Verfahren zur Herstellung von Werkstücken mit hoher Dämpfungsfähigkeit, nach diesem Verfahren hergestelltes Werkstück und dessen Verwendung Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken, mit hoher Dämp- fungsfähigkeit, die für den Gebrauch bei hohen Tem peraturen geeignet sind und insbesondere als Tur binenschaufeln verwendet werden können-.
Bis jetzt bestand eine der grössten Schwierigkeiten beim Bau von Turbinen, die bei Dampftemperaturen von 538-64911 <B>C</B> befriedigend arbeiten sollten, im Fehlen von Legierungen, die bei diesen Dampftem- peratu-ren sowohl hohe Dämpfungsfähigkeit als auch hohe Festigkeit aufweisen. Diese Probleme sind sogar noch schwieriger, wenn Betriebs-Temperaturen bis zu 7040<B>C</B> in Betracht gezogen werden-. Insbesondere die ersten Schaufelkränze, die von dem Dampf hoher Temperatur beaufschlagt werden, sind starken Schwingungen ausgesetzt, welche vorzeitigen Bruch der Schaufeln verursachen können.
Eine der besten jetzt verwendeten Legierungen für Dampfturbinenschaufeln, ist -eine 1211/o-Chrom- Eisen-Legieru,ng. Diese Legierung kann jedoch nicht mit Sicherheit bei Temperaturen über 5660C ver wendet werden und gewöhnlich ist ihre praktische Arbeitstemperatur mit ungefähr<B>53 80 C</B> begrenzt. Die Kriechfestigkeit dieser Legierung ist über 5380C relativ schlecht.
Wir haben die relativen Dämpfungsfähigkeits- Charakteristiken der nachstehend beschriebenen Le gierungen bestimmt, indem wir die in Öen folgenden Publikationen beschriebenen Schwingungsprüfungen anwendeten:
<B>1.</B> eThe Origin for Damping in High Strenght Ferromagnetic Alloys auf Seiten 196-200, Aus gabe Juni<B>1953</B> des eJournal of Applied Mechanics .
2.<B> A</B> Method of Dertermin.ing the Inte-rnal Dam- ping of Machine Members , Abhandlung Nr. <B>53-</B> A-44-ASME,
in Applied Mechanics Division vom<B>17.</B> Februar<B>1953</B> und <B>3.</B> Effect of Static Stress on the Damping of Some Engineering Alloys , Band 47, Seiten- 440 bis 450 in Transactions American Society for Metals , <B>1955.</B>
Der in dem Artikel Some New Magneto-Mecha- nical Torsion Experiments auf Seiten<B>670-673</B> der Mai-1954-Ausgabe, des Journal of Applied Physics, Band<B>25,</B> Nr. <B>5</B> beschriebene Verdrehungs- versuchsapparat wurde verwendet.
Das dort definierte logarithmische Dekrernent der Dämpfung wur & ' für die Legierungen bei verschieden-en Oberflächenscher- spannungen bestimmt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein, Verfahren zur Herstellung von Werkstücken mit hoher Dämpf fungsfähigkeit bei Temperaturen, zwischen<B>593</B> und 70411 <B>C.</B> Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke aus einer Legie rung geformt werden, die<B>65-88</B> Gewichtsprozent Kobalt,<B>1-3</B> 1/9 Titan,<B>0,1-1,8</B> II/e Aluminium, höch stens<B>0,05</B> 1/o Kohlenstoff und mindestens<B>8</B> % Nickel enthält,
und nach der Formgebung bei einer Tem peratur über<B>87 10 C</B> und über der Rekristallisations- temperatur homogenisiert und bei einer Temperatur von 649-7601) <B>C</B> mindestens 4 Stunden lang auf eine Vickers-Härte von<B>250-330</B> ausgehärtet werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Werkstück, das nach diesem Verfahren hergestellt ist und eine Ver wendung desWerkstückes alsDampfturbinenschaufel.
