WO2006061004A2 - Verfahren zum oberflächenstrahlen von hohlräumen, insbesondere von hohlräumen an gasturbinen - Google Patents

Verfahren zum oberflächenstrahlen von hohlräumen, insbesondere von hohlräumen an gasturbinen Download PDF

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WO2006061004A2
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blasting
khz
balls
cavities
gas turbine
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Stephen Hoffmann-Ivy
Patrick Cheppe
Jean-Michel Duchazeaubeneix
Erwin Bayer
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Mtu Aero Engines Gmbh
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    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C5/00—Devices or accessories for generating abrasive blasts
    • B24C5/005—Vibratory devices, e.g. for generating abrasive blasts by ultrasonic vibrations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/10—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for compacting surfaces, e.g. shot-peening
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/47—Burnishing
    • Y10T29/479—Burnishing by shot peening or blasting

Definitions

  • the invention relates to a method for surface blasting of cavities, in particular of cavities on gas turbines.
  • Gas turbines in particular aircraft engines, have, in particular in the region of a compressor and a turbine, at least one rotor equipped with rotating blades, wherein the rotor blades are increasingly formed as an integral part of the rotor.
  • Integrally bladed rotors are also referred to as "blisk” (bladed disk) or “bling” (bladed ring). In such rotors usually extending in the radial direction through holes for fluids, for example, for oil, integrated.
  • Such bores are also referred to as "bleed holes" and represent cavities with small cross-sectional areas.Other bores extend in the axial direction and are often used for screwing, these bores also highly loaded zones or areas of compressor and turbine represent more cavities with small cross-sectional areas For example, during operation of a gas turbine, the rotors of the gas turbine rotor are particularly stressed, and in order to reduce the wear rate, the rotors are solidified by means of special surface treatment methods, including the surfaces described above To consolidate cavities with small cross-sectional areas and the associated transition radii.
  • the prior art typically employs shot peening, wherein the balls are accelerated by means of an air flow or a centrifuge.
  • shot peening wherein the balls are accelerated by means of an air flow or a centrifuge.
  • the surfaces of through-holes are to be solidified by means of balls accelerated by an airflow or a centrifuge, there is a problem that, in particular, corners of the through-holes between a surface of the rotor and an inner surface of the through-holes are subject to severe plastic deformation , whereby the ductility of the material in the region of the through holes can be reduced and thus adversely affected.
  • the methods known from the prior art for surface radiation are therefore only very limited suitable for machining cavities, in particular narrow cross-sectional areas.
  • the present invention is based on the problem to provide a novel method for surface blasting of cavities, in particular cavities on gas turbines.
  • balls are accelerated by means of at least one vibrator, wherein the accelerated balls are directed to surfaces of a cavity to be irradiated and the corresponding transition radii.
  • the vibrator is preferably positioned with a small distance, preferably with a distance in the order of the diameter of the balls used for blasting, from the cavity to be irradiated.
  • the inventive acceleration of the balls used for blasting by means of a vibrator results from multiple reflections a random direction of movement of the balls, whereby material deformations in the cavities are minimized. Furthermore, results from the lower number of balls used a temporally lower pulse density, which also reduces the risk of material damage is reduced. In order to provide a sufficient surface roughening impulse despite the reduced momentum impulse density, balls with an adapted diameter, a higher density and thus ultimately a larger mass are used.
  • the or each ultrasonic vibrator with a frequency between 10 kHz and 50 kHz, in particular with a frequency between 20 kHz and 40 kHz, operated, preferably balls with high density and hardness of a ceramic material, in particular made of tungsten carbide, used for blasting.
  • the method is used when blasting through holes extending in the radial direction of a gas turbine rotor or from connecting holes extending in the axial direction with a relatively small cross-sectional area of, in particular, 5 mm 2 to 100 mm 2 , such a through hole first being in a transitional area between a component surface and an inner surface of the through hole and then in the region of the inner surface is blasted, wherein for blasting balls with a diameter between 0.2 mm and 5 mm, in particular between 0.4 mm and 1 mm, are used, and wherein for blasting a radially outer transition region between the component surface and the inner surface of the passage bore and for blasting the inner surface of the vibrator with a frequency between 10 kHz and 50 kHz, in particular at 20 kHz, whereas for radiating a radially inner transition region between the component surface and the inner surface, the ultrasonic vibrator is operated at a frequency between 10 kHz and 50 kHz, in particular at 40 kHz.
