DE4105419A1 - Verfahren zum herstellen von scheiben aus zwei legierungen - Google Patents

Description

Die vorliegende Anmeldung steht in Beziehung zu den folgenden am gleichen Tage eingereichten deutschen Patentanmeldungen:
1. Anwaltsakte 12 956.6, Priorität der US Patentanmeldung Ser.-Nr. 4 87 095 vom 2. März 1990,
2. Anwaltsakte 12 957.7, Priorität der US Patentanmeldung Ser.-Nr. 4 87 511 vom 2. März 1990 sowie
der US Patentanmeldung Ser.-Nr. 4 89 300 vom 5. März 1990.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Strukturen aus mehr als einer Legierungszusammensetzung. Mehr im besonderen bezieht sie sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Scheiben mit einem inneren Kern einer Legierungszusammensetzung und einem Rand aus einer Legierung aus einer anderen Zusammensetzung.

Es ist bekannt, daß Superlegierungen, die Nickelbasis- und Eisenbasis-Superlegierungen einschließen, sehr viel in Anwendungen eingesetzt wurden, die eine hohe Festigkeit bei hoher Temperaturen erfordern. Das Design von Strahltriebwerken wurde zu einem großen Teil durch die Eigenschaften bestimmt, die Superlegierungen, die als Herstellungsmaterialien für Komponenten des Triebwerkes eingesetzt wurden, aufweisen. In dem Maße, in dem die Eigenschaften der Legierungen verbessert werden, verbessert sich das Design der Strahltriebwerke, und es können größere Verhältnisse von Schub zu Gewicht erzielt werden. Ein Betrieb bei höherer Temperatur führt allgemein zu einer größeren Brennstoffausnutzung bei solchen Triebwerken und der Drang nach höheren Betriebstemperaturen und Superlegierungsmaterialien, die bei solchen höheren Temperaturen eingesetzt werden können, ist ein fortgesetztes Designkriterium für die Herstellung immer effizienterer Strahltriebwerke. Der Bedarf an hochfesten Superlegierungen, die bei höherer Temperatur eingesetzt werden können, ist fortgesetzt vorhanden, da Anstrengungen unternommen werden, die Leistungsfähigkeit für Strahltriebwerke weiter zu verbessern.

Viele metallurgische Fortschritte haben die Verbesserung hochfester Superlegierungen unterstützt. Diese Fortschritte haben den Volumenanteil der Ausscheidungen für die Verfestigung von Gamma-Legierungen erhöht. Es wurden auch Verbesserungen durch die Anwendung der Pulvermetallurgie und die Benutzung des isothermen Schmiedens erzielt. Auf diese Weise wurden Verbesserungen hinsichtlich der Temperaturfähigkeit von Superlegierungen erzielt. Es ist bekannt, daß nicht alle Komponenten eines Strahltriebwerkes den gleichen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind, und daß verschiedene metallurgische Zusammensetzungen in verschiedenen Komponenten des Triebwerkes benutzt werden können, um den Anforderungen der jeweiligen Komponente am besten zu dienen.

Es gibt einige Teile, bei denen ein Wechsel in den Eigenschaften stattgefunden hat, weil das Teil groß genug ist, so daß die Betriebsbedingungen des Triebwerkes über das gesamte Ausmaß des Teiles nicht gleichmäßig sind. Anders ausgedrückt treffen gewisse große Stücke, die in einem Triebwerk installiert sind, auf unterschiedliche Temperaturen und unterschiedliche Eigenschaftsanforderungen von einem Abschnitt der Komponente zu einem anderen. Für solche großen Komponenten ist es erforderlich, eine Eigenschaft an einer Stelle der Komponente zu opfern, um eine akzeptable Eigenschaft an einer anderen Stelle zu erhalten. Solche unterschiedlichen Eigenschaften sind zum Beispiel in Triebwerksscheiben erforderlich, die mit hohen Geschwindigkeiten von 12 000 U/min und mehr rotieren und zur Anwendung hoher Spannung auf Abschnitte der Scheibe und insbesondere in den äußeren Abschnitten der Scheibe führen.

Um die unterschiedlichen Eigenschaftsanforderungen der verschiedenen Abschnitte der Scheibe zu kompensieren, wurden Schemen und Verfahren entwickelt, um dem inneren und äußeren Abschnitt solcher Scheiben erwünschte Eigenschaftskombinationen zu verleihen. So ist in der US-PS 48 20 358 ein Verfahren offenbart, mit dem eine Scheibe aus einer einzelnen Legierung hergestellt wird, der in ihrem Inneren oder Kernabschnitt andere Eigenschaften verliehen werden als in ihrem Äußeren oder Randabschnitt. Das Erzielen unterschiedlicher Eigenschaften in den verschiedenen Abschnitten der Scheibe ist eine wertvolle Leistung.

