CH654594A5

CH654594A5 - Turbinenschaufelwerkstoff hoher festigkeit gegen korrosionsermuedung, verfahren zu dessen herstellung und seine verwendung.

Info

Publication number: CH654594A5
Application number: CH1766/81A
Authority: CH
Inventors: Andrejs Dr Atrens
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1981-03-16
Filing date: 1981-03-16
Publication date: 1986-02-28
Also published as: EP0060577A1; DE3270941D1; EP0060577B2; JPS57161052A; EP0060577B1; ATE19659T1

Description

Die Erfindung geht aus von einem Turbinenschaufelwerkstoff nach der Gattung des Anspruchs 1, von einem Verfahren zu dessen Herstellung nach der Gattung des Anspruchs 11 und von seiner Verwendung nach der Gattung des Anspruchs 14.

An Schaufelwerkstoffe für Dampfturbinen werden insbesondere im Bereich mittlerer und tieferer Temperaturen im Zuge langjähriger Betriebserfahrungen erhöhte Anforderungen gestellt. Sie sollen gleichzeitig eine hohe statische Festigkeit, d.h. eine hohe Streckgrenze, eine ausreichende Verformungsreserve, d.h. genügend hohe Kerbzähigkeit und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Korrosionsermüdung im betreffenden Temperaturbereich in möglicher aggressiver Atmosphäre aufweisen. Zum Teil werden ähnliche Anforderungen an Schaufel Werkstoffe von Turbokompressoren in Gasturbinenanlagen gestellt.

Es hat sich gezeigt, dass im Niederdruckteil von Dampfturbinen Schaufelschäden aufgetreten sind, welche einer ungenügenden Festigkeit gegen Korrosionsermüdung zugeschrieben werden (H.J. Bohnstedt, P.-H. Effertz, P. Forchhammer und L. Hagn, Der Maschinenschaden, 51,73, 1978 ; K. Yaeger, EPRI Journal, p. 44, April 1980). Die hier üblicherweise verwendeten ferritischen bzw. martensitischen legierten Stähle (13% Cr oder 12% Cr/1% Mo) weisen wohl hohe statische Festigkeitswerte (Streckgrenze, 0,2%-Grenze) auf, ihr Verhalten gegenüber dynamischer Beanspruchung bei gleichzeitiger Anwesenheit aggressiver Medien ist offensichtlich ungenügend. In allen Turbomaschinen, wo mit Wassertröpfchenbildung zufolge Kondensation und demzufolge mit einer Konzentration der in der Gasphase vorhandenen Verunreinigungen in der flüssigen Phase als Lösung gerechnet werden muss, stellt sich das Problem der Korrosionsermüdung.

Man hat versucht, die Frage der Korrosionsermüdung auf zwei Wegen zu lösen. Einerseits ist es möglich, die dynamische Beanspruchung (Schwingungen) der Schaufel durch entsprechende konstruktive Gestaltung herabzusetzen. Andererseits müssen an den Reinheitsgrad der gasförmigen Medien höhere Anforderungen gestellt werden, um diese von Schadstoffen möglichst frei zu halten. Derartige Massnahmen erwiesen sich indessen als sehr aufwendig und teuer und zeitigten oft nicht den erhofften Erfolg. Insbesondere vermag selbst eine noch so hoch getriebene Reinheit des Dampfes oder Gases eine lokale Anreicherung und somit Sättigung

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15

20

25

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40

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iner wässrigen Lösung nicht mit Sicherheit zu unterbinden, s muss daher praktisch immer mit der Möglichkeit eines orrosiven Angriffs gerechnet werden.

