DD276210A3

DD276210A3 - PROCESS FOR PREPARING AN EROSION PROTECTION FOR TURBINE SHOVELS

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; AT390964B; ATA42089A; DE3905347A1

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.The invention relates to a method for producing an erosion protection for turbine blades, in particular the saturated steam output stages of nuclear power turbines. According to the invention, by means of a suitable device, an electron beam or LASER beam is guided line by line over the surface of the turbine blade, whereby the heating depth and temperature can be regulated, and with the following fast parallel cooling of the processing zones to the minus temperature range, a precisely controlled controlled pattern transformation is achieved which results in the formation of a closed homogeneous, carbide-free martensite at the turbine blade surface.

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Erosionsschutzes für Turbinenschaufeln, insbesondere den Sattdampf-Endstufen von Kernkraftwerksturbinen.The invention relates to a method for producing an erosion protection for turbine blades, in particular the saturated steam output stages of nuclear power turbines.

Characteristics of the known state you technique

Turbinenschaufeln der Endstufen von Saud; Tipflurbinen unterliegen auf Grund der im Niederdruckteil verstärkt auskondensisrenden Wassertropfen einer erhöhten Erosion.Turbine blades of the final stages of Saud; Tip turbines are subject to increased erosion due to the water droplets condensing in the low-pressure part.

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.The constant impact occurs due to the high steam velocity and peripheral speed of the blades, with great force and leads to the destruction of the polished Schaufelblattfläch6 as well as to deep-frozen leaching, the strongest erosion damage at the blade leading edge and the pressure side are recorded. As a result of the constantly progressive destruction of the airfoil occur under the influence of other loads such as centrifugal force, tensile and compressive stresses on blade fractures that cause major damage and Maschinenausfäile. In order to eliminate this deficiency, the blade edges are provided according to the embodiments of DE-AS 2535251 with an edge protection made of a hard alloy, the dendrite structure is preferably aligned so that the Dend ite run uniformly transverse to the direction of droplet. The thus achieved improved erosion resistance, however, carries cen disadvantage of a special, expensive and expensive production cer stellite itself and the complicated connection with the blade and necessary adjustment and rework in itself.

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.Another disadvantage arises from the joining of the blade of two ve. different materials. In this case, voltage potentials are inevitably built up, which lead to cracks, separation phenomena or distortions dos thin-walled airfoil. The high cobalt content of Stellite also makes a use in Kernt 'raftworkon questionable, since even low radiation recordings, eg. B. caused by leaks or accidents, destructive effect. Even a partial use of the spatially multiple curved blade is not feasible because of the thinness and the associated loss of strength. In addition to the use of stellite strips, partial or full-surface coatings are likewise known by means of erosion-resistant active substances unknown to the blade material. For this purpose, wear-resistant cobalt or tungsten carbides are incorporated into the blade surface or, as stated in DE-OS 3151413, created as a complete coating. These Überzügo, especially used on thick-walled ceramic blades in Hofhtemperaturgasturbinen reduce the removal of Schaiifelblattfläche and simultaneously act as corrosion protection and thermal barrier.

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.The erosive leaching of the Wssf drop, the point of attack in the softer embedding material between the hard carbide ο η or nitrides, but also diose ancestors can not resist enough, especially since they are unsuitable for large thin-walled final stage blades due to the increased vibration load.

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.This basic process of erosive destruction also occurs in blades whose wear zones are covered with a hard martensite layer by means of conventional hardening methods, such as flame hardening or induction hardening (see DE-AS 2 211830). However, the grain sizes of the hard martensite that are present in the macroscopic range do not form a continuous closed surface on the blade. The embedded material, which is exposed for a relatively large area between the martensite grains, is in turn the cause of erosion susceptibility, as occurs in the surface hardening of thin-walled workpieces by the method of Flammhärtur. On the other hand, a dense, fine-grained and ero-monsistant, martensitic structure produced by through-hardening makes the blade inelastic and, to an unacceptable degree, increases the risk of breakage. An additional disadvantage is that melting technology-related carbides of the type C _n Cr _n , are embedded in the high-alloy blade material and interrupt the homogeneity of the hardness structure. On the surface, they form erosive weak points, and on the whole, they also represent the nucleus for embrittlement of the material under nuclear irradiation.

