DE102015206323A1 - Bauteil mit Festigkeitsgradienten, Verfahren und Turbine - Google Patents

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Abstract

Durch ein Schmiedeteil mit unterschiedlich angelassenen Bereichen werden hohe und geringe Festigkeiten je nach Anforderungsfall erzielt.

Description

  • Die Erfindung betrifft insbesondere ein Schmiedeteil, das innerhalb des gesamten geschmiedeten Bauteils einen Gradienten in der Festigkeit aufweist und ein Verfahren zur Herstellung sowie eine Turbine.
  • In Korrelation zur Anwendungsbedingung werden Rotoren aus Schmiedescheiben bisher aus verschiedenen Schmiedestählen hergestellt. So wird 26NiCrMoV14-5 für Verdichterscheiben sowie Cost-E (X12CrMoWVNbN10-1-1) für Turbinenscheiben verwendet. Ausschlaggebend für die Wahl des Schmiedematerials sind die Anwendungsbedingungen und die Designanforderungen.
  • Für die Auswahl des Schmiedewerkstoffes gilt es immer ein Gleichgewicht aus Festigkeit und Zähigkeit zu gewährleiten, um die Designanforderungen einzuhalten.
  • Aktuell laufen Überlegungen von Eisenbasisscheiben auf Nickelscheiben überzugehen. Diese hätten die notwendigen Festigkeitsanforderungen sowie die geforderten hohen Kriechbeständigkeit.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6 sowie eine Turbine nach Anspruch 7.
  • In den jeweiligen Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
  • Es zeigt 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Die Figur und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
  • Durch die Entwicklung einer Wärmebehandlung, welche insbesondere einen Innenbereich eines geschmiedeten Bauteils, insbesondere eine Kompressor scheiben, Torque Disks, Turbinenscheiben, ... höher als einen Außenbereich anlässt, hat in der Folge eines solchen Schmiedeteils außen höhere Festigkeiten als innen. Ein Temperaturgradient von 30K bringt bei Cost-E (X12CrMoWVNbN10-1-1) einen Festigkeitsgradienten von ≥ 50MPa.
  • In der Folge der geringeren Festigkeiten an der Nabe einer Turbine können außen höhere Betriebstemperaturen gefahren werden als bisher, ohne eine über die Designlimits herausgehende Zähigkeit an der Nabe zu verlieren.
  • Beispiel:
  • Bisher hat die Scheibe aus Cost-E eine Festigkeit von ~820MPa und versprödet oberhalb 773K. Infolge dessen ist die maximale Betriebstemperatur auf 773K begrenzt. Durch die Reduktion der Festigkeit an der Nabe auf ~770MPa wird die Grenztemperatur, ab welcher die Versprödung einsetzt, zu höheren Temperaturen verschoben. In der Folge kann die maximale Betriebstemperatur des gesamten Bauteils insbesondere auf 823K angehoben werden.
  • Eine vorteilhafte Möglichkeit der Wärmebehandlung stellt das Anlassen des Bauteils in einem Haubenofen dar. Der Ofen ist auf eine Basistemperatur eingestellt, insbesondere 893K. Über eine Induktionsheizung oder Wärmedecken wird innen eine höhere Anlasstemperatur, insbesondere 923K, gewährleistet.
  • Die Figur zeigt zum Beispiel eine Scheibe als ein geschmiedetes Bauteil mit einem inneren Bereich 7 und einem äußeren Bereich 4.
  • Der äußere Bereich 4 und der innere Bereich 7 weisen verschiedene Festigkeiten auf.
  • Das Bauteil ist ein geschmiedetes Bauteil 1, wobei der äußere Bereich 4 gering angelassen wird, um hohe Festigkeiten im Vergleich zum inneren Bereich 7 zu erreichen.
  • Der innere Bereich wird höher angelassen, um geringere Festigkeiten zu erzielen. Insbesondere bei Cost-E liegt die Streckgrenze für den inneren Bereich bei 770MPa, wobei die Streckgrenze im äußeren Bereich bei 820MPa liegt.
  • Die Erfindung lässt sich auf andere Werkstoffe anwenden, insbesondere auch auf 26NiCrMoV14-5.
  • Die gestrichelte Linie des Übergangs zwischen innerem Bereich 7 und äußerem Bereich 4 kann auch breiter ausgebildet sein.
  • Ebenso vorzugsweise kann das geschmiedete Bauteil einer Wärmebehandlung unterzogen werden, wobei durch eine Kühlvorrichtung der gewünschte Temperaturgradient eingestellt wird.
  • Ebenso können die Bereiche innen und außen für ein geschmiedetes Bauteil – je nach Anwendungsfall – vertauscht werden oder sonst wie angeordnet sein.
  • Neben eisenbasierten Werkstoffen lässt sich das Prinzip auch auf nickelbasierte Werkstoffe anwenden. Dies erfolgt dann durch Auslagern bei erhöhter Temperatur.

Claims (7)

  1. Bauteil (1), insbesondere geschmiedetes Bauteil (1), ganz insbesondere rotationssymmetrisches Bauteil (1), das Bereiche (4, 7) aufweist, insbesondere rotationssymmetrische Bereiche (4, 7) aufweist, deren (4, 7) Festigkeiten zumindest um 30MPa, insbesondere um mindestens 50MPa, unterschiedlich ausgebildet sind.
  2. Bauteil nach Anspruch 1, bei dem das Bauteil (1) eine Turbinenscheibe ist, insbesondere für eine Gasturbine, bei dem ein innerer Bereich (7) eine geringere Festigkeit aufweist als ein äußerer Bereich (4), in dem die Turbinenschaufel montiert werden, der (4) eine höhere Festigkeit aufweist.
  3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Bauteil ein geschmiedetes Bauteil (1), insbesondere eine eisenbasiertes geschmiedetes Bauteil (1) darstellt.
  4. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Bauteil ein nickelbasiertes Bauteil (1) darstellt.
  5. Verfahren zur Herstellung eines geschmiedeten Bauteils, insbesondere nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem ein geschmiedetes Bauteil (1) einer Wärmebehandlung unterzogen wird und durch eine Kühlvorrichtung ein Temperaturgradient zwischen Bereichen (4, 7) erzeugt wird, so dass sich die Festigkeiten in den Bereichen (4, 7) im geschmiedeten Bauteil (1) nach der Wärmebehandlung um mindestens 30MPa, insbesondere um mindestens 50MPa, unterscheiden.
  6. Verfahren zur Herstellung eines geschmiedeten Bauteils (1), insbesondere nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem ein geschmiedetes Bauteil (1) einer Wärmebehandlung unterzogen wird und wobei ein Haubenofen verwendet wird, so dass sich die Festigkeiten in Bereichen (4, 7) im geschmiedeten Bauteil (1) nach der Wärmebehandlung um mindestens 30MPa, insbesondere um mindestens 50MPa, unterscheiden.
  7. Turbine mit einer Scheibe nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4.
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