DE4105419C2 - Verfahren zum Herstellen von Scheiben aus zwei Legierungen - Google Patents

Description

Die vorliegende Anmeldung steht in Beziehung zu den am gleichen Tage eingereichten
DE 41 05 418 A1 und
DE 41 05 420 A1.

Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf die Herstellung von Strukturen aus mehr als einer Legierungszusammenset­ zung. Im besonderen bezieht sie sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Scheiben mit einem inneren Kern aus ei­ ner Legierungszusammensetzung und einem Rand aus einer anderen Zusammensetzung.

Die DE-PS 662 062 beschreibt ein Verfahren zur Erzielung einer festen Verbindung zwischen zwei mittels des Metall­ spritzverfahrens erzeugten Schichten verschiedener Metalle. Nach der genannten DE-PS erfolgt dies dadurch, daß auf das erste Spritzmetall eine Mischung aus dem erstem und einem zweiten Spritzmetall aufgebracht und auf diese Mischung das zweite Spritzmetall aufgebracht wird. Das Aufbringen der Zwischenschicht erfolgt durch gleichzeitiges Spritzen bei­ der Metalle aus zwei Spritzpistolen auf die gleiche Stelle.

Die DE 26 48 688 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Gußblöcken hoher Dichte durch Sprühgießen, bei dem ein kegeliger Sprühstrahl hoher Energie und mit einem Kegelwin­ kel unter 25° mit spitzwinklig zur Innenwandung verlaufender Achse in eine Kokille gerichtet wird und den Kokillen­ querschnitt überstreicht. Der Sprühstrahl wird durch Zer­ stäuben eines Gießstrahles erzeugt.

Es ist bekannt, daß Superlegierungen, die Nickelbasis- und Eisenbasis-Superlegierungen einschließen, sehr viel in An­ wendungen eingesetzt wurden, die eine hohe Festigkeit bei hoher Temperatur erfordern. Das Design von Strahltrieb­ werken wurde zu einem großen Teil durch die Eigenschaften bestimmt, die Superlegierungen, die als Herstellungsmate­ rialien für Komponenten des Triebwerkes eingesetzt wurden, aufweisen. In dem Maße, in dem die Eigenschaften der Legie­ rungen 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 Brennstoffaus­ nutzung 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 hoch­ festen Superlegierungen, die bei höherer Temperatur einge­ setzt werden können, ist fortgesetzt vorhanden, da Anstren­ gungen 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 Verfe­ stigung von Gamma-Legierungen erhöht. Es wurden auch Ver­ besserungen durch die Anwendung der Pulvermetallurgie und die Benutzung des isothermen Schmiedens erzielt. Auf diese Weise wurden Verbesserungen hinsichtlich der Temperaturfä­ higkeit von Superlegierungen erzielt. Es ist bekannt, daß nicht alle Komponenten eines Strahltriebwerkes den gleichen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind, und daß verschiedene metallurgische Zusammensetzungen in verschiedenen Komponen­ ten des Triebwerkes benutzt werden können, um den Anforde­ rungen der jeweiligen Komponente am besten zu dienen.

