicht ein Bauelement der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Schaufel im Stadium der Bearbeitung zeigt,
die Fig. 7 und 8 Teilansichten im Schnitt von Elementen der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Schaufel zeigen, wobei Überdicken dargestellt sind, die im Stadium der Bearbeitung hergestellt werden,
Fig. 9 in einer schematischen Perspektivansicht ein Element der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Schaufel beim Anbringen einer Maske zeigt,
Fig. 10 in einer schematischen Schnittansicht das in Fig. 9 dargestellte Element zeigt,
Fig. 11 in einer schematischen Schnittansicht wie der von Fig. 10 das in den Fig. 9 und 10 dargestellte Element im Stadium des Ausschneidens der Maske zeigt,
Fig. 12 in einer schematischen Schnittansicht wie der der Fig. 10 und 11 das in den Fig. 9 bis 11 dargestellte Element im Stadium des Enthüllens der Maske zeigt,
Fig. 13 in einer schematischen Schnittansicht wie der der Fig. 10 bis 12 das in den Fig. 9 bis 12 dargestellte Element in einer Variante des Stadiums des Ausschneidens der Maske zeigt,
Fig. 14 in einer schematischen Schnittansicht wie der der Fig. 10 bis 13 das Element von Fig. 13 im Stadium des Enthüllens der Maske zeigt,
Fig. 15 in einer schematischen Schnittansicht wie der der Fig. 10 bis 14 das Element der Fig. 13 und 14 im Stadium der chemischen Bearbeitung von Rillen zeigt,
Fig. 16 in einer schematischen Schnittansicht wie der der Fig. 10 bis 15 das Element der Fig. 13 bis 15 im Stadium des Enthüllens der restlichen Maske zeigt,
Fig. 17 in einer schematischen Schnittansicht wie der der Fig. 10 bis 16 das in Fig. 9 dargestellte Element nach einer als Variante ausgeführten chemischen Bearbeitung zeigt,
Fig. 18 in einer schematischen Schnittansicht wie der der Fig. 10 bis 17 das Element von Fig. 17 nach der Herstellung von gerillten Bereichen zeigt,
die Fig. 19 und 20 in schematischen Schnittansichten wie der der Fig. 10 bis 18 das Element von Fig. 17 bzw. das Element von Fig. 18 im Stadium des Aufbringens einer Diffusionswand zeigen,
die Fig. 21 und 22 in schematischen Schnittansichten wie der der Fig. 10 bis 20 das Element der Fig. 17 und 19 bzw. das Element der Fig. 18 und 20 im Stadium des Enthüllens der restlichen Maske zeigen,
Fig. 23 in einer Perspektivansicht das Zusammensetzen der Rohlinge zeigt, die Bestandteile der Schaufel sind,
Fig. 24 in einer Perspektivansicht die Vollendung der in Fig. 23 schematisch dargestellten Zusammensetzung zeigt,
die Fig. 25 und 26 in schematischen Teilansichten im Schnitt zwei Ausführungsdetails von Abflachungen in der Verbindung zwischen Schaufelelementen zeigen,
Fig. 27 in einer schematischen Perspektivansicht die beiden Teile zeigen, aus denen die Form besteht, die bei dem Verfahrensschritt des superplastischen Formens der Schaufel nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird, und
Fig. 28 in einer Ansicht wie der von Fig. 7 ein Detail mit einem Herstellungsfehler darstellt.
In den Fig. 1 und 2 wird eine hohle Turbinenschaufel 1, insbesondere eine Gebläseschaufel mit großer Weite, die beispielsweise für ein Zweikreis-TL-Triebwerk vorgesehen ist, schematisch dargestellt. Die Schaufel 1 besteht aus einer Druckseitenhaut 2 und einer Saugseitenhaut 3, die einen Abstand zwischen sich aufweisen, um einen Innenhohlraum 4 zu bilden, in dem ein Element 5 angeordnet ist, das mehrere Versteifungsrippen 6 bildet, die die Verbindung zwischen der Haut 2 und der Haut 3 gewährleisten. Bei der Schaufel 1, die mit dem Herstellungsverfahren hergestellt ist, dessen Verbesserungen Gegenstand dieser Erfindung sind, werden die Haut 2 und die Haut 3 an Ihren Rändern miteinander verschweißt, um eine Vorderkante 7 und eine Hinterkante 8 zu bilden, und der Hohlraum 4 der Schaufel 1 weist einen Radius 9 an der Vorderkante und einen Radius 10 an der Hinterkante 8 auf Desgleichen weist das Element 5 geschweißte Bereiche auf, die einen auf der Druckseitenhaut 2 und die anderen auf der Saugseitenhaut 3, und so bilden die Verbindungen zwischen den Versteifungsrippen 6 und den Häuten 2 und 3 Radien wie z. B. 11 und 12, wie in Fig. 3 schematisch dargestellt.
