CH630289A5 - Hochdaempfender verbundwerkstoff. - Google Patents

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CH630289A5
CH630289A5 CH575677A CH575677A CH630289A5 CH 630289 A5 CH630289 A5 CH 630289A5 CH 575677 A CH575677 A CH 575677A CH 575677 A CH575677 A CH 575677A CH 630289 A5 CH630289 A5 CH 630289A5
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Description

Die Erfindung betrifft einen hochdämpfenden Verbundwerkstoff auf der Basis von Metallen oder Legierungen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffes sowie dessen Verwendung.
Im allgemeinen Maschinenbau und insbesondere beim Bau thermischer rotierender Maschinen stellt sich immer wieder die Frage der Dämpfungsfähigkeit mechanisch und thermisch hochbeanspruchter Werkstoffe. Je dämpfungs-fahiger der Werkstoff und das daraus hergestellte Bauelement, desto höher ist - unter sonst gleichen Eigenschaften und Bedingungen - die Lebenserwartung im Betrieb. In der Praxis wird versucht, die Dämpfung eines Maschinenelementes sowohl durch konstruktive wie werkstofftechnische Massnahmen zu erhöhen. In dieser Hinsicht sind zahlreiche durch Veröffentlichungen belegte Versuche bekannt. Es werden spezielle Dämpfer in das Maschinenelement eingebaut oder letzteres wird vollständig aus dämpfendem Werkstoff hergestellt. Ferner werden Schichtwerkstoffe benutzt wobei ein schlecht dämpfender Grundwerkstoff mit einem dämpfenden Überzug versehen wird. Von der Werkstoffseite her ist bekannt, dass gewisse Legierungen, wie 12%iger Cr-Stahl oder NIVCO 10 (Westinghouse), gute magneto-elastische Dämpfung aufweisen. Hierzu gehören auch andere ferroma-gnetische Legierungen (z.B. A.W. Cochardt, High damping ferromagnetic alloys, Transactions AIME, Journal of me-tals, October 1956, p. 1295 bis 1298; US-PS 2 829 048; US-PS 2 981 620; US-PS 3 486 886). Spezielle Dämpferkonstruktionen sind ebenfalls bekannt (z.B. D.I.G. Jones, A.D. Nashif, M. Stargardter, Vibrating beam dampers for redu-
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cing vibrations in gas turbine blades, ASME publication, Paper Nr. 74-GT-95, presented at Gas Turbine Conference Zurich, Switzerland, March 31 to April 4, 1974; US-PS 3 601 228).
Hochbeanspruchte Bauteile thermischer Maschinen, insbesondere Gasturbinen, setzen Werkstoffe hoher Dauerstandfestigkeit und Wechselfestigkeit bei hohen Temperaturen voraus. 12%iger Cr-Stahl hat bei 600 °C eine vergleichsweise niedrige Warmfestigkeit und die Legierung NIVCO 10 (Westinghouse) ist bei dieser Temperatur zufolge Ausscheidung einer spröden Phase (intermetallische Verbindungen) anfällig auf Ermüdungsrisse. Der Einbau von speziellen Dämpfungselementen in Maschinenbauteile ist aufwendig und beengt die ohnehin begrenzte Freiheit konstruktiver Gestaltung. Dabei ist eine Abstimmung derartiger, meist mit einer viscoelastischen Emailschicht versehenen Elemente auf den speziell im Betrieb vorkommenden Resonanzbereich des Maschinenteils erforderlich. Zudem kann die Verbindung von metallischem Grundwerkstoff (z.B. Superlegierung) mit nichtmetallischer glasartiger Schicht (z.B. Email) der grossen Unterschiede in chemisch-physikalischer Hinsicht wegen nicht als ideal angesprochen werden. Sowohl von der Material- wie von der Verfahrensseite her besteht daher das Bedürfnis, das Dämpfungsverhalten von Maschinenbauteilen zu verbessern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, welcher bei hoher Festigkeit über den gesamten mechanischen und thermischen Belastungsbereich unter allen, auch variablen Betriebszuständen eine hohe Materialdämpfung aufweist und gleichzeitig der konstruktiven Gestaltung möglichst grosse Freiheit einräumt.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Verbundwerkstoff der eingangs definierten Art aus einem schlecht dämpfenden, die Festigkeit und die Gestalt bestimmenden Grundwerkstoff und einer diesen allseitig als Hülle umgebenden, eine hohe mechanische Dämpfung aufweisenden Oberflächenschicht besteht.
