DE69918377T2

DE69918377T2 - Verfahren zum Hartlöten eines Gegenstands und Zusammenbau zum Hartlöten des Stators eines Gasturbinentriebwerks

Info

Publication number: DE69918377T2
Application number: DE69918377T
Authority: DE
Inventors: Beth Kwiatkowski Abriles; David Norwood Potter
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1998-08-07
Filing date: 1999-08-06
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2019-08-07
Also published as: DE69918377D1; JP2000071064A; SG71916A1; TW450865B; EP0978342A3; US6164904A; EP0978342B1; EP0978342A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Löten von Gegenständen und betrifft in einer bevorzugten Anwendung ein Verfahren zum Löten eines Gegenstands für eine Gasturbinenmaschine, wobei der Gegenstand eine Öffnung aufweist, in die ungewolltes Lötmaterial hineinfließen könnte. Der Begriff Löten, wie er in der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, bezieht sich auf das Aufbringen von einem Metall, einschließlich Legierungen, in dem geschmolzenen Zustand auf ein anderes Metall und wird typischerweise zum Vereinigen von zwei Metallteilen unter Verwendung eines anderen Metalls verwendet. Verfahrensweisen wie das Löten beinhalten das Hartlöten, das Schweißlöten sowie das Schweißen und Löten. Obwohl die vorliegende Erfindung auf dem Gebiet von Gasturbinenmaschinen entwickelt worden ist, ist die Erfindung auch auf anderen Gebieten anwendbar.
Hersteller von Komponenten für Gasturbinenmaschinen verwenden üblicherweise das Löten als ein Verfahren zum Befestigen von Gegenständen aneinander, um die Komponente zu bilden. Diese Gegenstände weisen häufig Öffnungen auf. Die Öffnung kann die Fähigkeit des Gegenstands schwächen, während des Lötverfahrens auf den Gegenstand ausgeübten Kräften standzuhalten. Ferner kann geschmolzenes Lotmaterial während des Lötvorgangs in diese Öffnungen hineinfließen und während des Lötvorgangs erhärten, wie dies auch bei dem zum Befestigen der Gegenstände aneinander verwendeten Lot der Fall ist. Der Hersteller muss das Lot entfernen, wodurch sich die Bearbeitungszeit für den Gegenstand stark erhöht.
Eine Möglichkeit zum Blockieren von Lotmaterial und zum Hindern desselben an einem Einströmen in eine Öffnung ist in dem US-Patent 5 511 721 gezeigt, das für Demo und Planchak mit dem Titel "Lotblockiereinsatz für Lötvorgänge in flüssiger Phase" erteilt wurde. Bei Demo wird ein Vorform-Einsatz in einer Öffnung oder einem Hohlraum in dem Material angeordnet. Der Einsatz ist aus einem hitzebeständigen Metalloxidpulver gebildet, das in einem polymeren Feststoff dispergiert ist, so dass der Vorform-Einsatz massiv und relativ flexibel ist. Der Vorform-Einsatz wird in der Öffnung oder dem Hohlraum derart positioniert, dass der Einsatz den Hohlraum vollständig ausfüllt und aufgrund von Reibung festgehalten wird, die durch einen Festsitz erzeugt wird. Ein Teil des Einsatzes brennt bei herkömmlichen Löttemperaturen ab, so dass ein Metalloxidpulver in der Öffnung verbleibt, das sich in einem relativ kohäsiven Zustand befindet. Das kohäsive Metalloxidpulver verhindert das Fließen von geschmolzener Lotlegierung in die Öffnung während des Lötvorgangs. Das Metalloxidpulver besitzt jedoch nicht die strukturelle Festigkeit, die auf das Pulver ausgeübten Kräften standhalten könnte. Das Pulver lässt sich nach dem Lötvorgang relativ einfach aus der Öffnung entfernen.
Eine weitere Möglichkeit zum Hindern von Lotmaterial an einem Einströmen in eine Öffnung besteht darin, die Öffnung mit einer Schicht aus Oxidmaterial zu maskieren, wie dies in dem US-Patent 4 023 251 gezeigt ist, das Darrow erteilt wurde und den Titel "Verfahren zum Herstellen einer gekühlten Turbine oder von Verdichterbehältern" trägt. Bei Darrow werden mit einer Schicht aus Oxidmaterial bedeckte Kühlkanäle nicht von dem geschmolzenen Lotmaterial benetzt. Dies reduziert das Verstopfen der bedeckten Kühlkanäle während der Herstellung durch ungewolltes Lotmaterial.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines Pasten-Abhaltematerials wie z.B. Lotstoppmaterial, das von der Vitta Corporation, Bethel, Connecticut erhältlich ist. Lotstoppmaterial blockiert den Fluss von Lotmaterial in die Öffnung. Ein Beispiel für die Verwendung eines solchen Lotstoppmaterials ergab sich bei der Herstellung von Gasturbinenmaschinen durch den Anmelder.
Der Anmelder stellt solche Maschinen für Militärflugzeuge und für große kommerzielle Flugzeuge her. Derartige Maschinen besitzen einen Verdichtungsabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Arbeitsmediumgase werden durch die Maschine hindurchgeleitet, komprimiert und dann zusammen mit Brennstoff verbrannt, um den Gasen Energie zuzuführen. Die Gase werden aus der Maschine ausgeleitet, wobei sie nützlichen Schub für den Vortrieb des Flugzeugs entwickeln.
