DE102012222745A1

DE102012222745A1 - Einkristalline Turbinenschaufel aus Titanaluminid

Info

Publication number: DE102012222745A1
Application number: DE201210222745
Authority: DE
Inventors: Florian Zenzinger; Dr. Werner André
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2014-06-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer einkristallinen Turbinenschaufel für eine Strömungsmaschine, wie beispielsweise eine stationäre Gasturbine oder ein Flugtriebwerk aus einem TiAl-Werkstoff, sowie eine entsprechend hergestellte Turbinenschaufel (10).

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Turbinenschaufeln für eine Strömungsmaschine aus einem TiAl-Werkstoff sowie ein Verfahren zur Herstellung entsprechender Turbinenschaufeln.
STAND DER TECHNIK
In stationären Gasturbinen oder Flugtriebwerken werden Turbinenschaufeln eingesetzt, die entgegen ihrem Namen nicht nur in der eigentlichen Turbine, sondern auch im Verdichter Verwendung finden können. Diese Turbinenschaufeln umfassen Leitschaufeln und Laufschaufeln, wobei die Laufschaufeln aufgrund der Rotationsbewegung, die sie während des Betriebs erfahren, besonders hohen Belastungen hinsichtlich der auftretenden Fliehkräfte ausgesetzt sind. Da zudem im Betrieb aggressive Umgebungsbedingungen wie hohe Temperaturen und aggressive Gase vorhanden sind, müssen derartige Turbinenschaufeln vielfältige Eigenschaften aufweisen.
So ist beispielsweise neben einer ausreichend hohen Festigkeit und guten Hochtemperaturbeständigkeit insbesondere eine ausreichend gute Kriechfestigkeit erforderlich, da im Betrieb hohe mechanische Belastungen bei hohen Temperaturen auftreten. Zudem sollen derartige Turbinenschaufeln möglichst leicht ausgebildet sein, um die auftretenden Fliehkräfte zu minimieren und bei Flugtriebwerken insgesamt das Gewicht niedrig zu halten.
Aus diesem Grund sind Werkstoffe auf Basis von TiAl interessant, da sie aufgrund der Ausbildung von intermetallischen Phasen eine hohe Festigkeit aufweisen und zudem eine ausreichende Hochtemperaturbeständigkeit besitzen. Allerdings besteht bei Turbinenschaufeln aus TiAl-Werkstoffen weiterhin der Bedarf, die Eigenschaften für den Einsatz bei höheren Temperaturen und höheren mechanischen Belastungen zu verbessern. So wird beispielsweise in der EP 2 423 341 A1 beschrieben, wie durch Einstellung bestimmter Gefüge mit Komposit-Lamellenstrukturen mit B19-Phasen und β-Phasen die Festigkeit und Kriechbeständigkeit bei gleichzeitig hoher Duktilität und Bruchzähigkeit gesteigert werden kann.
Aus der EP 0 530 968 A1 ist die Herstellung von gerichtet erstarrten Titanaluminiden bekannt, die so gerichtet erstarrt werden, dass beispielsweise parallel zur Richtung der Hauptbelastungsachse der Turbinenschaufeln die gerichtet erstarrten, stengelartigen Kristalle mit ihrer Längsachse orientiert sind, um eine entsprechende Festigkeitssteigerung zu erzielen und den Einfluss von Korngrenzen auf die Eigenschaften zu minimieren.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Gleichwohl ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Turbinenschaufeln aus TiAl-Werkstoffen weiter zu verbessern, sodass die Turbinenschaufeln ein ausgewogenes Eigenschaftsprofil aufweisen und insbesondere bei der für die Anwendung erforderlichen Duktilität ausreichende Festigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit, Hochtemperaturfestigkeit und Kriechbeständigkeit aufweisen. Gleichzeitig soll jedoch das Herstellungsverfahren möglichst einfach gehalten werden.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Turbinenschaufel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Unter einer Turbinenschaufel wird bei der vorliegenden Erfindung jede Schaufel einer Strömungsmaschine und insbesondere einer stationären Gasturbine oder eines Flugtriebwerks verstanden, unabhängig davon, in welchem Bereich der stationären Gasturbine oder des Flugtriebwerks die Schaufel eingesetzt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Turbinenschaufel für eine Strömungsmaschine aus einem TiAl-Werkstoff bereit gestellt, wobei der TiAl-Werkstoff zumindest im Bereich des Schaufelblattes der Turbinenschaufel einkristallin erstarrt ist. Gerade im Bereich des Schaufelblatts, in dem besonders hohe Temperaturen auftreten, ist es vorteilhaft, wenn durch Vermeidung von Korngrenzen die Kriechbeständigkeit erhöht wird. Dagegen kann der Bereich des Schaufelfußes, der niedrigeren Betriebstemperaturen ausgesetzt ist, zur Erzielung einer höheren Duktilität polykristallin ausgebildet sein.