Zum besseren Verständnis der Erfindung dient die folgende detaillierte Beschreibung, die in mehre ren Beispielen das Wesentliche der Erfindung erläu tert, wobei auf die beifolgenden Zeichnungen Bezug genommen wird. In den Zeichnungen bedeutet: Fig. <B>1</B> den Grundriss einer Turbinenschaufel, Fig. 2 den Längsschnitt durch die Turbinenschau- fe, nach Fig. <B>1.</B>
Fig. <B>3</B> ist die graphische Darstellung der Dämp- fun,gsfähigkeit, ausgedrückt durch das logarithmische Dekrement, in Abhängigkeit von der Verschiebung (Scherungswinkel) von 2 Legierungen bei 6490<B>C.</B>
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, worin die Vickers-Härte von drei Legierungen in Abhängigkeit von der Erhärtungsdauer in Stunden bei 6490C auf- getragen 01 ist.
Fig. <B>5</B> ist eine graphische Darstellung, worin die Härte einer gegebenen Legierung in Abhängigkeit vom Aluminiumgehalt für drei verschiedene Ver gütungsbedingungen aufgetragen ist, und Fig. <B>6</B> ist eine graphische Darstellung, in welcher das logarithn-iische D--krement gegen die maximale Torsionsspannung <B>,</B> für eine Legierung von verschie- denen Härtegraden aufgetragen ist.
Die hohe Festigkeit und die Eigenschaft der Dämpfungsfähigkeit der Werkstücke werden durch Ausscheidungshärtung erreicht, indem man in geeig neter Weise eine Alterungswärinebehandlung vor nimmt. Das Aluminium und das Titan wirken zusam men und geben die gewünschte Härte. Die besten Resultate, insbesondere, für den Gebrauch bei Tem peraturen von 64911 <B>C,</B> werden erreicht, wenn das Titan und das Aluminium in den Werkstücken in einer Totalsumme von<B>1,5-2,5</B> % vorhanden sind, wobei der Anteil von Aluminium zweckmässig minde- stcns 0,2 1/9 beträgt.
Das Aluminium ist in der Legierung sehr nütz lich, weil es bei den, Temperaturen, bei denen die Turbine arbeitet, der Schaufel Stabilität verleiht.
Insbesondere schiebt das Aluminium den, Zeit punkt für das Auftreten von Alterserscheinungen der Legierung bei den hohen Betriebstemperaturen hin aus und die Alterungsgeschwindigkeit wird infolge der Anwesenheit dieser Menge an Aluminium wesent lich verringert. Zweckmässig setzt man das Alu minium in Form von Granalien odler kleinen Stücken in den letzten Stadien des Schinelzprozesses kurz vor dem Giessen der Schmelze zu, um übermässige Oxy dation zu verhindern.
Zulässige g Zusätze zur Legierung sind kleine Men- gen von Chrom, bis zu<B>1</B> Gewichtsprozent gewöhn lich 0,2-1 11/9. Es wurde gefunden, dass Silicium. in Mengen bis zu 2<B>%</B> zulegiert werden kann, um die Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit der Werk stücke bei erhöhten Temperaturen wesentlich zu stei gern.
Die Legierung kann bis zu 2 1/o mindestens eines der Metalle Molybdän und Wolfram enthalten. Es kann bis zu 4 % Eisen anstelle einer gleichen Menge von Kobalt anwesend sein. Phosphor und Schwefel sollen wünschenswert in Mengen -unter<B>0,01</B> "/ & vorhan den sein. Mangan kann in Mengen bis zu<B>0,5 0/9</B> vor- handen sein, um die Schmiedbarkeit zu verbessern, Vanadium kann in Mengen bis zu<B>0,5</B> "/o vorhanden sein.
Zusätzliche Aushärtungsmittel wie Bor in Men- gen bis zu 0,1 %, und Beryllium, Zirkonium, und Niobium können in der Legierung insgesamt in Men gen bis zu 2 0/a vorhanden sein.
Im Falle, dass Niob, Wolfram und Molybdän als Härtungsbeschleuniger vorhanden sind, ist die Bildung von Carbiden mit der bis zu<B>0,05</B> 1/o betragenden Menge Kohlenstoff der Legierung und mindestens einem Teil dieser Metalle möglich.
Die Eigenschaften der für die Werkstücke ver wendeten Legierung sind wesentlich verschieden von denen bekannter austenitischer Legierungen. Die hier verwendeten Legierungen können noch bei Tem peraturen weit über<B>6771 C</B> ferromagnetisch sein und der Curiepunkt z. B. bei etwa<B>8161 C</B> liegen.
