DE102004024299A1

DE102004024299A1 - Geschweisstes Bauteil

Info

Publication number: DE102004024299A1
Application number: DE102004024299A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr. Bartsch; Richard Brendon Dr. Scarlin
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2004-05-15
Filing date: 2004-05-15
Publication date: 2005-12-01
Also published as: US20050255333A1; US7624909B2; US7314670B2; US20080067220A1

Abstract

Ein geschweißtes Bauteil (10) umfasst wenigstens ein Hochtemperatursegment (11) aus einem hochlegierten Cr-Stahl mit hoher Kriechfestigkeit und ein Niedertemperatursegment (12) aus einem niedriglegierten Stahl mit hoher Zähigkeit und/oder hoher Streckgrenze, die über eine Schweißverbindung (15) miteinander stoffschlüssig verbunden sind. Bei einem solchen Bauteil wird ein gradueller Übergang der chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften im Verbindungsbereich dadurch erreicht, dass zwischen der Schweißverbindung (15) und dem Hochtemperatursegment (11) wenigstens zwei aufeinander folgende aufgebutterte Schichten (13, 14) aus wengstens zwei niedriger legierten Schweißgütern mit zur Schweißverbindung hin abnehmendem Gesamtgehalt an die Kriechfestigkeit erhöhenden Elementen, wie beispielsweise Cr, Mo, W und V, und/oder mit zur Schweißverbindung hin zunehmendem Gesamtgehalt an die Zähigkeit und/oder die Streckgrenze erhöhenden Elementen, wie beispielsweise Ni und Mn, vorgesehen sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Turbomaschinen. Sie betrifft ein geschweisstes Bauteil gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils.
Rotoren von Turbomaschinen, z.B. von Dampf- oder Gasturbinen, haben im Allgemeinen ein Hochtemperatursegment und ein Niedertemperatursegment, die während des Betriebes mit hohen bzw. niedrigeren Temperaturen (von Dampf oder Heissgas) beaufschlagt werden. Im Hochtemperatursegment ist eine hohe Kriechfestigkeit erforderlich, die am besten durch hochlegierte Stähle mit einem hohen Cr-Anteil erreicht werden kann. Weitere Legierungselemente, wie beispielsweise Mo, W und V erhöhen zusätzlich die Kriechfestigkeit. Im Niedertemperatursegment sind demgegenüber eine hohe Streckgrenze und Zähigkeit nötig, die am besten mit einem niedriglegierten Stahl mit einem Ni-Anteil von z. B. 3,5% erreicht werden kann.
Die beste Lösung stellt in dieser Hinsicht ein geschweisster Rotor dar. Die unterschiedlichen Stähle der Segmente können dabei direkt miteinander verschweisst werden, wenn ein Schweissmetall einer zwischen den beiden Stählen liegenden Zusammensetzung verwendet wird (siehe dazu die US-A-6,499,946), und wenn der geschweisste Rotor einer nachfolgenden Wärmebehandlung (Post Weld Heat Treatment, abgekürzt PWHT) unterworfen wird, bevor er in Betrieb genommen wird. Diese Vorgehensweise hat jedoch zwei Nachteile:

– Es gibt quer zur Schweissverbindung eine abrupte Änderung in den chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften, die zu einer ungleichmässigen Belastung und zu einer verminderten Lebensdauer des Bauteils führt.
– Die Temperatur für die nachfolgende Wärmebehandlung PWHT ist ein Kompromiss zwischen den idealen Temperaturen für die beiden Stähle, d.h., sie ist zu hoch für den niedriglegierten Stahl (Erweichung) und zu niedrig für den hochlegierten Stahl (geringe Zähigkeit und hohe restliche Schweisseigenspannungen).