Der Verdichtungsabschnitt beinhaltet einen Verdichterstator, um die Arbeitsmediumgase durch den Verdichtungsabschnitt der Maschine zu leiten. Der Verdichterstator weist eine Öffnung auf, die in einem Rand des Stators ausgebildet ist und den Stator in die Lage versetzt, eine dünne Metallblechdichtung in seinem montierten Zustand aufzunehmen. Die dünne Dichtung trägt dazu bei, die Arbeitsmediumgase auf den Arbeitsmedium-Strömungsweg zu begrenzen, während die Gase durch die Maschine hindurch strömen. Die dünne Dichtung wird üblicherweise als Federdichtung bezeichnet, während der Schlitz üblicherweise als Federdichtungschlitz bezeichnet wird.
Der Federdichtungschlitz oder die Öffnung schwächt die Komponente. Während des Lötens werden Kräfte eingesetzt, um das abradierbare Dichtungsmaterial gegen das Lotmaterial zu drücken. Diese Kräfte können dazu führen, dass eine den Federdichtungschlitz begrenzende Wand sich unter den hohen Temperaturen und Drücken, bei denen der Lötvorgang stattfindet, verformt. Dies führt zu einer inakzeptablen Verformung des Stators.
Eine Metall-Zwischenplatte aus rostfreiem Stahl wird während des Lötvorgangs in dem Federdichtungschlitz platziert, um das Kollabieren der den Schlitz begrenzenden Wände zu verhindern, während externe Kräfte während des Lötvorgangs auf den Schlitz ausgeübt werden. Die Metall-Zwischenplatte kann trotz des Vorhandenseins des Abhaltematerials in dem Schlitz festgelötet werden. Dies macht ein Entfernen der Zwischenplatte durch eine zerspanende Bearbeitung, wie z.B. Elektro-erosive Bearbeitung (EDM), oder einen anderen Bearbeitungsvorgang erforderlich, wodurch die Bearbeitungsdauer stark zunimmt. Dennoch sorgt die Zwischenplatte aus rostfreiem Stahl für die wichtige Funktion des Verhinderns, dass die Wände des Federdichtungschlitzes während des Lötvorgangs kollabieren.
Aus diesem Grund hat der Anmelder versucht, weitere Möglichkeiten für das Löten zu entwickeln, die den Fluss von Lotmaterial in eine Öffnung in dem Ge genstand, wie z.B. Kühlpassagen, behindern und für einige Anwendungen, wie z.B. das Löten in der Nähe eines Federdichtungschlitzes, den Gegenstand bei Bedarf gegen Verformung unter dem Einfluss der Temperatur und des Drucks des Lötvorgangs abstützen.
Die vorliegende Erfindung basiert zum Teil auf der Erkenntnis, dass Glimmermaterial ein nützliches Abhaltematerial für das Löten bildet und in Form von Flächengebilden mit Biegefestigkeit und Konstruktionsfestigkeit während des Lötvorgangs ausgebildet werden kann, obwohl die Masse des Flächengebildes abnimmt, während das Flächengebilde auf die Löttemperatur erwärmt wird und die körperlichen Eigenschaften schwächer werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Löten eines einzelnen Gegenstands oder zum Aneinanderlöten von zwei Gegenständen geschaffen, während die Gegenstände unter Kraftausübung zusammengedrückt werden. Insbesondere schafft die Erfindung ein Verfahren, wie es in Anspruch 1 beansprucht ist. Daher beinhaltet das Verfahren vor dem Erwärmen und dem Schmelzen des Lotmaterials den Schritt des Anordnens einer Lage, die Glimmermaterial und ein wärmebeständiges Bindemittel aufweist, in einer Öffnung in einem Gegenstand in einem engen, satt anliegenden Sitz oder Festsitz, um dadurch eine Verformung der Lage und eine Druckbeanspruchung in der Lage zu erzeugen, um die Öffnung gegen Lotmaterial zu blockieren, das in die Öffnung fließen könnte.
Bei dem Blockiermaterial bzw. Hinderungsmaterial handelt es sich vorzugsweise um eine Zwischenplatte, und der Schritt des Anordnens der Zwischenplatte in der Öffnung beinhaltet das Komprimieren der Zwischenplatte bei deren Montage, um den Verlust an Masse des Zwischenplattenmaterials beim Erwärmen der Zwischenplatte zu kompensieren, so dass die Zwischenplatte den Gegenstand gegen Verformung abstützt.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der Öffnung um einen Federdichtungschlitz in einem Stator für eine Gasturbinenmaschine, wobei der Stator eine sich über den Schlitz erstreckende Wand aufweist, die dünner ist als die benachbarte Konstruktion, wobei der Schritt des Anordnens einer Zwischenplatte in der Öffnung das Komprimieren von Lagen aus plattenartigem Material, die aus konsolidiertem Glimmerpapier und einem wärmebeständigen Bindemittel gebildet sind, zusammen mit den Wänden des Federdichtungschlitzes beinhaltet, und der Schritt des Lötens beinhaltet das Erwärmen der Zwischenplatte auf eine derartige Temperatur, die zwar eine Verminderung der Masse der Zwischenplatte hervorruft, wobei jedoch die Zwischenplatte die dünnere Wand während des gesamten Lötvorgangs gegen Verformung abstützt.