Es gibt einige Teile, bei denen ein Wechsel in den Eigen­ schaften 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 Temperatu­ ren und unterschiedliche Eigenschaftsanforderungen von ei­ nem 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 Geschwindig­ keiten 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 ver­ schiedenen Abschnitte der Scheibe zu kompensieren, wurden Schemen und Verfahren entwickelt, um dem inneren und äuße­ ren Abschnitt solcher Scheiben erwünschte Eigenschaftskom­ binationen zu verleihen. So ist in der US-PS 4,820,358 ein Verfahren offenbart, mit dem eine Scheibe aus einer einzel­ nen Legierung hergestellt wird, der in ihrem Inneren oder Kernabschnitt andere Eigenschaften verliehen werden als in ihrem Äußeren oder Randabschnitt. Das Erzielen unterschied­ licher 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 ei­ nen äußeren Abschnitt aus einer anderen Legierung herzu­ stellen. Es haben sich jedoch Probleme ergeben, wo Anstren­ gungen unternommen wurden, die beiden Legierungen miteinan­ der zu verbinden. Existieren Oxidschichten an der Grenze, dann ist es schwierig sicher zu sein, daß irgendein Ver­ schweißen, das stattgefunden hat, die Anwesenheit des Oxids überwindet und keinen Schwachbereich in der Scheibe zurück­ läßt. 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 Über­ windung der Schwierigkeit der Anwesenheit einer Oxid­ schicht, die Schwachpunkte oder unvollständige Schweißungen zwischen dem inneren und äußeren Abschnitt von Legierungs­ scheiben verursachen kann, wo der innere und äußere Ab­ schnitt aus unterschiedlichen Legierungsmaterialien beste­ hen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ver­ fahren zum Herstellen einer Verbundstruktur, insbesondere einer Scheibe bzw. ihrer Vorform, aus zwei oder mehr unter­ schiedlichen Legierungen für den inneren und äußeren Ab­ schnitt davon bereitzustellen, bei dem zwei Legierungen ohne eine deutliche Oxidschicht dazwischen miteinander ver­ bunden werden.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung einer Sprühform-Vor­ richtung bereitgestellt, 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 Zerstäu­ ben 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 Tie­ gel in den ersten Tiegel, um das erste und das zweite Me­ tall darin zu vermischen. Dann setzt man die Zerstäubungs- Abscheidung fort, um die vermischten Metalle aus dem ersten Tiegel durch Sprühen 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 Me­ tall direkt auf dem Dorn liegt und die inneren Abschnitte der Vorform bildet, während das zweite Metall mit dem er­ sten 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 schematisch 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 Volumen­ prozentanteil des ersten Metalles und der Volumenprozent­ anteil des zweiten Metalles, die im ersten Tiegel vorhanden sind, gegen die Zeit auf der Ordinate aufgetragen sind.

Es ist bekannt, daß eine mikrostrukturelle Verbindung hä­ ufig schwierig zu erhalten ist, wenn man eine zweite Zusam­ mensetzung auf ein Substrat aufbringt, weil eine Oxid­ schicht vorhanden ist, das Substrat nicht sauber ist oder man nicht die optimale Temperaturkontrolle des zu überzie­ henden 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 dar­ gestellter Einrichtung innerhalb einer Umhüllung montiert ist, in der er durch eine inerte Atmosphere geschützt ist. Der Dorn ist so montiert, daß er eine Dreh- und eine hin- und hergehende axiale Bewegung ausführen kann, so daß ein Sprühnebel 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 Vor­ form ist ein Materialkörper geeigneter Art und Gestalt, die es gestatten, die Vorform später zu einem Gegenstand, wie einer Scheibe oder einem anderen Gegenstand, zu verarbei­ ten, der eine geeignete Form für einen endgültigen Gebrauch hat, zum Beispiel innerhalb einer Flugzeugturbine.

Der sich nach unten bewegende Strom 18 aus geschmolzenem Metall stammt aus einem Körper 22 flüssigen Metalls inner­ halb 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 geschmol­ zenem 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 Sprühformgas, wie Argon, benutzt. Das zum Zerstäuben be­ nutzte Inertgas schützt die zerstäubten Tröpfchen und die gesprühte Abscheidung vor Oxidation in einer für das Sprüh­ formen üblichen Weise.

Die Zerstäubung 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 Sprühformen der Abschei­ dung 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 Induktions­ spule 30 im geschmolzenen Zustand gehalten wird, ist nahe dem ersten Tiegel 24 angeordnet, um das Gießen des flüssi­ gen Metalles 28 in den ersten Tiegel 24 zu gestatten. Der schematischen Darstellung der Fig. 1 ist jedoch zu entneh­ men, daß das zweite Metall 28 innerhalb des Tiegels 26 zu­ rückgehalten 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 entspre­ chen 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 Sprühformen der Vorform 16 auf dem Dorn 10 fortzusetzen, wozu man jedoch eine Mischung des be­ reits im ersten Tiegel 24 befindlichen ersten Metalles und des zweiten Metalles 28 benutzt, das als Strom 32 vom obe­ ren 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 Legie­ rung 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 fortschreitender Zeit vermin­ dert 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 Zeit­ punkt ist die Konzentration der Legierung im Ausgabetiegel noch immer zu 100% Legierung A, während der Volumenpro­ zentanteil der Legierung im Tiegel unter 50% gefallen ist. Zu diesem Zeitpunkt beginnt man mit der Zugabe der Legie­ rung B aus dem zweiten oder Reservetiegel 26 zum Ausgabe­ tiegel 24. Die vertikale gestrichelte Linie bezeichnet so­ mit den Zeitpunkt T_b, bei dem man mit dem Gießen der Legie­ rung B aus dem zweiten Tiegel 26 beginnt. Das Ergebnis ist eine Verdünnung der Legierung A durch eine Menge der Legie­ rung B, so daß die aus dem Ausgabetiegel strömende Legie­ rung eine Kombination der Legierungen A und B ist. Eine mi­ nimale Verdünnung der Legierung A mit der Legierung B wird erzielt, wenn das Gießen der Legierung B in den Zerstäu­ bungstiegel 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 ent­ hält 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 Zer­ stäubungstiegel kein Metall mehr enthält.