Deshalb if t es notwendig, auch die Karbide, wio z. B. dio Chromkafbide des Schaufeiwerkstoffos X 20Cr 13, im Gefüge weitestgehend zn beseitigen.Therefore, if necessary, the carbides, wio z. B. dio Chromkafbide the Schaufeiwerkstoffos X 20Cr 13, remove as far as possible in the structure zn.

Object of the invention

Die Erfindung hat rum Ziel, den starken Verschleiß der Endstufenschaufeln in Saudarr.pfturbinen durch erosive Abtragung zu verhindern.The invention has rum aim to prevent the heavy wear of the final stage blades in Saudarr.pfturbinen by erosive erosion.

Explanation of the essence of the invention The invention is based on the object, the Schaufelblattobojfläche without the use of material-foreign components

teilweise oder vollständig als geschlossene, harte, verschleißfeste Fläche auszubilden und die Anwendbarkeit der Lösung eispartially or completely form a closed, hard, wear-resistant surface and the usability of the solution ice

Peparaturte technology and the use of the blades in turbines with nuclear steam operation.

,* 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* Roughly the task is solved by having an ERO? ^: Onsschutz to verseher.do airfoil surface by means of a guided row by row in the advancing laser or electron beam for a short time to a predetermined depth and temperature erv »ä ^r mt is and an immediately subsequent rapid cooling, the formation einr.s homogeneous, closed at the surface of fine-grained martensitic structure causes. The cooling takes place up to the minus-temperature range and counteracts the process conditions existing under normal laser hardening by simultaneous external cooling. The broken with the high-energy laser beam in Scbmelzprozeß carbides are due to the high

Heat application speed dissolved and with the following deterrence a new formation of carbides in the resulting

mariensitischen Gofüge verhindert.prevented mariensitische Gofüge.

The process of structural transformation on thin-walled components with a complicated, spatially multiple curved contour can

somit gesteuert und zielgerichtet beeinflußt werden.thus controlled and targeted be influenced.

The rapid cooling, with which the upper critical cooling speed is exceeded, is due to Ur.ierkühlung

erwärmten Scliaufelzonen zu realisieren.to realize warmed cling fur clays.

For repair purposes or the regeneration of Schaufoln the Fehlvolumon is already destroyed by erosion Blade surface by means of build-up welding with an alloy corresponding to the foundry base material before Implementation of the process to compensate. In addition, a melting improving the Mertensitbildungsprozeß

von Kohlenstoff erfolgen.of carbon.

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.Di? Turbine blade mechanically prepared for its final contour, the material of which has the content of carbon required for martensite formation, are positioned with suitable devices so that line-by-line guidance of a LASER or electron beam is possible over the erosion protection zones to be formed by transformation hardening. The variable parameters for the formation of the erosion protection zone are the ancillary energy inputs, the cooling rate of the heated areas by means of immediate supercooling and the alloy composition of the blade material. The good controllability of the LASER odor electron beam allows, in contrast to the flame hardening, the heating depth and the temperature on the blade surface to be optimally designed and the Gofügeumwandlunn in connection with a simultaneous rapid cooling down to the Minusstemperaturbareich beyond the critical cooling rate to target targeted , This makes it possible to form a qualitatively novel, carbide-free, homogeneous, martensite-structured microstructure with a fine-grained structure in the surface of the spatially mohr-curved, thin-edged airfoils of the enduring blades of saturated steam turbines. The limitation of the protection zones on some subregions of the airfoil, as it adhered to some previous methods, is thus repealed. Due to the foreign-alloy-free martensite layer and the missing carbides, there is also the propensity to use the blades in nuclear steam turbines.

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.The method according to the invention can likewise be used for the regeneration of blades, provided that the blade volume is applied by means of build-up welding of an alloy which is inherent to the blade. illt and the fowl contour is reworked accordingly.

Claims

1. ancestor for the production of erosion protection for turbine blades made of high-alloy materials with embedded carbides, in which the Schaufolblattoüerfläche completely or partially receives a martensitic microstructure, characterized in that one with laser oc. __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________, although superimposed on a short period of time by intense parallel subcooling, the surface of the electron beam is superimposed with a full-merititic, carbide-free microstructure formation.

2. The method according to claim 1, characterized in that for the regeneration of a blade, the missing volume of the already destroyed by erosion blade surface is compensated by Auftragschweißon with an alloy corresponding to the blade base material and after the mechanical Anpaßarbeiten further processing according to claim 1.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that d :? Controllable microstructure transformation is influenced by a zonal martensite hardening process improving the melting of carbon.