Infolge dieser Charakteristika haben diese Legierungen bei niederen und mittleren Spannungsbereichen infolge ihrer magnetomechanischen Hysteresiseffekte eine ausgezeichnete Dämpfungsfähigkeit. Für den Ge brauch in Turbinen, welche bei hohen Temperaturen betrieben werden, und in ähnlichen Apparaten ist es wünschenswert, dass die Werkstücke einen möglichst hohen Curlepunkt haben. Da schon kleine Mengen von nichtferromagnetischen Metallen, wie Chrom, den Curiepunkt wesentlich herabsetzen, sollte, wie oben angegeben, der Zusatz von Chrom auf höchstens <B>1</B> 1/o beschränkt werden.
Der praktisch brauchbare Grad der Dämpfungs- fähigkeit wird bei den Werkstücken erreicht, wenn sie bis auf eine Härte von<B>250-330</B> VH (Vickers-Härte) gehärtet werden. Die Härte wird durch einen Vicker- apparat oder einen anderen Härtungsbestimmungs- apparat bestimmt. Die Dämpfungsfähigkeitschurak- teristiken nehmen rasch ab in dem Masse, wie die Härte der Legierung auf Werte unter<B>250</B> fällt oder <B>330</B> VH überschreitet.
Die optimalen Dämpfungs- fähigkeiten werden erreicht, wenn die Härte zwischen <B>280</B> und<B>320</B> VH liegt.
Bei der Herstellung der Werkstücke ist es wün schenswert, die Schmelze im Vakuum durchzuführen, um die besten, Produkte zu erhalten, da diese Ar beitsweise Gase eliminiert, flüchtige Verunreinigun gen, daraus entfernt und<B>die</B> Oxydation der Le-gie,- rungskomponenten verhindert. Die geschmolzene Le gierung kann direkt in Gussform von wünschensweTter Abmessung durch Präzisionsguss oder durch tech nischen Schalenguss gegossen werden.
Für die meisten Anwendungen ist es jedoch wünschenswert, einen Gussblock zu giessen, welcher dann in geeigneter Weise geschmiedet und einer Behandlungsweise un terzogen wird, um die Kornstruktur zu verfeinern und honiogene Schmiedestücke zu erhalten. Der Gussblock kann auf Temperaturen von 982-1204, <B>C</B> erhitzt und heiss gewalzt oder zu Stücken geschmiedet wer den, die, wenn notwendig, einer Zwischenerwännung unterzogen werden.
Zur Lösungswäxmebehandlung werden die<B>ge-</B> gossenen oder bearbeiteten Werkstücke Über der Re- kristaHisationstemperatur, also über 8711>C und ge wöhnlich bei einer Temperatur von 982-1066v <B>C</B> für eine Stunde ausgeglüht. Das einer Lösungswärme- behandlung unterzogene Werkstück wird dann bei einer Temperatur von 649-76011 <B>C</B> mindestens 4 Stunden lang vergütet, um dir, Legierung auf<B>250</B> bis<B>330</B> VH auszuhärten.
Die maximale Härte für jede gegebene Vergütungsbehandlung wird rascher am oberen Ende des Vergütungstemperaturbereiches erreicht. Eine<B>100</B> Stunden lange Vergütung bei 649,1 <B>C</B> erzeugt auch eine hin-reichende Härte. In eini gen Fällen benötigen die geschmiedeten oder gegosse nen Werkstücke eine einfache Lösungsglühbehandlung und werden dann in einer hocherhitzten Turbine oder einem ähnlichen Apparat mit Dampf auf eine Tem peratur von 649o<B>C</B> erhitzt, um eine geeignete Här tu,ng auf diese Weise zu erzielen.
Es muss darauf hin gewiesen werden, dass in diesem letzteren Falle die Turbine notwendigerweise während der ersten<B>100</B> Stunden mit niederer Belastung arbeiten muss. Auf diese Weise wird die gewünschte Alterung erzeugt. Gewöhnlich arbeiten Dampfturbinen nach ihrer ersten Installation unter einer solchen reduzierten Belastung einige Wochen lang, um sicher zu sein, dass sie rich tig funktionieren. Es ist daher kein Nachteil, wenn man eine Turbinenschaufel mit gut gealterter Legie rung auf diese Weise erhält.