  • Figure 1 is a highly schematic representation of a component with two radiating through holes.
  • FIG. 2 shows the blasting of a corner region or transition region between a component surface and an inner surface of the passage bore of the component of FIG. 1;
  • FIG. 3 shows the blasting of the inner surface of the passage bore of the component of FIG. 1;
  • FIG. 4 is a highly schematic representation of an integrally bladed gas turbine rotor during the blasting of a radially extending through bore from radially inward;
  • FIG. 5 is a highly schematic representation of an integrally bladed gas turbine rotor when blasting a radially extending through hole from radially outside;
  • Fig. 6 is a highly schematic representation of a gas turbine rotor when blasting a cavity between two rotor disks from radially inside.
  • FIG. 1 shows a disk-shaped component 10 with two through-bores 11 and 12.
  • the through-bores 11 and 12 are bores with a relatively small cross-sectional area, in particular with a cross-sectional area of 5 mm 2 to 100 mm 2 .
  • the through holes 11, 12 have an oval cross-sectional area with a length of 3.8 mm and a width of 1.2 mm.
  • the dimensions of the through holes 11, 12 are very small.
  • the balls are accelerated by means of at least one ultrasonic vibrator, in particular by means of a so-called ultrasonic sonotrode, the balls thus accelerated being then directed onto the surfaces of the cavity to be irradiated.
  • the or each ultrasound vibrator is operated at a frequency between 10 kHz and 50 kHz, in particular at a frequency between 20 kHz and 40 kHz.
  • balls made of a ceramic material preferably tungsten carbide used. It is also possible to use balls made of a steel alloy, preferably of a 10OCr ⁇ material.
  • the balls used for blasting preferably have a polished surface and a diameter which is adapted to the dimensions of the cavity to be irradiated.
  • balls with a diameter between 0.2 mm and 5 mm, in particular between 0.4 mm and 1 mm, are preferably used.
  • the procedure is preferably two-stage.
  • corner regions or transition regions are blasted between a surface 13 of the component 10 and an inner surface 14 of the through-bores 11 and 12, respectively.
  • the corner regions or transition regions are identified in FIG. 1 by the reference numeral 15 and, in the exemplary embodiment shown, form a radial transition between the surface 13 of the component 10 and the inner surface 14 of the respective bore 11 and 12, respectively Transition regions 15 is then the blasting of the inner surfaces 14 of the through holes 11 and 12th
  • An ultrasonic vibrator namely an ultrasonic sonotrode 16 is arranged for this purpose in the region of a surface 13 of the component 10 at a small distance from the through-bore 11 or 12 to be radiated.
  • the through-hole 11 or 12 is closed with a sealing plug 17.
  • the closure plug 17 can protrude as shown in FIG. 2 with a projection 18 in the passage bore 11 and 12 respectively.
  • the areas of the surface 13 which are not to be irradiated Transitional area 15 of the through-hole 11 and 12 are covered by means of a cover 19, wherein the cover 19 can simultaneously form a spacer to maintain the distance between the sonotrode 16 and the component 10.
  • the distance between the sonotrode 16 and the surface 13 of the component 10 during the blasting of the transition regions 15 in the range of a few millimeters, preferably in the range of five to fifty times the diameter of the balls used for blasting 20.
  • There are for blasting such Through holes preferably 20 balls used with a diameter between 0.4 mm and 1 mm.
  • a sonotrode 16 is positioned at a small distance from the surface 13 of the component 10, wherein the entire surface 13 and thus also the transition areas 15 previously radiated in the direction of FIG. 2 are covered by a cover 21.
  • the cover 21 also forms again a spacer for maintaining a defined distance between the sonotrode 16 and the component 10.
  • This distance is in the radiation of the inner surfaces 14 in the order of the diameter of the balls used for blasting, in particular of the order of half the diameter of the same.
  • the passage bore 11 or 12 is also closed by a sealing plug 22 on the opposite side of the sonotrode 16 when the inner surfaces 14 are blasted, but the sealing plug 22 does not protrude into the through-bore 11 or 12.
  • FIGS. 4 and 5 show a rotor disk 23 of an integrally bladed rotor, the blades of the integrally bladed rotor 23 being identified by the reference numeral 24.
