!HU000006759T2! (19)
HU
(11) Lajstromszám:
E 006 759
(13)
T2
MAGYAR KÖZTÁRSASÁG Magyar Szabadalmi Hivatal
EURÓPAI SZABADALOM SZÖVEGÉNEK FORDÍTÁSA (51) Int. Cl.:
(30) Elsõbbségi adatok: 324445 2006. 01. 03.
(73) Jogosult: GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, NY 12345 (US)
US
(72) Feltalálók: Sathian, Sujith, Simpsonville, SC 29681 (US); Kuruvilla, Anjiliveltl K., Greenville, SC 29650 (US); Nowak, Daniel, Greenville, SC 29607 (US) (54)
HU 006 759 T2
B23K 1/00
(21) Magyar ügyszám: E 06 126536 (22) A bejelentés napja: 2006. 12. 19. (96) Az európai bejelentés bejelentési száma: EP 20060126536 (97) Az európai bejelentés közzétételi adatai: EP 1803521 A1 2007. 07. 04. (97) Az európai szabadalom megadásának meghirdetési adatai: EP 1803521 B1 2009. 09. 16.
F01D 5/00 B23P 6/00
(2006.01) (2006.01) (2006.01)
(74) Képviselõ: Farkas Tamás, DANUBIA Szabadalmi és Jogi Iroda Kft., Budapest
Gépalkatrészek, és eljárások gépalkatrészek gyártására és javítására
A leírás terjedelme 12 oldal (ezen belül 4 lap ábra) Az európai szabadalom ellen, megadásának az Európai Szabadalmi Közlönyben való meghirdetésétõl számított kilenc hónapon belül, felszólalást lehet benyújtani az Európai Szabadalmi Hivatalnál. (Európai Szabadalmi Egyezmény 99. cikk (1)) A fordítást a szabadalmas az 1995. évi XXXIII. törvény 84/H. §-a szerint nyújtotta be. A fordítás tartalmi helyességét a Magyar Szabadalmi Hivatal nem vizsgálta.
1
HU 006 759 T2
A technika állása A jelen találmány gépalkatrészek gyártására, különösen gépalkatrészek felületén kialakítandó kemény réteg elõállítására szolgáló eljárásra és berendezésre vonatkozik. A legtöbb ismert turbinalapát központi agyhoz van csatlakoztatva, amely viszont egy kihajtótengelyhez csatlakozik és a lapátok lényegében sugárirányban vannak elrendezve az agy tengelyéhez és a kihajtótengelyhez viszonyítva. A lapátok keresztmetszetét nagy energiájú áramló közeg veszi igénybe és forgási energiát kelt, amely viszont forgatja a kihajtótengelyt. Néhány ismert belsõ égésû turbina lapátjain merevítõelem van elrendezve az egymáshoz kapcsolódó szárnykeresztmetszetek külsõ részénél. A lapátmerevítõ elemek egymáshoz közel vannak elhelyezve. Sok ismert lapátmerevítõ elemnek mechanikus illesztõeleme van, amely horony alakú, és gyakran „Z horonynak” említik, mivel alakja erõteljesen emlékeztet a Z betûre, és ami lehetõvé teszi, hogy minden egyes lapát lapátmerevítõ eleménél fogva összekapcsolható legyen a szomszédos lapáttal. Számos különbözõ hatás létezik, amely kopást okozhat a Z hornyok régiójában. Például a motor mûködése során elõfordulhat kicsiny, de folyamatos vibráció a szomszédos lapátokon egymáshoz és az agyhoz képest is. A fent említett kapcsolóelemek megkönnyítik a szárnykeresztmetszet vibrációjának terjedését úgy, hogy a stresszhatások, amelyek mûködés közben a lapáton belül fellépnek, csillapítva vannak. Mivel a lapátokon fellépõ vibrációt a Z horonnyal kiképzett kapcsolóelemek szoros illesztése csillapítja, ez a körülmény kopást idézhet elõ a kapcsolóelemek Z hornyainak közelében, ahogy a szomszédos hornyok egymáshoz dörzsölõdnek. Továbbá a motorindítás során, amint a kapcsolóelemek, a lapátok, valamint az agy hõmérséklete (továbbá minden olyan alkatrész hõmérséklete, amely érintkezik a közeggel) minden egyes alkatrész, továbbá más szomszédos alkatrészek esetében is változik, miközben a motor üzemi sebességére gyorsul, a lapátok és a kapcsolóelemek elgörbülnek úgy, hogy a hornyok idõlegesen érintkeznek egymással, például fellép egy összezáródási állapot. Valamint a motor leállítása során is változik az alkatrészek hõmérséklete, lényegében az indításkor fellépõ változásokkal ellentétes irányban, valamint a motor lassulása során is úgy, hogy a lapátok és a kapcsolóelemek elgörbülnek, és a hornyok eltávolodnak egymástól, például nyitott állapot jön létre. Általában véve a kapcsolóelem anyaga nem olyan kemény, hogy ellenálljon a hosszú ideig fennálló összegzõdõ érintkezési és dörzsölõdési hatásoknak. A hornyok felületi anyaga kopásnak indul. Ahogy a hornyok kopnak, a fent említett görbülési és vibrációs hatások növekednek, és a karbantartással kapcsolatos leállások, valamint a javítások gyakoribbak lehetnek. Emiatt védõanyagot alkalmaznak a Z hornyokon, amely kompatibilis az alapanyaggal és ahhoz viszonyítva keményebb, hogy a horonyrégiók érzékenysége
