DE19956444B4

DE19956444B4 - Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauteils in Verbundbauweise

Info

Publication number: DE19956444B4
Application number: DE19956444A
Authority: DE
Inventors: Erich Dr. Steinhardt; Helmut Eibl
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1999-11-24
Filing date: 1999-11-24
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2019-11-25
Also published as: DE50010312D1; EP1232331B1; DE19956444A1; EP1232331A1; US6893211B1; WO2001038698A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauteils in Verbundbauweise für Turbomaschinen, insbesondere einer Laufschaufel für eine Gasturbine, mit einer dünnen, metallischen Wandschicht sowie mit einer metallischen Kernstruktur mit einem hohen Leervolumenanteil, wobei die Wandschicht das Leichtbauteil zumindest auf zwei sich gegenüberliegenden, den Großteil der Bauteiloberfläche erfassenden Seiten begrenzt, die Wandschicht und die Kernstruktur aus dem selben Metall oder aus zwei basisgleichen Metallen bestehen sowie stoffschlüssig miteinander verbunden sind, und wobei die Kernstruktur einen räumlichen, filz- und/oder geflechtartigen Aufbau aufweist sowie aus einem oder mehreren Drähten, Bändern, Spänen und/oder vergleichbaren Elementen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernstruktur (9, 10) in einem Zustand mit in Relation zu ihrem Volumen im fertigen Leichtbauteil (1,2) größerem Volumen und somit geringerer Dichte bereitgestellt wird, vor, während und/oder nach dem Einbringen zwischen die Wandschichten (3,4) des Leichtbauteils (1,2) volumetrisch verdichtet wird und im verdichteten Zustand in sich sowie mit den Wandschichten (3, 4) versintert, das heisst durch...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauteils in Verbundbauweise für Turbomaschinen, mit einer dünnen, metallischen Wandschicht sowie mit einer metallischen Kernstruktur mit einem hohen Leervolumenanteil, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Leichtbauteile in Verbundbauweise mit einer dünnen, äußeren Wandschicht und mit einer leichten Kernstruktur sind in einer Vielzahl von Ausführungen bekannt, sei es in Metall- und/oder Kunststoffbauweise. Der Großteil der mechanischen Lasten wird von der Wandschicht aufgenommen, die Kernstruktur hat primär eine Stützfunktion in Relation zur Wandschicht und schützt letztere vor Beulen, Knicken etc.. Als Kernstrukturen werden bevorzugt Hartschäume und Honigwabengeometrien angewendet und mit der Wandschicht mechanisch fest verbunden, häufig durch Kleben. Je nach Art und Richtung der Bauteilbelastung kommen auch rippen-, holm- und stringerartige Kernstrukturen zur Anwendung, insbesondere bei reiner Metallbauweise.
Aus der DE 40 41 104 C1 ist eine Leichtbauschaufel für Strömungsmaschinen bekannt, die eine Schaufelschale und einen Schaufelkern umfaßt, wobei letzterer aus einem Bündel von Röhrchen besteht, die untereinander und mit der Außenschale fest verbunden sind.
Die DE 15 94 027 A1 offenbart ein abriebfähiges, poröses, gefülltes Material, insbesondere für Dichtungszwecke, mit einer aus willkürlich orientierten, miteinander verbundenen Metallfasern gebildeten porösen Struktur, deren Hohlräume mit einem metallischen, körnigen Material gefüllt sind, wobei die körnigen Teilchen miteinander und mit den Fasern unter Bildung eines leichten, abriebfähigen Gefüges verbunden sind. Das metallische, körnige Material besteht aus Kupfer- oder Nickelpulver bzw. aus einer Kombination dieser Metallpulver und soll die Hohlräume zwischen den Metallfasern ganz oder teilweise ausfüllen. Die Fasern und die Pulverteilchen werden jeweils für sich und miteinander bevorzugt durch Sintern verbunden.
