DD276210A3

DD276210A3 - Verfahren zur herstellung eines erosionsschutzes fuer turbinenschaufeln

Info

Publication number: DD276210A3
Application number: DD30262587A
Authority: DD
Inventors: Wilfried Storch; Fritz Muehl; Klaus-Rainer Schulze; Wolfgang Loeschau
Original assignee: Bergmann Borsig Veb
Priority date: 1987-05-11
Filing date: 1987-05-11
Publication date: 1990-02-21
Also published as: CH677236A5; DE3905347A1; AT390964B; ATA42089A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Erosionsschutzes fuer Turbinenschaufeln, insbesondere den Sattdampf-Endstufen von Kernkraftwerksturbinen. Erfindungsgemaess wird mittels einer geeigneten Vorrichtung ein Elektronen- oder LASER-Strahl zeilenweise ueber die Oberflaeche der Turbinenschaufel gefuehrt, wobei die Aufheiztiefe und Temperatur regulierbar ist, und mit der nachfolgenden schnellen parallel verlaufenden Abkuehlung der Bearbeitungszonen bis in den Minustemperaturbereich eine exakt bemessene gesteuerte Gefuegeumwandlung erreicht wird, die zur Bildung eines geschlossenen homogenen, von Karbiden freien Martensitgefueges an der Turbinenschaufeloberflaeche fuehrt.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

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

Charakteristik des bekannten Standes dir Technik

Turbinenschaufeln der Endstufen von Saud; Tipflurbinen unterliegen auf Grund der im Niederdruckteil verstärkt auskondensisrenden Wassertropfen einer erhöhten Erosion.

Der ständige Aufprall erfolgt, bedingt durch die hohe Dampfgeschwindigkeit und Umfangsgeschwindigkeit dei Laufschaufeln, mit großer Kraft und führt zur Zerstörung der polierten Schaufelblattfläch6 sowie zu tiefrissigen Auswaschungen, wobei dio 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 Maschinenausfäile nach sich ziehen. Um diesen Mangel zu beseitigen, werden die Schaufelkanten gemäß den Ausführungen der DE-AS 2535251 mit einem Kantenschutz aus einer Hartlegierung versehen, deren Dendritenstruktur vorzugsweise so ausgerichtet ist, daß die Dend ite einheitlich quer zur Tropfenaufschlagsrichtung verlaufen. Die so erzielte verbesserte Erosionsbeständigkeit trägt jedoch cen Nachteil einer speziellen, teuren und aufwendigen Fertigung cer Stellitleiste selbst und der komplizierten Verbindung mit dem Schaufelblatt sowie notwendigen Anpaß- und Nacharbeit in sich.

Ein weiterer Nachteil entsteht durch das Fügen des Schaufelblattes aus zwei ve. schied6nartigen Werkstoffen. Dabei werden zwangsläufig Spannungspotentiale aufgebaut, die zu Rissen, Ablösungsorscheinungen bzw. Verkrümmungen dos dünnwandigen Schaufelblattes führen. Der hohe Kobaltanteii der Stellite macht zudem einen Einsatz in Kernt' raftworkon fraglich, da bereits geringe Strahlungsaufnahmen, z. B. durch Leckagen oder Havarien hervorgerufen, 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 Stellitleisten sind gleichfalls teil- oder ganzflächige Beschichtungen mittels erosionsresistenteren, dem Schaufeiwerkstoff fremden Wirkstoffen bekannt. Dazu werden verschleißfeste Kobalt- oder Wolframkarbido in die Schaufeloberfläche eingelagert bzw. - wie in der DE-OS 3151413 ausgeführt -als vollständiger Überzug erstellt. Diese Überzügo, speziell an dickwandigen Keramikschaufeln in Hofhtemperaturgasturbinen eingesetzt, mindern den Abtrag der Schaiifelblattfläche und wirken gleichzeitig als Korrosionsschutz und Thermobarriere.

Den erosiven Auswaschungen der Wssf ertropfen, deren Angriffspunkt im weicheren Einbettungswerkstoff zwischen den harten Karbid ο η bzw. Nitriden liegt, können jedoch auch diose Vorfahren 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 Verschleißzonen mittels herkömmlicher Härteverfahren, wie Flamm- oder Induk.ionshärtung (s. DE-AS 2 211830) 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 Martensitkörnern freiliegende Einbett'jnnswerkstoff ist wiederum die Ursache der Erosionsanfa'Higkeit, wie sie bei der Oberflächenhärtung dünnwandiger Werkstücke nach dem Verfahren der Flammhärtur.g auf'ritt. Ein mit Durchhärteverfahren erzieltes dichtes, feinkörniges und ero.-Monsresistentes, 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 C_nCr_n, im hochlegierten Schaufelwerkstoff eingelagert sind und die Homogenität der Härtestruktur unterbrechen. An der Oberfläche liegend bilden sie erosivo Schwachstellen, und insgesamt gesehen stellen sie zudem dio Keimzelle für eine Versprödung des Werkstoffes bei nuklearer Bestrahlung dar.

Deshalb if t es notwendig, auch die Karbide, wio z. B. dio Chromkafbide des Schaufeiwerkstoffos X 20Cr 13, im Gefüge weitestgehend zn beseitigen.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat rum Ziel, den starken Verschleiß der Endstufenschaufeln in Saudarr.pfturbinen durch erosive Abtragung zu verhindern.