Erfindungsgemäss wird dieser Verbundwerkstoff dadurch hergestellt, dass der Grundwerkstoff durch Giessen, Warm- oder Kaltverformen, mechanische Bearbeitung oder pulvermetallurgisch in die endgültige Form gebracht wird und dass die dämpfende Oberflächenschicht nachträglich zusätzlich auf den Grundwerkstoff aufgebracht wird.
Der der Erfindung zugrunde liegende Leitgedanke besteht darin, werkstofftechnisch eine Aufgabentrennung vorzunehmen, derart, dass ein Kern aus hochwarmfestem Material, welcher die gesamte mechanische Beanspruchung aufnimmt und eine eine hohe mechanische Dämpfung aufweisende grossflächige Oberflächenschicht vorgesehen ist. Als besonders wirksames Material für letztere erweist sich dabei ein ferromagnetischer Stoff mit hohem Curie-Punkt, so dass die guten Dämpfungseigenschaften auch bei hohen Betriebstemperaturen erhalten bleiben. Für tiefere Betriebstemperaturen können in vorteilhafter Weise auch eine mar-tensitische Phasenumwandlung aufweisende, sog. Gedächtnislegierungen, welche ein ähnliches gutes Dämpfungsverhalten zeigen, Verwendung finden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispielen.
Dabei zeigt:
Fig. 1 den Querschnitt durch einen Torsionsstab aus Verbundwerkstoff,
Fig. 2 die Dämpfung in Funktion der Schichtdicke für einen Torsionsstab gemäss Fig. 1,
Fig. 3 den Längsschnitt durch einen Biegestab aus Verbundwerkstoff,
Fig. 4 den Aufriss einer beschichteten Turbinenschaufel, Fig. 5 den Querschnitt A-A durch eine beschichtete Turbinenschaufel am Fuss,
Fig. 6 den Querschnitt B-B durch eine beschichtete Turbinenschaufel am Kopf.
In Fig. 1 ist der grundsätzliche Aufbau des Verbundwerkstoffes anhand eines Querschnittes durch einen Torsionsstab dargestellt. List der aus dem warmfesten Grundwerkstoffbestehende Kern, während 2 die hochdämpfende ferromagnetische Oberflächenschicht bedeutet. Mit M ist das auf den Stab wirkende Torsionsmoment angedeutet. Der Grundwerkstoff 1 weist einen Radius r und die Oberflächenschicht 2 eine Dicke h auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde wie folgt verfahren:
Ein Torsionsstab (Draht) von 3 mm 0 (r = 1,5 mm) aus einem warmfesten Stahl als Grundwerkstoff 1 wurde mit einer Oberflächenschicht 2 von einer Dicke h = 30 um versehen. Der Grundwerkstoff 1 hatte dabei folgende Zusammensetzung (entsprechend DIN X 12 Cr Ni W Ti 1613):
Ni:
13-16%
Cr:
15,5-18%
W:
2,5-4%
Ti:
max. 1%; min 5-% C
C:
0,08-0,15%
Si:
max. 0,8%
Mn:
max. 1%
P:
ca. 0,01%
S:
ca. 0,01%
Mo:
max. 0,5%
Die Oberflächenschicht 2 stellte eine Kobalt/Nickel-Legierung dar und wurde auf elektrolytischem Wege auf dem Grundwerkstoff abgeschieden. Das Elektrolysebad hatte folgende Zusammensetzung:
CoCl2: 5 g
NiCl2: 10 g auf einen Liter
HCl: 1 cm3 destilliertes H20
PH = U5-2
Der als Grundwerkstoff dienende Stahl wurde zunächst geätzt und daraufhin während 2 bis 3 min bei einer Stromdichte von 50 mA/dm2 elektrolytisch vorplattiert. Nach Entfernung aus dem Elektrolysebad wurde der Stab getrocknet und während 3 h bei 700 °C unter Wasserstoffatmosphäre geglüht. Hierauf wurde der Stab im selben Elektrolysebad bei einer Stromdichte von 50 mA/dm2 während 10 h elektro-plattiert. Die abgeschiedene Schicht wies eine Dicke von 30 fim auf und hatte die Zusammensetzung 67 Co/33 Ni. Die Oberflächenschicht 2 weist damit einen Volumenanteil von 4% auf. Es muss daraufhingewiesen werden, dass sich mit dieser Methode auch Überzüge anderer Zusammensetzung (z.B. 60 Co/40 Ni oder 60 Co/20 Fe/20 Ni oder 60 Co/40 Fe) herstellen lassen.