Ein primäres Merkmal der vorliegende Erfindung besteht daher in der Anordnung einer Zwischenplatte, die mit Glimmermaterial und wärmebeständigem Bindemittel ausgebildet ist, in einer Öffnung. Ein weiteres Merkmal besteht in der Steifigkeit und Festigkeit der Zwischenplatte, die aus Glimmermaterial und wärmebeständigem Bindemittel gebildet ist, nach dem Erwärmen des wärmebeständigen Bindemittels auf eine Temperatur, die einen Verlust an Masse eines Teils des Bindemittels in Form von Gas hervorruft. Ein weiteres Merkmal zumindest bei bevorzugten Ausführungsformen besteht in dem Schritt der Kompression der Zwischenplatte unter Erhöhung der lokalen Dichte dieses Bereichs der Zwischenplatte im Vergleich zu der Zwischenplatte im nichtinstallierten Zustand sowie in der Reduzierung der Gesamthöhe der Zwischenplatte im installierten Zustand im Vergleich zu der uninstallierten Höhe dieses Bereichs der Zwischenplatte.
Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung in ihren bevorzugten Ausführungsformen besteht in der Geschwindigkeit und Effizienz, mit der Öffnungen aufweisende Gegenstände aneinander gelötet werden können, wobei dies daraus resultiert, dass der Fluss von ungewolltem Lotmaterial in die Öffnungen blockiert wird. Ein weiterer Vorteil besteht in der Qualität des fertigen gelöteten Gegenstands, die aus der Verstärkung des Gegenstands gegenüber den Lötkräften mittels einer Zwischenplatte resultiert, die mit Glimmermaterial und einem wärmebeständigen Bindemittel ausgebildet ist, sowie aus der Fähigkeit der Zwischenplatte resultiert, einer Kompression aufgrund der Öffnung standzuhalten. Noch ein weiterer Vorteil besteht in der Fähigkeit der Ausführung des Lötverfahrens bei erhöhten Temperaturen, wobei die Zwischenplatte dennoch ihre strukturelle Integrität behält, wobei dies aus der Fähigkeit des Zwischenplattenmaterials resultiert, Temperaturen von über 1200°F (650°C) standzuhalten. Noch ein weiterer Vorteil besteht in der einfachen Entfernbarkeit des verbliebenen Zwischenplattenmaterials von der Öffnung, die daraus resultiert, dass das Material bei höheren Löttemperaturen von über 1200°F (650°C) brüchiger wird. Bei bevorzugten Ausführungsformen wird das Zwischenplattenmaterial vorzugsweise auf eine Temperatur von über 1200°F (650°C) für eine Zeitdauer von mindestens einer Stunde erwärmt und sodann auf eine Temperatur Tf von mehr als 1600°F (871°C) erwärmt. In am meisten bevorzugter Weise beinhaltet der Schritt des Erwärmens des Zwischenplattenmaterials das Anordnen des Zwischenplattenmaterials in einer Umgebung, die sich auf einer Temperatur von über 1800°F (982°C) befindet, für eine Zeitdauer von 5 bis 15 min.
Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung besteht in der Fähigkeit des Zwischenplattenmaterials, einer Verbindung mit Lotmaterial und mit der benachbarten Konstruktion entgegenzuwirken, wobei die Zwischenplatte gleichzeitig eine strukturelle Verstärkung schafft, die die angrenzende Konstruktion des gelöteten Gegenstands gegen Verformung unter den Kräften des Lötverfahrens abstützt.
Einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegende Erindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen beschrieben; darin zeigen:
1 eine schematische Seitenaufrissansicht einer Gasturbinenmaschine, wobei die Maschine teilweise weggebrochen ist, um einen Teil des Verdichterabschnitts der Maschine zu zeigen;
2 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Bereichs des Verdichterabschnitts der in 1 gezeigten Maschine;
3 eine vergrößerte Ansicht eines Segments eines Verdichterstators des in 2 gezeigten Verdichterabschnitts, wobei ein Teil des Segments weggebro chen und im Schnitt dargestellt ist und wobei die Rotorblätter einer Verdichter-Rotoranordnung im Umriss dargestellt sind;
4 eine Ansicht entlang der Linie 4-4 der 3 unter Darstellung von zwei benachbarten Verdichterstatorsegmenten und einer Federdichtung, die in einander zugewandten gegenüberliegenden Federdichtungschlitzen in den einander benachbarten Segmenten angeordnet ist;
5 eine vergrößerte schematische Darstellung eines Bereichs der 4 unter Darstellung der Beziehung der Federdichtung zu den Federdichtungschlitzen der einander benachbarten Verdichterstatorsegmente sowie eines abradierbaren Dichtungsmaterials, das an jedem der Verdichterstatorsegmente angebracht ist; und
6 eine vereinfachte schematische Perspektivansicht einer alternativen Ausführungsform des in 5 gezeigten Statorsegments unter Darstellung des Verfahrens zum Verlöten eines abradierbaren Gegenstands mit dem Verdichterstatorsegment sowie einer Zwischenplatte, die in dem Federdichtungschlitz angeordnet ist und mit einem Glimmermaterial und einem wärmebeständigen Bindemittel gebildet ist.
1 zeigt eine vereinfachte Seitenaufrissansicht einer Gasturbinenmaschine 10. Die Ansicht ist teilweise weggebrochen, um Elemente im Inneren der Maschine zu veranschaulichen.