Ein Problem, das sich bei der Durchführung des erfindung­ gemäßen Verfahrens ergibt, ist, daß es eine Aufgabe des Verfahrens ist, eine Vorform bereitzustellen, bei der vor­ wiegend 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 Ausrü­ stung, 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 Ausga­ betiegel herausgeflossen ist, bevor die Masse des zweiten Metalles B zu dem Ausgabetiegel hinzugegeben wird. Zu die­ sem 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 Haupt­ zugabe der Legierung B zum Ausgabetiegel erfolgt. Außerdem können solche Zugaben die Wirkung haben und sicherstellen, daß der Grenzbereich zwischen dem inneren und äußeren Ab­ schnitt der Vorform aus einer Mischung der beiden Legierun­ gen, A und B, gebildet wird und demgemäß, daß es eine kon­ tinuierliche Sprühabscheidung aus Legierung auf dem Dorn ohne Unterbrechung und ohne die Möglichkeit der Bildung einer unerwünschten Oxidschicht gibt.

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

Im Falle einer Scheibe ist der erste Abschnitt des Produk­ tes der innere oder Kernabschnitt. Für diesen Abschnitt ist eine hohe Festigkeit in der Legierung erforderlich. Eine Legierung, wie René 95, die eine im Handel erhältliche Le­ gierung ist, deren Zusammensetzung in Standard-Handbüchern, wie dem Metals Handbook, das von der American Society für 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 Ermüdungs­ riß-Ausbreitungsgeschwindigkeit sind Astroloy und Waspal­ loy. Diese beiden Legierungen sind im Handel erhältlich, und ihre Zusammensetzungen sind ebenfalls in Standardtex­ ten, wie dem o. g. Metals Handbook zu finden. Information hinsichtlich der relativen Rißausbreitungsgeschwindigkeiten dieser Legierungen im Vergleich zu René 95 findet sich in Fig. 1 der US-PS 4,867,812.

Wird eine Kombination zweier solcher Legierungen, das heißt eine Kombination von René 95 mit Waspalloy oder eine Kombi­ nation von René 95 mit Astroloy benutzt, dann wird davon ausgegangen, daß die Gesamteigenschaften der aus einer sol­ chen Kombination gebildeten Scheibe besser sind, als die einer Scheibe, die vollständig nur aus einem solchen Metall hergestellt ist. Es können auch andere Kombinationen sol­ cher Metalle benutzt werden. Der aus einer Kombination zweier solcher Legierungen unter Anwendung des erfindungs­ gemäßen 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 Eigenschaftsanforde­ rungen in seinen verschiedenen Abschnitten zu treffen.

Claims (4)

1. Verfahren zum Herstellen einer konzentrischen Metall­ struktur aus mindestens zwei verschiedenen Metallen, umfassend:
Bereitstellen einer Sprühformvorrichtung, 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,
Bereitstellen 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 Sprühabscheidung 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 Nickel-basis-Superlegierung ist, die eine geringe Rißausbreitungsgeschwindigkeit hat.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste Metall eine Nickelbasis-Superlegierung hoher Festigkeit und das zweite Metall eine Nickelbasis-Superlegierung mit einer geringen Rißausbreitungs-Geschwindigkeit ist.