In den folgenden, Beispielen wird die Herstellung von Werkstücken mit hoher Dämpfungsfähigkeit, hoher Dauerstandfestigkeit und ausgezeichneter Kor rosionsbeständigkeit gegen Dampf von 6490<B>C</B> be schrieben.
<I>Beispiel<B>1</B></I> In einem Induktionsvakuumofen wird eine Le gierung mit folgender Zusammensetzung geschmol zen:
EMI0003.0020
Kobalt <SEP> <B>72,7</B> <SEP> %
<tb> Nickel <SEP> <B>23,7</B> <SEP> %
<tb> Aluminium <SEP> <B>0,98 <SEP> IM</B>
<tb> Titan <SEP> <B>1,0 <SEP> 0/0</B>
<tb> Silicium <SEP> <B>0,1 <SEP> 0/0</B>
<tb> Kohlenstoff <SEP> 0,006%
<tb> Chrom <SEP> <B>0,78 <SEP> 0/0</B> Die Legierung enthielt kleine Bruchteile eines Prozentes an Eisen, Vanadium, Mangan. und anderen Elementen. Diegegossene Legierung hatte eine auste- nitische Grundmasse.
Die Legierung wurde in eine Form für Präzisionsguss in Form einer Schaufel, wie in den Fig. <B>1</B> und 2 der Zeichnung unter<B>10</B> abgebil det ist, gegossen und geeignete Testmuster daraus ge macht. Es wurden Barren dieser Legierung gegossen und heiss Profile daraus hergestellt. Die bearbeiteten Werkstücke wurden dann<B>1</B> Stunde lang bei 106611 <B>C</B> einer Lösungswärmebehandlung unterzogen und 12 Stunden lang bei 649,1 <B>C</B> ausgehärtet.
Die Warkstücke hatten eine Härte von<B>270</B> VH. Wenn sie bei 6490 C und bei einer konstanten Streckungszunahme von 12,5'% pro Minute geprüft wurden, so war die Zer- reissfestigkeit der Werkstücke gemäss diesem Beispiel über<B>7000</B> kg/cm2 und die 0,2 O/o,
Streckgrenze über schritt<B>5600</B> k.g,'cm2. Die Dämpfungsfähigkeitskapazi- tät der Werkstücke bei 6491><B>C</B> war gleichwertig mit der eines 1211/aigen Chromstahles bei 4821> C, <I>Beispiel 2</I> Eine Legierung der folgenden Zusammensetzung <B>Z,</B> wurde durch Schmelzen, im Vakuum hergestellt:
EMI0003.0051
Kobalt <SEP> 74,3 <SEP> 11/o
<tb> Nickel <SEP> <B>22,8 <SEP> "/o</B>
<tb> Ahmänium <SEP> <B>0,23 <SEP> OM</B>
<tb> Titan <SEP> 2 <SEP> <B>0/0</B>
<tb> Silicium. <SEP> <B>0,1 <SEP> 0/0</B>
<tb> Chrom <SEP> <B><I>0,5</I></B> <SEP> %
<tb> Kohlenstoff <SEP> <B>0,0060/0</B>
<tb> Schwefel <SEP> <B>0,008</B> <SEP> "/o
<tb> Verunreinigungen <SEP> Rest <SEP> weniger <SEP> als <SEP> <B>0, <SEP> 1</B> <SEP> % Die geschmolzene Legierung wurde zu einem Bar ren gegossen und nach Beispiel<B>1</B> geschmiedet.
Die geschmiedeten Muster hatten nach der Lösungs- wärincbehandlung bei<B>10660 C</B> und nach der<B>100</B> Stunden währenden Härtung bei 6490<B>C</B> eine Härte von<B>320</B> VH. Die Dämpfungsfähigkeitseigenschaften waren mit denen der Werkstücke des Beispieles <B>1</B> vergleichbar.
