DE2824369C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybrid-Turbinenrades nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Zur Herstellung von Turbinenrädern größerer Abmessungen ist durch die US-PS 24 79 039 bekannt, ein mehrstufiges Schleu­ dergußverfahren zu verwenden. Eine mechanische Verbindung zwischen einer Tragscheibe und einem Schaufelkranz ist bei kleinen Gasturbinen mit üblichen Verbindungen nicht durch­ führbar.

So ist durch die US-PS 39 40 268 vorgeschlagen worden, eine Tragscheibe aus Metallpulver zu bilden und mit dieser mehrere radial nach außen gerichtete Schaufeln zu verbinden, indem diese in eine Form eingesetzt werden und eine metallurgische Bindung durch isostatisches Heißpressen her­ gestellt wird. Wenn durch dieses Verfahren auch Schaufeln mit einer Tragscheibe aus einem anderen Werkstoff verbunden werden können, so ist diesem Verfahren jedoch der Nachteil eigen, daß eine genaue Zuordnung und Beherrschung der Abmes­ sungen zwischen benachbarten Schaufeln nicht gewährleistet ist. Dies ist aber äußerst wichtig, um einwandfreie Strö­ mungswege durch das Turbinenrad zu erhalten, insbesondere dann, wenn das Turbinenrad klein ist und mit hoher Drehzahl umläuft.

Aus der DE-OS 26 28 582 sind entsprechende Verfahren be­ kannt, bei denen die Schaufeln des Turbinenrades in einer Form angeordnet werden, in der die Tragscheibe aus Metallpul­ ver gebildet wird. Bei einem weiteren aus der DE-OS 26 58 582 bekannten Verfahren werden die Schaufeln des Turbinenrades in Ausnehmungen einer vorgesinterten Trag­ scheibe eingesetzt werden, worauf ein weiterer Sintervorgang und ein anschließendes isostatisches Heißpressen durchge­ führt wird, um ein einheitliches Turbinenrad zu erzeugen.

In der US-PS 35 90 454 ist ferner vorgeschlagen worden, einzelne Schaufeln genau dimensioniert herzustellen und diese in Schlitze der Tragscheibe einzusetzen. Die vorge­ arbeiteten Schaufeln werden hierbei in einer beweglichen Plattform gehalten in den Bereich einer kräftigen Kathoden­ strahlpistole gebracht, die die Verbindung zwischen den Schaufeln und der Tragscheibe unter Bilden einer seitlichen Schweißnaht bewirkt. Je nach der Schweißdauer und der Inten­ sität der Kathodenstrahlen ergibt sich eine gewisse Tiefe der Schweißung. Dieses Verfahren erfordert jedoch das Abtragen wesentlicher Materialmengen von den zu vereinenden Tei­ len und erfordert einen hohen Energiebedarf und genaue Steue­ rungen der beweglichen Halterungen. Ferner ist dieses Verfahren begrenzt auf die Scheißeigenschaften der in Betracht kommenden Legierungen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die augenblicklich für Turbinenräder verwendeten Legierungen ausgesprochen schlechte Schweißeigenschaften aufweisen.

Aus der gattungsbildenden GB-PS 10 64 399 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Herstellung eines Turbinenrades bekannt, das aus einer zentralten Tragscheibe und einem peripheren Schaufelkranz aufgebaut ist. Diese beiden Teile sind separat aus unterschiedlichen Materialien gefertigt. Zu ihrer Verbindung wird der Schaufelkranz im Preßsitz auf die Tragscheibe aufgesetzt und mit dieser durch Elektronenstrahl­ schweißen verschweißt. Das Schweißen erfolgt dabei beidseitig von der Stirnseite des Turbinenrades her. Um dabei die beiden axialen Schweißzonen voneinander zu trennen, ist sowohl am Außenumfang der Tragscheibe als auch am Innen­ umfang des Schaufelkranzes eine Nut vorgesehen, die einen ringförmigen Hohlraum im Bereich der Passung bilden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, ein hochbelastbares Hybrid-Turbinenrad der genannten Art mit ausgezeichneter Maßhaltigkeit zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäß zwischen dem Schaufelkranz und der Tragscheibe vorgesehene Übergangszone ohne Unterbrechungen, die durch einen Preßsitz mit engtolerierter Passungsgüte zwischen den beiden Turbinenradteilen geschaffen wird und die erfindungsgemäß durch Verschweißen abgedichtet wird, wird erreicht, daß beim anschließenden isostatischen Heiß­ pressen eine einwandfreie metallurgische Diffusionsbindung zwischen den Umfangsflächen von Schaufelkranz und Tragscheibe erzeugt werden kann. Insbesondere wird durch die ge­ schweißte Abdichtung der Übergangszone erreicht, daß während des isostatischen Heißpressens keine Moleküle oder Atome des für das Pressen erforderlichen Fluids in die Übergangszone zwischen den Schaufelkranz und die Tragscheibe eindringen können, die die einwandfreie Bildung einer metallurgischen Bindung beeinträchtigen könnten.