Der erste Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer hohlen Schaufel wie 1 für ein Turbotriebwerkgebläse besteht in der von dem Entwurf des fertigen Werkstücks ausgehenden Entwicklung unter Verwendung an sich bekannter Mittel zum rechnergestützten Konstruieren (CAD) und zur rechnergestützten Fabrikation (CAM).
Dieses Konstruieren ermöglicht es, ein Entblähen der Saugseitenhaut 3 sowie die Konstruktion des Elements 5 oder zentralen Blechs so zu simulieren, daß diese beiden Elemente auf das Druckseitenblech gelegt oder in einem bekannten Abstand angeordnet werden. Mit dem verwendeten Simulationsprogramm kann die relative Bewegung der Bleche während des Formens genau bestimmt werden. Um die auf diese Weise festgelegte Geometrie zu erreichen, erhält jedes Element 2, 3 bzw. 5, das Bestandteil der Schaufel wird und mit Rohling bezeichnet wird, Überdicken, die mit dem vorgesehenen Schmiedeprozeß vereinbar sind, wie in Fig. 4 schematisch dargestellt.
Fig. 5 zeigt die Ausgangswerkstücke 13, aus denen diese Elemente 2, 3 und 5, die Bestandteil der Schaufel werden, entstehen und die durch Schmieden und Gesenkschmieden auf der Presse hergestellt werden, mit Ihrer Bearbeitungsüberdicke. Mit diesem verbesserten Vorgang kann gemäß Arbeitsschritt (b) eine Geometrie und ein Produkt mit hoher Präzision und mit verbesserten mechanischen Eigenschaften erreicht werden.
Im Arbeitsschritt (c) werden die Rohlinge 13 bearbeitet, wie in Fig. 6 dargestellt. Die Feinbearbeitung der Innenseite der Rohlinge erfolgt mit jedem beliebigen, an sich bekannten Bearbeitungsverfahren. In diesem Stadium kann vorteilhafterweise auf den Hautrohlingen über den gesamten Außenumfang des Bereichs dieser Häute, der den Hohlraum der Schaufel bilden soll, eine Material Überdicke hergestellt werden. Dieser Abschnitt 14 in Überdicke bildet dadurch einen Fließbereich, der dazu vorgesehen ist, später plastisch verformt zu werden. In gleicher Weise ist ein Abschnitt 15 in Überdicke auf dem Umfang des Werkstücks dazu vorgesehen, beim Zusammensetzen einen Abstand zwischen den Blechen zu sicherzustellen. Fig. 7 zeigt ein Detail dieser Überdicken 14 und 15.
Vorteilhafterweise können stellenweise abgeflachte Überdicken 16 auch im Verfahrensschritt (c) auf der Innenseite der Hautrohlinge in den Bereichen, in denen die Verbindungsschweißungen zwischen Haut und Versteifungsrippe angebracht werden, hergestellt werden, wie in Fig. 8 schematisch dargestellt.
Die Hautrohlinge wie 13 weisen an jedem Ende Lagerzapfen 17 und 18 auf; die bei den nachfolgenden Verfahrensschritten verwendet werden. Außerdem werden an den Rohlingen mindestens zwei Fixierlöcher 19 hergestellt. Vorteilhafterweise kann der Bearbeitungsvorgang an Unterdruckwerkzeugen dergestalt ausgeführt werden, daß die gewünschte Präzision der Positionierung der Hohlräume zueinander gewährleistet ist. Diese Maßnahmen sind wesentlich, um die richtigen Hohlraumradien zu erhalten. In dem Verfahrensschritt d erfolgt ein Aufbringen von Diffusionswänden nach einem vorbestimmten Muster. Im einzelnen teilt sich dieser Verfahrensschritt in die folgenden Vorgänge auf:
- (d1) Anbringen einer Maske 20 organischen Typs auf mindestens einer Seite von mindestens einem der Rohlinge 13, wie in den Fig. 9 und 10 dargestellt,