<I>Beispiel<B>3</B></I> Die folgende Legierung wurde durch Schmelzen im. Vakuum hergestellt:
EMI0003.0057
Kobalt <SEP> <B>73,2 <SEP> 0/a</B>
<tb> Nickel <SEP> 23,4 <SEP> <B>"/g</B>
<tb> Aluminium <SEP> <B>1,25 <SEP> "/o</B>
<tb> Titan <SEP> <B>1,25%,</B>
<tb> Chrom <SEP> <B>0,75 <SEP> 0/@</B>
<tb> Kohlenstoff <SEP> <B>0,01,1/9</B>
<tb> Verunreinigungoen <SEP> Rest <SEP> weniger <SEP> als <SEP> 0,2 <SEP> <B>0/9</B> Die Legierung wurde in Form von Werkstücken gegossen, bei<B>10380 C</B> einer Lösungswärmebehand- lung unterworfen und dann'100 Stunden lang bei 6490<B>C</B> gehärtet.
Die Härte der gehärteten Werk- stückc war<B>280</B> VH. Die Werkstücke hatten einen Dämpfungsfähigkeitskoeffizienten, der<B> & .</B> n von Werk- stücken aus 12%igem Chromstahl,
bei 482o C über- traf. Die Werkstücke zeigten bei den Standartdeh- nungsprüfungen und auch bei den höheren Dauer- standfestigkeltsprüfungen eine hohe Festigkeit.
<B>Die</B> Fig. <B>1</B> und 2 der Zeichnung zeigen eine ty pische Turbinenschaufel<B>10,</B> welche einen Wurzelteil 12 aufweist, vermittels dessen sie in Verbindung mit einer Vielzahl von weiteren Turbinenschaufeln an einem Turbinenschaft befestigt ist. Die eigentliche Turbinenschaufel endigt in einem Bolzen<B>16,</B> mit Hilfe dessen, er an einem Aussenring befestigt ist. Der Schaufelteil 14 besitzt eine geeignet gekrümmte Oberfläche<B>18,</B> auf welche der hoch erhitzte Dampf trifft und dorthin die Energie überträgt. Die hintere Oberfläche von jeder der Schaufeln 20 ist geeignet gekrümmt, um den freien Fluss des Dampfes zu er möglichen.
Während die oben beschriebenen Werkstücke, welche 1-211/o Titan enthalten, besonders für den Betrieb bei Temperaturen bis zu 6490<B>C</B> geeignet sind, können Werkstücke, welche bei höheren Tempera turen, das heisst zwischen<B>677</B> und 7040<B>C</B> beansprucht werden, aus Legierungen hergestellt werden, welche Titan in Mengen von 2 bis<B>3</B> % enthalten. So könnte eine für den Betrieb bei 7040<B>C</B> geeignete Turbinen schaufel aus einer Legierung bestehen, die<B>77</B> % Ko balt,<B>19 0/ & </B> Nickel,<B>2,3</B> % Titan,<B>0,5 0/9</B> Aluminium, <B>1</B> % Chrom und <B>0,01</B> '/o, Kohlenstoff enthält.
Für bei 59311 <B>C</B> arbeitende Turbinen könnte eine Legierung von hoher Dämpfungsfähigkeit für die Tur- bin:enschaufeln 65111e Kobalt, 30"/o Nickel, VI/o Chrom,<B>1,5<I>01</I></B> o! Titan,<B>0,01 0/,)</B> Kohlenstoff und 0,2 1/o Alumimium enthalten.
In Fig. <B>3</B> der Zeichnung ist die Dämpfung (log arithmisches Dekrement) in Abhängigkeit von der Verschiebung (Scherungswinkel) für Werkstücke, be stehend aus 2 verschiedenen Legierungen aufgetra- gen. Die Legierung X13 enthielt 86"/o Kobalt, 9% Nickel,<B>1</B> Ü/o Aluminium,<B>2,5</B> 1/o Titan,<B>1,5 0/ & </B> Silicium, 0,
01 % Kohlenstoff und 0,1 % Calcium. Die Legie- rung T9 enthielt<B>72</B> 1/e. Kobalt, 24 % Nickel,<B>1, 8</B> 1/o Aluminium, 2% Titan, 0,
01% Kohlenstoff und kleine Mengen an Silicium und Calcium. Die 0,2 "/a-Streck- grenze der Legierung T9 bei 64911 <B>C</B> betrug 5540 kg(CM2, die Dehnung<B>16,5</B> 1/o.