Die Maschine beinhaltet einen Verdichtungsabschnitt 12, einen Verbrennungsabschnitt 14 und einen Turbinenabschnitt 16. Ein Strömungsweg für Arbeitsmediumgase 18 verläuft axial durch die Maschine. Die Maschine beinhaltet eine erste, mit niedrigem Druck arbeitende Rotoranordnung 22 und eine zweite, mit hohem Druck arbeitende Rotoranordnung 24. Die mit hohem Druck arbeitende Rotoranordnung beinhaltet einen Hochdruck-Verdichter 26, der über eine Welle 28 mit einer Hochdruckturbine 32 verbunden ist. Die mit niedrigem Druck arbeitende Rotoranordnung beinhaltet ein Gebläse und einen Niedrigdruck-Verdichter 34, der durch eine Welle 36 mit einer Niedrigdruckturbine 38 ver bunden ist. Während des Betriebs der Maschine 10 werden Arbeitsmediumgase den Strömungsweg 18 entlang durch den Niedrigdruck- und den Hochdruck-Verdichter 26, 34 hindurchgeleitet. Die Gase werden in dem Verbrennungsabschnitt 14 mit Brennstoff gemischt und verbrannt, um den Gasen Energie hinzuzufügen. Die hohen Druck aufweisenden Arbeitsmediumgase werden von dem Verbrennungsabschnitt zu dem Turbinenabschnitt 16 ausgeleitet. Energie von der Niedrigdruckturbine 38 und der Hochdruckturbine 32 wird durch deren jeweilige Welle, 36, 28 zu dem Niedrigdruck-Verdichter und dem Hochdruck-Verdichter übertragen.
2 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs des Verdichtungsabschnitts 12. Die Rotoranordnung 24 in dem Hochdruck-Verdichter 26 beinhaltet eine Mehrzahl von Rotorblättern 42, 44, die sich über den Arbeitsmedium-Strömungsweg 18 radial nach außen erstrecken. Eine Statoranordnung 46 umschreibt die Rotoranordnung, um den Arbeitsmedium-Strömungsweg nach außen zu begrenzen. Eine Mehrzahl von Stufen von Statorblättern, wie diese durch die Statorblätter 48, 52 dargestellt sind, erstrecken sich zwischen den Stufen der Rotorblätter nach innen, um die Arbeitsmediumgase von der einen Rotorstufe zu der nächsten Rotorstufe zu leiten.
Umfangsmäßig verlaufende Reibstreifen 54, 56 aus abradierbarem Material sind radial außerhalb von den Rotorblättern 42, 44 angeordnet. Das abradierbare Material sorgt für eine enge Passung zwischen den Rotorblättern und der Statoranordnung 46. Dies vermindert die Leckage von Arbeitsmediumgasen an den Rotorblättern vorbei und sorgt gleichzeitig für die Unterbringung der Rotorblätter in Berührung mit der abradierbaren Dichtung ohne Beschädigung der Rotorblätter. Typischerweise ist das abradierbare Material an dem Verdichterstator durch eine geeignete Lötverbindung angebracht. Zum Beispiel kann bei einem Verdichterstator, der aus INCO X-750-Legierungsmaterial (Aerospace Materials Specification AMS 5671) gebildet ist, ein abradierbares Material mit der Bezeichnung Feltmetal^® an dem Stator durch ein Lotmaterial, wie z.B. eine Nickellegierung, angebracht haben.
3 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs der in 2 gezeigten Statoranordnung 46. Die Statoranordnung beinhaltet einen Verdichterstator 58. Der Verdichterstator weist die abradierbaren Reibstreifen oder Dichtungen 54, 56 sowie die Statorblätter 48, 52 auf. Ein Teil des Verdichterstators ist weggebrochen und im Schnitt dargestellt, während die anderen Bereiche voll dargestellt sind. Der Verdichterstator kann aus zwei oder mehr gekrümmten Segmenten 62 gebildet sein. Die Segmente bewegen sich, um Wärmeausdehnung und -kontraktion des Verdichterstators Rechnung zu tragen, wenn sich die Betriebstemperatur der Maschine während des Maschinenbetriebs ändert. Ein Schlitz oder eine Öffnung 64 erstreckt sich axial in dem Segment. Durch den Schlitz ist das Segment zum Aufnehmen einer Dichtung ausgebildet.
4 zeigt eine Ansicht, die im Allgemeinen entlang der Linie 4-4 der 3 dargestellt ist und einen Bereich des in 3 gezeigten Verdichterstators 58 darstellt, wie dieser durch Bereiche von zwei einander benachbarten bogenförmigen Segmenten 62 dargestellt wird. Jedes Segment weist den axial verlaufenden Schlitz 64 auf, der einem entsprechenden Schlitz 66 in dem benachbarten Segment zugewandt gegenüber liegt. Eine dünne Metallblechdichtung 68, die üblicherweise als Federdichtung bezeichnet wird, ist in den Schlitzen angeordnet. Die Dichtung erstreckt sich zwischen den Segmenten, um den Verlust von Arbeitsmediumgasen aus dem Strömungsweg 18 unter Betriebsbedingungen zu unterbinden.
5 zeigt eine vergrößerte, vereinfachte Perspektivansicht eines Bereichs der beiden einander benachbarten bogenförmigen Segmente 62 des Verdichterstators 58 sowie der in den Federdichtungschlitzen 64, 66 angeordneten Federdichtung 68. Der Verdichterstator, der durch die bogenförmigen Segmente dargestellt ist, weist eine Passfläche bzw. Kontaktfläche 72 auf, die eine abradierbare Dichtung oder einen abradierbaren Reibstreifen 56 aufnimmt. Die abradierbare Dichtung wird an dem bogenförmigen Segment angebracht, indem abradierbares Dichtungsmaterial an die Kontaktfläche des Segments angelötet wird.