Ein anderer Weg, die obengenannten Schwierigkeiten zu eseitigen, bietet sich von der materialtechnischen Seite an. .s wurde schon versucht, gute chemische Beständigkeit mit enügend hoher mechanischen Festigkeit zu kombinieren (K. )etert, W. Bertram und H. Buhl, Werkstoffe und Korrosion, 1.439, 1980). Das gesteckte Ziel, einen Werkstoff hoher sta-scher Festigkeit, hoher Zähigkeit und hoher Ermüdungsfe-tigkeit in korrosiver Umgebung empfehlen zu können, wurde idessen nicht erreicht:

Die korrosionsbeständigen Stähle können grundsätzlich i 3 Gruppen eingeteilt werden: ferritisch, ferritisch-austenisch und austenitisch. Die ersten beiden erreichen im allge-neinen eine Streckgrenze von höchstens 640 MPa, die letzte-en eine solche von nur 400 MPa. Es besteht daher ein iedürfnis nach Schaufelwerkstoffen, welche alle drei oben ngegebenen Bedingungen erfüllen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Turbi-ienschaufelwerkstoff sowie ein entsprechendes Herstellungserfahren anzugeben, die im Fertigerzeugnis bei möglichster Einfachheit und unter Vermeidung ausgefallener, teurer Aus-:angsmaterialien bei guter Duktilität, hoher Streckgrenze und Cerbzähigkeit eine hohe Festigkeit gegen Korrosionsermü-iung gewährleisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merk-nale der Ansprüche 1 und 11 gelöst.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass als Turbi-ìenschaufelwerkstoff ein rostfreier Stahl mit ferritisch-auste-ütischem Mischgefüge, welches an sich eine gute Festigkeit :egen Korrosionsermüdung aufweist, verwendet wird, wobei lie sonst ungenügenden mechanischen Eigenschaften wie Streckgrenze und Kerbzähigkeit durch spezielle Wahl der -egierungszusammensetzung und durch Ausscheidungshär-ung verbessert werden. Dies wird durch eine gezielte Wärmebehandlung erreicht.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausfüh-ungsbeispiele näher erläutert:

\usführungsbeispiel I:

Ausgegangen wurde von einem rostfreien Stahl (Legie-ung Ij der nachfolgenden Zusammensetzung:

C

= 0,04Gew.-%

Cr

= 26

Gew.-%

Mn

= 6

Gew.-%

Ni

= 4

Gew.-%

Mo

= 2,5

Gew.-%

Cu

= 3

Gew.-%

N

= 0,4

Gew.-%

Fe

= Rest

Die Legierung wurde im Vakuumofen geschmolzen und :u einem Gussbarren vergossen. Der Barren wurde bei einer Temperatur von ca. 1050 °C auf eine Dicke von 12 mm her-jntergewalzt, wobei die Querschnittsabnahme mindestens >0"o betrug und dann von der gleichen Temperatur aus in Wasser abgeschreckt. Durch das Abschrecken des Werkstük-<es wird die evtl. mögliche Bildung der spröden intermetallischen Eisen/Chrom-Verbindung, der sogenannten a-Phase .virksam unterdrückt. Aus der betreffenden Platte wurden durch spanabhebende Bearbeitung Probestab-Rohlinge herausgearbeitet, deren Längsachsen parallel zur Walzrichtung .erliefen. Die Rohlinge wurden durch eine 1 bis 4 h dauernde Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 300 bis 650 °C ausscheidungsgehärtet. Insgesamt wurden je mehrere Probe-5täbe für Zugproben, Kerbschlagproben nach Charpy und

Dauerwechselfestigkeit-Versuche bei axialer Belastung (Zug/ Druck) mit und ohne Vorlast sowohl in Luft wie in einer belüfteten 4 N NaCl-Lösung mit pH = 5 bei 80 °C untersucht. Alle Dauerwechselfestigkeitsbestimmungen wurden unter 5 Anwendung einer sinusförmigen axialen Belastung vorgenommen. Der für die praktische Bewertung im Betrieb vor allem massgebende Spannungszustand wurde durch zusätzliches Aufbringen einer positiven statischen Vorlast (Zug) verwirklicht, welche einer Spannung (Mittelwert der Beanspru-lo chung) von 250 MPa entsprach.