Alternativ zur oben beschriebenen Lösung kann der hochlegierte Stahl zunächst mit einem Schweissauftrag eines Stahls mit einem etwas geringeren Cr-Anteil und einer geringeren Kriechfestigkeit versehen und dann einer Wärmebehandlung PWHT typischerweise bei einer Temperatur unterworfen werden, welche ca. 20°C unterhalb der Anlasstemperatur des Hochtemperatursegment-Grundwerkstoffes liegt, d.h. bei einer Temperatur, bei der die Schweissresteigenspannungen weitgehend abgebaut werden ohne nennenswerte Abnahme der Festigkeitswerte. Sodann wird er mittels eines Schweissmetals von etwas niedrigerer Kriechfestigkeit (und niedrigerem Cr-Gehalt) mit dem niedriglegierten Segment verschweisst. Schliesslich wird das verschweisste Bauteil einer Wärmebehandlung PWHT bei einer für den niedriglegierten Stahl geeigneten Temperatur unterzogen (US-A-4,962,586), d.h. wiederum ca. 20°C unterhalb der Anlasstemperatur des Niedertemperatursegment-Grundwerkstoffes. Der Nachteil dieser Lösung liegt darin, dass nach wie vor ein abrupter, stufenweiser Übergang in den chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften vorhanden ist.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein geschweisstes Bauteil der eingangs genannten Art zu schaffen, welches sich durch einen graduellen Übergang in den chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften vom einen Segment zum anderen Segment auszeichnet, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, zwischen der Schweissverbindung und dem Hochtemperatursegment wenigstens zwei aufeinanderfolgende aufgebutterte Schichten aus wenigstens zwei niedriger legierten Schweissgütern mit zur Schweissverbindung hin abnehmendem Gesamtgehalt an Elementen, welche dem Stahl eine hohe Kriechfestigkeit verleihen, wie z. B. Cr, Mo, W und V, und/oder zunehmenden Gesamtgehalt an Elementen, welche die Zähigkeit und/oder die Streckgrenze erhöhen, wie z. B. Ni oder Mn, vorzusehen. Hierdurch wird auf einfache Weise der gewünschte graduelle Übergang zwischen den verschweissten Segmenten in den chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften erreicht.

Um auch bei grösseren Schichtdicken einen gleichmässigen Aufbau der aufgebutterten Schichten zu erzielen, ist es von Vorteil, wenn die aufgebutterten Schichten jeweils aus mehreren nacheinander aufgebrachten Schweissraupen geringer Dicke bestehen. Gemäss einer bevorzugten Weiterbildung weisen die aufgebutterten Schichten jeweils eine Dicke von mehreren Millimetern, insbesondere 8 bis 15 mm, besonders bevorzugt etwa 10 mm, auf.

Als in der Praxis für Rotoren besonders geeignet hat sich erwiesen, dass das Hochtemperatursegment aus einem 8,5 bis 13%Cr-Stahl besteht, dass die erste aufgebutterte Schicht aus einem 4 bis 6%CrMo-Stahl und die zweite aufgebutterte Schicht aus einem 1,8 bis 2,5%CrMo-Stahl besteht, dass das Niedertemperatursegment aus einem 0,8 bis 3,7%Ni0,8 bis 2,5%Cr-Stahl besteht, und dass die Schweissverbindung mit einem Schweissgut aus 0,8 bis 2,7%Ni0,5 bis 1,3%Cr-Stahl aufgebaut ist. Die Schweissverbindung weist dabei eine Dicke von mehreren Millimetern, insbesondere bis zu 30 mm, auf.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass zum Aufbringen der aufgebutterten Schichten jeweils nacheinander einzelne Schweissraupen geringer Dicke aufgebracht werden.

Wenn das Hochtemperatursegment aus einem 8,5 bis 13%Cr-Stahl besteht, werden zum Erzeugen der ersten aufgebutterten Schicht vorzugsweise Schweissraupen aus einem 4 bis 6%CrMo-Stahl und zum Erzeugen der zweiten aufgebutterten Schicht Schweissraupen aus einem 1,8 bis 2,5%CrMo-Stahl aufgebracht, und im zweiten Schritt wird das Hochtemperatursegment mit den aufgebutterten Schichten während 10 Stunden auf 670 ±10°C spannungsarm geglüht.