Die DE 33 27 659 C2 schützt ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers in Sandwichbauweise. Dabei werden glatte und wellen-, noppen- bzw. hutförmig profi lierte Folien aus stark kohlenstoffhaltigem Material verbunden und durch Verkoken karbonisiert. Eine weitere Behandlung mit Silizium führt letztlich zu einem leichten, sehr beständigen, keramischen Sandwichkörper weitgehend aus Siliziumkarbid (SiC).
Die US 3 667 108 A schützt ein Verfahren zur Herstellung berylliumverstärkter Titanbauteile, insbesondere in Form von Gasturbinen-Laufschaufeln. Hierbei werden Stäbe aus Beryllium metallurgisch in eine Titanmatrix eingebettet unter Anwendung eines Schmiedeprozesses. Letztlich entstehen massive, berylliumverstärkte Titanteile, welche sich u.a. durch eine hohe Steifigkeit auszeichnen.
Das Patent US 5 634 189 A schützt ein Leichtbauteil und dessen Herstellung in Sintertechnik. Das Leichtbauteil weist dicht und massiv versinterte Oberflächen und eine leichte Kernstruktur aus versinterten Hohlkörpern, insbesondere Hohlkugeln, auf. Die Größe der Hohlkörper – und damit der Leervolumenanteil – nimmt von der Bauteiloberfläche in das Kerninnere hinein zu. Zusätzlich können Verstärkungsfasern integriert werden, bei Gasturbinenschaufeln vorzugsweise in deren Längsrichtung (Zugbelastung). Die komplizierte, inhomogene Kernstruktur ist praktisch nicht reproduzierbar herzustellen.
Das Patent US 2 921 769 A betrifft einen beschaufelten Turbinenrotor in Blechbauweise. Dabei besteht die Möglichkeit, Kühlluft durch den hohlen Rotor in das Schaufelinnere zu leiten. Zur besseren Wärmeabfuhr können Schaufeleinsätze aus gut wärmeleitendem Metall vorhanden sein. Die Einsätze können in Form von „Metallwolle", Geflechten oder Gittern ausgeführt und mit den Schaufelwänden verlötet sein. Die Einsätze haben keine festigkeitstechnischen Aufgaben.
Das Patent US 4 440 834 A schützt gekühlte Turbinenschaufeln und ein Verfahren zu deren Herstellung. Für einen verbesserten, internen Wärmeübergang ist eine Füllung aus Metallspänen im Schaufelinneren vorhanden, wobei die Späne miteinander und mit der Schaufelwand verlötet sind (diffusion brazing). Das Patent gibt den Hinweis, dass hierdurch nicht nur der Wärmeübergang sondern auch die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Schwingungsdämpfung, verbessert werden. In der Praxis ist es kaum möglich, eine hohle Schaufel definiert und reproduzierbar mit un regelmäßig geformten Spänen zu befüllen. Auch das anschließende Lötergebnis ist eher zufällig und kann in weiten Bereichen variieren.
Die genannten Bauweisen zeichnen sich zwar in ihrer Mehrheit durch geringes Gewicht und hohe Biegesteifigkeit aus, aber ihre Eigendämpfung im Falle dynamischer Belastung/Erregung ist in der Regel gering. Schaufeln und Strukturen in Turbomaschinen unterliegen hohen dynamischen Belastungen, insbesondere für unvermeidbare Resonanzzustände ist daher eine hohe Eigendämpfung des Bauteils vorteilhaft bzw. lebensdauerentscheidend.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauteils in Verbundbauweise für Turbomaschinen vorzuschlagen, wobei das Bauteil sowohl ein geringes Strukturgewicht und eine hohe Struktursteifigkeit, als auch eine hohe Eigendämpfung aufweist und somit für hohe dynamische Belastungen geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff.