Es sind andere Anstrengungen unternommen worden, um einen inneren Abschnitt einer Scheibe aus einer Legierung und einen äußeren Abschnitt aus einer anderen Legierung herzustellen. Es haben sich jedoch Probleme ergeben, wo Anstrengungen unternommen wurden, die beiden Legierungen miteinander zu verbinden. Existieren Oxidschichten an der Grenze, dann ist es schwierig sicher zu sein, daß irgendein Verschweißen, das stattgefunden hat, die Anwesenheit des Oxids überwindet und keinen Schwachbereich in der Scheibe zurückläßt. Der Nachweis von Fehlern in solchen Verschweißungen zwischen einem inneren und einem äußeren Abschnitt einer Scheibe ist schwierig.

Das erfindungsgemäße Verfahren richtet sich auf die Überwindung der Schwierigkeit der Anwesenheit einer Oxidschicht, die Schwachpunkte oder unvollständige Schweißungen zwischen dem inneren und äußeren Abschnitt von Legierungsscheiben verursachen kann, wo der innere und äußere Abschnitt aus unterschiedlichen Legierungsmaterialien bestehen.

Es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Verbundscheibe aus zwei oder mehr unterschiedlichen Legierungen für den inneren und äußeren Abschnitt davon zu schaffen. Eine andere Aufgabe ist die Schaffung einer Struktur, bei der zwei Legierungen ohne eine deutliche Oxidschicht dazwischen miteinander verbunden sind. Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung eines Verfahrens zum Herstellen einer Vorform einer Scheibe mit zwei verschiedenen Metallen. Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung einer Scheibenstruktur, bei der zwei unterschiedliche Legierungen im inneren und äußeren Abschnitt davon vorhanden sind.

Weitere Aufgaben sind teilweise offensichtlich und ergeben sich teilweise aus der folgenden Beschreibung.

Gemäß einem seiner breiteren Aspekte werden die Aufgaben der Erfindung gelöst durch Schaffen einer Spritzform- Vorrichtung, bei der ein erstes Metall als ein Strom aus einem ersten Tiegel zu einer Zerstäubungszone fließt. Das erste Metall wird in dieser Zone zerstäubt und auf einem rotierenden Dorn abgeschieden, um eine erste Schicht einer Vorform auf dem Dorn zu bilden. Das Spritzen bzw. Zerstäuben des ersten Metalles zur Bildung einer Vorform auf dem Dorn wird fortgesetzt. Wenn die letzten Teile des ersten Metalles im Ausgabetiegel vorhanden sind, gießt man einen kleinen Teil eines zweiten Metalles aus einem zweiten Tiegel in den ersten Tiegel, um das erste und das zweite Metall darin zu vermischen. Dann setzt man die Spritzabscheidung fort, um die vermischten Metalle aus dem ersten Tiegel durch Spritzen auf der Vorform abzuscheiden und den Durchmesser der Vorform zu vergrößern. Es wird weiteres Metall aus dem zweiten Tiegel kontinuierlich in den ersten Tiegel gegossen. Als Ergebnis verschwindet das erste Metall im wesentlichen aus dem ersten Tiegel und das Volumen des zweiten Metalles im ersten Tiegel nimmt zu. Dies führt zur Bildung einer Vorform auf dem Dorn, bei dem das erste Metall direkt auf dem Dorn liegt und die inneren Abschnitte der Vorform bildet, während das zweite Metall mit dem ersten Metall verbunden ist und die äußeren Abschnitte der Vorform bildet.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung eines Dornes, einer Vorform, eines Zerstäubungstiegels und eines zweiten Tiegels,

Fig. 2 eine schematische Darstellung ähnlich der der Fig. 1, die das Gießen von Metall aus dem zweiten Tiegel in den ersten Tiegel veranschaulicht und

Fig. 3 eine graphische Darstellung, bei der der Volumenprozentanteil des ersten Metalles und der Volumenprozentanteil des zweiten Metalles, die im ersten Tiegel vorhanden sind, gegen die Zeit auf der Ordinate aufgetragen sind.