Unter TiAl-Werkstoff wird bei der vorliegenden Erfindung jeder Werkstoff verstanden, dessen anteilsmäßig größten Bestandteile Titan und Aluminium sind. Insbesondere kann es sich hierbei um Werkstoffe handeln, die in Form einer intermetallischen Phase vorliegen, wie beispielsweise γ-Titanaluminide.
Bei dem γ-Titanaluminiden, die in der Kristallstruktur der γ-Phase erstarren, kann es sich um Legierungen mit verschiedenen Legierungsbestandteilen handeln, wobei insbesondere Niob und Molybdän als Legierungselemente eingesetzt werden können.
Die Herstellung derartiger Turbinenschaufeln erfolgt gießtechnisch, wobei die Schmelze in geeigneter Weise einkristallin erstarrt wird. Beispielsweise kann dies nach dem sogenannten Bridgman-Verfahren erfolgen, bei dem eine Gießform mit der TiAl-Schmelze zunächst gefüllt und in einer entsprechenden Gießanlage in einer Heizzone angeordnet wird. In der Heizzone der Gießanlage herrscht eine Temperatur, bei der der TiAl-Werkstoff schmelzflüssig bleibt. Die Gießform mit der Schmelze wird aus der Heizzone, in der die TiAl-Schmelze aufgrund der hohen Heiztemperatur schmelzflüssig vorliegt, mit einer bestimmten, vorgegebenen Geschwindigkeit in eine Erstarrungszone bewegt wird, in der die Temperatur soweit abgesenkt ist, das die TiAl-Schmelze erstarrt. Durch die kontinuierliche Bewegung der Schmelze in der Gießform aus der Heizzone in die Erstarrungszone bewegt sich die Erstarrungsfront durch die Gießform hindurch und die Schmelze wird einkristallin erstarrt.
Zusätzlich weist eine Gießform bei diesem Verfahren einen Kristallselektor auf, der dazu dient, aus einer Vielzahl von verschiedenen Kristalliten, die bei der anfänglichen Erstarrung der Schmelze entstehen, einen Kristalliten für das weitere Wachstum des Einkristalls auszuwählen und das Wachstum dieses Kristalliten zu ermöglichen, während das Wachstum der übrigen Kristalliten behindert wird. Hierzu kann der Kristallselektor eine geeignete Form aufweisen, wie beispielsweise eine Helix-Form aufweisen, sodass durch die Form im Zusammenhang mit der Bewegung der Form aus der Heizzone in den Erstarrungsbereich der gewünschte Kristallit wächst.
Die Bewegung der Gießform aus der Heizzone in die Erstarrungszone kann dabei nicht nur linear, sondern in anderen Bewegungsformen erfolgen. Beispielsweise kann der Linearbewegung eine Drehbewegung um die lineare Bewegungsrichtung überlagert sein, so dass sich eine schraubenförmige Bahn der Schmelze ergibt. Dies kann auch eine Homogenisierung der Temperaturverteilung in der Schmelze bewirken.
Die Herstellung der TiAl-Turbinenschaufeln kann unter technischem Hochvakuum erfolgen, um Reaktionen des Titan und Aluminiums mit Sauerstoff oder anderen Gasen zu vermeiden.
Bei der Herstellung der Turbinenschaufeln kann die Bewegungsgeschwindigkeit, mit der die Form aus der Heizzone in die Erstarrungszone bewegt wird, erhöht werden, um bestimmte Bereich der Turbinenschaufel polykristallin auszubilden, wie beispielsweise den Bereich des Schaufelfußes.