Die Gesamtdämpfung §tot eines Torsionsstabes gemäss Fig. 1 aus Verbundwerkstoff lässt sich durch die nachstehende Gleichung ausdrücken:
r 9h
ötot~ (—~-)2 -^1 + ——r • §2 (für xraax) r + r + h
= mittleres logarithmisches Dekrement der Dämpfung für den Grundwerkstoff 1 82 = logarithmisches Dekrement der Dämpfung für die
Oberflächenschicht 2 bei der höchsten Schubspannung Tmax
Die Erfindung erschöpft sich nicht in dem gemäss diesem Ausführungsbeispiel beschriebenen Verfahren. Das Aufbringen der hochdämpfenden Oberflächenschicht 2 kann auch
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auf andere als elektrolytische Weise erfolgen. Hier ist insbesondere das stromlose Abscheiden von Ni/Co-Legierungen aus Komplexsalzlösungen mittels Reduktionsmittel zu nennen. In bekannter Weise enthalten solche Bäder in der Regel die Chloride der betreffenden Metalle, organische Komplexbildner und Alkaliborhydride oder ähnliche Verbindungen als Reduktionsmittel. Meist werden den Bädern noch Stabilisatoren beigemischt. Ein Beschichten des Grundwerkstoffes 1 ist auch durch Plasmaspritzen durchführbar. Ausserdem kann die Oberflächenschicht 2 durch Metall-Flammspritzen und anschliessendes Dichtsintern erzeugt werden. Eine beschränkte Diffusion in der Grenzzone zwischen Grundwerkstoff 1 und Oberflächenschicht 2 ist zulässig, sofern der schichtweise Aufbau des Verbundwerkstoffes dadurch nicht beeinträchtigt wird. Gegebenenfalls kann zuvor eine Zwischenschicht als Diffusionsbarriere aufgebracht werden. Diese Überlegungen sind besonders beim zuletzt genannten Beschichtungsverfahren zu beachten.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die im vorgenannten Ausführungsbeispiel beschriebenen ferritischen ma-gneto-elastischen Legierungen. Insbesondere für tiefere Temperaturen (ca. —100 bis +200 °C) kommen auch die eine austenitisch-martensitische Phasenumwandlung zeigenden sogenannten Gedächtnislegierungen in Betracht. Solche Gedächtnislegierungen sind beispielsweise auf der Basis von Ni/Ti-Mischungen aufgebaute Stoffe wie die intermetallische Verbindung Ni Ti selbst und verwandte Cu-haltige Legierungen mit gegebenenfalls weiteren metallischen Zusätzen. Derartige Legierungen weisen eine vergleichsweise hohe innere Reibung auf und ihr logarithmisches Dekrement der Dämpfung erreicht z.B. für die Zusammensetzung 45 Gew.-% Ti, 54 Gew.-% Ni, 1 Gew.-% Cu
82 = 0,05 bis 0,1.
Einen anderen Typ dieser Gedächtnislegierungen stellen die Legierungen auf der Basis von Cu/Zn/Al und verwandte Mischungen dar. Ihr logarithmisches Dekrement besitzt z.B. für die Zusammensetzung 72,5 Gew.-% Cu, 21,12 Gew.-% Zn, 5,83 Gew.-% AI, die Grössenordnung von
6 = 0,1 bis 0,2.
