EP1617961A1 - Verfahren zur herstellung von bauteilen f r gasturbinen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von bauteilen f r gasturbinen

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Publication number
EP1617961A1
EP1617961A1 EP04722528A EP04722528A EP1617961A1 EP 1617961 A1 EP1617961 A1 EP 1617961A1 EP 04722528 A EP04722528 A EP 04722528A EP 04722528 A EP04722528 A EP 04722528A EP 1617961 A1 EP1617961 A1 EP 1617961A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
semi
component
finished part
inclusions
casting
Prior art date
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Ceased
Application number
EP04722528A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim Bamberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Publication of EP1617961A1 publication Critical patent/EP1617961A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D41/00Casting melt-holding vessels, e.g. ladles, tundishes, cups or the like
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D46/00Controlling, supervising, not restricted to casting covered by a single main group, e.g. for safety reasons

Definitions

  • the invention relates to a method for producing components or semi-finished parts for gas turbines according to the preamble of patent claim 1.
  • the most important materials for gas turbines known from the prior art are nickel alloys, titanium alloys and high-strength steels.
  • the high-strength steels are mainly used for shafts and gear parts.
  • Titanium alloys are typical materials for compressor parts, nickel alloys and nickel-based super alloys are particularly suitable for the so-called hot engine parts.
  • Engine parts made from the above-mentioned materials are manufactured according to the prior art by casting or forging. Blades and vanes for gas turbines are usually cast. Highly stressed discs and rings as well as all blades in the compressor area are preferably manufactured by forging. Engine disks, which consist of the super alloy Udimet 720 Ll, can be manufactured in a suitable quality by so-called casting plus forging.
  • Crucibles are used in the casting of engine parts from superalloys, the crucibles being made from oxidic materials, preferably from aluminum oxide, according to the prior art.
  • oxidic materials preferably from aluminum oxide
  • the prior art When casting engine components from superalloys, there can be reactions between the superalloy and the Crucible material, especially the alumina, come.
  • oxidic inclusions can be built into the component or semi-finished part to be produced, which can lead to premature failure of the engine part.
  • it is therefore important to reliably detect such inclusions so that the component or semi-finished part produced by casting can be discarded if necessary.
  • the detection of such oxidic inclusions in superalloys presents considerable difficulties according to the prior art. Reliable proof is not possible.
  • the present invention is based on the problem of creating a novel method for producing components or semi-finished parts for gas turbines.
  • a melting crucible which is made of boron nitride.
  • oxidic inclusions in the component or semi-finished part are avoided, on the other hand, inclusions that are based on abrasion or wear of the boron nitride can be demonstrated with high reliability.
  • the component or semi-finished part is subjected to a test for undesired inclusions following the casting. This can minimize premature failure of the components or the gas turbines.
  • the present invention relates to the manufacture or manufacture of components or semi-finished parts for gas turbines, such as aircraft engines, by casting or by casting plus forging. So-called investment casting can also be used as the casting process. It is within the scope of the present invention that a crucible made of boron nitride is used in the casting. It is therefore a basic idea of the present invention not to use crucibles based on oxidic materials, such as aluminum oxide, but rather crucibles consisting of boron nitride. On the one hand, this prevents the installation of oxidic inclusions in the component or semi-finished part. On the other hand, inclusions that can form due to abrasion or wear of the crucible or boron nitride can be detected reliably or reliably.
  • the component or semi-finished part is subjected to an X-ray test or neutron radiography test to check the component for undesired inclusions. If undesired boron nitride inclusions are built into the component or semi-finished part made of superalloy, the boron causes a much stronger neutron weakening compared to all other alloying elements. Compared to nickel, boron causes neutron weakening to be approximately 100 times stronger. The inclusions can therefore be detected with high contrast and reliably. This is shown particularly clearly in FIG. 1.
  • FIG. 1 shows the result of a neutron radiography test of a component made of a nickel alloy or superalloy with a boron nitride strip attached to the component.
  • the boron nitride granules with a size of approx. 150 ⁇ m are rich in contrast and clearly representable compared to the elements of the super alloys. If it is determined during the inspection of the component or semi-finished part that there are no undesired inclusions, the component or finished part can be subjected to a further processing method, for example a coating method. If, on the other hand, undesired inclusions are recognized during the check, the component or semi-finished part can be discarded in good time.
  • the method according to the invention described above is particularly preferred for the production of engine disks from a superalloy, such as, for example, from Udimet 720 Ll, such engine disks being produced by casting plus forging.
  • a superalloy such as, for example, from Udimet 720 Ll
  • Such engine disks are exposed to the highest mechanical loads and it is therefore particularly important in the case of engine disks to avoid undesired inclusions and to prove them reliably and reliably.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen bzw. Halbfertigteilen für Gasturbinen, insbesondere für Flugzeugtriebwerke, durch vorzugsweise Gießen. Erfindungsgemäß wird ein Schmelztiegel verwendet, der aus Bornitrid hergestellt ist.