5
10
15
20
25
2
csökkenjen a kopással szemben. Ezt az eljárást gyakran felületkeményítésnek hívják, és az ezzel kapcsolatos anyagok a felületkeményítõ anyagok. A felületkeményítõ anyagrétegek kialakíthatók hegesztéssel, felszórással vagy keményforrasztással. Általában véve a felszórással nem érhetõ el hosszú ideig tartó eredmény, ami viszont elérhetõ bizonyos hegesztési és keményforrasztási eljárásokkal. Az ömlesztõhegesztés alkalmazásával kialakított felületkeményítési eljárások, ideértve a volfrám inert gázos (TIG) hegesztést, valamint a lézer- és plazmaívhegesztési eljárásokat is, bizonyos bizonytalanságot visznek be a felületkeményítõ eljárásba, ami rontja a hibamentes felületkialakítás megismételhetõségét. Ez a helyzet növeli a hegesztést követõ ellenõrzések hosszát és számát, valamint a hegesztés helyreállításával kapcsolatos munkát. Tipikus hegesztési hibák például a repedés, a porózus felületi rétegek, az elégtelen felületi kötés vagy adhézió, a felületi anyag és az alapanyag oxidációja, továbbá az alapanyag repedése a hõnek kitett területek kialakulása miatt. Az US 4,614,296 számú szabadalom eljárást ismertet turbinalapátok egyesítésére diffúziós keményforrasztásos eljárással, ahol egy elõszinterezett dugó alakú alapanyagot illesztenek a turbinalapátok által meghatározott nyílásba és ezt az egységet 1200 °C¹ra hevítik, majd ott 15 percen át hõn tartják annak érdekében, hogy az alapanyagot szintereljék és a nyílás falaihoz rögzítsék.
30
35
40
45
50
55
60 2
A találmány rövid ismertetése A jelen találmány olyan eljárást nyújt, amellyel az 1. igénypontnak megfelelõ felületkeményítõ réteg, továbbá a 3. igénypont szerinti gépalkatrészek alakíthatók ki. A találmány szerinti eljárás egyik célkitûzésének megfelelõen gépalkatrészek elõállítására szolgáló eljárást dolgoztunk ki. Az eljárás során szinterelt elõforma befogadására szolgáló gépalkatrész felületének legalább egy részét készítjük elõ. Az eljárás során továbbá olyan elõszinterelt hibrid felületkeményítõ keveréket alakítunk ki, amelyben legalább egy felületkeményítõ anyag elõre meghatározott mennyiségét keverjük egy elõre meghatározott keményforrasztó anyag valamely mennyiségével. Az eljárás során továbbá elõszinterezett elõformát alakítunk ki. Az elõszinterelt elõformának meghatározott méretei vannak. Az eljárás során továbbá szinterelt elõformát alakítunk ki, és a szinterelt elõformát pozicionáljuk a gépalkatrészen. Az eljárás során továbbá keményforrasztással szilárdan csatlakoztatjuk a szinterelt elõformát a gépalkatrész legalább egy részéhez. A találmánnyal további célkitûzésének megfelelõen eljárást dolgoztunk ki gépalkatrészek javítására. Az eljárás során a javítandó gépalkatrész legalább egy részét elõkészítjük. A gépalkatrésznek alapanyaga van, az alapanyagnak felülete van, és az alapanyag felületének legalább egy részén elõre meghatározott anyagösszetétel van. Az alkatrész elõkészítése során eltávolítjuk a felület alatti anyagdeformációkat, kitöltjük a felület üregeit úgy, hogy kialakítunk egy olyan réteget a fe-
1
HU 006 759 T2
lületen, amelynek anyaga kompatibilis az alapanyaggal, és csillapítjuk a felület szabálytalanságát úgy, hogy a felületet elõre meghatározott méretre munkáljuk. Az eljárás során továbbá elõszinterelt elõforma hibrid felületkeményítõ keveréket alakítunk ki úgy, hogy legalább egy felületkeményítõ anyag meghatározott mennyiségét keverjük legalább egy keményforrasztó anyag elõre meghatározott mennyiségével. Az eljárás során továbbá elõszinterezett elõformát alakítunk ki, az elõszinterezett elõformának elõre meghatározott méretei vannak. Az eljárás során továbbá szinterelt elõformát alakítunk ki és pozicionáljuk a szinterelt elõformát a gépalkatrészen. Az eljárás során továbbá szilárdan csatlakoztatjuk a szinterelt elõformát a gépalkatrész legalább egy részéhez, mégpedig keményforrasztással. A találmány továbbá