Es ist bekannt, daß eine mikrostrukturelle Verbindung häufig schwierig zu erhalten ist, wenn man eine zweite Zusammensetzung auf ein Substrat aufbringt, weil eine Oxidschicht vorhanden ist, das Substrat nicht sauber ist oder man nicht die optimale Temperaturkontrolle des zu überziehenden Teiles erhalten hat.

Oxidschichten bilden sich sehr rasch auf Metall, das bei hoher Temperatur bearbeitet wird, und solche Oxidschichten können die Bildung einer erwünschten Verbindung zwischen einem Substrat oder einer auf dem Substrat gebildeten Schicht und einer nachfolgend aufgebrachten Metallschicht beeinträchtigen.

In der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß es möglich ist, diesen Nachteil des Standes der Technik mit einem Verfahren zu überwinden, das entwickelt wurde und in der Zeichnung schematisch dargestellt ist.

In Fig. 1 ist ein Dorn 10 gezeigt, der mittels nicht dargestellter Einrichtung innerhalb einer Umhüllung montiert ist, in der er durch eine inerte Atmosphäre geschützt ist. Der Dorn ist so montiert, daß er eine Dreh- und eine hin- und hergehende axiale Bewegung ausführen kann, so daß ein Spritznebel 12, der aus einer Zerstäubungszone 14 kommt, auf einem Teil der Dornoberfläche eine Abscheidung 16 bilden kann. Die Abscheidung 16 liegt als Vorform vor. Eine Vorform ist ein Materialkörper geeigneter Art und Gestalt, die es gestatten, die Vorform später zu einem Gegenstand, wie einer Scheibe oder einem anderen Gegenstand zu verarbeiten, der eine geeignete Form für einen entgültigen Gebrauch hat, zum Beispiel innerhalb einer Flugzeugturbine.

Der sich nach unten bewegende Strom 18 aus geschmolzenem Metall stammt aus einem Körper 22 flüssigen Metalls innerhalb eines Ausgabe- oder ersten Tiegels 24. Der Strom 18 strömt nach unten in eine Zerstäubungszone 14.

In der Zerstäubungszone 14 wird der Strom 18 aus geschmolzenem Metall durch Gasströme 20 zerstäubt, die aus Düsen 21 austreten und in die Zerstäubungszone gerichtet sind. Die Gasquellen sind nicht gezeigt, doch wird übliches inertes Spritzformgas, wie Argon, benutzt. Das zum Zerstäuben benutzte Inertgas schützt die zerstäubten Tröpfchen und die gespritzte Abscheidung vor Oxidation in einer für das Spritzformen üblichen Weise.

Die Spritzzerstäubung eines flüssigen Metalles und die Aufnahme der durch die Zerstäubung gebildeten Tröpfchen auf einer festen Oberfläche zur Bildung einer Abscheidung ist eine bekannte Praxis und allgemein als Spritzformen der Abscheidung bekannt. In dem vorliegenden beispielhaften Falle bildet die Abscheidung eine Schicht 16 auf einem Dorn, und die Abmessungen, einschließlich Breite, Länge, Dicke usw., der Schicht sind derart, daß die Vorform später mechanisch zu einer gewünschten Gestalt verarbeitet werden kann, wie dem Zentrum oder inneren Teil einer Scheibe, die in einer Strahltriebwerksstruktur brauchbar ist.

Ein zweiter Tiegel 26, der ein zweites geschmolzenes Metall 28 enthält, das durch eine den Tiegel umgebende Induktionsspule 30 im geschmolzenen Zustand gehalten wird, ist nahe dem ersten Tiegel 24 angeordnet, um das Gießen des flüssigen Metalles 28 in den ersten Tiegel 24 zu gestatten. Der schematischen Darstellung der Fig. 1 ist jedoch zu entnehmen, daß das zweite Metall 28 innerhalb des Tiegels 26 zurückgehalten wird, während der Vorrat an erstem flüssigen Metall 22 bis zu einem relativ kleinen Volumen vermindert ist.

Die in Fig. 2 gezeigten Elemente der Vorrichtung entsprechen denen der Fig. 1, und sie tragen im wesentlichen die gleichen Bezugszahlen.

In Fig. 2 ist der Beginn des Gießens des Inhaltes des zweiten Tiegels 26 in den ersten Tiegel 24 dargestellt, um die Zerstäubung und das Spritzformen der Vorform 16 auf dem Dorn 10 fortzusetzen, wozu man jedoch eine Mischung des bereits im ersten Tiegel 24 befindlichen ersten Metalles und des zweiten Metalles 28 benutzt, das als Strom 32 vom oberen Teil des zweiten Tiegels 26 in den ersten Tiegel 24 eintritt.