Description

Verfahren zur Herstellung von Bauteilen für Gasturbinen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen bzw. Halbfertigteilen für Gasturbinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Moderne Gasturbinen, insbesondere Flugzeugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Leistung, Gewicht, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden. Im Laufe der Jahre wurden Flugzeugtriebwerke entwickelt, die die obigen Anforderungen voll erfüllen und ein hohes Maß an technischer Perfektion erreicht haben. Der Auswahl bzw. Entwicklung neuer Werkstoffe sowie geeigneter Fertigungsverfahren bzw. Herstellverfahren kommt bei der Optimierung von Gasturbinen, insbesondere Flugzeugtriebwerken, eine entscheidende Rolle zu.
Die wichtigsten, aus dem Stand der Technik bekannten Werkstoffe für Gasturbinen sind Nickellegierungen, Titanlegierungen und hochfeste Stähle. Die hochfesten Stähle werden hauptsächlich für Wellen und Getriebeteile verwendet. Titanlegierungen sind typische Werkstoffe für Verdichterteile, Nickellegierungen bzw. Superlegierungen auf Nickelbasis sind insbesondere für die sogenannten heißen Triebwerksteile geeignet.
Triebwerksteile aus den oben genannten Werkstoffen werden nach dem Stand der Technik durch Gießen oder Schmieden hergestellt. Laufschaufeln und Leitschaufeln für Gasturbinen werden in der Regel gegossen. Hochbeanspruchte Scheiben und Ringe sowie alle Schaufelblätter im Verdichterbereich werden vorzugsweise durch Schmieden hergestellt. Triebwerkscheiben, die aus der Superlegierung Udimet 720 Ll bestehen, können durch sogenanntes Gießen plus Schmieden in geeigneter Qualität gefertigt werden.
Beim Gießen von Triebwerksteilen aus Superlegierungen kommen Schmelztiegel zum Einsatz, wobei nach dem Stand der Technik die Schmelztiegel aus oxidischen Materialien, vorzugsweise aus Aluminiumoxid, hergestellt sind. Beim Gießen von Triebwerksbauteilen aus Superlegierungen kann es zu Reaktionen zwischen der Superlegierung und dem Tiegelmaterial, insbesondere dem Aluminiumoxid, kommen. Als Folge können in das herzustellende Bauteil bzw. Halbfertigteil oxidische Einschlüsse eingebaut werden, die zu einem vorzeitigen Versagen des Triebwerkteils führen können. Vor der weiteren Verarbeitung des Bauteils bzw. Halbfertigteils ist es demnach wichtig, derartige Einschlüsse zuverlässig nachzuweisen, damit gegebenenfalls das durch Gießen hergestellte Bauteil bzw. Halbfertigteil verworfen werden kann. Der Nachweis solcher oxidischer Einschlüsse in Superlegierungen bereitet jedoch nach dem Stand der Technik erhebliche Schwierigkeiten. Ein zuverlässiger Nachweis ist nicht möglich.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Bauteilen bzw. Halbfertigteilen für Gasturbinen zu schaffen.
Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass das Eingangs genannte Verfahren durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.
Erfindungsgemäß wird beim Gießen ein Schmelztiegel verwendet, der aus Bornitrid hergestellt ist. Hierdurch werden einerseits oxidische Einschlüsse in das Bauteil bzw. Halbfertigteil vermieden, anderseits sind Einschlüsse, die auf einem Abrieb oder Verschleiß des Bornitrids basieren, mit hoher Zuverlässigkeit nachweisbar.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird im Anschluss an das Gießen das Bauteil bzw. Halbfertigteil einer Prüfung auf unerwünschte Einschlüsse unterzogen. Ein vorzeitiges Versagen der Bauteile bzw. der Gasturbinen kann hierdurch minimiert werden.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, unter Bezugnahme auf die einzige Figur näher erläutert.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung bzw. Fertigung von Bauteilen bzw. Halbfertigteilen für Gasturbinen, wie Flugzeugtriebwerke, durch Gießen bzw. durch Gießen plus Schmieden. Als Gießverfahren kann auch ein sogenanntes Feingießen zum Einsatz kommen. Es liegt nun im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, dass beim Gießen ein Schmelztiegel verwendet wird, der aus Bornitrid hergestellt ist. Es ist demnach eine Grundidee der hier vorliegenden Erfindung, keine Schmelztiegel auf Basis oxidischer Werkstoffe, wie zum Beispiel Aluminiumoxid, zu verwenden, sondern vielmehr Schmelztiegel, die aus Bornitrid bestehen. Hierdurch wird einerseits das Einbauen oxidischer Einschlüsse in das Bauteil bzw. Halbfertigteil vermieden. Andererseits sind Einschlüsse, die sich aufgrund eines Abriebs bzw. Verschleißes des Schmelztiegels bzw. Bornitrids ausbilden können, sicher bzw. zuverlässig nachweisbar.