gépalkatrészre is vonatkozik. Az alkatrésznek alapanyaga van. Az alapanyagnak felülete van, és az alapanyag-felület legalább egy részén elõre meghatározott anyagösszetétele van. A gépalkatrész továbbá tartalmaz egy hibrid felületkeményítõ anyagréteget. A hibrid felületkeményítõ anyagréteget az alapanyag felületének legalább egy része fölött keményforrasztással rendezzük el úgy, hogy egy szinterelt elõformát rögzítünk az alapanyag felületére. A szinterelt elõforma keményforrasz és felületkeményítõ anyagok keveréke, és elõre meghatározott méretû elõszinterezett elõformából alakítjuk ki. A rajzok rövid ismertetése A továbbiakban a jelen találmány kiviteli alakjait ismertetjük, amelyek csupán példaként szolgálnak, a csatolt rajzokra történõ hivatkozással, ahol a rajzon az 1. ábra egy példa szerinti turbina egy részének oldalnézeti perspektivikus képe, a 2. ábra a turbinalapát számos védõelemét ábrázolja kitört perspektivikus nézetben felületkeményítés nélkül, amelyet az 1. ábrán látható turbinamotorban alkalmazhatunk, a 3. ábra a 2. ábrán látható turbinalapát-védõelemek felületkeményítésére szolgáló példa szerinti eljárás folyamatábrája, a 4. ábra a 2. ábrán látható turbinalapát-védõelemeken alkalmazható elõszinterelt elõforma lemez felülnézeti perspektivikus képe, az 5. ábra a 2. ábrán látható védõelem kitört perspektivikus nézete a hozzá csatlakoztatott szinterelt kemény felületû elõformával, és a 6. ábra az 1. ábrán látható turbinában alkalmazható és felületkeményített turbinalapát-védõelemek kitört perspektivikus nézete. A találmány részletes ismertetése Az 1. ábra egy példa szerinti 100 turbina metszetének oldalirányú perspektivikus nézete. A 100 motornak számos 102 turbinalapátja van, amelyek 104 agyhoz vannak csatlakoztatva. A példa szerinti kiviteli alakban a 102 lapátok harmadik fokozatú turbinalapátok. A 104 agy csatlakoztatva van a turbina tengelyéhez (nem látható az 1. ábrán). Minden egyes 102 lapátnak megfelelõ 106 szárnyprofilja van, és egy megfelelõ tur-
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60 3
2
binalapát- 108 védõív van szilárdan csatlakoztatva a 106 profilhoz a 106 szárnyprofil sugárirányban legkülsõ részén. Minden egyes 108 védõívnek két megfelelõ ellentétes Z 110 hornya van, amelyekbõl minden egyes 108 védõív esetében csak egyet ábrázoltunk. 112 nyúlványok könnyítik meg egy lényegében íves szigetelõelem csatlakoztatását (az 1. ábrán nem látható) a 112 védõívekhez annak érdekében, hogy csökkentsék a 102 lapát kerület menti mozgását és vibrációját. Az 1. ábrán látható részlet, amely szaggatott vonallal van jelölve, és 2¹vel van jelezve, a 2. ábrán látható. Egy adott kiviteli alakban a 100 motor MS901FA motor, amelyet 9FA motornak is neveznek és amely beszerezhetõ a General Electric Companytõl, Greenville, South Carolina. A jelen találmány nem korlátozódik semmilyen konkrét motorra és megvalósítható más motorok esetében is, például az MS6001FA (6FA), MS6001B (6B), MS6001C (6C), MS7001FA (7FA), MS7001FB (7FB) és MS9001FB (9FB) motorok esetében is, amelyeket szintén a General Electric Company gyárt. A 2. ábra a turbinalapát- 108 védõívek kitört perspektivikus nézete, felületkeményítés nélkül, amelyet 100 turbinamotorban használhatunk. A 108 védõíveket 110 Z hornyokkal ábrázoltuk minden egyes végükön. A 110 Z hornyoknak 114 érintkezési felületük van. A 106 lapátelem (vázlatosan) és a 112 nyúlványok perspektivikusan láthatók. A 108 védõívek alapanyaga szuperötvözetbõl készül. A szuperötvözet tipikusan nikkel- vagy kobaltalapú ötvözet, ahol a nikkel vagy a kobalt mennyisége a szuperötvözetben az egyetlen meghatározó elemtartalom. A nikkelalapú szuperötvözetek legalább 40 tömeg% nikkelt (Ni), és legalább a kobaltot (Co), krómot (Cr), alumíniumot (Al), volframot (W), molibdént (Mo), titánt (Ti), tantált (Ta), nióbiumot (Nb), hafniumot (Hf), bórt (B), karbont (C) és vasat (Fe) tartalmazó csoportból legalább egy kiválasztott elem. A nikkelalapú szuperötvözetekre példaként megemlíthetjük, bár nem kizárólagos jelleggel, az Inconel®, a Nimonic®, a Rene® (például Rene®80, Rene®95, Rene®142 és Rene®N5 ötvözetet, valamint