Ein weiterer Vorteil dieses erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß insbesondere der Schaufelkranz, dessen Schaufeln in genaue dimensionsmäßige Zuordnung aerodynamische Strömungswege durch den Schaufelkranz bilden, mit der Trag­ scheibe hochbelastbar verbunden wird, ohne daß er dabei irgendwelchen Verspannungen oder Verformungen während der Fertigungsvorgänge ausgesetzt ist, wobei der Schaufelkranz beim Heißpressen zusätzlich durch die Schweißungen in seiner exakten Lage zur Tragscheibe gehalten wird.

Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird an Hand der beigefügten Zeich­ nungen erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Anzahl von Schaufeln,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines auf Schaufeln gemäß Fig. 1 zusammengesetzten Schaufelkranzes,

Fig. 3 eine Seitenansicht des Schaufelkranzes gemäß Fig. 2 nach weiteren Bearbeitungs­ vorgängen,

Fig. 4 einen Schaufelkranz einer anderen Ausfüh­ rungsform,

Fig. 5 eine Tragscheibe für den Schaufelkranz in perspektivischer Darstellung,

Fig. 6 eine Seitenansicht einer Tragscheibe gemäß Fig. 5 mit aufgesetztem Schaufelkranz gemäß Fig. 3 oder 4,

Fig. 7 einen Teilschnitt nach der Linie 7-7 in Fig. 6 in größerem Maßstabe,

Fig. 8 eine schematische Darstellung der Übergangs­ zone zwischen Tragscheibe und Schaufel­ kranz

Fig. 9 einen Teilschnitt durch die Übergangs­ zone gemäß Fig. 8 und

Fig. 10 einen Teilschnitt durch ein fertiges Tur­ binenrad, wobei eine Ultraschallprüfungs­ einrichtung angedeutet ist.

Bei der Durchführung des Verfahrens wird zunächst ein Schaufelkranz 18, 23 als einteiliges Stück oder als aus mehreren Einzelschaufeln zusammengesetztes Stück hergestellt. Die Ver­ wendung von Einzelschaufeln zur Bildung des Schaufelkranzes 18 ge­ stattet die ausgerichtet verfestigte Herstellung von luftge­ kühlten Schaufeln 10 genau eingehaltener Form, wie dies beispiels­ weise in der US-PS 37 32 031 beschrieben ist.

Da das Zusammenfügen des Schaufelkranzes 18 mit einer Tragscheibe 26 durch Stumpfschweißen erfolgt, sind die Schaufeln 10 gemäß dem oben erwähnten Patent insofern abgewandelt, als sie mit Grundplatten 12 ausgebildet sind, die eine durchgehende ringförmige, innere Umfangsfläche 22 bilden, die bearbeitet auf den äußeren Um­ fang der Tragscheibe 26 paßt.

Derartige Schaufeln 10 sind in Fig. 1 dargestellt und weisen eine mit ihnen zusammengegossene Grundplatte 12 auf.

Der weitere Schritt besteht darin, diese einzelnen Schaufeln 10 zu einem Schaufelkranz 18 zusammenzufügen. Hierzu werden die Schaufeln 10 in eine Halterung eingesetzt, um einen Ring zu bilden, in welchem die einzelnen Grundplatten 12 der Schaufeln 10 durch einen Spalt 14 von etwa 0,0762 bis 1,270 mm voneinander getrennt sind. Dann werden die einzelnen Grund­ platten 12 durch Heftschweißungen 16 miteinander verbunden und bilden eine Vorstufe für den Schaufelkranz 18 (Fig. 2).