Es liegt demnach im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, einerseits beim Gießen einen Schmelztiegel aus Bornitrid zu verwenden, und andererseits nach dem Gießen das Bauteil bzw. Halbfertigteil einer Prüfung auf unerwünschte Einschlüsse zu unterziehen. Werden derartige Einschlüsse festgestellt, so kann das Bauteil bzw. Halbfertigkeit vor einer weiteren Bearbeitung verworfen werden. Die Fertigung von Ausschussware kann dadurch deutlich reduziert werden. Weiterhin wird ein durch solche unerwünschte Einschlüsse hervorgerufenes, vorzeitiges Versagen von Bauteilen reduziert.
Erfindungsgemäß wird zur Überprüfung des Bauteils auf unerwünschte Einschlüsse das Bauteil bzw. Halbfertigteil einer Röntgen-Prüfung bzw. Neutronenradiographie-Prüfung unterzogen. Sind in das Bauteil bzw. Halbfertigteil aus Superlegierung unerwünschte Bornitrideinschlüsse eingebaut, so bewirkt das Bor gegenüber allen anderen Legierungselementen ein sehr viel stärkere Neutronenschwächung. Gegenüber Nickel bewirkt Bor eine in etwa 100-fach stärkere Neutronenschwächung. Die Einschlüsse können daher kontrastreich und sicher nachgewiesen werden. Dies zeigt Fig. 1 besonders deutlich.
So zeigt Fig. 1 das Ergebnis einer Neutronenradiographie-Prüfung eines Bauteils aus einer Nickellegierungen bzw. Superlegierungen mit einem auf dem Bauteil angebrachten Bornitrid- Streifen. Die Bornitrid-Körnchen mit einer Größe von ca. 150 μm sind kontrastreich und deutlich gegenüber den Elementen der Superlegierungen darstellbar. Wird bei der Prüfung des Bauteils bzw. Halbfertigteils festgestellt, dass keine unerwünschten Einschlüsse vorliegen, so kann das Bauteil bzw. Fertigteil einem weiteren Bearbeitungsverfahren, zum Beispiel einem Beschichtungsverfahren, unterzogen werden. Werden hingegen unerwünschte Einschlüsse bei der Überprüfung erkannt, so kann das Bauteil bzw. Halbfertigteil rechtzeitig verworfen werden.
Besonders bevorzugt ist das oben beschriebne, erfindungsgemäße Verfahren bei der Herstellung von Triebwerkscheiben aus einer Superlegierung, wie zum Beispiel aus Udimet 720 Ll, wobei solche Triebwerkscheiben durch Gießen plus Schmieden hergestellt werden. Derartige Triebwerkscheiben sind höchsten mechanischen Belastungen ausgesetzt und es ist daher besonders bei Triebwerkscheiben wichtig, unerwünschte Einschlüsse zu vermeiden und sicher sowie zuverlässig nachzuweisen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen bzw. Halbfertigteilen für Gasturbinen, insbesondere für Flugzeugtriebwerke, durch vorzugsweise Gießen dadurch gekennzeichnet, dass ein Schmelztiegel verwendet wird, der aus Bornitrid hergestellt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss das Bauteil bzw. Halbfertigteil einer Prüfung auf unerwünschte Einschlüsse unterzogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil bzw. Halbfertigteil mit Hilfe einer Röntgen-Prüfung auf unerwünschte Einschlüsse überprüft wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil bzw. Halbfertigteil mit Hilfe einer Neutronenradiographie-Prüfung auf unerwünschte Einschlüsse überprüft wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil bzw. Halbfertigteil nach der Prüfung einer weiteren Bearbeitung, zum Beispiel einem Beschichtungsverfahren, unterzogen wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil bzw. Halbfertigteil aus einer Superlegierung hergestellt wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil bzw. Halbfertigteil als Triebwerksscheibe ausgebildet ist, die aus einer Superlegierung, insbesondere aus Udimet 720 Ll, durch Gießen plus Schmieden hergestellt wird. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen bzw. Halbfertigteilen für Gasturbinen, insbesondere für Flugzeugtriebwerke, aus einer Superlegierung durch Gießen dadurch gekennzeichnet, dass: a) beim Gießen ein Schmelztiegel verwendet wird, der aus Bornitrid hergestellt ist, b) im Anschluss an das Gießen das Bauteil bzw. Halbfertigteil einer Prüfung auf unerwünschte Bornitrid-Einschlüsse unterzogen wird.
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