az Udimet® ötvözeteket és az irányított kristályosodású, illetve az egykristályos szuperötvözeteket. A kobaltalapú szuperötvözetek legalább 30 tömeg% kobaltot, és a nikkelt, krómot, alumíniumot, volframot, molibdént, titánt és vasat tartalmazó csoportból legalább egy elemet tartalmaznak. A kobaltalapú szuperötvözeteket például a Haynes®, Nozzaloy®, Stellite® és Ultimet® márkanevek alatt forgalmazzák. A 3. ábra 200 példa szerinti eljárás folyamatábrája, amelynek során turbinalapátok 108 védõíveit felületkeményítjük, pontosabban a kapcsolódó Z 110 hornyokat (lásd 2. ábra). A 200 példa szerinti eljárás 202 lépése a 114 felület elõkészítése (lásd 2. ábra), amely a turbinalapát védõívének 110 Z hornyán van. A 202 lépés során, amelyet egy olyan 108 védõíven hajtunk végre, amelyet sosem helyeztünk el egy mûködõ 100 motorban, egy allépésben eltávolítjuk a laza felületi szennyezõdéseket, amelyek összegyûlhetnek az üzemeltetés során. Ezek a felületi szennyezõdések lehet-
1
HU 006 759 T2
nek laza por és a tárolás során felgyülemlett szemcse. A 202 lépés egyik allépésében eltávolítjuk az alkalmazott bevonóanyagokat. Az elõállítási eljárás során a 102 lapátra bevonatokat visznek fel (lásd 1. ábra), amelyek a 114 felületen helyezkednek el. Általában a 200 eljárás következõ lépéseit, amelyek során fémkötõ eljárásokat hajtunk végre, hátrányosan befolyásolhatja a turbinalapát felületi bevonatának jelenléte. A 202 lépés során egy allépésben eltávolítjuk a metallurgiai szennyezõdéseket a Z horony 114 érintkezési felületérõl, például az oxidálódott felületi rétegeket, amelyek a 102 turbinalapát gyártása és tárolása során kialakulhattak. Továbbá a 202 lépés egyik allépésében eltávolítjuk azokat a felületi szabálytalanságokat, amelyek tipikusan a gyártás során keletkeznek. Általában a fent ismertetett felületelõkészítõ eljárások enyhe oldószereket, enyhe súrolószereket és könnyed megmunkálást alkalmaznak. A 202 eljárási lépést végrehajthatjuk egy 108 védõíven is, amely üzemben volt a 100 motorban, és amelyet a felülvizsgálat érdekében eltávolítottunk és elõjegyeztük javításra. A 102 lépés végrehajtását megelõzõen feltételezzük, hogy a 108 védõívet eltávolították a 100 motorrészbõl a technika állásában jól ismert szerelési gyakorlatnak megfelelõen. A 108 védõív leválasztható a 106 lapátprofilról annak érdekében, hogy megkönnyítsük a következõ eljárási lépések végrehajtását a 108 védõíven. A 108 védõív a 106 profilhoz csatlakoztatva is maradhat annak érdekében, hogy különbözõ karbantartási mûveleteket hajtsunk végre, amelyek a 102 lapáthoz kapcsolódnak. A fent ismertetett allépések elvégzését megelõzõen a 108 védõívet további elõkészítési allépéseknek kell alávetni. Így az üzemben volt 108 védõív különbözõ környezeti feltételeknek volt kitéve, amelyek megváltoztathatták az alapanyag tulajdonságait, például kicsiny repedések alakulhattak ki az üzemi tranziensek okozta hõmérséklet-gradiensek következtében. Ezek a további allépések a felület alatti anyagdeformációk eltávolításából állnak. A felülethez közelebbi deformációk eltávolítása érdekében megköszörüljük az alkatrész alapanyagának felületét, hogy egy érintkezõfelületet hozzunk létre, elõnyösen könnyed dörzsöléssel. Azoknak a deformációknak az esetében, amelyek mélyebbek, a felülettõl távolabb vannak, elõnyösen pneumatikus vagy elektromos meghajtású köszörûvel megköszörüljük az alkatrész felületének legalább egy részét. Egy további allépés során kitöltjük a felület üregeit, amelyek a köszörülés során keletkeztek, amelyet fentebb már ismertettünk, vagy azokat az üregeket, amelyek a nagy energiájú közeggel történõ érintkezés során, valamint bármilyen lehetséges szemcsés szennyezõ anyaggal történõ ütközés során keletkeztek. Az üregek feltöltése tipikusan olyan anyagból készült réteg kialakításával történik a Z hornyok illeszkedõ 114 felületein, amely kompatibilis az alapanyaggal. Továbbá egy további allépésben csökkentjük a felület szabálytalanságait úgy, hogy a felületet elõre meghatározott méretre munkáljuk. Ez az allépés általában enyhe megmunkálás, amely gyenge súrolóeszköz használatát jelenti.