So kann entsprechend die Gießform so ausgebildet sein und so aus dem Heizbereich bewegt werden, dass sich die Erstarrungsfront von der Schaufelspitze in Richtung des Schaufelfußes bewegt. Wird der Übergangsbereich vom Schaufelblatt zum Schaufelfuß erreicht, kann die Bewegungsgeschwindigkeit erhöht werden, sodass aufgrund der dann erfolgenden schnelleren Erstarrung eine Vielzahl von Kristallisationskeimen gebildet werden, die für die nachfolgende polykristalline Erstarrung, wie beispielsweise des Schaufelfußes, sorgen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die beigefügten Figuren zeigen in rein schematischer Weise in
1 eine Querschnittdarstellung einer Gießanlage zur Herstellung einkristalliner Turbinenschaufeln aus Titanaluminid; und in
2 eine dreidimensionale Darstellung einer Turbinenschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen deutlich. Allerdings ist die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.
Die 1 zeigt eine Gießanlage, mit der das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Turbinenschaufeln durchgeführt werde kann. Die Gießanlage, die rein schematisch dargestellt ist, umfasst ein Gehäuse 1, welches es ermöglicht, ein technisches Hochvakuum mit einem Druck im Bereich von 10^–3 bis 10^–7 hPa oder kleiner einzustellen. In der Gießanlage wird eine (Gieß-)Form 2 bereitgestellt, in die der TiAl-Werkstoff schmelzflüssig eingegossen wird.
Die Gießanlage ist in zwei Bereiche geteilt, und zwar in eine Heizzone mit mehreren Heizeinrichtungen und einen Erstarrungsraum, die mittels einer Wärmeisolierung, wie beispielsweise einen wassergekühlten Kupferring (baffle) 4 voneinander getrennt sind.
In der Heizzone sind beispielsweise mehrere Heizeinrichtungen 3 ausgebildet, sodass der in der Form 2 befindliche TiAl-Werkstoff zumindest im schmelzflüssigen Zustand gehalten werden kann.
Im Erstarrungsraum, der durch das baffle 4 von dem Heizraum getrennt ist, ist die Temperatur so weit abgesenkt, dass der in der Form 2 befindliche TiAl-Werkstoff erstarrt, sobald er in den Erstarrungsraum gelangt. Entsprechend ist in der 1 der schmelzflüssige TiAl-Werkstoff mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnet und der erstarrte TiAl-Werkstoff mit dem Bezugszeichen 9. Dazwischen liegt die Erstarrungsfront 8, die den schmelzflüssigen TiAl-Werkstoff 7 von dem erstarrten TiAl-Werkstoff 9 trennt.
Die Form 2 ist auf einer wassergekühlten Kühlplatte 6 aus Kupfer gelagert und wird entsprechend dem in 1 dargestellten Pfeil von der Heizzone in Richtung Erstarrungszone bewegt, wobei eine Drehbewegung um die lineare Bewegungsrichtung überlagert ist. Durch die Bewegung aus der Heizzone in die Erstarrungszone gelangt kontinuierlich schmelzflüssiger TiAl-Werkstoff in der Form 2 in den Erstarrungsbereich, sodass der TiAl-Werkstoff an der Erstarrungsfront 8 erstarrt und kristallisiert. Die Bewegungsgeschwindigkeit wird hierbei so gewählt, dass ein einkristallines Wachstum an der Erstarrungsfront 8 erfolgt.
Die Tatsache, dass an der Erstarrungsfront 8 ein epitaktisches Aufwachsen eines einzigen Kristalls erfolgt, wird dadurch erzielt, dass in der Form 2 ein Kristallselektor 5 ausgebildet ist, der in der Nähe der Kühlplatte 6 und somit in der Nähe des Bereichs angeordnet ist, der als erstes kristallisiert.