Wenn das Niedertemperatursegment aus einem 0,8 bis 3,7%Ni0,8 bis 2,5Cr-Stahl besteht, wird die Schweissverbindung vorzugsweise unter Verwendung eines Schweissgutes aus 0,8 bis 2,7%Ni0,5 bis 1,3%Cr-Stahl hergestellt, und das Bauteil wird im vierten Schritt während 10 Stunden auf 590 ±10°C spannungsarm geglüht.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen
1 in einer schematischen Darstellung einen Schnitt durch die Nahtvorbereitung des Hochtemperatursegmentes für die Verbindungsschweissung mit dem Niedertemperatursegment gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 der Verlauf der gemessenen Anteile an Cr, Mo und Ni in einem ersten Teilbereich der zu 1 vergleichbaren Schweissverbindung nach 5;
3 der Verlauf der gemessenen Anteile an Cr, Mo und Ni in einem zweiten Teilbereich der zu 1 vergleichbaren Schweissverbindung nach 5;
4 der gemessene Verlauf der Kleinlasthärte über die Schweissverbindung nach 5; und
5 den Makroschliff durch eine gemäss 1 realisierte Schweissverbindung.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In 1 ist in einer schematischen Darstellung ein Schnitt durch die Nahtvorbereitung des Hochtemperatursegmentes für die Verbindungsschweissung mit dem Niedertemperatursegment gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben. In 5 ist ein Makkroschliff durch eine gemäss 1 realisierte Schweissverbindung dargestellt. Beide Figuren sollten gleichzeitig betrachtet werden.
Das Bauteil 10, beispielsweise ein Rotor einer Dampfturbine oder Gasturbine, von dem in den 1 und 5 nur ein kleiner Ausschnitt gezeigt ist, umfasst ein Hochtemperatursegment 11 und ein Niedertemperatursegment 12, die aus unterschiedlichen, der jeweiligen Einsatztemperatur angepassten Stählen bestehen. Sie sind gemäss 5 über eine Schweissverbindung 15 stoffschlüssig miteinander verbunden sind. In 1 ist der Zustand unmittelbar vor der Verbindungsschweissung der beiden Segmente 11, 12 dargestellt. Die Stelle an der sich später die Schweissnaht 15 mit einer Dicke c befindet ist, ist mit einer gestrichelten Bezugslinie gekennzeichnet und die Positionen 15 und c sind in Klammern gesetzt.
Zwischen der Schweissverbindung 15 und der Verbindungsfläche 16 des Hochtemperatursegments 11 sind direkt aufeinanderfolgend zwei aufgebutterte Schichten 13 und 14 angeordnet, die einen graduellen Übergang zwischen den beiden Segmenten 11 und 12 in den chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften bewirken. Dies wird erreicht durch eine angepasste Auswahl der Werkstoffe für die aufgebutterten Schichten 13, 14 und die Schweissverbindung 15, für die ebenfalls legierte Stähle eingesetzt werden.
Für ein Bauteil 10 in Form eines Rotors für eine Turbomaschine haben sich in der Praxis die folgenden legierten Stähle für die Segmente 11, 12 und die Schichten 13, 14 und 15 bewährt (Anteile der Legierungselemente in Gew.-%):
Mit den in der obigen Tabelle aufgeführten Materialzusammensetzungen wurde eine Schweissverbindung zwischen dem Hochtemperatursegment 11 (aus 10%Cr-Stahl) und dem Niedertemperatursegment 12 hergestellt, deren Schliffbild in 5 wiedergegeben ist.