2
A 200 példa szerinti eljárás 204 eljárási lépése során elõszinterelt elõformát (PSP) alakítunk ki hibrid felületkeményítõ keverék formájában. A 204 lépés során a felületkeményítõ anyag legalább egy részét elegyít5 jük a keményforrasz anyag legalább egy részével annak érdekében, hogy egy hibrid felületkeményítõ anyagot hozzunk létre. A példa szerinti kiviteli alakban a felületkeményítõ anyag por alakú Tribaloy T800. A T800 kobaltalapú felületkeményítõ ötvözet, amelyet 10 a Deloro Stellite Inc., Belleville, Ontario, Kanada gyárt és a kereskedelmi forgalomban beszerezhetõ a WESGO Ceramicstól, amely a Morgan Advanced Ceramics, Haywood, Kalifornia képviselete. A T800-nak a következõ alkotóelemei vannak hozzávetõleges tö15 meg%-ban:
20
25
Co
alapmátrix
Mo
27,00–30,00
Cr
16,50–18,50
Si
3,00–3,80
Fe
1,50 maximum
Ni
1,50 maximum
O
0,15 maximum
C
0,08 maximum
P
0,03 maximum
S
0,03 maximum
A T800 por krómtartalma lehetõvé teszi az oxidáció és a korrózió csökkentését. Esetleg Coast Metal 64, amelyet olykor CM¹64-nek és CM¹64-nek neveznek, alkalmazható. A CM¹64 a kereskedelemben beszerezhetõ a WESGO Ceramicstól, 35 amely a Morgan Advanced Ceramics, Haywood, Kalifornia egyik kirendeltsége. A CM¹64-nek a következõ alkotóelemei vannak hozzávetõleges tömeg%-ban: 30
40
45
50
Co
alapmátrix
Cr
26,00–30,00
W
18,00–21,00
Ni
4,00–6,00
V
0,75–1,25
C
0,70–1,00
B
0,005–0,10
Fe
3,00 maximum
Mg
1,00 maximum
Si
1,00 maximum
Mo
0,50 maximum
Egy példa szerinti kiviteli alakban a keményforrasz 55 por alakú MAR M¹509B. Az M¹509B kereskedelemben beszerezhetõ a WESGO Ceramicstól, amely a Morgan Advanced Ceramics, Haywood, Kalifornia egyik kirendeltsége. Az M¹509B egy kobaltalapú keményforrasz ötvözet bór adalék anyagból és a következõ alkotóré60 szekbõl áll hozzávetõlegesen tömeg%-ban: 4
1
HU 006 759 T2
Co
alapmátrix
Cr
22,00–24,75
Ni
9,00–11,00
W
6,50–7,60
Ta
3,00–4,00
B
2,60–3,16
C
0,55–0,65
Zr
0,30–0,60
Ti
0,15–0,30
Fe
1,30 maximum
Si
0,40 maximum
Mn
0,10 maximum
S
0,02 maximum
A fent említett bór adalék anyag jelentõségét a késõbbiekben ismertetjük. A példa szerinti kiviteli alakban a T¹800/CM¹64 aránya a MAR-M-509B-hez 80–85% T¹800/CM¹64, illetve 20–15% MAR-M-509B. Esetleg a T¹800/CM¹64 aránya a MAR-M-509B-hez 90–60% T¹800/CM¹64, illetve 10–40% közötti mennyiségû MAR-M-509B. Ahogy a MAR-M-509B aránya nõ, a keményforrasztás hõmérséklete és a keverék kopással szembeni ellenálló képessége is nõ. A 200 példa szerinti eljárás 206 eljárási lépése során elõszinterelt elõformát alakítunk ki. A 206 lépés során kialakítjuk a PSP hibrid felületkeményítõ keveréket olyan alakban, amely lényegében hasonló egy lapos lemezhez, amelynek elõre meghatározott vastagsága van. A vastagságot elõzetesen a 110 Z horony végsõ méreteinek megfelelõen határozzuk meg. Lényegében a vastagság 0,203 cm [0,080 hüvelyk (in)] és 0,254 cm (0,100 in) között van. A 200 példa szerinti eljárás 208 eljárási lépése során szinterelt elõformát alakítunk ki. A 208 lépés során hajtjuk végre a PSP lapos lemez elõforma szinterelését. Az elõforma szinterelését úgy hajtjuk végre, hogy a PSP lapos lemezt elõre meghatározott hõmérsékletre hevítjük és elõre meghatározott ideig hõn tartjuk egy termosztát által szabályozott szinterelõkemencében annak érdekében, hogy a PSP-ben a porozitást 2% alatt tartsuk. A hibrid felületkeményítõ keverékben lévõ keményforraszt és felületkeményítõ port hagyjuk megolvadni és például diffúzióval összekeverjük egymással úgy, hogy lényegében homogén keveréket kapjunk. A PSP lapos lemez elõforma szinterelésének befejezése után hagyjuk azt lehûlni. A 4. ábra a 300 lapos lemezszerelvény perspektivikus nézete, amely tartalmazza a szinterelt 302 lapos lemezt, amelyet a turbinalapátok 110 Z hornyain helyeztünk el (lásd 2. ábra). A szinterelt 302 lapos lemezt úgy ábrázoltuk, amint éppen egy 304 formázótálcán fekszik. A 208 lépés során második allépésben eltávolítunk egy szinterelt elõformát (nem látható a 4. ábrán) a szinterelt 302 lapos lemezrõl. A szinterelt elõformát a szinterelt lapos lemezrõl úgy távolítjuk el, hogy lézervágó szerszámot vagy
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60 5
2