Ausführungsbeispiel II:

Es wurde von einem rostfreien Stahl (Legierung II) der nachfolgenden Zusammensetzung ausgegangen:

= 0,04Gew.-%

= 26 Gew.-%

= 8 Gew.-%

= 2 Gew.-%

= 1 Gew.-%

= Rest

25 Nach dem Erschmelzen unter Vakuum wurde die Legierung gegossen und der auf diese Weise hergestellt Gussbarren in zwei Stufen thermomechanisch weiterverarbeitet. In einem ersten Schritt der Warmverformung wurde eine Querschnittsverminderung von 75% vorgenommen. Zu Beginn dieser Ope-3o ration betrug die Werkstücktemperatur 1250 °C, am Ende derselben noch 1050 °C. Daraufhin erfolgte unmittelbar der zweite Verformungsschritt, welcher isotherm bei einer Temperatur von 1050 °C durchgeführt wurde. Während dieses Schrittes wurde der Querschnitt des Werkstücks total um wei-tere 50%, bezogen auf den Querschnitt nach der ersten Operation, reduziert. Nun wurde das auf diese Weise hergestellte Halbzeug von 1050 °C in Wasser abgeschreckt. Die Herausarbeitung von Probestab-Rohlingen erfolgte derart, dass ihre Längsachsen parallel zur Hauptverformungsrichtung des Werkstücks lagen. Die Ausscheidungshärtung der Rohlinge erfolgte während 1 bis 4 h im Temperaturbereich von 300 bis 650 °C. Es wurden Stäbe für Zug-, Kerbschlag- und Dauerwechselfestigkeitsproben hergestellt, welche unter genau den gleichen Bedingungen wie unter Beispiel I angegeben, geprüft „ wurden.

Ausführungsbeispiel III:

Ausgegangen wurde von einem rostfreien Stahl (Legie-50 rung III) der nachfolgenden Zusammensetzung:

= 0,04Gew.-%

= 25 Gew.-%

= 8 Gew.-%

= 2,5 Gew.-%

= 0,4 Gew.-%

= 0,5 Gew.-%

= Rest

60 Die Herstellung, Weiterverformung, Wärmebehandlung und Prüfung dieses Turbinenschaufelwerkstoffes erfolgte genau gleich wie unter Beispiel II angegeben.

b5

Ausführungsbeispiel IV:

Ausgegangen wurde von einem rostfreien Stahl (Legierung IV) der nachfolgenden Zusammensetzung:

20

C

Cr

Ni

Mo

Ti

Fe

C

Cr

Ni

Mo

Ti

Al

Fe

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4

c

= 0,04Gew.-%

Fe = Rest

Cr

= 22 Gew.-%

Ni

= 10 Gew.-%

Unter den Elementen zur Ausscheidungshärtung kann

Mo

= 2,5 Gew.-%

vorzugsweise mindestens eines der Elemente

Ti

= 0,2 Gew.-%

5

Al

= 0,5 Gew.-%

Cu

Fe

= Rest

Ti

Die Herstellung, Behandlung und Prüfung dieses Materials wurde genau gemäss Ausführungsbeispiel II durchgeführt.

Prüfresultate:

Die Resultate der Prüfungen sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt. Dabei entsprechen die Legierungen I bis IV denjenigen in den Ausführungsbeispielen. Vergleichsweise sind die Eigenschaften eines für Turbinenschaufeln häufig verwendeten härtbaren ferritischen Cr-Mo-Stahles der Norm X20 Cr Mo V 121 folgender Zusammensetzung dargestellt:

C

=

0,20Gew.-%

Cr

=

12 Gew.-%

Mo

=

1,0 Gew.-%

Ni

=

0,7 Gew.-%

V

=

0,3 Gew.-%

Fe

=

Rest

Ausserdem ist die bekannte Titanlegierung Ti 6 A14V der nachfolgenden Zusammensetzung als Vergleich herangezogen:

AI V Ti

= 6 Gew.-% = 4 Gew.-% = Rest

Aus der Tabelle geht eindeutig hervor, dass die erfin-dungsgemässen Turbinenschaufelwerkstoffe unter korrosivem Medium den beiden Vergleichsmaterialien deutlich überlegen sind. Dies gilt vor allem gegenüber dem Cr-Mo-Stahl, der ausserdem eine ungenügende Zähigkeit aufweist. Die Titanlegierung kann sich lediglich über eine höhere statische Festigkeit (Streckgrenze) ausweisen, fällt jedoch gegenüber den vorgeschlagenen Legierungen I bis IV bezüglich dynamischer Werte beträchtlich ab. In Anbetracht der Kostspieligkeit und schwierigen Verarbeitbarkeit der Titanlegierung fällt dies umsomehr ins Gewicht.

Es soll noch nachgetragen werden, dass die Bruchdehnung der Legierungen I bis IV bezogen auf einen Probestab mit einem Längen :Durchmesser-Verhältnis von 4,4 durchweg über 15% betrug, was für die hervorragende Duktilität dieses Materials spricht. Die Werte der Dauerfestigkeit unter 4N NaCI-Lösung bei pH = 5 und 80 °C ohne statische Vorlast lagen in allen Fällen über 350 MPa.

Die Erfindung ist nicht auf die in den Ausführungsbeispielen angegebenen Wersktoffzusammensetzungen beschränkt. Insbesondere eignen sich als Turbinenschaufelwerkstoffe Stähle mit zweiphasigem, aus Ferrit oder Marten-sit einerseits und Austenit andererseits bestehenden Mischge-füge folgender allgemeinen Zusammensetzung:

C = 0,005 bis 0,06 Gew.-%

AI

"> herangezogen werden, wobei deren totaler Gehalt mindestens 0,5 Gew.-%, der Gehalt jedes einzelnen Elementes aber mindestens 0,2 Gew.-% betragen soll.

In die engere Wahl kommen bevorzugt die nachfolgenden Mn-freien Legierungen:

1.

20

30

C

=

0,005

bis 0,06

Gew.-%

Cr

=

18

bis 30

Gew.-%

Mo

=

1

bis 6

Gew.-%

Ni

=

4

bis 11

Gew.-%

I(Cu,Ti,Al)

=

0,5

bis 4

Gew--%

bei Cu, Ti, Al einzeln je

> 0,2 Gew.-%.

Fw

—

Rest

Cu

0,005

bis 0,06

Gew.-%

Cr

=

18

bis 30

Gew.-%

Mo

=

1

bis 4

Gew.-%

Ni

=

4

bis 11

Gew.-%

plus a.Ti

=

0,5

bis 3

Gew.-%

od.plusb.Al

=

0,5

bis 3

Gew.-%

od.plusc.Ti

=

0,25

bis 2

Gew.-%

AI

=

0,25

bis 2

Gew.-%

Fe

=

Rest

C

0,01

bis 0,06

Gew.-%

Cr

=

22

bis 29

Gew.-%

Mo

=

2

bis 3

Gew.-%

Ni

=

4

bis 11

Gew.-%

Ti

=

0,5

bis 2,5

Gew.-%

Al

=

0,5

bis 1,5

Gew.-%

Fe

=

Rest

« Eine weitere Auswahl bevorzugter Legierungen, welche sowohl Ni wie Mn enthalten, ist nachfolgend aufgeführt:

4.

C

= 0,005

bis 0,06

Gew.-%

Cr

= 18

bis 30

Gew.-%

Mo

= I

bis 6

Gew.-%

Ni

= 2

bis 6

Gew.-%

Mn

= 4

bis 8

Gew.-%

Z(Cu,Ti,AI)