Darlegung des Wesen« der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schaufelblattobojfläche ohne Verwendung werkstofffremder Bestandteile

teilweise oder vollständig als geschlossene, harte, verschleißfeste Fläche auszubilden und die Anwendbarkeit der Lösung eis

Peparaturtechnologie sowie den Einsatz der Schaufeln in Turbinen mit nuklearem Dampfbetrieb zu ermöglichen.

,* rfindungsgsmäß wird die Aufgabe gelöst, indem die mit einem Ero?^:onsschutz zu verseher.do Schaufelblattoberfläche mittels eines zeilenweise im Vorschub geführten Laser- oder Elektronenstrahls kurzzeitig auf eine vorbestimmte Tiefe und Temperatur erv»ä^rmt wird und eine sofort nachfolgende schnelle Abkühlung die Bildung einr.s homogenen, an der Oberfläche geschlossenen feinkörnigen martensitischen Gefüges bewirkt. Die Abkühlung erfolgt bis in den Minustemperaturbereich und entgegpn den bei üblicher Laserhärtung bestehenden Verfahrensbedingungen durch eine zeitgleich ablaufende Fremdkühlung. Dabei werden die mit dem hochenergetischen Laserstrahl im Scbmelzprozeß aufgebrochenen Karbide infolge der hohen

Wärmceintragsgoschwindigkeit gelöst und mit der folgenden Abschreckung eine Neubildung von Karbiden im entstehenden

mariensitischen Gofüge verhindert.

Der Prozeß der Gefügsumwandlung 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 Ur.ierkühlung der

erwärmten Scliaufelzonen zu realisieren.

Für Reparaturzwecke bzw. der Regenerierung von Schaufoln ist das Fehlvolumon der bereits durch Erosion zerstörten Schaufeloberfläche mittels Auftragsschweißung mit einer dem Sch?ufelgrundwerkstoff entsprechenden Legierung vor der Durchführung des Verfahrens auszugleichen. Zusätzlich kann eine den Mertensitbildungsprozeß verbessernde Einschmelzung

von Kohlenstoff erfolgen.

Ausführungsbelsplel

Di? mechanisch auf ihre Endkontur vorbereiteten Turbinenschaufel, deren Werkstoff den zur Martensitbildung notwendigen Gehalt an Kohlenstoff aufweist, werden mit geeigneten Vorrichtungen so positioniert, daß die zeilenweise Führung eines LASER- oder Elektronenstrahls über die durch Umwandlungshärtung auszubildende Erosionsschutzzonen möglich ist. Als variable Parameter /ur Ausbildung der Erosicnsschutzzone gelten die vorfahrensspe.'ifischen Energieeinträge, die Abkühlgeschwindigkeit der erhitzten Bereiche mittels sofortiger Unterkühlung und die Legiarungszusammensetzung de*s Schaufelwerkstoffes. Die gute Regulierbarkeit des LASER- odor Elektronenstrahls gestattet es, im Gegensatz zum Flammhärten die Aufhei.ttiefe sowie die Temperatur an der Schaufeloberfläche optimal zu gestalten und die Gofügeumwandlunn im Zusammenhang mit einer zeitgleichen schnellen Abkühlung bis in den Minustemperaturbareich über die kritische Abkühlgeschwindigkeit hinaus zielgerichtet zu steuern. Damit wird es möglich, in der Oberfläche der räumlich mohrfach gekrümmten dünnwendigen Schaufelblätter der Enditüierischaufeln von Sattdampfturbinen ein qualitativ neuartiges, karbidfreies, homogenes, martensitisrhne 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 der fremdlegierungsfreien Martensitschicht und der fehlenden Karbide ist auch die Verf ehrensunbedenklichkeit zum Einsatz der Schaufeln in nukleardampfbeaufscr.'agien Turbinen gegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann gleichfalls zur Regenerierung von Schaufeln angewendet wer len, sofern das Schaufelvoliimen mittels Auftragsschweißung einer dem Schaufelwerkstcff eigenen Legierung aufgt. illt und die fchaufelkontur entsprechend nachgearbeitet ist.

Claims

1. Vorfahren zur Herstellung eines Erosionsschutzes für Turbinenschaufeln aus hochlegierten Werkstoffen mit eingelagerten Karbiden, bei denen die Schaufolblattoüerfläche vollständig oder teilweise ein martensitisches Gefüge erhält, gekennzeichnet dadurch, daß eine mit Laser- oc. τ Elektronenstrahlen kurzzeitig erzeugte intensive Oberflächenaufhei«;ung Z9itgleich durch eine schnelle parallele Unterkühlung in den Minustemperaturbereich überlagert wird urjd zu einer vollmariensitischen, von Karbiden freien Gefügeausbildung führt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Regenerierung einer Schaufel das Fehlvolumen der bereits durch Erosion zerstörten Schaufeloberfläche mittels Auftragsschweißon mit einer dem Schaufelgrundwerkstoff entsprechenden Legierung ausgeglichen wird und nach den mechanischen Anpaßarbeiten die weitere Bearbeitung gemäß Anspruch 1 erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß d:? steuerbare Gefügeumwandlung durch eine zonale, den MartensitbiiHwnrisprozeß verbessernd Einschmelzung von Kohlenstoff beeinflußt wird.