  • through-bores 25 extending in the radial direction are integrated in the rotor disk 23, the through-bores serving for the passage of fluids, in particular of oil.
  • the passage bores 25 can be compared in terms of their geometric dimensions with the through holes 11 and 12 in FIG. 1, so that the blasting of the extending in the radial direction füreriesbohungen-. ments of the rotor disk 23 in principle, as described in connection with FIGS. 1 to 3, can be proceeded.
  • Fig. 4 shows the rays of the radially extending through holes 25 of the rotor disk 23 from radially inward
  • Fig. 5 shows the jets thereof from the radially outer.
  • the procedure is such that for blasting the radially outer corner areas or transition areas between a radially outer surface of the rotor disk 23 and an inner surface of the through-bores 25 and for blasting the inner surfaces of the rotor Through holes 25 an ultrasonic vibrator, namely an ultrasonic sonotrode 26, with a frequency of 10 kHz to 50 kHz, in particular at 20 kHz is operated.
  • the ultrasonic sonotrode 26 is at a frequency of 10 kHz to 50 kHz, in particular at 40 kHz, operated.
  • the number of balls used for blasting and the duration of ultrasonic shot peening are determined.
  • FIG. 6 shows a detail of a gas turbine rotor 29, which has two adjacent rotor disks 30 and 31.
  • a cavity 32 between the two adjacent rotor disks 30 and 31 can be solidified by means of balls 33 which are accelerated via an ultrasonic vibrator, namely an ultrasonic sonotrode 34.
  • an ultrasonic vibrator namely an ultrasonic sonotrode 34.
  • spheres made of tungsten carbide or a CO.sub.2 O.sub.0 material which, in contrast to the surface blasting of through-bores, have a larger diameter.
  • spheres having a diameter of 0.5 mm to 6 mm, preferably 2 mm are preferably used.
  • an ultrasonic shot peening process for surface hardening of cavities wherein the balls are accelerated by means of an ultrasonic vibrator, namely by means of an ultrasonic sonotrode.
  • the diameter of the balls is adapted to the cavity to be machined, preferably using balls of tungsten carbide.
  • the balls have a polished surface.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Oberflächenstrahlen von Hohlräumen, insbesondere von Hohlräumen an Gasturbinen. Erfindungsgemäß werden Kugeln mit Hilfe mindestens eines Vibrators beschleunigt, wobei die im Ultraschallbereich beschleunigten Kugeln auf Flächen eines zu strahlenden Hohlraums gerichtet werden. Der Vibrator wird dabei vorzugsweise mit einem geringen Abstand, vorzugsweise mit einem Abstand in der Größenordnung des Durchmessers der zum Strahlen verwendeten Kugeln, von dem zu strahlenden Hohlraum positioniert.

Description

Verfahren zum Oberflächenstrahlen von Hohlräumen, insbesondere von
Hohlräumen an Gasturbinen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Oberflächenstrahlen von Hohlräumen, insbesondere von Hohlräumen an Gasturbinen.
Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, verfügen insbesondere im Bereich eines Verdichters sowie einer Turbine über mindestens einen mit rotierenden Laufschaufeln bestückten Rotor, wobei die Laufschaufeln zunehmend als integraler Bestandteil des Rotors ausgebildet sind. Integral beschaufelte Rotoren werden auch als „blisk" (bladed disk) oder „bling" (bladed ring) bezeichnet. In solche Rotoren sind in der Regel sich in radialer Richtung erstreckende Durchtrittsbohrungen für Fluide, zum Beispiel für Öl, integriert. Derartige Durchtrittsbohrungen werden auch als „bleed holes" bezeichnet und stellen Hohlräume mit geringen Querschnittsflächen dar. Andere Bohrungen verlaufen in axialer Richtung und dienen oft der Verschraubung, wobei diese Bohrungen ebenfalls hochbelastete Zonen bzw. Bereiche von Verdichter und Turbine darstellen. Weitere Hohlräume mit geringen Querschnittsflächen befinden sich zum Beispiel zwischen benachbarten Rotorscheiben eines Gasturbinenrotors. Während des Betriebs einer Gasturbine werden insbesondere die Rotoren derselben stark beansprucht. Um die Verschleißrate herab zu setzten, werden die Rotoren durch spezielle Oberflächenbearbeitungsverfahren verfestigt. Dabei ist es von Bedeutung, auch die Flächen der oben beschriebenen Hohlräume mit geringen Querschnittsflächen und die zugehörigen Übergangsradien zu verfestigen.