Das bogenförmige Segment 62 des Verdichterstators weist einen ersten Bereich R₁ auf. Das bogenförmige Segment in dem ersten Bereich hat eine Dicke Ts unterhalb eines ersten Teils 74 der Kontaktfläche 72. Das bogenförmige Segment weist einen zweiten Bereich R₂ auf. Der Federdichtungschlitz 64 erstreckt sich in dem zweiten Bereich des Segments unter einem zweiten Teil 76 der Kontaktfläche. Das bogenförmige Segment weist ferner eine erste Wand 78 auf, die den inneren Bereich des Federdichtungschlitzes begrenzt, sowie eine zweite Wand 82 auf, die den äußeren Bereich des Federdichtungschlitzes begrenzt. Die erste Wand hat eine Dicke Td, die geringer ist als die Dicke Ts des benachbarten Bereichs R, des Stators. Die zweite Wand hat eine Dicke Te, die ebenfalls geringer ist als die Dicke Ts, angrenzend an den Bereich des Stators. Bei einer Konstruktion, die aus INCO X-750-Legierung (Aerospace Materials Specification AMS 5671) gebildet ist, beträgt die Dicke Ts des benachbarten Bereichs ca. 100 Milli-Inch (2,5 mm), die Dicke der ersten Wand beträgt ca. 20 Milli-Inch (0,5 mm), und die zweite Wand hat eine Dicke Te, die ca. 25 Milli-Inch (0,6 mm) beträgt.
6 zeigt eine vereinfachte, teilweise weggebrochene Perspektivansicht einer alternativen Ausführungsform der in 5 gezeigten Statoranordnung. Bei dieser Ausführungsform ist die Dicke Td der ersten Wand 78 in etwa gleich der Dicke der zweiten Wand Te. 6 veranschaulicht die Beziehung der einzelnen Komponenten während des Verfahrens zum Löten der abradierbaren Dichtung oder des Reibstreifens 56 an die Kontaktfläche 72 des Verdichterstators 58.
Die Anordnung der Komponenten für das Lötverfahren beinhaltet eines der beiden Segmente 62 des Verdichterstators 58. Dieses Segment weist den Federdichtungschlitz oder die Öffnung 64 auf. Eine Schicht 84 aus Lotmaterial wird auf dem Verdichterstator 58 angeordnet, und eine Schicht aus abradierbarem Material 85 für die abradierbare Dichtung 56, wie z.B. abradierbares Material vom Typ Feltmetal^®, wird auf der Schicht aus Lotmaterial angeordnet. Ein Teil eines Drückbands 86 wird auf der abradierbaren Oberfläche des Feltmetal^® platziert, um während des Lötverfahrens Druck auf das Feltmetal^®-Material auszuüben. Es kann eine beliebige andere geeignete Vorrichtung oder Einrichtung zum Aufbringen von Druck auf das abradierbare Material verwendet wer den. Ein Erwärmen des Drückbands unter Verwendung der intensiven Hitze des Lötverfahrens veranlasst ein thermisches Anwachsen des Drückbands. Das thermische Anwachsen des Drückbands führt zum Ausüben von Druck auf die Schicht aus abradierbarem Material während der Ausführung des Lötvorgangs.
Das Verfahren beinhaltet die Anordnung einer Zwischenplatte 88 in dem Federdichtungschlitz. Die Zwischenplatte weist wenigstens eine Lage aus plattenartigem Material oder Flächenkörper-Vorratsmaterial auf, das in Größen geschnitten worden ist, die in den Federdichtungschlitz 64 passen. Das Material für die Zwischenplatte ist in der Erscheinung plattenförmig und enthält Glimmermaterial, wie z.B. natürliches Glimmermaterial oder synthetisches Glimmermaterial. Bei dem Glimmermaterial kann es sich um ein beliebiges von mehreren Silikaten mit variierender chemischer Zusammensetzung, jedoch mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften und kristalliner Struktur handeln. Alle spalten sich charakteristischerweise in dünne Flächenkörper, die flexibel und elastisch sind. Das Glimmermaterial wird in einem wärmebeständigen Bindemittel angeordnet, wie z.B. Siliconharz oder einem anderen geeigneten Material, das der Zwischenplatte ein annehmbares Funktionieren bei der Temperatur des Lötvorgangs ermöglicht.
Ein zufrieden stellendes Material für die Zwischenplatte ist Muskovit oder Phlogopit-Glimmerpapier, imprägniert mit einem wärmebeständigen Bindemittel und unter Wärme verdichtet. Man ist der Meinung, dass auch andere Glimmerpapiere akzeptabel sind. Ein plattenartiges Material mit akzeptabler Biegefestigkeit zum Abstützen des Gegenstands gegen Kräfte kann von Cogebi, Inc. 14 Faraday Drive, Dover, New Hampshire, unter der Bezeichnung Cogemicanite 505 erworben werden. Dieses Material verwendet Cogemica-Muskovit- oder Cogemica- Phlogopit-Glimmerpapier, das mit einem wärmebeständigen Siliconbinder imprägniert ist. Schichten aus dem imprägnierten Papier werden unter Wärme und Druck verfestigt, um die Platte zu bilden. Das Material Cogemicanite 505, das aus Cogemica-Phlogopit-Glimmerpapier hergestellt wird, besitzt eine höhere Temperatureignung für intermittierende Betriebsfähigkeit (ca. 1800°F (980°C)) als das Material Cogemicanite 505, das aus Cogemica-Muskovit-Glimmerpapier hergestellt wird.
Die Zwischenplatte 88 kann in Form einer einzigen Lage aus Micanit-Flächenkörper-Vorratsmaterial oder aus mehreren Lagen Flächenkörper-Vorratsmaterial gebildet sein, die in ihrer Dicke von 12 bis 24 Milli-Inch (0,3 bis 0,6 mm) variieren und in der erforderlichen Weise in den Schlitz 64 gestapelt oder geschichtet sind, um die Öffnung abzudichten. Die Zwischenplatte besitzt körperliche Festigkeit und ein Ausmaß an Flexibilität im geformten Zustand. Die Zwischenplatte verliert einen Teil ihrer Flexibilität und wird brüchiger, nachdem sie auf Temperaturen von über 1200°F (650°C) erwärmt worden ist.
