CH666052A5

CH666052A5 - Verfahren zur herstellung einer verbrennungsturbinenschaufel mit hybridstruktur.

Info

Publication number: CH666052A5
Application number: CH3687/85A
Authority: CH
Inventors: Michael Anthony Burke
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1984-06-05
Filing date: 1985-08-28
Publication date: 1988-06-30
Also published as: EP0167291B1; SE450999B; SE8503876D0; US4540038A; BE903125A; JPH034301B2; EP0167291A3; CA1229717A; JPS60261659A; SE8503876L; EP0167291A2; IN165701B; DE3570463D1

Description

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PATENTANSPRUCH Verfahren zur Herstellung von richtungserstarrten Turbinenschaufeln für Verbrennungsturbinen, wobei eine Form, die geschmolzenes Metall enthält, in kontrollierter Weise gekühlt wird, so dass die Erstarrung ausreichend langsam erfolgt, um gerichtete Erstarrung, beginnend am Schaufelende, zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass man die Erstarrung überwacht und mit dem magnetischen Rühren des verbleibenden geschmolzenen Metalls etwa beim Beginn des Erstarrens des Fussbereichs beginnt und dann die Abkühlgeschwindigkeit der Schaufel auf einen Wert über demjenigen, bei der Richtungserstarrung auftritt, erhöht, wodurch eine Turbinenschaufel produziert wird, die einen richtungserstarrten Schaufelbereich und einen feingekörnten Fussbereich und keinen im wesentlichen inhomogenen Übergangsbereich zwischen Schaufel- und Fussteil aufweist.

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Verbrennungsturbinenschaufeln, beispielsweise für Flugzeugturbinen, Schiffsturbinen und landstationierte Gasturbinen. Die Erfindung benützt eine Zwei-Schritt-Erstarrung, um eine feingekörnte (nicht richtungserstarrte) Struktur im Fussbereich und eine richtungserstarrte Struktur im Schaufelbereich zu erhalten, um hiermit richtungserstarrte Turbinenschaufeln zu erzeugen.

Gasturbinen funktionieren durch Entziehen von Energie aus Gas bei hohen Temperaturen und hohem Druck, während es sich durch die Turbinenstrecke entspannt. Die heutigen Rotationskomponenten, die vom Gas angetrieben werden, sind aus Superlegierungen auf Nickelbasis hergestellt und werden gewöhnlich als Schaufeln bezeichnet.Wie in Fig. 1 dargestellt, bestehen sie aus einem Tragflügelprofilteil, der vom heissen Gasstrom angetrieben wird, und einem bearbeiteten Fussteil, welcher mit dem Turbinenrotor verbunden ist. Aufgrund der Natur des Carnotschen Kreisprozesses arbeiten Gasturbinen bei höheren Temperaturen mit höherem Wirkungsgrad, wodurch die Nachfrage nach Materialien mit höherer Temperaturbeständigkeit entstanden ist. Die hauptsächlichen Fehlerursachen für Turbinenschaufeln von beispielsweise Flugzeugturbinen und landstationierten Gasturbinen-Generatoren bei höheren Temperaturen waren Metallermüdung und das Fehlen des Kriechbruchwiderstands. Diese beiden Probleme können durch die Eliminierung von quer zur Hauptbelastungsrichtung verlaufenden Korngrenzen reduziert werden. So zeigen monokristalline und richtungserstarrte Schaufeln bekanntlich wesentlich erhöhte Hochtemperaturfestigkeit.

Obgleich grosse Korngrössen die gewünschten Eigenschaften im Hochtemperaturbetrieb verbessern, werden bei niedrigen Temperaturen gewisse mechanische Eigenschaften durch kleinere Korngrössen verbessert.Der Fussteil einer Turbinenschaufel, beispielsweise, wird bei wesentlich niedrigeren Temperaturen betrieben als der Schaufelteil und ist daher im wesentlichen Ermüdungsbelastungen ausgesetzt. Demzufolge sind die optimalen Strukturen für den Fussteil und den Schaufelteil einer Turbinenschaufel unterschiedlich, und in konventionellen Schaufeln muss daher in einem dieser Bereiche ein Kompromiss in Kauf genommen werden. Optimale Eigenschaften könnten erreicht werden mit einer Hybridstruktur, welche einen richtungserstarrten Schaufelteil und einen feingekörnten Fussteil umfasst.