vízsugárvágó szerszámot alkalmazunk. A szinterelt elõformának elõre meghatározott méretei vannak, amelyek lényegében hasonlóak a 110 Z horony elõre meghatározott végsõ méreteihez. A 200 példa szerinti eljárás 210 eljárási lépésében pozicionáljuk a szinterelt elõformát a turbinalapát védõívének 110 Z hornyán. Az 5. ábra a 108 védõív perspektivikus nézetének metszete egy hozzá csatlakoztatott szinterelt felületkeményítõ 402 elõformával. A 402 elõformát a 110 Z horony 114 érintkezési felületén legalább egy diszkrét 404 fûzõvarrattal rögzítjük a helyén. A példa szerinti kiviteli alakban két fûzõvarratot használunk a 402 elõforma 114 felülethez történõ rögzítésére. Általában a fûzõvarratok száma egy vagy két hegesztési varrat, hogy csökkentsük a 114 felületen kialakuló hõnek kitett zónák kialakulását, és hogy enyhítsük a 402 elõforma deformálódását. Általában a hegesztõpisztoly (nem látható az 5. ábrán) elegendõen hatékony ahhoz, hogy 404 fûzõvarratot alakítson ki a felületkeményítõ 402 elõformán keresztül, miközben lényegében csak helyi olvadást hoz létre az alapanyagon a 114 érintkezési felületnél a 404 fûzõvarrat helyén. Esetleg, ahogy az jól ismert a szakmai gyakorlatban, elõre meghatározott vastagságú és kémiai tulajdonságú réteget helyezhetünk a 402 elõforma és a 114 felület közé annak érdekében, hogy javítsuk a kötést. Például egy vékony, a kereskedelemben kapható nikkelalapú fóliát, például Amdry 915¹öt alkalmazhatunk, amelynek kémiai összetétele Ni 13Cr 4Si 4Fe 3B. A vékony fólia vastagsága körülbelül 1 milliméter (mm) [0,04 hüvelyk (in)] és 5 mm (0,20 in) között van és a többi mérete lényegében hasonló a 114 felület méreteihez. A 200 példa szerinti eljárás 212 eljárási lépésében a szinterelt 402 elõformát a Z horony 114 érintkezési felületéhez keményforrasztjuk. A 212 lépés során hevítõ allépést, továbbá egy hûtõciklust hajtunk végre. A példa szerinti kiviteli alakban a hevítés során 108 védõívet, amelynek minden Z 110 hornyához 402 elõformát fûzõhegesztettünk, keményforrasztó kemencébe helyezzük, amely szoba-hõmérsékletû, például körülbelül 21 °C¹os (C) [70 °Fahrenheit (F)]. Annak érdekében, hogy javítsuk a kötési folyamatot, nem oxidáló atmoszférát alkalmazunk a kemencében, és a szakember számára jól ismert módon a 402 felületkeményítõ elõformára nyomást gyakorlunk. Annak érdekében, hogy nem oxidáló atmoszférát alakíthassunk ki, légritka teret képezünk a kemencében, amelynek nyomása körülbelül 0,067 pascal (Pa) (0,5 millitorr) vagy ennél is kisebb. [A kemencét körülbelül 650 °C¹ra (1200 °F) körülbelül 14 °C/perc (25 °F/perc) sebességgel hevítjük. Ha elértük a 650 °C (1200 °F) hõmérsékletet, ezt a hõmérsékletet körülbelül 30 percig tartjuk. Ezt követõen a kemence hõmérsékletét körülbelül 980 °C¹ra (1800 °F) emeljük körülbelül 14 °C/perc (25 °F/perc) sebességgel. Ha elértük a körülbelül 980 °C (1800 °F) hõmérsékletet, ezt a hõmérsékletet körülbelül 30 percig tartjuk. Ezt követõen a kemence hõmérsékletét körülbelül 1204–1218 °C (2200–2225 °F) hõmérsékletre emeljük körülbelül 19 °C/perc (35 °F/perc) sebességgel. Ha elértük az
1
HU 006 759 T2
1204–1218 °C (2200–2225 °F) közötti hõmérsékletet, ezt a hõmérsékletet körülbelül 20 percig tartjuk. Szintén a példa szerinti kiviteli alakban a hûtési során a keményforrasztó kemence hûtését, amelyben a 108 védõív van elrendezve, körülbelül 1120 °C¹ra (2050 °F) szabályozzuk, és ezen a hõmérsékleten tartjuk körülbelül 60 percig. Ezt követõen a kemencét tovább hûtjük körülbelül 815 °C¹ra (1500 °F). A kemencét ezt követõen körülbelül szobahõmérsékletre hûtjük le. Egy lehetséges kiviteli alakban a 212 lépést más hõkezelési eljárásokkal hajtjuk végre annak érdekében, hogy csökkentsük a megmunkálás mértékét. Például a 108 védõíveket további vagy egyéb karbantartási és javítási mûveleteknek vetjük alá a 212 lépés során, amely feszültségoldó mûvelet. Továbbá elképzelhetõ az is, hogy a 106 lapátprofilok hõkezelését a 108 védõívekkel együtt hajtjuk végre. A 200 példa szerinti eljárás 212 lépése megkönnyíti az erõs kötés kialakulását a felületkeményítõ 402 elõforma és a 114 érintkezési felület között. Ez legalább részben a bór