- (d2) Ausschneiden der Maske 20 nach einem vorbestimmten Muster, das die Grenzen der geschweißten und der nicht geschweißten Bereiche darstellt, wie in Fig. 11 schematisch gezeigt. Durch die Verwendung eines Spezialwerkzeugs auf einer NC-Maschine kann die Ausschneideposition der Maske präzise eingestellt werden.
So kann das Ausschneiden mit einem Rundschneidemesser wie z. B. 21 mit asymmetrischen Flanken 22 und 23 auf einer NC-Maschine erfolgen. Durch die bestimmte Form des Rundschneidemessers 21 und durch ein genaues Einstellen des Drucks des Werkzeugs wird ein Hochpräzisions-Abschnitt gewährleistet.
Dieser Ausschneide-Vorgang kann auch mit einem Skalpell, das mit einem elektropneumatischen System gesteuert wird, ausgeführt werden, so daß ein sauberer Abschnitt gewährleistet ist, ohne den Rohling 13 zu beschädigen.
Je nach besonderen Anwendungen kann eine Laserbearbeitung mit niedriger Leistung erfolgen, die einen sauberen Abschnitt gewährleistet, ohne den Rohling 13 zu beschädigen.
Der Unterschritt (d3) umfaßt das Enthüllen der nicht geschweißten Bereiche 14, wie in Fig. 12 schematisch gezeigt.
Bei einer ersten Ausführungsvariante sind ergänzende Unterschritte vorgesehen:
- (d2') Ausschneiden der Maske 20, wobei gerillte Bereiche 25 nach einem vorbestimmten Muster geschaffen werden, das Parallelen zu den geschweißten Bereichen darstellt, wie in Fig. 13 schematisch gezeigt,
- (d3') Enthüllen der zu rillenden Bereiche 25 am Rand der zu schweißenden Bereiche zwischen Häuten und Versteifungsrippen; wie in Fig. 14 schematisch gezeigt,
- (d3") chemische Bearbeitung von Rillen in diesen in Schritt (d3') enthüllten Bereichen, wie in Fig. 15 schematisch gezeigt,
- (d3''') Enthüllen der verbliebenen Maske, um die Bereiche 24 zu freizulegen, wie in Fig. 16 schematisch gezeigt.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist eine chemische Bearbeitung, z. B. mit einer maximalen Tiefe von 0,75 mm, vorgesehen, um am Rand des Ausschnitts eine gleichmäßige Grenze zu schaffen, wie in Fig. 17, wo die Bereiche 24 dargestellt sind, oder in Fig. 18 mit den Bereichen 25 schematisch gezeigt.
Das Verfahren wird mit den folgenden Unterschritten fortgesetzt:
- (d4) Reinigung der Oberflächen,
- (d5) Aufbringen eines Beschichtungsprodukts 26 zur Bildung einer Diffusionswand auf den zuvor vorbereiteten Flächen, wie in den Fig. 19 und 20 mit oder ohne Rillen gezeigt. Dieses Produkt wird durch Aufsprühen in aufeinanderfolgenden Schichten mit einer Dicke von bis zu 40 um aufgebracht. Nach jedem Aufsprühen erfolgt ein Trocknungsvorgang.
- (d6) Enthüllen der restlichen Maske, wobei das Werkstück in einer Stellung gehalten wird, in der keinerlei Diffusionsschutzprodukt auf die zu schweißenden Bereiche gelangen kann. Das erzielte Ergebnis ist in den Fig. 21 und 22 mit oder ohne Rillen dargestellt.
- (d7) Vorhärtungsbehandlung des Diffusionsschutzprodukts. Die Temperatur wird für einen vorbestimmten Zeitraum zwischen 250ºC und 350ºC gewählt, um zu gewährleisten, daß sich der größte Teil des in dem Diffusionsschutzprodukt enthaltenen Bindemittels abbaut, wie es mit den folgenden Vorgängen vereinbar ist, so daß jegliche Oxidation der Werkstücke vermieden wird, indem dieser Abbauprozeß unter Luftabschluß erfolgt,
- (d8) Reinigung der zu schweißenden Bereiche, wobei ihre Reinheit sorgfältig überprüft wird, z. B. unter UV-Licht.
In dem nächsten Verfahrensschritt (e) werden die Rohlinge 13, 27, 28 wie in Fig. 23 dargestellt, aus denen die Schaufel entsteht, unter Benützung der Lagerzapfen 17 und 18 zusammengefügt, wobei seitliche Positionierstifte 29 in die zuvor an diesen Rohlingen hergestellten Löcher 19 eingeführt werden. Bei diesem Zusammenfügen kann eine vollkommene Ausrichtung der verschiedenen Stücke und der Bereiche aufeinander, die zur Bildung der Innenhohlräume der Schaufel vorgesehen sind, erzielt werden, und insbesondere kann mit diesen Anordnungen der richtige Wert des Hohlraumradius erzielt werden.