Bei manchen Anwendungen ist die Dimensionierung der Zwischenplatten derart, dass ein satt anliegender Sitz oder ein enger Sitz resultiert, wenn die Zwischenplatten in den Schlitz in derart enger Berührung eingesetzt werden, dass eine Verformung der Zwischenplatte sowie eine kompressive Belastung in der Zwischenplatte erzeugt werden. Bei anderen Anwendungen beinhaltet der Schritt das Hineindrücken der Zwischenplatten in die Schlitze mit einer geringen Kraft, wie z.B. durch Klopfen auf die Zwischenplatte mit einem elastomeren Hammer. Dies verkeilt die Zwischenplatte zwischen den Wänden des Federdichtungschlitzes, so dass die Wände eine kompressive Kraft auf die Zwischenplatte ausüben und die Zwischenplatte eine Kraft gegen die Wände des Federdichtungschlitzes ausübt, wodurch die uninstallierte Höhe Hsu gegenüber der installierten Höhe His vermindert wird.
Nach dem Einsetzen der Zwischenplatte wird die Anordnung in einem Vakuum-Lötofen platziert, in dem das Erwärmen auf die Temperatur des Lötvorgangs stattfindet. Für Nickel-Lot, das mit einem abradierbaren Material verwendet wird, wird die Anordnung einer Temperatur von 1925°F (1050°C) für eine Zeitdauer von 5 bis 15 min ausgesetzt, wobei diese Zeitdauer typischerweise 10 min beträgt. Vor dieser Zeit wird die Anordnung auf dazwischen liegende Temperaturen in Schritten von mehreren hundert Graden erwärmt sowie für Zeitdauern von bis zu einer Stunde auf diesen Temperaturen gehalten.
Ein spezieller Vorteil besteht darin, das Lotmaterial mittels der Zwischenplatte 88 an einem Hineinströmen in die Öffnung zu hindern, bei dem es sich um den Federdichtungschlitz 64 handelt. Dies verhindert ein Härten des Lots an den Wänden. Es ergibt sich eine Reduzierung der Bearbeitungszeit, da an dem Ende des Lötvorgangs kein an den Wänden des Schlitzes und an der Zwischenplatte anhaftendes verlötetes Material entfernt werden muss.
Ein weiterer Vorteil besteht in der Abstützung, für die die Zwischenplatte an den Wänden des Federdichtungschlitzes sorgt. Die Temperatur des Lötverfahrens verursacht zwar eine Beeinträchtigung in der Fähigkeit der Wände, der Lötkraft standzuhalten, die bei der Ausführung des Lötvorgangs auf die Wände ausgeübt wird. Die Micanit-Zwischenplatte sorgt für eine strukturelle Abstützung für die Wände, wobei sie der Lötkraft standhält, die die Wände in Richtung aufeinander zu drückt. Jegliche Verformung der Wände kann zu einem inakzeptablen Produkt führen.
Man ist der Ansicht, dass durch die Temperatur des Lötzyklus ein Teil der Zwischenplatte verdampft, so dass die Zwischenplatte Masse und Volumen verliert. Der Verlust an Masse und die Zunahme an Brüchigkeit suggeriert, dass eine solche Zwischenplatte für die Zwecke des Blockierens von Lot und Abstützen der Konstruktion gegen Verformung ungeeignet ist. Jedoch besteht ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung in der Änderung der Struktur der Zwischenplatte, wenn die Zwischenplatte der Temperatur des Wärmebehandlungszyklus des Lötvorgangs ausgesetzt wird.
Die Micanit-Zwischenplatte verliert zwar Masse bei Erwärmung auf erhöhte Temperaturen, so dass sie geringfügig an Masse und Volumen verliert und brüchiger wird. Überraschenderweise übt das verbleibende Material aufgrund der Kompression des Materials bei der Installation während des Lötvorgangs immer noch eine ausreichende Kraft zum Abstützen der Wände aus. Man ist ferner der Ansicht, dass der Verlust an Masse ein Materialverlust ist, der dazu führt, dass das Zwischenplattenmaterial brüchiger wird. Diese Brüchigkeit unterstützt das Entfernen der Micanit-Zwischenplatte aus dem Schlitz, da die Zwischenplatte zerbröselt, wenn eine Schabekraft auf die Zwischenplatte ausgeübt wird. Als Ergebnis hiervon haftet die Zwischenplatte nicht an den Wänden des Schlitzes an, und da die Zwischenplatte als Abhaltematerial wirkt, ver ursacht das Lotmaterial kein Anhaften des Zwischenplattenmaterials an dem Verdichterstator. Das Zwischenplattenmaterial sorgt somit für eine Abstützung des Federdichtungschlitzes, während es immer noch ausreichend flexibel für die Installation sowie ausreichend flexibel mit einem gewissen Ausmaß an Brüchigkeit für ein sicheres Entfernen ist.
Die Erfindung ist zwar in Form von detaillierten Ausführungsformen derselben veranschaulicht und beschrieben worden, jedoch versteht es sich für den Fachmann, dass im Umfang der beanspruchten Erfindung verschiedenartige Änderungen hinsichtlich der Form und der Details derselben vorgenommen werden können.