Bei der Herstellung der Schweissverbindung wurden zunächst nacheinander durch Auftragsschweissung die beiden aufgebutterten Schichten 13 und 14 auf die Verbindungsfläche 16 des Hochtemperatursegments 11 aufgebracht. Jede der 10 mm dicken aufgebutterten Schichten 13, 14 wurde dabei durch nacheinander aufgebrachte Schweissraupen (einzelne Lagen) geringer Dicke gebildet.
Nach dem Aufbringen der gebutterten Schichten 13, 14 auf das Hochtemperatursegment 11 wurde das Hochtemperatursegment 11 mit den aufgebutterten Schichten 13, 14 bei 670 ±10°C über 10 h angelassen (spannungsarm geglüht). Danach wurde die Schweissnahtvorbereitung (Nutform für die Verbindungsschweissung zwischen dem Hochtemperatursegment 11 und dem Niedertemperatursegment 12) durch mechanische Bearbeitung hergestellt. Dieser Zustand ist in 1 dargestellt.
Anschliessend wurden das Hochtemperatursegment 11 mit den aufgebutterten Schichten 13, 14 und das Niedertemperatursegment 12 miteinander unter Bildung einer 20 mm dicken Schweissverbindung 15 (siehe 5) verschweisst, wobei als Schweissgut eine 2,5NiCrMo-Legierung verwendet wurde. Nach dem Verschweissen wurde das Bauteil 10 bei 590 ±10°C über 10 h angelassen (spannungsarm geglüht).
Am Bauteil 10 mit der fertigen Schweissverbindung wurden die Konzentrationen in Gew.-% der Elemente Cr, Mo und Ni in Abhängigkeit von der Ortskoordinate (x) quer zur Verbindungsfläche gemessen. Die Ergebnisse sind in 2 und 3 wiedergegeben, wobei die Kurve (1) jeweils den Cr-Anteil, die Kurve (2) jeweils den Mo-Anteil und die Kurve (3) jeweils den Ni-Anteil darstellt. Man erkennt deutlich, dass bereits mit einem einfachen 2-Schichtenaufbau aus aufgebutterten Schichten ein sehr gleichmässiger Übergang insbesondere der Cr-Konzentration im Verbindungsbereich zu erzielen ist.
In 4 ist der Verlauf des gemessenen Kleinlasthärteprofils HV1 über der Ortskoordinate x aufgetragen. Die in das Diagramm eingezeichneten Dreiecke markieren dabei die Schmelzlinien zwischen den einzelnen Schichten bzw. Segmenten. Abgesehen von einem Härteminimum von 200 HV1 für die zweite aufgebutterte Schicht 14 ergibt sich ein sehr gleichmässiger Härteverlauf.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann beispielsweise die Dicke der aufgebutterten Schichten 13, 14 jeweils im Bereich von etwa 8 bis 15 mm liegen und die Zusammensetzung der Materialien für die aufgebutterten Schichten 13, 14 und die Segmente 11, 12 kann ebenfalls in gewissen Grenzen schwanken. Für das Hochtemperatursegment 11 ist ein Stahl mit 8,5 bis 13 % Cr, insbesondere 10 % Cr, vorteilhaft einsetzbar und für das Niedertemperatursegment 12 ein Stahl mit 0,8 bis 3,7 % Ni, vorzugsweise 3,5 % Ni, und 0,8 bis 2,5 % Cr. Die erste aufgebutterte Schicht 13 besteht aus einem 4 bis 6%CrMo-Stahl, vorzugsweise 5%CrMo-Stahl und die zweite aufgebutterte Schicht 14 aus einem 1,8 bis 2,5%CrMo-Stahl, vorzugsweise 2%CrMo-Stahl. Für die Schweissverbindung 15 ist ein 0,8 bis 2,7%Ni0,5 bis 1,3%Cr-Stahl von Vorteil.
Abschliessend ist beispielhaft dargestellt, wie durch die Aufschmelzung der einzelnen Lagen bei der Auftragsschweissung der Schichten 13, 14 die Analyse gesteuert werden kann. Mit x1 ist der Anteil der vorherigen Lage und mit x2 der Anteil der neuen Lage bezeichnet, wobei gilt:
x1 = 1/3 bis 2/3
x2 = 1 – x1
5% Cr-Aufmischunq:
Für einen Grundwerkstoff mit 11 % Cr gilt für die einzelnen Lagen: x1·11 % Cr + x2·5% Cr, also