In der Beschreibung der US-A-4.184.900 werden zwei unterschiedliche richtungserstarrte Bereiche hergestellt, um unterschiedliche Eigenschaften im Schaufel- und Fussteil zu erhalten. Die US-A-3.790.303 berichtet über die Verwendung einer eutektischen Legierung zur Herstellung einer hybriden Turbinenschaufel mit einem richtungserstarrten Schaufelteil und einer ungerichteten Struktur im Fussteil, wobei die elektische Zusammensetzung Mischungsinhomogenitäten unterbindet, welche bei Verwendung von nicht-eutektischen Zusammensetzungen auftreten würden.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von richtungserstarrten Turbinenschaufeln für Verbrennungsturbinen, bei dem eine Form, die flüssiges Metall enthält, in gesteuerter Weise ausreichend langsam gekühlt wird, um eine am Schaufelende beginnende Richtungserstarrung zu erlauben, dadurch gekennzeichnet, dass man die Erstarrung überwacht und mit dem magnetischen Rühren des verbleibenden geschmolzenen Metalls etwa beim Beginn des Erstarrens des Fussbereichs beginnt und dann die Abkühlgeschwindigkeit der Schaufel auf einen Wert über demjenigen, bei dem Richtungserstarrung auftritt, erhöht, wodurch eine Turbinenschaufel produziert wird, die einen richtungserstarrten Schaufelbereich und einen feingekörnten Fussbereich und keinen im wesentlichen inhomogenen Übergangsbereich zwischen Schaufel und Fussteil aufweist.

Zweckmässig hat die Turbinenschaufel eine hybride Kornstruktur, und sie kann auch mit nicht-eutektischen Legierungszusammensetzungen fabriziert werden. Die Schaufelbereiche sind richtungserstarrt, während die Fussteile feingekörnte, nichtgerichtete Struktur aufweisen.

Das Verfahren bedient sich einer ausreichend langsamen Kühlgeschwindigkeit, um gerichtete Erstarrung, beginnend am Schaufelende, zu gewährleisten, wobei die Erstarrung überwacht wird. Wenn die Erstarrung die Übergangszone zwischen dem Schaufel- und Fussbereich erreicht, wird mit dem magnetischen Rühren begonnen, um die Bildung einer inhomogenen Zone neben der gerade erstarrten Zone zu verhindern. Das Abkühlen wird sodann verstärkt, und zwar auf eine Geschwindigkeit, welche grösser ist als diejenige, bei der gerichtete Erstarrung erfolgt. Auf diese Weise wird eine Turbinenschaufel mit einer richtungserstarrten Schaufelzone und einem feingekörnten Fussteil erzeugt, ohne dass eine im wesentlichen inhomogene Zone im Übergangsbereich zwischen der Schaufel- und der Fusszone entsteht.

Die Erfindung wird nun beispielsweise unter Bezug auf die folgende Zeichnung beschrieben, wobei

Fig. 1 eine typische Turbinenschaufel mit Schaufel- und Fussteil,

Fig. 2 eine Folge von drei Diagrammen, die das Spektrum der gelösten Stoffe während der Erstarrung und die durch die Erhöhung der Erstarrungsgeschwindigkeit auftretende Inhomogenität darstellt, und

Fig. 3 die gerichtete Erstarrung durch kontrolliertes Herausziehen aus einem Ofen zeigt.

Die konventionelle Technologie zur Herstellung einer gerichtet erstarrten Turbinenschaufel mit feingekörntem Fussteil war für nicht-eutektische Legierungen unverwendbar, da eine ernsthafte Inhomogenität im Übergangsbereich zwischen Schaufel- und Fussteil auftrat. Wenn eine Turbinenschaufel mit einem richtungserstarrten Schaufelteil und einem feingekörnten Fussteil erzeugt wird, wobei der Schaufelbereich unter Bedingungen, die zu gerichteter Erstarrung führen (langsame Wachstumsgeschwindigkeit, hoher Temperaturgradient), und dann der Fussteil mit erhöhter Wachstumsgeschwindigkeit zur Erstarrung des Fussteils abgekühlt werden, wurde, wie in Fig. 2 gezeigt, gefunden, dass im Bereich, der sich gerade in der Erstarrung befand, als die Änderung der Kühlgeschwindigkeit auftrat, eine beachtliche Erhöhung der Konzentration der gelösten Stoffe auftritt, wie dies durch den linken Buckel in der Kurve nach Fig. 2C illustriert wird. Die meisten auf Nickel basierenden Superlegie5

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rungen, die gewöhnlich zur Herstellung von Gasturbinenschaufeln benützt werden, sind nicht-eutektisch. Bei solchen Turbinenschaufeln würde diese Inhomogenität eine Zone mit schlechteren mechanischen Eigenschaften produzieren. Es soll hier festgehalten werden, dass diese Konzentrationsinhomogenität auch auftreten würde, wenn die Fusszone als erstes zur Erstarrung gebracht würde.