In Fig. 2 ist die Gesamtdämpfung 6tot (logarithmisches Dekrement) in Funktion der Schichtdicke h für den unter Fig. 1 beschriebenen Torsionsstab aus hochdämpfendem Verbundwerkstoff bei Raumtemperatur graphisch dargestellt. Die Amplitude y der Torsionsschwingung betrug dabei 5 ■ 10~4. Kurve 3 bedeutet den nach obiger Gleichung berechneten Zusammenhang, während 4 die experimentell bestimmten Werte in Form von Messpunkten darstellen. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass gute Übereinstimmung zwischen Rechnung und Messergebnis vorliegt. Aus Fig. 2 geht auch hervor, dass die Dämpfungsfähigkeit eines auf Torsion beanspruchten Drahtes von 3 mm Dicke durch Aufbringen einer magneto-elastischen Schicht von nur 34 (im Dicke auf das lOfache des unbeschichteten Werkstoffes erhöht werden kann.
Fig. 3 zeigt den Längsschnitt durch einen unter der Querkraft P auf Biegung beanspruchten einseitig eingespannten Stab aus hochdämpfendem Verbundwerkstoff. Die Dicke des Grundwerkstoffes 1 beträgt a, während die Oberflächenschicht 2 eine Dicke h aufweist. Für die Gesamtdämpfung 8tot gelten dann unter Benützung der unter Fig. 1 definierten Bezeichnungen für das logarithmische Dekrement folgende Beziehungen:
5to<~ a~-f~2h '5l+ Ìr+2h'§2(fÜrW
Die Dämpfung eines eine Biegungsschwingung ausführenden einseitig eingespannten Stabes erreicht also noch den halben Wert derjenigen bei Torsionsschwingung, vorausgesetzt, dass gleiche geometrische Verhältnisse vorliegen. Da in praktisch ausgeführten Maschinenbauteilen (Turbinenschaufel) meist eine kombinierte Torsions-Biegeschwingung vorliegt, wird die effektiv erzielbare Gesamtdämpfung zwischen den nach Fig. 1 und 3 berechneten Werten für Stot liegen.
In den Fig. 4, 5 und 6 sind ein Aufriss und zwei Querschnitte einer beschichteten Turbinenschaufel dargestellt. Durch Wahl einer progressiv vom Kopf zum Fuss zunehmenden Schichtdicke der hochdämpfenden Oberflächenschicht 2 können bei geringstem Aufwand und grösstmögli-cher Freiheit in der konstruktiven Gestaltung optimale Dämpfungsverhältnisse für das Bauelement geschaffen werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die hier skizzierten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere kann das Verfahren auch bei der Beschichtung von Gehäuseteilen zwecks Lärmbekämpfung (Antidröhnbelag) bei Raumtemperatur und bei mittleren Betriebstemperaturen (einige Hundert Grad Celsius) in vorteilhafter Weise angewendet werden.
Durch die erfindungsgemässen neuen Verbundwerkstoffe wurden Materialien geschaffen, welche bei hoher Dauerstandfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit bei hohen Temperaturen gleichzeitig vorzügliche Dämpfungseigenschaften besitzen und eine hohe Alterungsbeständigkeit im gesamten Betriebsbereich mechanischer und thermischer Beanspruchung aufweisen. Die Materialien müssen nicht auf diskrete Betriebsfrequenzen abgestimmt werden und ermöglichen auf diese Art und Weise die Herstellung von Maschinenbauteilen, insbesondere Turbinenschaufeln, mit grösstmöglicher konstruktiver Freizügigkeit. Da durch die Beschichtung die Eigenschaften des Grundwerkstoffes nicht beeinflusst werden, kann dieser frei gewählt und weitestgehend den Betriebserfordernissen angepasst werden. Dank des schichtweisen Aufbaus unter Verwendung eines formbestimmenden Grundwerkstoffes sind die Herstellungsverfahren einfach und ergeben eindeutige reproduzierbare Erzeugnisse.
Bezeichnungsliste
1 = Grundwerkstoff
2 = dümpfende Oberflächenschicht
3 = logarithmisches Dekrement der Dämpfung in
Funktion der Schichtdicke: 8tot = f (h)
4 = Messpunkt
M = Torsionsmoment
P = Biegekraft r = Radius des Grundwerkstoffes (Torsionsstab)
h = Dicke der dämpfenden Oberflächenschicht (Torsionsstab/Biegestab)
a = Dicke des Grundwerkstoffes (Biegestab)
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2 Blatt Zeichnungen

Claims (26)

630289 PATENTANSPRÜCHE
1. Hochdämpfender Verbundwerkstoff auf der Basis von Metallen oder Legierungen, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem schlecht dämpfenden, die Festigkeit und die Gestalt bestimmenden Grundwerkstoff (1) und einer diesen allseitig als Hülle umgebenden, eine hohe mechanische Dämpfung aufweisenden Oberflächenschicht (2) besteht.