Claims

Verfahren zum Löten eines Gegenstands, wobei der Gegenstand (62) eine Öffnung (64), welche von einer Wand (78; 82) begrenzt ist, und eine erste Oberfläche (72) aufweist, welche Lotmaterial während des Lötverfahrens in geschmolzener Form erhält, so dass das Lotmaterial während des Lötens mit einem Bereich des Gegenstands in der Nähe der Wand in Fließverbindung ist, aufweisend: Anordnen eines Hinderungsmaterials (88) in der Öffnung, wobei das Hinderungsmaterial mindestens eine Lage aus plattenartigem Glimmermaterial und einem wärmebeständigen Bindemittel hat, was den Schritt des Komprimierens des Hinderungsmaterials (88) durch Drücken des Hinderungsmaterials in die Öffnung (64) aufweist, so dass die Wand der Öffnung eine kompressive Kraft auf das Hinderungsmaterial (88) ausübt und das Hinderungsmaterial eine Kraft gegen die Wand ausübt; Anordnen von Lotmaterial (84) in einer für das Löten geeigneten Weise auf der ersten Oberfläche (72) des Gegenstands; Erwärmen des Lotmaterials (84) und des Gegenstands (62) auf eine erhöhte Temperatur für eine Zeitdauer, um ein Schmelzen des Lotmaterials (84) zu bewirken; wobei die Temperatur des Schritts des Erwärmens einen Teil des Hinderungsmaterials verdampft und das Hinderungsmaterial im Volumen abnehmen läßt; wobei das restliche Material des Hinderungsmaterials der Wand eng benachbart ist und wobei das Lotmaterial an einem Gelangen in die Öffnung durch das restliche Material des Hinderungsmaterials gehindert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein zweiter Gegenstand (85) an den Gegenstand (62) mit dem Lotmaterial gelötet wird, wobei die Öffnung (64) des Gegenstands (62) von der Wand begrenzt ist und der Gegenstand eine Kontaktfläche (72) hat, an der der zweite Gegenstand durch Lotmaterial angebracht ist; wobei der Schritt des Anordnens eines Hinderungsmaterials in der Öffnung aufweist Anordnen einer Zwischenplatte (88) in der Öffnung, wobei die Zwischenplatte (88) mindestens eine Lage aus plattenartigem Glimmermaterial und ein wärmebeständiges Bindemittel aufweist, was den Schritt des Komprimierens der Zwischenplatte (88) durch Drücken der Zwischenplatte (88) in die Öffnung (64) aufweist, so dass die Wand der Öffnung eine kompressive Kraft auf die Zwischenplatte (88) ausübt und die Zwischenplatte (88) eine Kraft gegen die Wand ausübt; wobei der Schritt des Anordnens des Lotmaterials (84) das Anordnen des zweiten Gegenstands (85) in einer für das Löten geeigneten Weise auf der Kontaktfläche (72) des ersten Gegenstands (62) aufweist; wobei ein Druck gegen den ersten Gegenstand (62), das Lotmaterial (84) und gegen die Kontaktfläche (72) aufgebracht wird; wobei der Schritt des Erwärmens das Erwärmen des Lotmaterials (84), des ersten Gegenstands (62) und des zweiten Gegenstands (85) auf eine erhöhte Temperatur für eine Zeitdauer beinhaltet, um das Lotmaterial (84) schmelzen zu lassen; und wobei die Temperatur des Schritts des Erwärmens einen Teil der Zwischenplatte verdampft, was die Masse der Zwischenplatte abnehmen läßt, wobei das restliche Material der Zwischenplatte der Wand eng benachbart ist und wobei das Lotmaterial an einem Gelangen in die Öffnung durch das restliche Material der Zwischenplatte gehindert ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Öffnung (64) eine derartige Größe hat, dass der Bereich, der der Öffnung (64) benachbart ist, in Reaktion auf die Lötkraft bei der Löttemperatur verformbar ist, und wobei der Schritt des Anordnens der Zwischenplatte (88) in der Öffnung ferner das Komprimieren der Zwischenplatte (88) in einem Maß aufweist, dass die Zwischenplatte (88) eine Kraft auf die Wand der Öffnung (64) ausübt, welche der Kraft entgegenwirkt, welche in dem Schritt des Lötens verwendet wird und wobei der Verlust an Masse der Zwischenplatte (64) in einem gewissen Maß durch die Kompression der Zwischenplatte (64) ausgeglichen wird, dass die Zwischenplatte eine Verformung des der Öffnung benachbarten Bereichs verhindert.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die aneinander zu lötenden Gegenstände ein Verdichterstator und ein abradierbares Material sind und die Öffnung (64) ein Federdichtungschlitz in dem Stator ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Glimmermaterial ein Alkalialuminiumsilikat ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Alkalialuminiumsilikatmaterial Phlogopit ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das wärmebeständige Bindemittel ein Silikonharz ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der zweite Gegenstand ein abradierbares Dichtungsmaterial (85) und der erste Gegenstand ein Verdichterstator (58) ist, der umfangsmäßig um eine Symmetrieachse angeordnet ist, wobei der Stator die Kontaktfläche (72) hat, an der das abradierbare Dichtungsmaterial durch das Lotmaterial (84) angebracht wird, einen Bereich hat, der eine Dicke (Ts) unter dem ersten Teil der Kontaktfläche hat, wobei der Stator (58) einen axial verlaufenden Rand mit einem Federdichtungschlitz (64), der die Öffnung (64) bildet und sich axial entlang des Rands des Verdichterstators unter einem zweiten