Die Heftschweißung zwischen den Grundplatten 12 der Schaufeln 10 erfolgt an der vorderen und der hinteren Stirn­ fläche des Schaufelkranzes 18. Danach wird der Schaufelkranz 18 im Vakuum bei 1204°C für eine Stunde lang entgast.

Danach werden die Spalte 14 mit einer Schicht 20 aus Schweißpulver geschlossen (Fig. 3), wobei alle offenliegenden Flächen der Spalte 14 bedeckt werden. Zweckmäßig wird als Schweißpulver eine Bor-Silizium-modifizierte Metall­ legierung verwendet. Das Verschweißen erfolgt im Vakuum bei 1227°C für dreißig Minuten, wonach für eine Stunde bei 1177°C eien Verfestigung und Diffusion vorgenommen wird, um die Schmelztemperatur des Schweißmittels zu erhöhen. In abge­ wandelter Weise kann das Vakuumschweißen auch bei einer Temperatur von 1218°C während 30 Minuten durchgeführt werden, wonach ein Absenken der Temperatur auf 1093°C innerhalb von zehn Minten erfolgt und danach die Temperatur für eine Stunde auf 1149°C erhöht wird.

Nach dem Verschweißen der Spalte 14 erfolgt ein isostatisches Heißpressen, um im Bereich der geschweißten Bereiche eine Diffusionsbindung zu erzielen. Der Schaufelkranz 18 hat dann eine innere Umfangsfläche 22, die durch ein geeig­ netes Werkzeug 24 bearbeitet wird. Der Schaufelkranz 18 hat dann seine endgültige Form mit vorgegebenen aerodynamischen Strömungswegen 21 zwischen den Schaufeln 10. In abgewandelter Weise kann der Schaufelkranz 23 auch einteilig hergestellt werden, wie dies Fig. 4 zeigt, wobei dann die innere Umfangs­ fläche 25 geschliffen wird.

Zur Bildung des Turbinenrades ist ferner die Herstellung einer Tragscheibe 26 erforderlich, die in die innere Umfangsfläche 22 des Schaufelkranzes 18, 23 paßt. Die Trag­ scheibe 26 wird vorzugsweise aus einem Metallpulver gebildet.

Dieses Pulver wird isostatisch heiß verpreßt, wobei sich eine äußere Umfangsfläche 28 der Tragscheibe 26 bildet, die mit großer Genauigkeit der inneren Umfangsfläche 22, 25 des Schaufelkranzes 18, 23 entspricht.

Die Tragscheibe 26 wird mit gleichem Übermaß hergestellt und dann durch ein Werkzeug 30 bearbeitet, so daß sich ein Preßsitz zwischen der äußeren Umfangsfläche 28 der Tragscheibe 26 und der inneren Umfangsfläche 22, 25 des Schaufel­ kranzes 18, 23 ergibt, das beispielsweise 0,127 mm beträgt.

Die Tragscheibe 26 und der Schaufelkranz 18, 23 werden in der Zuordnung gemäß Fig. 6 unter Vakuumentgasung für eine Stunde bei 1218 bis 1232°C miteinander verbunden. Das Aufschrumpfen erfolgt dadurch, daß der Schaufelkranz 18, 23 auf etwa 204°C erwärmt wird und dann auf die äußere Umfangs­ fläche 28 der Tragscheibe 26 aufgeschoben wird, die Außen­ temperatur hat. Beim Abkühlen ergibt sich eine feste Verriege­ lung zwischen der inneren Umfangsfläche 22, 25 und der äußeren Umfangsfläche 28 der beiden Teile. Dies ist in Fig. 7 schema­ tisch dargestellt. Es ergibt sich ein kleiner Spalt oder eine Übergangszone zwischen inneren Umfangsfläche 22, 25 und der äußeren Umfangsfläche 28 der bzw. die nachfolgend durch Vakuumschweißen abgedichtet wird.

