AT390964B - Verfahren zur herstellung eines erosionsschutzes fuer turbinenschaufeln - Google Patents

Description

Nr. 390 964

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Erosionsschutzes für Turbinenschaufeln, insbesondere den Sattdampf-Endstufen von Kemkraftwerksturbinen.

Charakteristik des bekannten. Standes der Technik

Turbinenschaufeln der Endstufen von Sattdampfturbinen unterliegen auf Grund der im Niederdruckteil verstärkt auskondensierenen Wassertropfen einer erhöhten Erosion. Der ständige Aufprall erfolgt, bedingt durch die hohe Dampfgeschwindigkeit und Umfangsgeschwindigkeit der Laufschaufeln, mit großer Kraft und führt zur Zerstörung der polierten Schaufelblattfläche sowie zu tiefrissigen Auswaschungen, wobei die stärksten Erosionsschäden an der Schaufelblatteintrittskante und der Druckseite zu verzeichnen sind. Infolge der ständig fortschreitenden Zerstörung des Schaufelblattes treten unter Einwirkung der weiteren Belastungen wie Fliehkraft, Zug- und Druckspannungen Schaufelbrüche auf, die größere Schäden und Maschinenausfälle nach sich ziehen.

Um diesen Mangel zu beseitigen, werden die Schaufelkanten gemäß den Ausführungen der DE-AS 2 535 251 mit einem Kantenschutz aus einer Hartlegierung versehen, deren Dendritenstruktur vorzugsweise so ausgerichtet ist, daß die Dendrite einheitlich quer zur Tropfenaufschlagsrichtung verlaufen. Die so erzielte verbesserte Erosionsbeständigkeit trägt jedoch den Nachteil einer speziellen, teuren und aufwendigen Fertigung der Hartlegierungsleiste selbst und der komplizierten Verbindung mit dem Schaufelblatt sowie notwendigen Anpaß-und Nacharbeit in sich.

Ein weiterer Nachteil entsteht duch das Fügen des Schaufelblattes aus zwei verschiedenartigen Werkstoffen. Dabei werden zwangsläufig Spannungspotentiale aufgebaut, die zu Rissen, Ablösungserscheinungen bzw. Verkrümmungen des dünnwandigen Schaufelblattes führen. Der hohe Kobaltanteil der Hartlegierung macht zudem einen Einsatz in Kernkraftwerken fraglich, da bereits geringe Strahlungsaufnahmen, z. B. durch Leckagen oder Havarien hervogerufen, zerstörend wirken. Auch ein partieller Einsatz an dem räumlich mehrfach gekrümmten Schaufelblatt ist wegen der Dünnwandigkeit und dem damit verbundenen Festigkeitsabfall nicht realisierbar. Neben der Anwendung von Hartlegierungsleisten sind gleichfalls teil- oder ganzflächige Beschichtungen mittels erosionsresistenteren, dem Schaufelwerkstoff fremden Wirkstoffen bekannt. Dazu werden verschleißfeste Kobaltoder Wolframkarbide in die Schaufeloberfläche eingelagert bzw. - wie in der DE-OS 3 151413 ausgeführt - als vollständiger Überzug erstellt. Diese Überzüge, speziell an dickwandigen Keramikschaufeln in Hochtemperaturgasturbinen eingesetzt, mindern den Abtrag der Schaufelblattfläche und wirken gleichzeitig als Korrosionsschutz und Thermobarriere.

Den erosiven Auswaschungen der Wassertropfen, deren Angriffspunkt im weicheren Einbettungswerkstoff zwischen den harten Karbiden bzw. Nitriden liegt, können jedoch auch diese Verfahren nicht genügend widerstehen, zumal sie auf Grund der erhöhten Schwingungsbelastung für große dünnwandige Endstufenschaufeln ungeeignet sind.

Dieser grundlegende Ablauf der erosiven Zerstörung erfolgt auch bei Schaufeln, deren Verschleißzone mittels herkömmlicher Härteverfahren, wie Flamm- oder Induktionshärte und (s. DE-AS 2 211 830) mit einer harten Martensitschicht bedeckt werden. Die dabei im makroskopischen Bereich liegenden Korngrößen des harten Martensit bilden jedoch keine durchgängig geschlossene Oberfläche auf dem Schaufelblatt.

Der relativ großflächig zwischen den Martensitkömem freiliegende Einbettungswerkstoff ist wiederum die Ursache der Erosionsanfälligkeit, wie sie bei der Oberflächenhärtung dünnwandiger Werkstücke nach dem Verfahren der Flammhärtung auftritt. Ein mit Durchhärteverfahren erzieltes dichtes, feinkörniges und erosionsresistentes, martensitisches Gefüge macht das Schaufelblatt hingegen unelastisch und erhöht in unvertretbarem Maße die Bruchgefahr.

Ein zusätzlicher Nachteil besteht darin, daß schmelztechnisch bedingte Karbide vom Typ CnCrm im hochlegierten Schaufelwerkstoff eingelagert sind und die Homogenität der Härtestruktur unterbrechen. An der Oberfläche liegend bilden sie erosive Schwachstellen, und insgesamt gesehen stellen sie zudem die Keimzellen für eine Versprödung des Werkstoffes bei nuklearer Bestrahlung dar.

Deshalb ist es notwendig, auch die Karbide, wie z. B. die Chromkarbide des Schaufelwerkstoffes XjOCrj^, im Gefüge weitestgehend zu beseitigen.