Zum Verfestigen von Oberflächen wird nach dem Stand der Technik in der Regel das Kugelstrahlen eingesetzt, wobei die Kugeln mithilfe einer Luftströmung oder einer Zentrifuge beschleunigt werden. Sollen zum Beispiel die Flächen von Durchgangsbohrungen mithilfe von über eine Luftströmung oder über eine Zentrifuge beschleunigten Kugeln verfestigt werden, so ergibt sich das Problem, dass insbesondere Ecken bzw. Übergangsbereiche der Durchgangsbohrungen zwischen einer Oberfläche des Rotors und einer Innenfläche der Durchgangsbohrungen einer starken plastischen Materialverformung unterliegen, wodurch die Duktilität des Werkstoffs im Bereich der Durchgangsbohrungen reduziert und damit nachteilig beeinflusst werden kann. Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Oberflachen- strahlen sind demnach nur sehr eingeschränkt zum Bearbeiten von Hohlräumen mit insbesondere engen Querschnittsflachen geeignet. Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Oberflächenstrahlen von Hohlräumen, insbesondere von Hohlräumen an Gasturbinen, zu schaffen.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren im Sinne von Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß werden Kugeln mit Hilfe mindestens eines Vibrators beschleunigt, wobei die beschleunigten Kugeln auf Flächen eines zu strahlenden Hohlraums und die entsprechenden Übergangsradien gerichtet werden. Der Vibrator wird dabei vorzugsweise mit einem geringen Abstand, vorzugsweise mit einem Abstand in der Größenordnung des Durchmessers der zum Strahlen verwendeten Kugeln, von dem zu strahlenden Hohlraum positioniert.
Durch die erfindungsgemäße Beschleunigung der zum Strahlen verwendeten Kugeln mithilfe eines Vibrators ergibt sich durch Mehrfachreflektionen eine zufällige Bewegungsrichtung der Kugeln, wodurch Materialverformungen im Bereich der Hohlräume minimiert werden. Weiterhin ergibt sich durch die geringere Anzahl der eingesetzten Kugeln eine zeitlich geringere Impulsdichte, wodurch ebenfalls die Gefahr von Materialbeschädigungen reduziert wird. Um trotz der verringerten zeitlichen Impulsdichte einen zum Oberflächenverfestigen ausreichenden Impuls bereitzustellen, werden Kugeln mit einem angepassten Durchmesser, einer höheren Dichte und damit letztendlich einer größeren Masse verwendet.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der oder jede Ultraschall-Vibrator mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 50 kHz, insbesondere mit einer Frequenz zwischen 20 kHz und 40 kHz, betrieben, wobei vorzugsweise Kugeln mit hoher Dichte und Härte aus einem keramischen Werkstoff, insbesondere aus Wolframcarbid, zum Strahlen verwendet werden.
Bevorzugt findet das Verfahren Verwendung beim Strahlen von sich in radialer Richtung eines Gasturbinenrotors erstreckenden Durchtrittsbohrungen oder von in axialer Richtung verlaufenden Verbindungsbohrungen mit einer relativ kleinen Querschnittsfläche von insbesondere 5 mm2 bis 100 mm2, wobei eine solche Durchtrittsbohrung zuerst in einem Übergangsbereich zwischen einer Bauteiloberfläche und einer Innenfläche der Durchtrittsbohrung und anschließend im Bereich der Innenfläche gestrahlt wird, wobei zum Strahlen Kugeln mit einen Durchmesser zwischen 0,2 mm und 5 mm, insbesondere zwischen 0,4 mm und 1 mm, verwendet werden, und wobei zum Strahlen eines radial außenliegenden Übergangsbereichs zwischen der Bauteiloberfläche und der Innenfläche der Durchtrittsbohrung sowie zum Strahlen der Innenfläche der Vibrator mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 50 kHz, insbesondere bei 20 kHz, betrieben wird, wohingegen zum Strahlen eines radial innenliegenden Übergangsbereichs zwischen der Bauteiloberfläche und der Innenfläche der Ultraschall-Vibrator mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 50 kHz, insbesondere bei 40 kHz, betrieben wird.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine stark schematisierte Darstellung eines Bauteils mit zwei zu strahlenden Durchtrittsbohrungen;
Fig. 2 das Strahlen eines Eckbereichs bzw. Übergangsbereichs zwischen einer Bauteiloberfläche und einer Innenfläche der Durchtrittsbohrung des Bauteils der Fig. 1;
Fig. 3 das Strahlen der Innenfläche der Durchtrittsbohrung des Bauteils der Fig. 1;
Fig. 4 eine stark schematisierte Darstellung eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors beim Strahlen einer sich in radialer Richtung erstreckenden Durchtrittsbohrung von radial innen;
Fig. 5 eine stark schematisierte Darstellung eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors beim Strahlen einer sich in radialer Richtung erstreckenden Durchtrittsbohrung von radial außen;
Fig. 6 eine stark schematisierte Darstellung eines Gasturbinenrotors beim Strahlen eines Hohlraums zwischen zwei Rotorscheiben von radial innen.
Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 6 in größerem Detail beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein scheibenförmig ausgebildetes Bauteil 10 mit zwei Durchtrittsbohrungen 11 und 12. Bei den Durchtrittsbohrungen 11 und 12 handelt es sich um Bohrungen mit einer relativ kleinen Querschnittsfläche, insbesondere mit einer Querschnittsfläche von 5 mm2 bis 100 mm2. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 soll davon ausgegangen werden, dass die Durchtrittsbohrungen 11, 12 eine ovale Querschnittsfläche mit einer Länge von 3,8 mm und einer Breite von 1,2 mm aufweisen. Bereits hieraus folgt, dass die Abmessungen der Durchtrittsbohrungen 11, 12 sehr klein sind.
Mit der hier vorliegenden Erfindung wird nun ein Verfahren vorgeschlagen, um insbesondere Hohlräume mit derartig geringen Abmessungen durch Kugel- strahlen an ihren Flächen zu verfestigen. Hierzu werden im Sinne der hier vorliegenden Erfindung die Kugeln mithilfe mindestens eines Ultraschall- Vibrators, insbesondere mithilfe einer sogenannten Ultraschall-Sonotrode, beschleunigt, wobei die so beschleunigten Kugeln dann auf die Flächen des zu strahlenden Hohlraums gerichtet werden.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird dabei der oder jeder Ultra- schall-Vibrator mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 50 kHz, insbesondere mit einer Frequenz zwischen 20 kHz und 40 kHz, betrieben. Zum Strahlen kommen vorzugsweise Kugeln aus einem keramischen Werkstoff, vorzugsweise aus Wolframcarbid, zum Einsatz . Es können auch Kugeln aus einer Stahllegierung, vorzugsweise aus einem lOOCrβ-Werkstoff, verwendet werden. Die zum Strahlen verwendeten Kugeln verfügen vorzugsweise über eine polierte Oberfläche und einen Durchmesser, der an die Abmessungen des zu strahlenden Hohlraums angepasst ist.
Zum Strahlen der unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Durchtrittsbohrungen 11, 12 mit geringen Querschnittsflächen werden vorzugsweise Kugeln mit einem Durchmesser zwischen 0,2 mm und 5 mm, insbesondere zwischen 0,4 mm und 1 mm, verwendet.
Zum Strahlen der Durchtrittsbohrungen 11, 12 des Bauteils 10 gemäß Fig. 1 wird vorzugsweise zweistufig vorgegangen. In einer ersten Stufe werden Eckbereiche bzw. Übergangsbereiche zwischen einer Oberfläche 13 des Bauteils 10 und einer Innenfläche 14 der Durchtrittsbohrungen 11 bzw. 12 gestrahlt. Die Eckbereiche bzw. Übergangsbereiche sind in Fig. 1 mit der Bezugsziffer 15 gekennzeichnet und bilden im gezeigten Ausführungsbeispiel einen radienförmigen Übergang zwischen der Oberfläche 13 des Bauteils 10 und der Innenfläche 14 der jeweiligen Bohrung 11 bzw. 12. Im An- schluss an das Strahlen der Übergangsbereiche 15 erfolgt dann das Strahlen der Innenflächen 14 der Durchtrittsbohrungen 11 und 12.