koncentrációjának köszönhetõ, amely a MAR M¹509B keményforrasz porban van. A 212 lépés során diffúziós kötésformát használunk, amelyben emelt hõmérsékleten fenntartjuk az egymáshoz kötõ anyagok felületeinek megfolyását és kúszását, amely lehetõvé teszi lényegében az összes üreg eltávolítását a két anyag közül. A bór a 402 felületkeményítõ elõformából a 114 érintkezési felületbe diffundál és ezzel lehetõvé teszi a diffúziós kötés megvalósulását. Általánosságban minél nagyobb annak a bórnak a mennyisége, amely átdiffundál az anyagokon és minél nagyobb a diffúziós úthossz, annál erõsebb a kötés. A példa szerinti kiviteli alakban a bór diffúziója lehetõvé teszi 76 mikron (mm) (0,003 hüvelyk) és 127 mm (0,005 hüvelyk) közötti diffúziós kötés létesülését, szemben az olyan felületkeményítési eljárásokkal, ahol fúziós vagy ömlesztéses hegesztési technológiát alkalmaznak, amelyek közé sorolhatók a volfrám inert gázas (TIG), a lézer- és a plazmaíves hegesztési eljárások, amelyek bizonyítottan lényegében nem diffúziós kötést hoznak létre. A példa szerinti kiviteli alakban a nyírószilárdság, vagyis az az erõ, amelynek egy anyag vagy egy kötés ellen tud állni a szakadás elõtt, a példa szerinti kötés esetében 89 600 kilopascal (kPa) [13 kips per négyzethüvelyk (ksi)] körülbelül 704 °C¹on (1300 °F) és 93 800 kPa (13,6 ksi) között van körülbelül szobahõmérsékleten. Ez a tartomány az alapanyag nyírószilárdságának nagyságrendjébe esik, amely 927 °C¹on (1700 °F) mintegy 100 663 kPa (14,6 ksi). Esetleg annak érdekében, hogy tovább javítsuk a 212 eljárási lépést, 210 eljárási lépés során behelyezünk egy bórtartalmú anyagot tartalmazó réteget a 114 érintkezési felület és a 402 elõforma közé annak érdekében, hogy növeljük a diffúz bór koncentrációját a kötésben. Továbbá lehetõség van arra is, hogy a 204 eljárási lépésben ismertetett keményforrasz por bórkoncentrációját növeljük annak érdekében, hogy elõsegítsük a diffúziós kötési folyamatot. Továbbá esetleg egy további bórtartalmú port keverhetünk a pél-
5
10
15
20
25
30
35
40
2
da szerinti keményforraszba, illetve felületkeményítõ porokba a 204 eljárási lépésben. A javított kötési tulajdonságokon kívül a fent említett hegesztési eljárás elõnyei közé tartozik a felületkeményítõ anyag porozitásának csökkenése. Ez annak köszönhetõ, hogy a tipikusan többrétegû hegesztéstõl eltérõen, ahol dinamikus folyamat során nem egyenletes rétegek képzõdnek, egyetlen összefüggõ réteg alakul ki. A további elõnyök között felsorolható a hõnek kitett zónák kialakulásának elkerülése, és az ezt követõen a varratban fellépõ repedések elkerülése. További elõny az alapanyag és a felületkeményítõ anyag oxidálódásának csökkenése, mivel nem oxidáló környezetet alkalmazunk a felületkeményítõ réteg kialakításakor. A 6. ábra a turbinalapát 110 Z hornyokban 402 felületkeményítéssel ellátott 108 védõívének perspektivikus felülnézetének kitört képe, amelyet visszahelyeztünk egy 100 turbinamotorba. Mielõtt visszahelyeztük volna a 108 védõívet a 100 motorba, minimálisan megmunkáltuk a 402 felületkeményítést annak érdekében, hogy csökkentsük a felületi egyenetlenségeket és hogy lehetõvé tegyük, hogy a felületkeményítés méretei lényegében hasonlóak legyenek a 114 érintkezési felület szomszédos méreteivel. Az itt ismertetett eljárás és berendezés turbinalapát elõállítására megkönnyíti a turbinarendszer mûködését. Még pontosabban a turbinalapát felületkeményítése, ahogy azt fentebb ismertettük, még robusztusabbá, kopásállóbbá és megbízhatóbbá teszi a turbinalapátot. Az ilyen lapátok fokozott megbízhatóságúak, továbbá csökken fenntartási költségük és a turbinarendszer kényszerleállásai is ritkábbak. A fentiekben részletesen ismertettük a turbinában használható turbinalapátok példa szerinti kiviteli alakjait. Az eljárások, a berendezés és a rendszerek nem korlátozódnak az itt kifejtett kiviteli alakokra, sem a rajzokon bemutatott turbinalapátokra. Míg a találmányt különbözõ specifikus kiviteli alakok ismertetésével mutattuk be, a szakmában jártas szakember számára egyértelmû, hogy a találmány megvalósítható az igénypontok oltalmi körén belül végrehajtott módosításokkal is.