= 0,5

bis 4

Gew.-%

55

wobei Cu,Ti, AI einzeln je Fe = Rest

> 0,2 Gew.-%

5. Zusammensetzung wie 4., jedoch zusätzlich N = 0,2 bis 1,5 Gew.-%

Cr =18

bis 30

Gew.-%

6. C

=

0,005

bis 0,06

Gew.-%

Mo = 1

bis 6

Gew.-%

Cr

=

18

bis 30

Gew.-%

Ni + '/îMn-

4

Gew.-%

Mo

=

1

bis 6

Gew.-%

65' Ni

=

2

bis 6

Gew.-%

Mn

=

4

bis 8

Gew.-%

+ mindestens ein Ausscheidungshärtungs-Element für Fe-

Cu

=

0,5

bis 3

Gew.-%

Legierungen

N

=

0,2

bis 1,5

Gew.-%

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7. C

=

0,01

bis 0,06

Gew.-%

Cr

=

24

bis 28

Gew.-%

Mo

SS

1,5

bis 3

Gew.-%

Ni

«

3

bis 5

Gew.-%

Mn

=

4

bis 8

Gew.-%

Cu

SS

1,5

bis 3,5

Gew.-%

N

=

0,2

bis 0,6

Gew.-%

Tabelle

Legie a o.:

Kerbzä

Dauerwechselfestigkeit (Zug/Druck),

rung

MPa higkeit

108 Lastwechsel Vorlast ±

J/cm:

Wechsellast MPa

Luft

Luft/4N NaCl

80 °C, pH 5

I

800

50

250 ± 340

250 ± 270

11

800

50

250 ± 340

250 ± 260

III

800

50

250 ± 340

250 ± 260

IV

800

50

250 ± 340

250 ± 260

Cr-Mo-St

800

20

250 ± 340

250 ± 40

TÌ6A14V

930

30

250 ± 210

250 ± 180

Das erfindungsgemässe Verfahren ist nicht auf die in den Beispielen angegebenen Schritte beschränkt. Die Warmverformung nach dem Glessen kann im Temperaturbereich zwischen 1000 °C und 1250 °C durchgeführt werden, wobei die 5 Querschnittsabnahme mindestens 50% betragen soll. Die Ausscheidungshärtung kann je nach Legierung und Werkstück-grösse im Temperaturbereich zwischen 300 und 650 °C während 1 bis 8 h durchgeführt werden.

Der Turbinenschaufelwerkstoff kann vorzugsweise als io Dampfturbinenschaufel im Niederdruckteil oder als Turbokompressorschaufel bis zu Temperaturen von 350 °C dauernd eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäss hergestellten und vorgeschlagenen Turbinenwerkstoffe verbinden hohe Duktilität und Kerbzä-15 higkeit mit hoher statischer Festigkeit und grossem Widerstand gegen Korrosionsermüdung und gewährleisten somit eine lange Lebensdauer des Bauteils.

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G

Claims

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PATENTANSPRÜCHE
I. Tubinenschaufelwerkstoff hoher Festigkeit gegen Korrosionsermüdung, bestehend aus einem rostfreien Stahl, dadurch gekennzeichnet, dass er ein zweiphasiges Mischge-füge bestehend aus Ferrit oder Martensit oder einem Zwi-schengefüge einerseits und Austenit andererseits enthält, dass er mindestens ein zur Ausscheidungshärtung in Eisenlegierungen geeignetes zusätzliches Element enthält, dass er 0,005 bis 0,06 Gew.-% Kohlenstoff, 18 bis 30 Gew.-% Chrom, und 1 bis 6 Gew.-% Molybdän sowie Nickel oder Nickel und Mangan enthält, und sein Gehalt an Nickel plus Vi seines Gehaltes an Mangan mindestens 4 Gew.-% beträgt.