Zum Strahlen der Ξckbereiche bzw. Übergangsbereiche 15 zwischen der Oberfläche 13 des Bauteils 10 und der Innenfläche 14 der Durchtrittsbohrungen 11 bzw. 12 wird, wie in Fig. 2 dargestellt, vorgegangen. Ein Ultraschall- Vibrator, nämlich eine Ultraschall-Sonotrode 16, wird hierzu im Bereich einer Oberfläche 13 des Bauteils 10 mit geringem Abstand zu der zu strahlenden Durchtrittsbohrung 11 bzw. 12 angeordnet. Auf der gegenüberliegenden Oberfläche 13 wird die Durchtrittsbohrung 11 bzw. 12 mit einem Verschlussstopfen 17 verschlossen. Der Verschlussstopfen 17 kann gemäß Fig. 2 mit einem Vorsprung 18 in die Durchtrittsbohrung 11 bzw. 12 hineinragen. Die Bereiche der Oberfläche 13, die nicht zum zu strahlenden Über- gangsbereich 15 der Durchtrittsbohrung 11 bzw. 12 gehören, werden mithil- fe einer Abdeckung 19 abgedeckt, wobei die Abdeckung 19 gleichzeitig einen Abstandhalter zur Einhaltung des Abstands zwischen der Sonotrode 16 und dem Bauteil 10 bilden kann. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 liegt der Abstand zwischen der Sonotrode 16 und der Oberfläche 13 des Bauteils 10 beim Strahlen der Übergangsbereiche 15 im Bereich einiger Millimeter, vorzugsweise im Bereich des fünffachen bis fünfzigfachen Durchmessers der zum Strahlen verwendeten Kugeln 20. Es werden zum Strahlen derartiger Durchtrittsbohrungen vorzugsweise Kugeln 20 mit einem Durchmesser zwischen 0,4 mm und 1 mm verwendet.
Zum Strahlen der Innenflächen 14 der Durchtrittsbohrungen 11 und 12 wird, wie in Fig. 3 dargestellt, vorgegangen. Hierzu wird wiederum eine Sonotrode 16 mit geringem Abstand zur Oberfläche 13 des Bauteils 10 positioniert, wobei die gesamte Oberfläche 13 und damit auch die zuvor im Sinne der Fig. 2 gestrahlten Übergangsbereiche 15 von einer Abdeckung 21 abgedeckt werden. Die Abdeckung 21 bildet des weiteren auch wieder einen Abstandhalter zur Einhaltung eines definierten Abstands zwischen der Sonotrode 16 und dem Bauteil 10. Zum Strahlen der Innenfläche 14 der Durchtrittsbohrungen 11 und 12 wird, wie einem Vergleich der Fig. 2 und 3 entnommen werden kann, ein geringerer Abstand zwischen der Sonotrode 16 und der Oberfläche 13 des Bauteils 10 eingehalten. Dieser Abstand liegt beim Strahlen der Innenflächen 14 in der Größenordnung des Durchmessers der zum Strahlen verwendeten Kugeln, insbesondere in der Größenordnung des halben Durchmessers derselben. Bei Verwendung von Kugeln mit einem Durchmesser von 0,4 mm bis 1 mm bedeutet dies, dass beim Strahlen der Innenflächen 14 der Abstand zwischen der Sonotrode 16 und der Abdeckung 21 zwischen 0,2 mm und 1 mm liegt. Wie Fig. 3 entnommen werden kann, wird auch beim Strahlen der Innenflächen 14 die Durchtrittsbohrung 11 bzw. 12 auf der der Sonotrode 16 gegenüberliegenden Seite derselben von einem Verschlussstopfen 22 verschlossen, wobei der Verschlussstopfen 22 jedoch nicht in die Durchtrittsbohrung 11 bzw. 12 hineinragt.
Fig. 4 und 5 zeigen eine Rotorscheibe 23 eines integral beschaufelten Rotors, wobei die Laufschaufeln des integral beschaufelten Rotors 23 mit der Bezugsziffer 24 gekennzeichnet sind. Wie Fig. 4 und 5 entnommen werden kann, sind in die Rotorscheibe 23 sich in radialer Richtung erstreckende Durchtrittsbohrungen 25 integriert, wobei die Durchtrittsbohrungen dem Durchtritt von Fluiden, insbesondere von Öl, dienen. Die Durchtrittsbohrungen 25 können hinsichtlich ihrer geometrischen Abmessungen mit den Durchtrittsbohrungen 11 bzw. 12 gemäß Fig. 1 verglichen werden, sodass zum Strahlen der sich in radialer Richtung erstreckenden Durchtrittsboh- rungen 25 der Rotorscheibe 23 prinzipiell, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 bis 3 beschrieben, vorgegangen werden kann.