Längs der Verbindungslinie 32 zwischen der Trag­ scheibe 26 und dem Schaufelkranz 18, 23 wird auf der einen Stirnseite eine durchgehende Schweißnaht 36 gebildet (Fig. 8) und auf der gegenüberliegenden Stirnseite eine durchgehende Schweißnaht 38 im Bereich der Verbindungslinie 34 (Fig. 9).

Nachstehend wird eine Zusammensetzung der Werk­ stoffe der einzelnen Teile angegeben:

Weitere geeignete Werkstoffe sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben:

Die Schweißnähte 36, 38 werden unter Vakuum bei einer Temperatur von 1218 bis 1232°C für dreißig Minuten gehalten, danach auf 1093°C abgekühlt und auf dieser Temperatur für zehn Minuten gehalten, damit eine Verfestigung der Schweiß­ nähte 36 und 38 erfolgt. Anschließend wird die Temperatur auf 1149°C für eine Stunde erhöht, um eine Diffusion von Bor und Silizium in das Metall der Grundplatten 12 und der Trag­ scheibe 26 zu bewirken, wodurch die Schmelztemperatur der Dichtungen erhöht wird.

Nach dem Abdichten der Verbindungslinien 32 und 34 und damit der Übergangszone erfolgt eine Prüfung auf Dichtigkeit, indem das Turbinenrad in der Form gemäß Fig. 9 in eine Kammer eingesetzt wird, in der Heliumgas unter hohem Druck enthalten ist. Nach einer aus­ reichenden Prüfzeit werden die Schweißnähte 36, 38 mit einem Spektrometer geprüft, um Löcher oder Narben in den Schweiß­ nähten 36 und 38 festzustellen.

Nach dieser Prüfung erfolgt ein isostatisches Heiß­ pressen, um eine Diffusionsbindung zwischen der inneren Umfangs­ fläche 22, 25 und der äußeren Umfangsfläche 28 herzustellen. Dies erfolgt bei einer oberhalb 816°C liegenden Temperatur, bei­ spielsweise bei 1218°C, wobei die Teile unmittelbar einem Flüssigkeitsdruck von mehr als 70.3 kg/cm² ausgesetzt werden, beispielsweise einem Druck von 1055 kg/cm², der für drei Stunden aufrechterhalten wird. Nach dem isostatischen Heißpressen wird das Turbinenrad einer Oberflächendiffusion bei 1121°C für zwei Stunden ausgesetzt und danach einem Alterungsvorgang bei 871°C für zwanzig Stunden. Die dadurch hergestellte Stumpf­ schweißung 40 ist in Fig. 10 dargestellt. In dieser Figur ist das Turbinenrad auch in einem Schalldruckprüfer eingesetzt angedeutet, durch den die Güte der Stumpfschweißung geprüft wird.

Bei dieser Prüfung wird die gesamte Schweißfläche der Stumpfschweißung 40 am Turbinenrad 42 geprüft, wozu letzteres in ein Wasserbad eingetaucht wird.

Einem Umwandler 44 wird ein elektrischer Puls über einen Leiter 46 zugeleitet, der einen Stoß 48 von Überschall­ energie liefert. Die Schallenergie wird durch das Wasser zu einer Fläche 50 des Turbinenrades 42 geleitet, wo ein großer Teil der Überschallenergie reflektiert wird, während ein kleinerer Teil in das Turbinenrad eindringt und nach der strichpunktierten Linie 52 weitergeleitet wird.

Die Überschallenergie pflanzt sich nach einem geraden Weg fort, bis sie eine Reflektionsfläche 54 erreicht, die beispielsweise eine nicht verschweißte Stelle der Stumpfschweißung 40 sein kann. Eine äußere Fläche 56 des Turbinenrades bildet eine weitere Reflektionsfläche. Die Ultra­ schallenergie wird daher je nach den gegebenen Verhältnissen längs eines Weges 58 oder eines Weges 60 reflektiert und tritt aus dem Turbinenrad aus und gelangt durch das umgebende Wasser zu einem Metallreflektor 62, der die Energie einem zweiten Umwandler 64 zuleitet, der die Schallenergie in elektrische Energie umsetzt. Ein Ausgang 66 des Umwandlers 64 liefert dann ein elektrisches Signal, um die Signale zu unterscheiden, die über den Weg 58 oder den Weg 60 zugeleitet worden sind. Auf diese Weise können Fehlstellen in der Stumpfschweißung 40 ermittelt werden.