2 Tnrhinenschaufelwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er als Element zur Ausscheidungshärtung mindestens eines der Elemente Kupfer, Titan, Aluminium enthält, dergestalt, dass der totale Gehalt an Elementen mindestens 0,5 Gew.-%, derjenige jedes einzelnen Elements jedoch mindestens 0,2 Gew.-% beträgt.
3. Turbinenschaufelwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass er 4 bis 11 Gew.-% Nickel und total 0,5 bis 4 Gew.-% mindestens eines der Elemente Kupfer, Titan, Aluminium enthält, dergestalt, dass der Gehalt jedes einzelnen Elements mindestens 0,2 Gew.-% beträgt.
4. Turbinenschaufelwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass er 1 bis 4 Gew.-% Molybdän und je 0,5 bis 3 Gew.-% Titan oder Aluminium oder 1 bis 4 Gew.-% Molybdän, 0,25 bis 2 Gew.-% Titan und 0,25 bis 2 Gew.-% Aluminium enthält.
5. Turbinenschaufelwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass er 22 bis 29 Gew.-% Chrom, 4 bis 11 Gew.-% Nickel, 2 bis 3 Gew.-% Molybdän, 0,5 bis 2,5 Gew.-% Titan, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Aluminium und 0,01 bis 0,06 Gew.-% Kohlenstoff enthält.
6. Turbinenschaufelwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass er 2 bis 6 Gew.-% Nickel, 4 bis 8 Gew.-% Mangan und total 0,5 bis 4 Gew.-% mindestens eines der Elemente Kupfer, Titan, Aluminium enthält, dergestalt, dass der Gehalt jedes einzelnen Elements mindestens 0,2 Gew.-% beträgt.
7. Turbinenschaufelwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er 0,2 bis 1,5 Gew.-% Stickstoff enthält.
8. Turbinenschaufelwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er 2 bis 6 Gew.-% Nickel, 4 bis 8 Gew.-% Mangan, 0,5 bis 3 Gew.-% Kupfer und 0,2 bis 1,5 Gew.-% Stickstoff enthält.
9. Turbinenschaufelwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er 24 bis 28 Gew.-% Chrom, 3 bis 5 Gew.-% Nickel, 4 bis 8 Gew.-% Mangan, 1,5 bis 3 Gew.-% Molybdän, 0,2 bis 0,6 Gew.-% Stickstoff, 0,01 bis 0,06 Gew.-% Kohlenstoff und 1,5 bis 3,5% Kupfer enthält.
10. Turbinenschaufelwerkstoff nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Streckgrenze von mindestens 800 MPa, eine Bruchdehnung von mindestens 15% für ein Verhältnis Probenlänge :Probendurchmesser = 4,4 und eine Dauerwechselfestigkeit bezogen auf Zug/Druck unter einer belüfteten 4 N NaCl-Lösung mit pH = 5 bei 80 °C, von mindestens 350 MPa ohne statische Vorlast und von mindestens ± 250 MPa unter einer statischen Vorlast von

+ 250 MPa bezogen auf 108 Lastwechsel, sowie eine Kerbschlagzähigkeit von mindstens 50 J pro cm2 aufweist.
II. Verfahren zur Herstellung eines Turbinenschaufel-werkstoffes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten unter Vakuum geschmolzen und gegossen werden, dass der auf diese Weise erzeugte Gussbarren in einem Temperaturbereich zwischen 1000 °C und 1250 °C einer Warmverformung mit einer Querschnittsabnahme von mindestens 50% unterworfen wird und das auf diese Weise erzeugte Werkstück von besagter Temperatur direkt in Wasser abgeschreckt, spanabhebend bis zur endgültigen Form bearbeitet und anschliessend im Temperaturbereich zwischen 300 und 650 °C während l bis 8 h zwecks Ausscheidungshärtung wärmebehandelt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmverformung bei einer Temperatur von 1050 c C und die Ausscheidungshärtung während 1 bis 4 h durchgeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmverformung zunächst bis zu einer Querschnittsabnahme von 75% bei fallender Temperatur zwischen

1250 °C und 1050 °C und darauffolgend bis zu einer weiteren relativen Querschnittsabnahme von 50% bezogen auf den vorangegangenen Querschnitt isotherm bei einer Temperatur von 1050 °C und die Ausscheidungshärtung während 1 bis 4 h durchgeführt wird.
14. Verwendung des Turbinenschaufelwerkstoffes nach Anspruch 1 als Dampfturbinenschaufel.
15. Verwendung des Turbinenschaufelwerkstoffes nach Anspruch 1 als Schaufel eines Turbokompressors.