Fig. 4 zeigt das Strahlen der sich in radialer Richtung erstreckenden Durchtrittsbohrungen 25 der Rotorscheibe 23 von radial innen, Fig. 5 zeigt das Strahlen derselben von radial außen. Beim Strahlen solcher Durchtrittsbohrungen 25 an Rotorscheiben 23 wird im Sinne der hier vorliegenden Erfindung so vorgegangen, dass zum Strahlen der radial außenliegenden Eckbereiche bzw. Übergangsbereiche zwischen einer radial außenliegenden Oberfläche der Rotorscheibe 23 und einer Innenfläche der Durch- trittsbohrungen 25 sowie zum Strahlen der Innenflächen der Durchtrittsbohrungen 25 ein Ultraschall-Vibrator, nämlich eine Ultraschall-Sonotrode 26, mit einer Frequenz von 10 kHz bis 50 kHz, insbesondere bei 20 kHz betrieben wird. Hingegen beim Strahlen eines radial innenliegenden Eckbereichs bzw. Übergangsbereichs zwischen einer radial innenliegenden Oberfläche der Rotorscheibe 23 und der Innenfläche der sich in radialer Richtung erstreckenden Durchtrittsbohrungen 25 wird die Ultraschall-Sonotrode 26 mit einer Frequenz von 10 kHz bis 50 kHz, insbesondere bei 40 kHz, betrieben.
Abhängig von dem angestrebten Eigenspannungsprofil und der Größe des zu strahlenden Hohlraums wird die Anzahl der zum Strahlen verwendeten Kugeln und die Zeitdauer des Ultraschall-Kugelstrahlens bestimmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Oberflächenstrahlen von Hohlräumen eignet sich nicht lediglich zum Strahlen von als Durchtrittsbohrungen o- der Verbindungsbohrungen ausgebildeten Hohlräumen, sondern vielmehr auch zum Strahlen von Hohlräumen zwischen benachbarten Rotorscheiben eines Gasturbinenrotors. So zeigt Fig. 6 einen Ausschnitt aus einem Gasturbinenrotor 29, der zwei benachbarte Rotorscheiben 30 sowie 31 aufweist. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung kann auch ein Hohlraum 32 zwischen den beiden benachbarten Rotorscheiben 30 sowie 31 mithilfe von Kugeln 33 verfestigt werden, die über einen Ultraschall-Vibrator, nämlich eine Ultraschall-Sonotrode 34, beschleunigt werden. Zum Strahlen des in Fig. 6 gezeigten Hohlraums 32 zwischen den beiden Rotorscheiben 30 und 31 werden wiederum vorzugsweise Kugeln aus Wolframcarbid bzw. einem lOOCrδ- Werkstoff verwendet, die im Unterschied zum Oberflächenstrahlen von Durchtrittsbohrungen einen größeren Durchmesser aufweisen. So werden zum Oberflächenstrahlen des Hohlraums 32 vorzugsweise Kugeln mit einem Durchmesser von 0,5 mm bis 6 mrn, vorzugsweise 2 mm, verwendet. Durch zwei in den zu strahlenden Hohlraum einzubringende Trennscheiben kann ein begrenzter Strahlhohlraum gebildet werden, in dem die Ultraschall-Sonotrode den tiefsten Punkt bildet. Es sei darauf hingewiesen, dass nicht lediglich der Hohlraum zwischen den beiden Rotorscheiben 30 und 31, wie oben beschrieben, gestrahlt werden kann, sondern vielmehr auch seitliche Flanken 35 bzw. 36 der Rotorscheiben 30 bzw. 31.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird ein Ultraschall- Kugelstrahl-Prozess zum Oberflächenverfestigen von Hohlräumen vorgeschlagen, wobei die Kugeln mithilfe eines Ultraschall-Vibrators, nämlich mithilfe einer Ultraschall-Sonotrode, beschleunigt werden. Der Durchmesser der Kugeln ist an den zu bearbeitenden Hohlraum angepasst, wobei vorzugsweise Kugeln aus Wolframcarbid verwendet werden. Die Kugeln verfügen über eine polierte Oberfläche.