Das Ergebnis des Gießens und der fortgesetzten Zerstäubung, die stattfindet, ist in Fig. 3 dargestellt. In Fig. 3 ist der Volumenprozentanteil der ersten Legierung, als Legierung A bezeichnet, und der zweiten Legierung, als Legierung B bezeichnet, in graphischer Form dargestellt. Zur Zeit T₀ beträgt der Volumenprozentanteil der Legierung A im ersten oder Ausgabetiegel 100%. Mit vorschreitender Zeit vermindert sich der Volumenprozentanteil der Legierung A, bis ein Zeitpunkt T_b erreicht ist, der in Fig. 3 durch eine vertikale gestrichelte Linie dargestellt ist. Zu diesem Zeitpunkt ist die Konzentration der Legierung im Ausgabetiegel noch immer zu 100% Legierung A, während der Volumenprozentanteil der Legierung im Tiegel unter 50% gefallen ist. Zu diesem Zeitpunkt beginnt man mit der Zugabe der Legierung B aus dem zweiten oder Reservetiegel 26 zum Ausgabetiegel 24. Die vertikale gestrichelte Linie bezeichnet somit den Zeitpunkt T_b, bei dem man mit dem Gießen der Legierung B aus dem zweiten Tiegel 26 beginnt. Das Ergebnis ist eine Verdünnung der Legierung A durch eine Menge der Legierung B, so daß die aus dem Ausgabetiegel strömende Legierung eine Kombination der Legierungen A und B ist. Eine minimale Verdünnung der Legierung A mit der Legierung B wird erzielt, wenn das Gießen der Legierung B in den Zerstäubungstiegel zeitlich bemessen ist, so daß der Metallstrom ununterbrochen ist und doch das Volumen der Legierung A klein ist, wenn das Gießen der Legierung B beginnt. Diese Konzentration der Legierung B im Ausgabetiegel vergrößert sich, bis ein Maximum zur Zeit T_d erreicht wird und das Gießen aus dem Tiegel 26 vollständig ist. Zur Zeit T_d enthält der Zerstäubungstiegel die meiste Legierung B, obwohl sie sehr wenig mit Legierung A verdünnt ist, wie durch die gestrichelte Linie veranschaulicht, die die Konzentration der Legierung A nach der Zeit T_b anzeigt. Diese Linie ist gestrichelt, da sie mit dem genauen Volumen der Legierung A variiert, das im Ausgabetiegel verbleibt, wenn die Zugabe der Legierung B beginnt.

Die Legierung B wird dann zerstäubt, um die vorherrschende äußere Zusammensetzung des gebildeten Teiles zu bilden. Das Verfahren wird bis zur Zeit T_e fortgesetzt, zu der der Zerstäubungstiegel kein Metall mehr enthält.

Ein Problem, das sich bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt, ist, daß es eine Aufgabe des Verfahrens ist, eine Vorform zu schaffen, bei der vorwiegend ein Metall, im Beispiel das Metall A, den inneren Abschnitt der Vorform bildet und ein zweites Metall, im dargestellten Falle das Metall B, hauptsächlich den äußeren Abschnitt der Vorform bildet. In Abhängigkeit von der Art des Gießens und den besonderen Eigenschaften der Ausrüstung, die benutzt wird, mag es erforderlich sein, einige nachfolgende Gießstufen bei dem Verfahren zu benutzen, um sicher zu stellen, daß das erste Metall, A, aus dem Ausgabetiegel herausgeflossen ist, bevor die Masse des zweiten Metalles B, zu dem Ausgabetiegel hinzugegeben wird. Zu diesem Zwecke mag es erwünscht sein, eine Anzahl von Zugaben geringen Volumens aus der Legierung B zum Ausgabetiegel vorzunehmen, wenn der Volumenprozentanteil der Legierung A im Tiegel recht gering ist. Solche geringen Zugaben können die Wirkung haben, die letzten Reste der Legierung A aus dem Ausgabetiegel herausfließen zu lassen, bevor die Hauptzugabe der Legierung B zum Ausgabetiegel erfolgt. Außerdem können solche Zugaben die Wirkung haben und sicherstellen, daß der Grenzbereich zwischen dem inneren und äußeren Abschnitt der Vorform aus einer Mischung der beiden Legierungen, A und B, gebildet wird und demgemäß daß es eine kontinuierliche Spritzabscheidung aus Legierung auf dem Dorn ohne Unterbrechung gibt und ohne die Möglichkeit der Bildung einer unerwünschten Oxidschicht.