Um das Auftreten einer Zone von Konzentrationsinhomogenitäten zu verhindern, wenn ein richtungserstarrter Schaufelteil mit einem feinkörnigen Fussteil verbunden werden soll, bedient sich die vorliegende Erfindung des magnetischen Rührens, um das Auftreten einer derartigen Zone zu verhindern. Das magnetische Rühren vermischt das an gelösten Stoffen angereicherte Band in der relativ massiven, noch geschmolzenen Fusszone, wodurch jegliche signifikanten Unterschiede in der Konzentration verhindert werden.

Das magnetische Rühren beruht auf dem Prinzip, dass auf einen elektrischen Leiter, der in einem magnetischen Feld liegt, eine senkrecht zu der vom Stromvektor und dem Vektor des magnetischen Feldes gebildeten Ebene gerichtete Kraft ausgeübt wird. Wenn der Leiter eine Flüssigkeit ist, führt diese Kraft zu einer Scherbewegung, so dass hierbei ein Rühreffekt entsteht. Magnetisches Rühren wurde beispielsweise beim Stranggiessen benützt, wie in der US-A-4.256.156 von Axel von Starck et al. beschrieben wird, welche am 17. März 1981 veröffentlicht wurde.

Die vorliegende Erfindung benützt magnetisches Rühren, um die Anreicherung von gelösten Stoffen wieder zu verteilen, welche an der Erstarrungsfront der richtungserstarrten Schaufelzone auftritt, um Inhomogenitäten beim Erhöhen der Kühlgeschwindigkeit zum Erzeugen der feinkörnigen Struktur für den Fussbereich zu verhindern.

Gerichtete Erstarrung kann erhalten werden, wie beispielsweise in Fig. 3 gezeigt, wenn die Erstarrung von einer gekühlten Kupferbasisplatte ausgeht und kontrollierte Erstarrung erzeugt wird, indem die Basisplatte langsam zusammen mit der Form aus der heissen Ofenzone abgezogen wird. Die Fusszone ist hier oben angeordnet, und die Schaufelzone wird zuerst aus dem Ofen gezogen. Schnellere Erstarrung kann durch schnelleres Herausziehen erhalten werden. Um eine homogene feinkörnige Struktur im Fussteil der Turbinenschaufel zu erzeugen, sollte das magnetische Rühren im wesentlichen gleichzeitig mit der Erhöhung der Wachstums-5 geschwindigkeit begonnen werden. Auf diese Weise beginnt die Erstarrung beim Schaufelteil, wobei das Wachsen bei relativ langsamem Herausziehen vor sich geht und die einzige Vermischung der Flüssigkeit durch natürliche Konvektion bedingt ist. Während des Herausziehens der Form erreicht die io Erstarrungsfront die Schaufel-Fuss-Übergangszone. Bei Erreichen dieses Punkts wird die Zuggeschwindigkeit erhöht auf einen Wert oberhalb des Bereichs, in dem gerichtete Erstarrung erfolgt, und das magnetische Rühren wird begonnen (gleichzeitig oder unmittelbar vor der Erhöhung der iä Abzugsgeschwindigkeit). Das magnetische Rühren wird durch Aktivierung des Systems durch das Hindurchleiten von elektrischem Strom durch die Flüssigkeit sowie durch die Magnetspulen (zur Herstellung des notwendigen Magnetfelds) begonnen. In diesem Fall erfolgt die schnellere Erstar-2o rung, welche zur feineren und besser ausgerichteten Kornstruktur führt, durch schnelleres Herausziehen, und das Vermischen der Flüssigkeit erfolgt durch magnetisches Rühren statt durch natürliche Konvektion. Auf diese Weise wird die Anreicherung der gelösten Stoffe vor der fortschreitenden Erstarrungsfront in die Flüssigkeit zerstreut, und eine chemisch homogenere Struktur wird erzeugt.

Auf diese Weise können Turbinenschaufeln erzeugt werden, welche richtungserstarrte (der Ausdruck «richtungser-starrt», wie hier verwendet, umfasst monokristallin) Struku-30 ren in der Schaufelzone, aber feingekörnte Strukturen in der Fusszone aufweisen und welche aus praktischen, nicht-eutek-tischen Legierungen bestehen, ohne Segregationsbänder im Bereich, in dem die Erstarrungsgeschwindigkeit erhöht wurde (im Schaufel-Fuss-Übergangsbereich) zu erzeugen. 35 Die spezielle Anordnung und das spezielle Verfahren zum Steuern der Kühlgeschwindigkeit, und auch die Vorrichtung /um magnetischen Rühren sind selbstverständlich nur Beispiele, und andere Verfahren zum Richtungserstarren und magnetischen Rühren können verwendet werden.

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2 Blatt Zeichnungen