In Fig. 24 ist diese Zusammensetzung in vollendetem Zustand dargestellt. Die Außenlinie des damit hergestellten Sandwich 30 wird z. B. mit einer Schweißung 31 durch TIG-Schweißen, durch Elektronenstrahl- oder Laserschweißen verschlossen. An jedem Ende werden Rohre 32 angeschweißt, und mittels dieser Rohre 32 wird in Inneren des Sandwich 30 gleichmäßig das Vakuum hergestellt und dann durch Abdichten dieser Rohre 32 gehalten. Durch die Überdicke 15 am Umfang der Druckseitenhaut 28 und der Saugseitenhaut 27 kann beim Zusammensetzen ein konstanter Zwischenraum zwischen den Werkstücken, die die Schaufel bilden, hergestellt werden.
In einer Ausführungsvariante kann nach dem Zusammenbauen des Sandwich 30 das Härten des im vorherigen Schritt (d) angebrachten Diffusionsschutzprodukts durchgeführt werden.
Nach dem Zusammenbauen wird das Sandwich 30 in einem Raum mit isostatischem Druck diffusionsverschweißt, so daß ein enger Kontakt zwischen den Werkstücken 13, 27 und 28, die die Schaufel bilden, gewährleistet wird.
Während dieses Vorgangs können die Bewegungen, die bei dem Unter-Druck-Setzen mit einhergehendem Aneinanderlegen der Innenflächen erfolgen, durch Reibung das Verschieben und/oder die Zerstörung der Grenze des Diflhsionsschutzprodukts verursachen. Bei den in den Fig. 25 und 26 dargestellten Ausführungsdetails werden im einen Fall positive Abflachungen 16 und seitliche Rillen 25 und im anderen Fall negative Abflachungen 33 und seitliche Rillen 25 gezeigt, die an den Rohlingen in den Bereichen vorhanden sind, die dazu vorgesehen sind, die Verbindungen zwischen Versteifungsrippen und Häuten zu bilden, wie an dem Werkstückdetail von Fig. 3 dargestellt. Die Rillen 25 schützen diese Grenze des Diffusionsschutzprodukts auf den Werkstücken, die die Schaufel bilden, indem diese unterhalb der Höhe der Schweißebene angeordnet wird. Der konstante Zwischenraum zwischen den Werkstücken, die die Schaufel bilden, der beim Zusammensetzen durch die Überdicke 15 vorhanden ist, wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben, erfüllt beim Diffusionsschweißen die Funktion einer Unreinheitenfalle. Die dabei eventuell entstehenden Fehler sind dadurch auf Bereiche beschränkt, die noch geräumt werden sollen.
In dem nächsten Verfahrensschritt (f) erfolgt ein superplastisches Formen der Werkstücke, die die Schaufel 1 bilden, indem in dem Innenhohlraum 4 ein Aufblähdruck aufgebaut wird, so daß das gewünschte Prolil, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, an den aerodynamischen Flächen der Druckseite 2 und der Saugseite 3 des Schaufelblatts hergestellt wird und die Versteifungsrippen 6, die aus dem zentralen Rohling 13 entstehen, ihren Platz einnehmen. Dazu wird das Sandwich 30 in eine Form 34 eingesetzt, die in Fig. 27 schematisch dargestellt ist. Die Form 34 besteht aus zwei Teilen 35 und 36, und sie ist dergestalt beschaffen, daß diese beiden Teile 35 und 36 in den sechs Freiheitsgraden präzise zueinander positioniert werden können. Die Form 34 weist insbesondere Drehanschläge 37 auf durch deren Position in Zusammenwirkung mit den Schließmitteln der Form die Teile 35 und 36 von Beginn des Formungszyklus an gegen eine horizontale Drehbewegung und gegen eine Vorschubbewegung blockiert werden können. Die V-förmigen Zentrierelemente 38 des unteren Teils 35, die auf der Linie der Lagerzapfen 17 und 18 an den Stirnseiten des Werkstücks sitzen, gewährleisten dessen richtige Position in der Form 34. Mit dieser strengen Positionierung des Schaufelrohlings in der Form 34 vermeidet man jeglichen Versatz der Schaufel, insbesondere eine seitliche Verschiebung, die eine Zerstörung der Hohlraumradien 9 und 10 zur folge hätte. Diese Merkmale des Positionierens der Form und der Schaufel führen so gemeinsam dazu, die für die fertige Schaufel gewünschten Dimensionen und Formen der Hohlraumbeginn-Radien der Schaufel zu erzielen.