45 SZABADALMI IGÉNYPONTOK 1. Eljárás (200) felületkeményített réteg létrehozására gépalkatrészen, ahol az eljárás során: a gépalkatrész felületének (114) legalább egy ré50 szét szinterelt elõforma elhelyezése érdekében elõkészítjük (202); majd kialakítunk (204) egy elõszinterelt elõforma hibrid felületkeményítõ keveréket, amely legalább egy felület55 keményítõ anyagból, valamint legalább egy keményforrasz anyagból van összekeverve, és kialakítunk (206) egy elõszinterelt elõformát, amelynek alakja lapos lemez (302), és amelynek elõre meghatározott méretei, köztük elõre meghatározott vastag60 sága van; majd 6
1
HU 006 759 T2
kialakítjuk (208) a szinterelt elõformát (402); valamint elhelyezzük (210) a szinterelt elõformát (402) a gépalkatrészen; és a szinterelt elõformát (402) a gépalkatrész legalább egy részéhez keményforrasztással szilárdan rögzítjük (212). 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás (200), azzal jellemezve, hogy a felület (114) legalább egy részének elõkészítése (202) során eltávolítjuk a laza felületi szennyezõdéseket, az alkalmazott bevonóanyagokat, a metallurgiai szennyezõdéseket és a felületi szabálytalanságokat a gépalkatrész felületének legalább egy részérõl. 3. Gépalkatrész, amelynek: alapanyaga és annak felülete (114) van, és annak legalább egy része elõre meghatározott anyagösszetételû; azzal jellemezve, hogy a felület (114) hibrid felületkeményítõ anyagréteggel van ellátva, és az említett hibrid felületkeményítõ anyagréteg az említett alapanyag-felület (114) legalább egy részén van elrendezve keményforrasztással úgy, hogy szinterelt elõformát (402) keményforrasztunk az említett alapanyag-felületre (114), és az említett szinterelt elõforma (402) keményforrasz és felületkeményítõ anyagok keverékébõl és elõszinterelt elõformából van kialakítva, amelynek
5
10
15
20
25
7
2
elõre meghatározott méretei vannak, és az említett alapanyag turbinalapát-védõív (108), amelyen Z horony (110) van kiképezve, és az elõszinterelt elõforma lapos lemez alakú, amelynek elõre meghatározott vastagsága van. 4. A 3. igénypont szerinti gépalkatrész, azzal jellemezve, hogy az alapanyag-felület (114) szuperötvözet. 5. A 4. igénypont szerinti gépalkatrész, azzal jellemezve, hogy az említett szuperötvözet lényegében nikkelalapú szuperötvözet, és az említett szuperötvözetnek elõre meghatározott olvadáspontja van. 6. A 3–5. igénypontok bármelyike szerinti gépalkatrész, azzal jellemezve, hogy az említett hibrid felületkeményítõ anyagnak elõre meghatározott olvadáspontja van, és az említett hibrid felületkeményítõ anyag olvadáspontja kisebb, mint az alapanyag-felület (114) olvadáspontja. 7. A 3–6. igénypontok bármelyike szerinti gépalkatrész, azzal jellemezve, hogy a felületkeményítõ anyagok lényegében kobaltalapú ötvözetek, és az említett ötvözet krómot és molibdént tartalmaz. 8. A 3–7. igénypontok bármelyike szerinti gépalkatrész, azzal jellemezve, hogy az említett keményforrasz anyagok lényegében kobaltalapú ötvözetek, és az említett ötvözet krómot, nikkelt és bórt tartalmaz, továbbá a bór az említett alapanyag felületébe (114) van diffundálva.
HU 006 759 T2 Int. Cl.: B23K 1/00
8
HU 006 759 T2 Int. Cl.: B23K 1/00
9
HU 006 759 T2 Int. Cl.: B23K 1/00
10
HU 006 759 T2 Int. Cl.: B23K 1/00
11
Kiadja a Magyar Szabadalmi Hivatal, Budapest Felelõs vezetõ: Szabó Richárd osztályvezetõ Windor Bt., Budapest