Die Kriterien für die Auswahl spezieller Legierungen zum Einsatz in Kombination, die die Eigenschaften eines Produktes, wie einer Scheibe, die aus den Legierungen gebildet wird, verbessern, sind zweifach. Ein erster Satz von Kriterien betreffen die Eigenschaften, die im ersten Abschnitt des Produktes angestrebt werden, und der zweite Satz von Kriterien betrifft die Eigenschaften, die im zweiten Abschnitt des Produktes angestrebt werden.

Im Falle einer Scheibe ist der erste Abschnitt des Produktes der innere oder Kernabschnitt. Für diesen Abschnitt ist eine hohe Festigkeit in der Legierung erforderlich. Eine Legierung, wie Rene′ 95, die eine im Handel erhältliche Legierung ist, deren Zusammensetzung in Standard Handbüchern, wie dem Metals Handbook, das von der American Society for Metals veröffentlicht wird, zu finden ist, hat eine geeignete hohe Festigkeit und andere erwünschte Eigenschaften zum Einsatz im Kern einer Scheibe.

Der äußere Abschnitt der Scheibe benötigt eine Legierung, die eine geringe Ermüdungsriß-Ausbreitungsgeschwindigkeit hat. Zwei Legierungen mit einer solchen geringen Ermüdungsriß-Ausbreitungsgeschwindigkeit sind Astroloy und Waspalloy. Diese beiden Legierungen sind im Handel erhältlich, und ihre Zusammensetzungen sind ebenfalls in Standardtexten, wie dem o. g. Metals Handbook zu finden. Information hinsichtlich der relativen Rißausbreitungsgeschwindigkeiten dieser Legierungen im Vergleich zu Rene′95 findet sich in Fig. 1 der US-PS 48 67 812.

Wird eine Kombination zweier solcher Legierungen, das heißt eine Kombination von Rene′95 mit Waspalloy oder eine Kombination von Rene′95 mit Astroloy benutzt, dann wird davon ausgegangen, daß die Gesamteigenschaften der aus einer solchen Kombination gebildeten Scheibe besser sind, als die einer Scheibe, die vollständig nur aus einem solchen Metall hergestellt ist. Es können auch andere Kombinationen solcher Metalle benutzt werden. Der aus einer Kombination zweier solcher Legierungen unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Gegenstand braucht nicht nur auf scheibenartige Gegenstände beschränkt zu sein, sondern es können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch andere größere Gegenstände hergestellt werden, insbesondere wenn der Gegenstand groß genug ist, auf unterschiedliche Temperaturen oder unterschiedliche Eigenschaftsanforderungen in seinen verschiedenen Abschnitten zu treffen.

Claims (6)

1. Verfahren zum Herstellen einer konzentrischen Metallstruktur aus mindestens zwei verschiedenen Metallen, umfassend:
Schaffen einer Spritzformvorrichtung, bei der ein Strom aus geschmolzenem Metall aus einem Ausgabetiegel zu einer Zerstäubungszone strömt,
Strömenlassen eines Zerstäubungsgases in die genannte Zone, um den Strom aus geschmolzenem Metall zu zerstäuben,
Abscheiden des zerstäubten Metalles aus der Zone als eine Schicht auf einem rotierenden Dorn,
Schaffen eines zweiten Tiegels, der ein zweites geschmolzenes Metall enthält,
Gießen des Metalles aus dem zweiten Tiegel in den Ausgabetiegel, wenn der letzte Teil des ersten Metalles noch im Ausgabetiegel vorhanden ist und
Fortsetzen des Gießens des zweiten Metalles in den Ausgabetiegel, während die Spritzabscheidung des Metalles aus dem Ausgabetiegel fortgesetzt wird, um eine äußere Schicht aus dem zweiten Metall auf der Vorform zu bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste Metall eine Nickelbasis-Superlegierung hoher Festigkeit ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste Metall eine Nickelbasis-Superlegierung und das zweite Metall eine Nickelbasis-Superlegierung ist, die eine geringe Rißausbreitungsgeschwindigkeit hat.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste Metall Rene′95 ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste Metall eine Nickelbasis-Superlegierung hoher Festigkeit ist und das zweite Metall Waspalloy ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste Metall eine Superlegierung hoher Festigkeit ist und das zweite Metall Astralloy ist.