Vor dem eigentlichen Formvorgang wird ein Unterschritt (f1) durchgeführt, der darin besteht, vor Beginn des Blähens ein Kaltablösen der Rohlinge auszuführen, was durch den Verdichtungszustand des Diffusionsschutzprodukts bedingt notwendig ist. Sodann wird ein vorbestimmter Zyklus des Unter-Formdruck-Setzens durchgeführt, der insbesondere das mechanische Unter-Druck-Setzen mit Beginn des Blähens umfaßt, so daß die Fehlerfreiheit des fertigen Werkstücks gewährleistet ist. Insbesondere besteht eine Regelung zwischen dem Schließdruck der Form und dem Bläh-Druck. Nach dem Schließen der Form 34 folgt ein Unterschritt (f2), bei dem ein Fließen der Überdicke 14 ausgeführt wird, die den oben erwähnten Bereich, in dem der Schaufelhohraum gebildet wird, umgibt. Durch eine gesteuerte Verkettung der aufeinanderfolgenden Phasen - Fließen, dann Blähen - ist es möglich, zugleich die Innengeometrie der Schaufel zu erzeugen und Fehler an der Haut im Bereich der Stellen, an denen der Hohlraum beginnt, zu vermeiden. Während des Formens kann bei dem festgelegten Zyklus des Aufbauens des Innengasdrucks insbesondere eine kontrollierte Verformungsgeschwindigkeit eingehalten werden, so daß die Herstellung der Hohlraumradien, der Radien in den Verbindungsbereichen zwischen Haut und Versteifungsrippen, des erforderlichen Radiusoberflächenzustands sowie die Vermeidung von Querschnittsverengungen in der Versteifung gewährleistet werden kann. Fig. 28 zeigt dazu als Detail einen Verengungsfehler 39 an einer Versteifungsrippe, der durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden wird. Die Beherrschung des Verformungsgrades, die aufgrund der Positioniermerkmale der Form sowie der Anwendung des Formzyklus er reicht wird, ermöglicht es, den gewünschten Wert für die Radien 9, 10, 11 und 12 zu gewährleisten.
Bei dem nächsten Unterschritt (f3) wird die Schaufel 1 nach dem Formen mit Hilfe eines mechanischen Mittels, das die Schaufel unter eine Spannung solcherart setzt, daß bei diesem Vorgang, der unter Beibehaltung der Formungstemperatur erfolgt, die Geometrie des Werkstücks erhalten bleibt, aus der Form 34 entnommen.
In dem nächsten Verfahrensschritt (g) erfolgt schließlich die Endbearbeitung und die Feinbearbeitungen des Werkstücks auf an sich bekannte Weise. Die besonderen Ausführungsmodalitäten des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer hohlen Turbinenschaufel 1, die soeben beschrieben wurden, gewährleisten das Erreichen der gewünschten Ergebnisse und insbesondere die technische Qualität der Schaufel 1. Diese oben im einzelnen ausgeführten Hauptergebnisse lauten, kurz zusammengefaßt:
- Erreichen des Werts der gewünschten Radien 9 und 10 am Hohlraumbeginn und des Werts des Radius am Beginn der Schweißung in dem Verbindungsbereich zwischen den Häuten 2 und 3 und den Versteifungsrippen 6,
- richtige Positionierung der Schweißungslinie in den oben genannten Bereichen am Hohlraumradius und am Radius zwischen den Häuten und Versteifungsrippen,
- die in den oben genannten Bereichen erreichte metallurgische Qualität des Basismetalls,
- zweckdienlicher Oberflächenzustand in dem Radius 9 oder 10 am Hohlraumbeginn der Schaufel,
- korrekte und saubere Schweißungsansätze zwischen Häuten und Versteifungsrippen,
- korrekt geformte Versteifungsrippen 6 ohne Querschnittsverengungen,
- Qualität der Außengeometrie der Schaufel 1, insbesondere was die Form des Profils, die Verwindung, die Hohlprägung und die versetzte Anordnung betrifft.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer hohlen Turbinenschaufel, insbesondere einer Rotorschaufel eines Gebläses mit großer Weite, bestehend aus den folgenden Schritten:

a) ausgehend von der Definition einer herzustellenden Schaufel (1) erfolgt die Entwicklung unter Verwendung von Mitteln zum rechnerunterstützten Entwerfen (CAD) und zur rechnergestützten Fabrikation (CAM) der Bestandteile (2, 3, 5) der Schaufel,

b) Schmieden der Rohlinge (13) auf der Presse,

c) Bearbeiten der Rohlinge (13), die eine Druckseitenhaut, eine Saugseitenhaut und mindestens ein Mittelstück aufweisen,

d) Aufbringen von Diffusionswänden nach einem vorbestimmten Muster,

e) Zusammensetzen der Rohlinge, gefolgt vom Diffusionsschweißen unter isostatischem Druck,

f) Aufblähen unter Gasdruck und superplastisches Formen dergestalt, daß die Formung der Druckseitenhaut und der Saugseitenhaut der Schaufel, die durch einen zentralen Hohlraum voneinander getrennt und durch angeschweißte, aus dem Mittelstück hergestellte Versteifungsrippen miteinander verbunden werden, erreicht wird,

g) Endbearbeitung,

dadurch gekennzeichnet, daß

- in Verfahrensschritt (c) eine Materialreserve in den bestimmten Bereichen (14, 15) der Innenseite der Druckseiten- und Saugseitenhaut vorgesehen wird und in den Verfahrensschritten (b) und (c) an jedem Ende der Rohlinge Elemente als Lagerzapfen (17, 18) angeordnet werden und an jedem Rohling mindestens zwei Fixierlöcher (19) hergestellt werden,

- der Verfahrensschritt (d) mit folgendem Ablauf ausgeführt wird:

(d1) Anbringen einer Maske (20) organischen Typs auf mindestens einer Seite von mindestens einem der Rohlinge,

(d2) Ausschneiden der Maske (20) nach einem vorbestimmten Muster, das die Grenzen der geschweißten und der nicht geschweißten Bereiche darstellt, auf einer NC-Maschine, wobei durch ein Einstellen der Ausschneideposition der Maske die Position der Schweißungen in den Bereichen, die den Verbindungen an der Vorder- und der Hinterkante der Schaufel ent sprechen, wo sich ein Hohlraumradius bildet, sowie in den Bereichen des Versteifungsrippensitzradius an der Druckseiten- und Saugseitenhaut gesteuert werden kann,

(d3) Enthüllen der nicht geschweißten Bereiche,

(d4) Reinigung der Oberflächen,

(d5) Aufbringen eines Beschichtungsprodukts zur Bildung einer Diffusionswand auf den zuvor vorbereiteten Flächen,

(d6) Enthüllen der restlichen Maske,

(d7) Vorhärtungsbehandlung des Diffusionsschutzprodukts,

(d8) Reinigung und Überprüfung der zu schweißenden Oberflächen,

- in Verfahrensschritt (e) der Vorgang des Zusammenfügens der Rohlinge unter Benützung der genannten End-Lagerzapfen (17, 18) und seitlicher Positionierstifte (29), die in die genannten Fixierlöcher (19) eingeführt werden, ausgeführt wird,