1. Lage: 1/2·11% Cr + 1/2·5% Cr = 8% Cr
2. Lage: 1/3·8% Cr + 2/3·5% Cr = 6% Cr
3. Lage: 1/3·6% Cr + 2/3·5% Cr = 5,3% Cr
4. Lage: 1/3·5,3% Cr + 2/3·5% Cr = 5,1% Cr

Es sind also 4 Schweisslagen nötig, um vom Cr-Gehalt des Grundwerkstoffes (11 %) auf die ca. 5 % Cr der Aufbutterung zu gelangen.
2,25% Cr-Aufmischunq:

1. Lage: 0,6·5,1% Cr + 0,4·2,25% Cr = 4% Cr
2. Lage: 0,6·4% Cr + 0,4·2,25% Cr = 3,3% Cr
3. Lage: 0,6·3,3% Cr + 0,4·2,25% Cr = 2,9% Cr

10: Bauteil (Rotor)
11: Hochtemperatursegment
12: Niedertemperatursegment
13,14: aufgebutterte Schicht
15: Schweissverbindung
16: Verbindungsfläche (Hochtemperatursegment)
a,b,c: Dicke

Claims

Geschweisstes Bauteil (10), welches wenigstens ein Hochtemperatursegment (11) aus einem hochlegierten Cr-Stahl mit hoher Kriechfestigkeit und ein Niedertemperatursegment (12) aus einem niedriglegierten Stahl mit hoher Zähigkeit und/oder hoher Streckgrenze umfasst, die über eine Schweissverbindung (15) miteinander stoffschlüssig verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Schweissverbindung (15) und dem Hochtemperatursegment (11) wenigstens zwei unterschiedliche aufeinanderfolgende aufgebutterte Schichten (13, 14) aus wenigstens zwei niedriger legierten Schweissgütern mit zur Schweissverbindung hin abnehmendem Gesamtgehalt an Elementen, welche die Kriechfestigkeit erhöhen und/oder zunehmendem Gesamtgehalt an Elementen, welche die Zähigkeit erhöhen, vorgesehen sind.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgebutterten Schichten (13, 14) jeweils aus mehreren nacheinander aufgebrachten Schweissraupen geringer Dicke bestehen.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgebutterten Schichten (13, 14) jeweils eine Dicke (a, b) von mehreren Millimetern, insbesondere etwa 8 bis 15 mm, vorzugsweise 10 mm, aufweisen.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochtemperatursegment (11) aus einem 8,5 bis 13%Cr-Stahl besteht, und dass die erste aufgebutterte Schicht (13) aus einem 4 bis 6%CrMo-Stahl und die zweite aufgebutterte Schicht (14) aus einem 1,8 bis 2,5%CrMo-Stahl besteht.
Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Niedertemperatursegment (12) aus einem 0,8 bis 3,7%Ni0,8 bis 2,5%Cr-Stahl besteht, und dass die Schweissverbindung (15) mit einem Schweissgut aus 0,8 bis 2,7%Ni0,5 bis 1,3%Cr-Stahl aufgebaut ist.
Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweissverbindung (15) eine Dicke (c) von mehreren Millimetern, insbesondere bis zu 30 mm, aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Rotor (10) einer Dampfturbine oder Gasturbine ist.
Verfahren zum Herstellen eines geschweissten Bauteils (10), dadurch gekennzeichnet, dass, ausgehend von zwei separat vorliegenden Segmenten (11, 12), in einem ersten Schritt auf eine Verbindungsfläche (16) des Hochtemperatursegments (11) nacheinander durch Auftragsschweissen wenigstens zwei aufgebutterte Schichten (13, 14) aufgebracht werden, dass in einem zweiten Schritt das Hochtemperatursegment (11) mit den aufgebutterten Schichten (13, 14) einer für das Material des Hochtemperatursegments (11) geeigneten Wärmebehandlung unterworfen wird, dass in einem dritten Schritt das Hochtemperatursegment (11) über die wenigstens zwei aufgebutterten Schichten (13, 14) mit dem Niedertemperatursegment (12) verschweisst wird, und dass in einem vierten Schritt die verschweissten Segmente (11, 12) einer für das Material des Niedertemperatursegments (12) geeigneten Wärmebehandlung bei einer tieferen Temperatur unterworfen werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen der aufgebutterten Schichten (13, 14) jeweils nacheinander einzelne Schweissraupen geringer Dicke aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochtemperatursegment (11) aus einem 8,5 bis 13%Cr-Stahl besteht, dass zum Erzeugen der ersten aufgebutterten Schicht (13) Schweissraupen aus einem 5 bis 6%CrMo-Stahl und zum Erzeugen der zweiten aufgebutterten Schicht (14) Schweissraupen aus einem 1,8 bis 2,5%CrMo-Stahl aufgebracht werden, und dass im zweiten Schritt das Hochtemperatursegment (11) mit den aufgebutterten Schichten (13, 14) während 10 h auf 670 ±10°C spannungsarm geglüht wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Niedertemperatursegment (12) aus einem 0,8 bis 3,7%Ni0,8 bis 2,5Cr-Stahl besteht, dass die Schweissverbindung (15) unter Verwendung eines Schweissgutes aus 0,8-2,7%Ni0,5 bis 1,3%Cr-Stahl hergestellt wird, und dass das Bauteil (10) im vierten Schritt während 10 h auf 590 ±10°C spannungsarm geglüht wird.