Die Erfindung hat zum Ziel, den starken Verschleiß der Endstufenschaufeln in Sattdampfturbinen durch erosive Abtragung zu verhindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schaufelblattoberfläche ohne Verwendung werkstofffremder Bestandteile teilweise oder vollständig als geschlossene, harte, verschleißfeste Fläche auszubilden und die Anwendbarkeit der Lösung als Reparaturtechnologie sowie den Einsatz der Schaufeln in Turbinen mit nuklearem Dampfbetrieb zu ermöglichen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem die mit einem Erosionsschutz zu versehende Schaufelblattoberfläche mittels eines zeilenweise im Vorschub geführten Laser- oder Elektronenstrahls kurzzeitig auf eine vorbestimmte Tiefe und Temperatur erwärmt wird und eine sofort nachfolgende schnelle Abkühlung die Bildung eines homogenen, an der Oberfläche geschlossenen feinkörnigen martensitischen Gefüges bewirkt Die Abkühlung erfolgt bis in den Minustemperaturbereich und entgegen den bei üblicher Laserhärtung bestehenden Verfahrensbedingungen durch eine zeitgleich äblanfende Fremdkühlung. Dabei werden die mit dem hochenergetischen Laserstrahl im Schmelzprozeß aufgebrochenen Karbide infolge der hohen Wärmeeintragungsgeschwindigkeit gelöst und mit der folgenden Abschreckung eine Neubildung von Karbiden im entstehenden martensitischen Gefüge verhindert -2-

Claims (3)

1. Nr. 390 964 Der Prozeß der Gefügeumwandlung an dünnwandigen Bauteilen mit komplizierter, räumlich mehrfach gekrümmter Kontur kann somit gesteuert und zielgerichtet beeinflußt werden. Das schnelle Abkühlen, mit dem die obere kritische Abkühlgeschwindigkeit überschritten wird, ist durch Unterkühlung der erwärmten Schaufelzonen zu realisieren. Für Reparaturzwecke bzw. der Regenerierung von Schaufeln ist das Fehlvolumen der bereits durch Erosion zerstörten Schaufeloberfläche mittels Auftragsschweißung mit einer dem Schaufelgrundwerkstoff entsprechenden Legierung vor der Durchführung des Verfahrens auszugleichen. Zusätzlich kann eine den Martensitbildungsprozeß verbessernde Einschmelzung von Kohlenstoff erfolgen. Ausfflhrungsbeispiel Die mechanisch auf ihre Endkontur vorbereiteten Turbinenschaufeln, deren Werkstoff den zur Martensitbildung notwendigen Gehalt an Kohlenstoff aufweist, werden mit geeigneten Vorrichtungen so positioniert, daß die zeilenweise Führung eines LASER- oder Elektronenstrahles über die durch Umwandlungshärtung auszubildenden Erosionsschutzzonen möglich ist. Als variable Parameter zur Ausbildung der Erosionsschutzzone gelten die verfahrensspezifischen Energieeinträge, die Abkühlgeschwindigkeit der erhitzten Bereiche mittels sofortiger Unterkühlung und die Legierungszusammensetzung des Schaufelwerkstoffes. Die gute Regulierbarkeit des LASER- oder Elektronenstrahls gestattet es, im Gegensatz zum Flammhärten die Aufheiztiefe sowie die Temperatur an der Schaufeloberfläche optimal zu gestalten und die Gefügeumwandlung im Zusammenhang mit einer zeitgleichen schnellen Abkühlung bis in den Minustemperaturbereich über die kritische Abkühlgeschwindigkeit hinaus zielgerichtet zu steuern. Damit wird es möglich, in der Oberfläche der räumlich mehrfach gekrümmten dünnwandigen Schaufelblätter der Endstufenschaufeln von Sattdampfturbinen ein qualitativ neuartiges, karbidfreies, homogenes, martensitisches Gefüge mit feinkörniger Struktur auszubilden. Die Begrenzung der Schutzzonen auf einige Teilbereiche des Schaufelblattes, wie sie einigen bisherigen Verfahren anhaftete, ist damit aufgehoben. Auf Grund derr fremdlegierungsfreien Martensitschicht und der fehlenden Karbide ist auch die Verfahrensunbedenklichkeit zum Einsatz der Schaufeln in nukleardampfbeaufschlagten Turbinen gegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren kann gleichfalls zur Regenerierung von Schaufeln angewendet werden, sofern das Schaufelvolumen mittels Auftragsschweißung einer dem Schaufelwerkstoff eigenen Legierung aufgefüllt und die Schaufelkontur entsprechend nachgearbeitet ist. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Herstellung eines Erosionsschutzes für Turbinenschaufeln aus hochlegierten Werkstoffen mit eingelagerten Karbiden, bei denen die Schaufelblattoberfläche vollständig oder teilweise ein martensitisches Gefüge erhält, gekennzeichnet dadurch, daß eine mit LASER- oder Elektronenstrahlen kurzzeitig erzeugte intensive Oberflächenaufheizung zeitgleich durch eine schnelle parallele Unterkühlung in den Minustemperaturbereich überlagert wird und zu einer vollmartensitischen, von Karbiden freien Gefügeausbildung führt
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Regenerierung einer Schaufel das Fehlvolumen der bereits durch Erosion zerstörten Schaufeloberfläche mittels Auftragsschweißen mit einer dem Schaufelgrundwerkstoff entsprechenden Legierung ausgeglichen wird und nach den mechanischen Anpaßarbeiten die weitere Bearbeitung gemäß Anspruch 1 erfolgt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die steuerbare Gefügeumwandlung durch eine zonale, den Martensitbildungsprozeß verbessernde Einschmelzung von Kohlenstoff beeinflußt wird. -3-