- in Verfahrensschritt (f) ein vorbestimmter Zyklus des Formpressens durchgeführt wird, bei dem:

(f1) vor Beginn des Blähens ein Kaltablösen der Rohlinge ausgeführt wird,

(f2) nach dem Schließen der Form, in die das am Ende des Verfahrensschritts (e) erhaltene Werkstück in Sandwich-Form eingebracht wurde, vor dem Blähen ein Fließen des in Überdicke vorgesehenen Materials (14) um den Hohlraum der Schaufel herum ausgeführt wird,

(f3) die Schaufel nach dem Formen mit Hilfe eines mechanischen Mittels, das die Schaufel unter Spannung setzt, bei Formungstemperatur aus der Form entnommen wird.

2. Verfahren zur Herstellung einer hohlen Turbinenschaufel nach Anspruch 1, wobei in Verfahrensschritt (d2) das verwendete Spezialwerkzeug ein Rundschneidemesser (21) mit asymmetrischen Flanken (22, 23) ist, so daß durch die bestimmte Form des Rundschneidemessers und durch das Einstellen des Drucks des Werkzeugs ein Hochpräzisions- Abschnitt gewährleistet wird.

3. Verfahren zur Herstellung einer hohlen Turbinenschaufel nach Anspruch 1, wobei in Verfahrensschritt (d2) das verwendete Spezialwerkzeug ein mit einem elektropneumatischen System gesteuertes Skalpell ist, so daß ein sauberer Abschnitt gewährleistet ist, ohne den Rohling zu beschädigen.

4. Verfahren zur Herstellung einer hohlen Turbinenschaufel nach Anspruch 1, wobei in Verfahrensschritt (d2) der Abschnitt der Maske mittels einer Laserbearbeitung mit niedriger Leistung erfolgt, die einen sauberen Abschnitt gewährleistet, ohne den Rohling zu beschädigen.

5. Verfahren zur Herstellung einer hohlen Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Verfahrensschritt (d3) in Unterschritte unterteilt ist:

- (d3') Enthüllen von Bereichen, die gerillt werden sollen (25),

- (d3") chemische Bearbeitung von Rillen am Rand der zu schweißenden Bereiche,

- (d3''') zweites Enthüllen der nicht geschweißten Bereiche.

6. Verfahren zur Herstellung einer hohlen Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei dem Verfahrensschritt (d2) folgende Unterschritte vorausgehen:

- (d1.1) Enthüllen der zu schweißenden Bereiche,

- (d1.2) chemische Bearbeitung der freigelegten Bereiche,

- (d1.3) zweites Aufbringen einer Maske auf die zu schweißenden Bereiche.

7. Verfahren zur Herstellung einer hohlen Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in dem Verfahrensschritt (c) über den gesamten Außenumfang des Bereichs der Druckseiten- und Saugseitenhautrohlinge, der den Hohlraum der Schaufel bilden soll, eine Material- Überdicke (14) hergestellt wird, wobei dieser Abschnitt in Überdicke einen Fließbereich bildet, der in dem Verfahrensschritt (f) plastisch verformt wird.

8. Verfahren zur Herstellung einer hohlen Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei im Verfahrensschritt (c) auf der Innenseite der Druckseiten- und Saugseitenhautrohlinge in den Bereichen, in denen die Verbindungsschweißungen zwischen Haut und Versteifungsrippe plaziert werden, stellenweise abgeflachte Überdicken (16) hergestellt werden.

9. Verfahren zur Herstellung einer hohlen Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei im Verfahrensschritt (e) nach dem Zusammensetzen der Rohlinge in Sandwich-Form (30) die Außenlinie des Sandwich (30) unter Herstellung von Dichtigkeit verschlossen wird, und am Ende Rohre (32) angeschweißt werden.

10. Verfahren zur Herstellung einer hohlen Turbinenschaufel nach Anspruch 9, wobei der Verschluß (31) des Sandwich (30) durch TIG-Schweißen oder Energiestrahlschweißen hergestellt wird.

11. Verfahren zur Herstellung einer hohlen Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei nach dem Zusammensetzen des Sandwich (30) ein Härten des Produkts durchgeführt wird, das die Diffusionswände bildet.