Eine Reihe von<B>3</B> Legierungen, von denen jede 74,5 11/9 Kobalt und<B>22.,8</B> % Nickel enthielt, wurden <B>(1)</B> mit<B>2,5 0/a</B> Titan, (2) mit<B>2,7</B> %. Aluminium und <B>(3)</B> mit 2<B>%</B> Titan,<B>0,01</B> 1/9 Kohlenstoff und<B>0,25</B> II/o Aluminium legiext. Von jeder Legierung wurden Bar ren in gleicher Weise bearbeitet und bei 10661) <B><I>C</I></B> einer Lösungshitzebchandlung unterworfen. Muster dieser<B>3</B> Legierungen wurden bei 64911 <B>C</B> gehärtet und die Härte in Zeitabständen bestimmt.
In Fig. 4 wur den die Kurven, von diesen Testen aufgetragen. Die Legierungen<B>(1)</B> und (2) erreichten auch nach 512- stündiorem Härten nicht die gewünschte Härte von <B>250</B> VH, während die Legierung<B>(3)</B> die optimale Härte von<B>280</B> VH in weniger als 8ständiger Här- tungszeit erreichte. Die Härtungsku.rve verflachte sich bei<B>320</B> VH in weniger als<B>100</B> Stunden.
Diese Kur ven erläutern das einzigartige Zusammenwirken, das von der erfindungsgemässenggemeinsamen Gegenwart von Aluminium und Titan in den Legierungen her rührt.
Eine Reihe von Legierungen wurde hergestellt, indem man zu einer Grundlegierung aus 7211/9 Ko balt,<B>23</B> 1/o Nickel, 2<B>0/9</B> Titan und<B>0,0 1</B> % Kohlenstoff, die als Restbestand kleine Mengen von Eisen, Chrom, Silicium und anderen Elementen enthielt, noch<B>0,1</B> bis<B>1</B> "/o Aluminium zusetzte. Bearbeitete Muster die ser Legierungen wurden<B>1</B> Stunde lang bei 103811C einer Lösungsglühbehandlung unterworfen, dann wur den die Muster jeder Legierung bei <B>732,</B> 704 und 6490<B>C</B> verschieden lang gehärtet und, die Härte<B>be-</B> stimmt.
In Fig. <B>5</B> wurden die Kurven dieser Prüfun- gen aufgetragen. In jedem Falle wurde ein bemer- kenswerter Anstieg von ungefähr<B>80</B> Härtegraden be obachtet, wenn die ersten<B>0,1</B> "/o Aluminium zugefügt wurden. Der Zusatz von 0,25-0,75% Aluminium ergab einen Anstieg der Härtegrade von ungefähr <B>100.</B> Diese Kurven zeigen die deutliche Verbesserung dieser Härte, die diesen Legierungen durch gleichzei tige Gegenwart von Aluminium und Titan verliehen wird.
Um die entscheidende Wirkung der Härte auf die Däm,pfungsfähigkeit zu zeigen, wurde eine Reihe von Versuchen an einer Legierung angestellt, welche 70,711/o Kobalt, 22,811/o Nickel, 1,80/(, Aluminium, <B>0,01</B> % Kohlenstoff und<B>3</B> Olo Titan enthielt. Diese Legierung wurde bei 103811 <B>C</B> einer Lösungsglüh- behandlung unterworfen und bei 6490<B>C</B> verschieden lang bis zu einer Härte von,<B>166, 286, 318,</B> und 341 VH gehärtet.
Jedes Muster wurde einem Verdre- hungsdämpfungstest bei verschiedenen Torsionsspan- nungswerten unterworfen. Die Versuchsresultate wer den in den in Fig. <B>6</B> aufgetragenen 4 Kurven gezeigt. Es zeigt sich, dass bei Härten von<B>166</B> und 341 VH die logarithmische Abnahme bei Lasten von<B>280</B> bis 1120 kg/cm2 unter<B>0,01</B> liegt.
Die Muster mit einer Härte von<B>286</B> und<B>318</B> VH zeigten beide weit grö- ssere Dämpfung gsfähigkeit.