In der Praxis haben diese Prüfungen erwiesen, daß sich vorzügliche metallurgische Bindungen in der Stumpf­ schweißung 40 ergeben.

Die mechanische Festigkeit und Dauerhaftigkeit der gebildeten metallurgischen Verbindungen ergeben sich aus den nachstehenden Tafeln über durchgeführte Versuche im Bereich der Diffusionsverbindung zwischen den beiden Teilen.

Zugprüfung

Schwingungs-Ermüdungsversuche

Zerreißversuche

Die Erfindumg ist nicht auf die Herstellung von Turbinenrädern für Axialturbinen aus hochtemperaturbe­ ständigem Werkstoff beschränkt. Sie ist in gleicher Weise für Radialturbinen- und Verdichterräder geeignet wie auch für Metalle, wie Tita, Stahl oder Aluminiumlegierungen. An Stelle der vorgesehenen Stumpfschweißungen, die aus Gründen der Verein­ fachung der Herstellung vorzuziehen ist, können auch andere Schweißarbeiten verwendet werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines Hybrid-Turbinenrades, bei dem man aus einer Superlegierung einen Schaufelkranz (23) mit Schaufeln (10) spanlos formt, die in genauer dimen­ sionsmäßiger Zuordnung aerodynamische Strömungswege durch den Schaufelkranz (23) bilden, wobei der Schaufelkranz (23) eine innere Umfangsfläche (22, 25) und eine vordere und eine rückwärtige Stirnfläche hat,
bei dem man aus Metall hoher Festigkeit eine Tragscheibe (26) formt, die eine äußere Umfangsfläche (28) hat,
bei dem an den Schaufelkranz (23) und die Tragscheibe (26) mit radialem Preßsitz aneinanderfügt, wobei eine Übergangszone zwischen dem Schaufelkranz (23) und der Tragscheibe (26) gebildet wird, deren Stoßkante sich an der vorderen und hinteren Stirnfläche des Schaufelkranzes (23) durchgehend um den äußeren Umfang der Tragscheibe (26) herum erstrecken, und
bei dem man den Schaufelkranz (23) und die Tragscheibe (26) im Bereich der Stoßkante verschweißt, dadurch gekennzeichnet,
daß man die innere Umfangsfläche (22, 25) des Schaufel­ kranzes (23) und die äußere Umfangsfläche (28) der Trag­ scheibe (26) jeweils mit eng tolerierter Passungsgüte maschinell bearbeitet, um im Preßsitz zwischen den Stoß­ kanten eine Übergangszone ohne Unterbrechungen zu erzielen, und
daß nach dem die Übergangszone abdichtenden Verschweißen von Schaufelkranz (23) und Tragscheibe (26) ein isostati­ sches Heißpressen erfolgt, um eine metallurgische Diffu­ sionsbindung zwischen den Umfangsflächen (22, 25; 28) her­ zustellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelkranz (23) aus einer korrosionsfesten, hitzebeständigen Legierung gegossen und die Tragscheibe (26) aus verdichtetem Metallpulver vorgeformt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als hochschmelzende Dichtungen Bor-Silizium-modifi­ zierte Schweißpulver verwendet werden, daß die Dichtungen im Vakuum bei einer Temperatur von 1218°C unter Schmelzen des Schweißpulvers gebildet werden und daß danach die Temperatur auf 1149°C abgesenkt wird, um eine Diffusion des Bor und Silizium in die Werkstoffe des Schaufelkranzes (23) und der Tragscheibe (26) zu ermög­ lichen, wodurch die Schmelztemperatur des Dichtungsmate­ rials erhöht wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelkranz (23) vor dem Bearbeiten seiner inneren Umfangsfläche (22) dadurch hergestellt wird, daß aus einer Legierung mehrere Schau­ feln (10) mit gekrümmten Grundplatten (12) gebildet werden, daß diese Grundplatten (12) dann ringförmig mit Spalten (14) zwischen ihnen angeordnet und durch Heft­ schweißen miteinander verbunden werden, danach werden die Spalte (14) durch Vakuumschweißen geschlossen und der Schaufelkranz (18) durch isostatisches Heißpressen gebil­ det.