Die gewünschte, optimale Kombination aus Festigkeit und Eigendämpfung in Verbindung mit Leichtbauweise wird durch den Aufbau der Kernstruktur, ihre Verdichtung sowie durch die Art ihrer inneren Konsolidierung und Anbindung an die Wandschicht erreicht. Die Kernstruktur weist einen räumlichen fitz- und/oder geflechtartigen Aufbau aus Drähten (auch Endlosdraht), Bändern, Spänen usw. auf, wobei die gewünschte Dämpfung i. w. durch innere Reibung, d.h. durch Reibung der Metallelemente aneinander, erzielt wird. Die erforderliche Formbeständigkeit und Steifigkeit der Kernstruktur und der Gesamtstruktur wird durch volumetrisches Verdichten der Kernstruktur und Versintern der sie bildenden Metallelemente (Drähte etc.) untereinander sowie mit der Wandschicht erreicht. Der Begriff „Sintern" bzw. „Versintern" hat im vorliegenden Fall nichts mit Pulvermetallurgie zu tun, sondern weist auf ein oberflächliches Verschweissen, d.h. ein stoffschlüssiges Verbinden sich berührender Metallelemente, unter Hitze und gewissem Druck hin.
Die Unteransprüche enthalten bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens nach dem Hauptanspruch.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung:
1 ein Leichtbauteil in Form einer Schaufel in vorgefertigtem Zustand,
2 die Schaufel aus 1 in fertigem Zustand,
3 ein Leichtbauteil in Form eines Gehäuseteils.
Die 1 und 2 zeigen zwei Fertigungsstufen einer Schaufel 1 in Leichtbauweise für eine Turbomaschine, beispielsweise einer Verdichterschaufel für ein Gasturbinentriebwerk. Man erkennt eine dünne Wandschicht 3, welche aus Metall besteht und das Bauteil umhüllt, sowie eine filz- bzw. geflechtartige Kernstruktur 9, ebenfalls aus Metall. In 1 ist weiter zu erkennen, daß die Wandschicht 3 aus zwei gewölbten Deckblechen 5, 6 zusammengesetzt wird. Alternativ könnte ein vergleichbar geformtes, einteiliges und dünnwandiges Hohlprofil verwendet werden (nicht dargestellt). Die Kernstruktur 9 ist gemäß 1 nur vorgeformt aber in sich noch nicht stabilisiert und auch noch nicht mit der Wandschicht 3 integral verbunden. Der Übergang vom Fertigungszustand gemäß 1 zum – zustand gemäß 2 beinhaltet mehrere Schritte. Die Deckbleche 5, 6 werden im Bereich der Ein- und Austrittskante des Schaufelprofils integral verbunden, vorzugsweise durch Schweissen oder Löten. Der Formkörper aus Wandschicht 3 und eingeschlossener Kernstruktur 9 wird mittels eines geeigneten Werkzeugs sowie einer Presse durch Komprimieren in die gewünschte Schaufelprofilform gebracht und gesintert, d.h. unter Druck erhitzt, bis die verdichteten Kernstrukturelemente (Drähte, Späne, Bänder etc.) sich untereinander und mit der Wandschicht 3 oberflächlich stoffschlüssig verbinden (Versintern). Dadurch wird die Schaufel konsolidiert und sie behält ihre Form auch nach Entnahme aus dem Presswerkzeug. Eine gewisse, elastische Rückfederung/Dekompression des Schaufelprofils kann dadurch kompensiert werden, dass das Profil in der Pressform auf Untermaß verdichtet wird (Profildicke unter Nenndicke), so daß es nach Rückfederung die gewünschte Kontur aufweist.
In aller Regel müssen auch die Ein- und Austrittskante des Schaufelprofils nachgearbeitet werden, sei es, um überstehende Enden der Deckbleche 5, 6 zu entfernen bzw. um die vorgegebenen Kantenradien zu erzielen.