Bei der anfänglichen Kristallisation, wenn die Form 2 mit dem schmelzflüssigen TiAl-Werkstoff aus der Heizzone 3 in die Erstarrungszone gebracht wird, kristallisieren eine Vielzahl von unterschiedlich orientierten Körnern, wobei durch eine entsprechende Form des Kristallselektors ein einziger Kristall für das weitere Wachstum ausgewählt wird, sodass bei der nachfolgenden Bewegung der Form 2 aus der Heizzone in den Erstarrungsbereich dieser selektierte Kristall als einziger weiterwächst und somit eine einkristalline Erstarrung der TiAl-Schmelze erfolgt.
Soll jedoch, wie bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Teil der Turbinenschaufel, nämlich der Schaufelfuß, polykristallin erstarren, so kann, wenn die Erstarrungsfront 8 den Übergangsbereich vom Schaufelblatt zum Schaufelfuß erreicht hat, die Bewegungsgeschwindigkeit, mit der die Form 2 aus der Heizzone in die Erstarrungszone bewegt wird, erhöht werden, sodass durch die dadurch bewirkte, schnellere Kristallisation neue Kristallkeime mit unterschiedlichen Kristallorientierungen erzeugt werden, die eine polykristalline Erstarrung der TiAl-Schmelze bewirken.
Die 2 zeigt eine Turbinenschaufel 10, wie sie gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann. Die Turbinenschaufel 10 weist eine Schaufelspitze 11 und einen Schaufelfuß 12 auf, wobei das Schaufelblatt 14 von dem Schaufelfuß 12 durch ein Deckband 13 getrennt ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Turbinenschaufel 10 mit dem Schaufelblatt 14 einkristallin erstarrt ausgebildet sein, und der Schaufelfuß 12 kann polykristallin ausgebildet sein. Entsprechend wird eine derartige Turbinenschaufel 10 mit der Schaufelspitze 11 in der Nähe der Kühlplatte 6 angeordnet, sodass die Erstarrungsfront von der Schaufelspitze 11 in Richtung des Schaufelfußes 12 läuft. Befindet sich die Erstarrungsfront im Bereich des Deckbandes 13 wird die Bewegungsgeschwindigkeit, mit der die Form 2 gemäß der Darstellung der 1 in die Erstarrungszone bewegt wird, erhöht, sodass die Erstarrung und Kristallisation beschleunigt werden und eine polykristalline Erstarrung der TiAl-Schmelze bewirkt wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass andersartige Kombinationen von Merkmalen, als auch das Weglassen von Merkmalen, realisiert werden können, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten Anspüche verlassen wird. Die vorliegende Offenbarung schließt sämtliche Kombinationen aller vorgestellten Einzelmerkmale mit ein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2423341 A1 [0004]
EP 0530968 A1 [0005]

Claims

Turbinenschaufel für eine Strömungsmaschine aus einem TiAl-Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der TiAl-Werkstoff zumindest im Bereich des Schaufelblattes (14) einkristallin ist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der TiAl-Werkstoff eine intermetallische Phase ist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der TiAl-Werkstoff eine Legierung auf Basis der γ-Phase ist.
Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der TiAl-Werkstoff eine Legierung mit Niob und Molybdän ist.
Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaufelfuß (12) polykristallin ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der TiAl-Werkstoff in eine Form (2) gegossen wird und einkristallin erstarrt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Form einen Kristallselektor (5) aufweist und die Form nach dem Bridgeman-Verfahren aus einer Heizzone, in der der Werkstoff flüssig vorliegt, in eine Erstarrungszone bewegt wird, so dass sich eine Erstarrungsfront (8) durch die Form bewegt, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit so gewählt wird, dass ein einkristallines Wachstum ermöglicht wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Form (2) während der Bewegung aus dem Heizbereich in den Erstarrungsbereich linear bewegt wird und um die lineare Bewegungsrichtung gedreht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsgeschwindigkeit am Übergang vom Schaufelblatt (14) zum Schaufelfuß (12) oder im Bereich des Schaufelfußes so geändert wird, dass die Erstarrung von einkristallin zu polykristallin wechselt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Form (2) so ausgebildet ist und so aus der Heizzone bewegt wird, dass sich die Erstarrungsfront (8) von der Schaufelspitze in Richtung des Schaufelfußes bewegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießverfahren unter Vakuumbedingungen durchgeführt wird.