Teil der Kontaktfläche erstreckt, hat, wobei der Stator ferner Wände hat welche den Federdichtungschlitz begrenzen, von denen eine (78) unter den zweiten Teil der Kontaktfläche ragt und eine Dicke (Td) hat, die kleiner ist als die Dicke (Ts) des benachbarten Bereichs des Stators, wobei das Verfahren aufweist: Anordnen der Zwischenplatte (88) in dem Federdichtungschlitz (64), was den Schritt des Komprimierens der Zwischenplatte (88) durch Drücken der Zwischenplatte (88) in den Schlitz aufweist, so dass die Wände des Federdichtungschlitzes (64) eine kompressive Kraft auf die Zwischenplatte (88) ausüben und die Zwischenplatte (88) eine Kraft auf die dünnere Wand (72) des Federdichtungschlitzes (64) ausübt; Anordnen eines abradierbaren Materials (85) und eines Lotmaterials (84) an der Oberfläche des Verdichterstators; Aufbringen eines Drucks auf das abradierbare Material (85), das Lotmaterial (84) und auf die Kontaktfläche (72), welche sich über den Bereich des Stators mit der Dicke (Ts) und über die dünnere Wand des Federdichtungschlitzes mit der kleineren Dicke (Td) erstreckt; Erwärmen des Lotmaterials (84), des abradierbaren Materials (85) und der Statorstruktur auf eine erhöhte Temperatur, um so ein Schmelzen des Lotmaterials (84) zu bewirken; wobei die Temperatur des Erwärmungsschritts einen Teil der Zwischenplatte verdampft, was bewirkt, dass die Zwischenplatte in der Größe abnimmt; wobei das restliche Material der Zwischenplatte gegen die Wand des Federdichtungschlitzes drückt, um die Wand mit einer verringerten Dicke (Td) während des Lötschritts bei erhöhter Temperatur und erhöhten Drücken abzustützen und wobei das Lotmaterial an einem Gelangen in den Federdichtungschlitz durch das restliche Material der Zwischenplatte gehindert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, ferner aufweisend den Schritt des Entfernens der Zwischenplatte (88) aus der Öffnung (64) und wobei der Schritt des Erwärmens der Zwischenplatte (88) die Brüchigkeit des Zwischenplattenmaterials erhöht und Teile des Zwischenplattenmaterials in Reaktion auf eine auf das Material ausgeübte kratzende Kraft verkrümelt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Erwärmens ein Erwärmen des Zwischenplattenmaterials auf eine Temperatur größer als 1200°F (650°C) für mindestens eine Stunde und dann Erwärmen der Materialien auf eine Endtemperatur (Tf) größer als 1600°F (871°C) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt des Erwärmens des Zwischenplattenmaterials das Anordnen des Zwischenplattenmaterials in einer Umgebung, die bei einer Temperatur von größer als 1800°F (982°C) ist, für eine Dauer von fünf bis fünfzehn Minuten aufweist.
Anordnung zum Bilden eines gekrümmten Segments (62) für eine Gasturbinenmaschine mit einem abradierbaren Dichtungsmaterial (85), welches durch Löten an dem Segment (62) angebracht wird, wobei das Segment umfangsmäßig um eine Symmetrieachse angeordnet wird, wobei die Anordnung aufweist: ein Statorsegment (62) mit einer Kontaktfläche (72), welche das Segment (62) dazu geeignet macht, das abradierbare Dichtungsmaterial (85) aufzunehmen, wobei das abradierbare Dichtungsmaterial (85) an dem Segment (62) durch Lotmaterial (84) in dem zusammengebauten Zustand angebracht ist, wobei das Statorsegment einen ersten Bereich mit einer Dicke (Ts) unter einem ersten Teil der Kontaktfläche (72) hat, wobei das Statorsegment einen axial verlaufenden Rand mit einem Federdichtungschlitz (64) hat, der sich axial entlang des Rands des Verdichterstators unter einem zweiten Teil der Kontaktfläche erstreckt, wobei der Stator ferner Wände hat, welche den Federdichtungschlitz begrenzen, von denen sich die eine (78) unter dem zweiten Teil der Kontaktfläche erstreckt und eine Dicke (Td) hat, welche kleiner ist als die Dicke (Ts) des benachbarten Bereichs des Statorsegments; eine Zwischenplatte (88), die in dem Federdichtungschlitz (64) angeordnet ist und mindestens eine Lage aus plattenartigem Material hat, die im wesentlichen aus Glimmer besteht, der in einem wärmebeständigen Bindemittel angeordnet ist, wobei die Zwischenplatte (88) durch Eindrücken der Zwischenplatte in den Schlitz (64) komprimiert wird, wobei die Zwischenplatte (88) eine Installationhöhe hat, welche geringer ist als die uninstallierte Höhe der Zwischenplatte (88), so dass die Wände des Federdichtungschlitzes (64) eine kompressive Kraft auf die Zwischenplatte (88) ausüben und die Zwischenplatte (88) eine Kraft auf die dünnere Wand (78) des Federdichtungschlitzes (64) auswirkt; eine Lage (85) aus abradierbarem Material und eine Lage (84) aus Lotmaterial, welches an der Kontaktfläche (72) des Statorsegments (62) angeordnet ist, wobei die Lage (84) aus Lotmaterial zwischen abradierbarem Material (85) und der Kontaktfläche (72) des Statorsegments angeordnet ist; und Mittel zum Aufbringen von Druck während des Lötzyklus auf das abradierbare Material (85), das Lotmaterial (84) und auf die Kontaktfläche (72), welche sich über den Bereich des Stators mit der Dicke (Ts) und über die dünnere Wand (78) des Federdichtungschlitz (64) mit der kleineren Dicke (Td) erstreckt.