Das fertige Profil der Schaufel 1 ist in 2 zu erkennen, welche einem Axialschnitt durch das Bauteil entspricht. Auch Leichtbauschaufeln in Verbundbauweise haben in aller Regel massive Bereiche, z.B. den Schaufelfuß bzw. ein Deckband. Bei der erfindungsgemäßen Leichtbauweise ist es am günstigsten, die massiven Bauteilzonen als separate Teile zu fertigen und anschließend in den eigentlichen Leichtbau-Verbund zu integrieren, sei es durch Schweissen, Löten, Kleben usw..
3 zeigt anhand eines Gehäuseteils 2 u.a. die Integration eines Massivteils, hier eines Flansches 11, für eine Befestigung an benachbarten, nicht dargestellten Bauteilen. Es soll sich um ein rotationssymmetrisches Gehäuseteil 2 für eine Gasturbine handeln, wobei die Figur einem axialen Teilschnitt im Flanschbereich entspricht. Die Wandschicht 4 umfasst ein äusseres und ein inneres Deckblech 7 und 8, welche konzentrisch in konstantem, radialem Abstand A zueinander angeordnet sind. Die Kernstruktur 10 befindet sich in einem komprimierten, durch Versintern fixierten Zustand und ist auch mit den Deckblechen 7, 8 versintert. Der massive, metallische Flansch 11 reicht in die Leichtbaustruktur hinein, so daß sich ausreichende Verbindungsflächen zu den Deckblechen 7, 8 ergeben im Hinblick auf ein Fügen durch Schweissen, Löten, Kleben etc.. Selbstverständlich können derartige Gehäuseteile in Umfangsrichtung auch mehrteilig ausgeführt, das heisst segmentiert sein.
Allgemein gilt, daß sich die Eigenschaften erfindungsgemäßer Leichtbauteile auch über den Grad der Verdichtung der Kernstruktur vor dem Versintern beeinflussen lassen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Leichtbauteils in Verbundbauweise für Turbomaschinen, insbesondere einer Laufschaufel für eine Gasturbine, mit einer dünnen, metallischen Wandschicht sowie mit einer metallischen Kernstruktur mit einem hohen Leervolumenanteil, wobei die Wandschicht das Leichtbauteil zumindest auf zwei sich gegenüberliegenden, den Großteil der Bauteiloberfläche erfassenden Seiten begrenzt, die Wandschicht und die Kernstruktur aus dem selben Metall oder aus zwei basisgleichen Metallen bestehen sowie stoffschlüssig miteinander verbunden sind, und wobei die Kernstruktur einen räumlichen, filz- und/oder geflechtartigen Aufbau aufweist sowie aus einem oder mehreren Drähten, Bändern, Spänen und/oder vergleichbaren Elementen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernstruktur (9, 10) in einem Zustand mit in Relation zu ihrem Volumen im fertigen Leichtbauteil (1,2) größerem Volumen und somit geringerer Dichte bereitgestellt wird, vor, während und/oder nach dem Einbringen zwischen die Wandschichten (3,4) des Leichtbauteils (1,2) volumetrisch verdichtet wird und im verdichteten Zustand in sich sowie mit den Wandschichten (3, 4) versintert, das heisst durch oberflächliches Verschweissen stoffschlüssig stabilisiert und integral angebunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Wandschichten (3, 4) und die Kernstruktur (9, 10) ein Metall auf Basis von Aluminium, Titan, Eisen, Nickel oder Kobalt verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, zur Herstellung einer Schaufel für eine Turbomaschine, dadurch gekennzeichnet, dass für die Wandschichten (3) zwei, im Bereich der Ein- und Austrittskante des Schaufelprofils verbundene Deckbleche (5, 6) oder ein dünnwandiges Hohlprofil verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, zur Herstellung eines Gehäuseteils für eine Turbomaschine, dadurch gekennzeichnet, dass für die Wandschichten (4) zwei sich gegenüberliegende, ebene und/oder gekrümmte Deckbleche (7, 8) in zumindest bereichsweise konstantem Abstand (A) angeordnet werden.