Da sich beim Ultraschall-Kugelstrahlen geringere Geschwindigkeiten der Kugeln einstellen und sich des weiteren eine zufällig verteilte Bewegungsrichtung der Kugeln ergibt, wird das Risiko plastischer Verformungen im Bereich der gestrahlten Hohlräume, insbesondere an den Kanten, minimiert. Hierdurch wird vermieden, dass die Duktilität des Werkstoffs, aus welcher das zu verfestigende Bauteil gebildet ist, unzulässig verringert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Oberflächenstrahlen von Hohlräumen eines Bauteils, insbesondere von Hohlräumen einer Gasturbine, wobei Kugeln mit Hilfe mindestens eines Vibrators, insbesondere mit Hilfe mindestens einer Ultraschall-Sonotrode, beschleunigt werden, und wobei beschleunigte Kugeln auf Flächen eines zu strahlenden Hohlraums und die entsprechenden Übergangsradien gerichtet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jede Vibrator mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 50 kHz, insbesondere mit einer Frequenz zwischen 20 kHz und 40 -kHz, betrieben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Kugeln aus einem keramischen Werkstoff, vorzugsweise aus WoIf- ramcarbid, verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass metallische Kugeln aus einer Stahllegierung, vorzugsweise aus einem lOOCrβ-Werkstoff, verwendet werden.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Kugeln mit einer polierten Oberfläche verwendet werden, deren Durchmesser an die Abmessungen des zu strahlenden Hohlraums ange- passt ist.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrator, insbesondere die Ultraschall-Sonotrode, mit einem geringen Abstand, vorzugsweise mit einem Abstand im Millimeterbereich, von dem zu strahlenden Hohlraum positioniert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Ultraschall-Vibrator, insbesondere der Ultraschall-Sonotrode, und dem zu strahlenden Hohlraum in der Größenordnung des Durchmessers, insbesondere des halben Durchmessers, der zum Strahlen verwendeten Kugeln liegt.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Hohlräume Durchtrittsbohrungen oder Verbindungsbohrungen mit einer relativ kleinen Querschnittsfläche, insbesondere mit Querschnittsflächen von 5 mm2 bis 100 mm2, gestrahlt werden.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Hohlräume sich in radialer Richtung eines Gasturbinenrotors, insbesondere eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors, erstreckende Durchtrittsbohrungen oder sich in axialer Richtung erstreckende Verbindungsbohrungen gestrahlt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchtrittsbohrung oder Verbindungsbohrung zuerst in einem Übergangsbereich zwischen einer Bauteiloberfläche und einer Innenfläche der Bohrung und anschließend im Bereich der Innenfläche ge- strahlt werden.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Strahlen der Durchtrittsbohrungen oder Verbindungsbohrungen Kugeln mit einen Durchmesser zwischen 0,2 mm und 5 mm, insbesondere zwischen 0,4 mm und 1 mm, verwendet werden.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zum Strahlen eines radial außenliegenden Übergangsbereichs zwischen der Bauteiloberfläche und der Innenfläche einer sich in radialer Richtung erstreckenden Durchtrittsbohrung sowie zum Strahlen der Innenfläche der Ultraschall-Vibrator mit einer Frequenz von 10 kHz bis 50 kHz, insbesondere bei 20 kHz, betrieben wird, wohingegen zum Strahlen eines radial innenliegenden Übergangsbereichs zwischen der Bauteiloberfläche und der Innenfläche der Ultraschall-Vibrator mit einer Frequenz von 10 kHz bis 50 kHz, insbesondere bei 40 kHz, betrieben wird.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass radial innenliegende Hohlräume zwischen benachbarten Rotorscheiben eines Gasturbinenrotors, insbesondere eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors, gestrahlt werden.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine seitliche Flanke einer Rotorscheibe eines Gasturbinenrotors, insbesondere eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors, gestrahlt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass hierzu Kugeln mit einen Durchmesser zwischen 0,5 mm und 6 mm, insbesondere 2 mm, verwendet werden.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer des Ultraschall-Kugelstrahlens und die zu verwendende Amplitude, mit der die Ultraschall-Sonotrode angeregt wird, in Abhängigkeit von der Anzahl der zum Strahlen verwendeten Kugeln und der Größe des zu strahlenden Hohlraums bestimmt werden.
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