2. Hochdämpfender Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (2) aus einem magneto-elastisch dämpfenden Material besteht.
3 min unter einer Stromdichte von 50 mA/dm2 beschichtet, anschliessend 2 bis 4 h bei 680 bis 720 °C unter Wasserstoff geglüht und schliesslich während 8 bis 12 h unter einer Stromdichte von 50 mA/dm2 fertig elektroplattiert wird.
3. Hochdämpfender Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (2) aus einem ferritischen legierten Stahl besteht.
4. Hochdämpfender Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (2) ein 13%iger Chromstahl ist.
5. Hochdämpfender Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (2) aus einer Kobalt/Nickel-Legierung mit 40 bis 80 Gew.-% Co und 20 bis 60 Gew.-% Ni besteht.
6. Hochdämpfender Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (2) aus einer Kobalt/Nickel/Eisen-Legierung mit 40 bis 80 Gew.-% Co, 0 bis 20 Gew.-% Fe und 20 bis 60 Gew.-% Ni besteht.
7. Hochdämpfender Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (2) aus einer Kobalt/Eisen-Legierung mit 50 bis 90 Gew.-% Co und 10 bis 50 Gew.-% Fe besteht.
8. Hochdämpfender Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (2) aus einer Kobalt/Eisen/Nickel-Legierung mit 50 bis 90 Gew.-% Co, 10 bis 50 Gew.-% Fe und 0 bis 20 Gew.-% Ni besteht.
9. Hochdämpfender Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (2) aus einem eine martensitische Umwandlung aufweisenden dämpfenden Material besteht.
10. Hochdämpfender Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (2) aus einer Gedächtnislegierung des Typs NiTi oder auf der Basis von Ni/Ti mit Cu-Gehalt und weiteren metallischen Zusätzen besteht.
11. Hochdämpfender Verbundwerkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (2) aus einer Gedächtnislegierung auf der Basis von Cu/Zn/Al besteht.
12. Hochdämpfender Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff (1) aus einer unmagnetischen Nichteisenmetall-Legierung oder einem bei Betriebstemperatur unmagnetischen Stahl besteht.
13. Hochdämpfender Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff (1) ein austenitischer Stahl hoher Warmfestigkeit oder eine Legierung auf Titanbasis ist.
14. Hochdämpfender Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff (1) eine Superlegierung auf Nickel- oder Kobaltbasis ist.
15. Hochdämpfender Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (2) einen Volumenanteil von 0,5 bis 20% aufweist.
16. Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff (1) durch Giessen, Warm- oder Kaltverformen, mechanische Bearbeitung oder pulvermetallurgisch in die endgültige Form gebracht wird und dass die dämpfende Oberflächenschicht (2) zusätzlich auf den Grundwerkstoff (1) aufgebracht wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (2) galvanisch auf den Grundwerkstoff aufgebracht wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff (1) zunächst geätzt, dann in einem Elektrolysebad von 4 bis 6 g CoCl2, 8 bis 12 g Ni Cl2 und 1 cm3 HCl auf 11 destillierten Wassers während 2 bis
19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (2) durch stromloses Abscheiden aus einer Komplexsalzlösung auf den Grundwerkstoff (1) aufgebracht wird.
20. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (2) durch Plasmaspritzen auf den Grundwerkstoff (1) aufgebracht wird.
21. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (2) durch Metall-Flammspritzen auf den Grundwerkstoff (1) aufgebracht und anschliessend dichtgesintert wird.
22. Verwendung des Verbundwerkstoffes nach Anspruch 1 bei der Herstellung von Bauteilen für thermische Maschinen.
23. Verwendung nach Anspruch 22 bei der Herstellung einer Turbinenschaufel für Gas- oder Dampfturbinen.
24. Verwendung nach Anspruch 22 bei der Herstellung einer Verdichterschaufel.
25. Verwendung nach Anspruch 22 bei der Herstellung eines Turbinen- oder Verdichterrades.
26. Verwendung nach Anspruch 22 bei der Herstellung von Gehäuseteilen für thermische Maschinen.
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