DE1426378A1

DE1426378A1 - Mit dem Gas in Beruehrung kommende Schaufel eines Gasturbinentriebwerks und Giessverfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1426378A1
Application number: DE19641426378
Authority: DE
Inventors: Versnyder Francis Louis
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1963-10-21
Filing date: 1964-10-21
Publication date: 1969-01-09
Also published as: GB1075879A; BE654546A; NL136758C; BE652207A; US3260505A; SE322316B; CH488096A; JPS5021419B1; NL6412216A

Description

Dr. Ing. E. BERKENFELD, Patentanwalt, KÖLN, U η i ve rsitotntraße 31

Anlao· Aktmiztichan

m 19.10.1964 CS. Nam.d.ABm. United Aircraft Corporatiorr

400 Main Street, East Hartford, Connecticut

U. S. A.

Dr T

Mit dem Gas in Berührung kommende Schaufel eines Gasturbinentriebwerks und Gießverfahren zu ihrer Herstellung.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer mit dem Gas in Berührung kommenden Schaufel für ein Gasturbinentriebwerk, die als einteiliges Gußstück aus einer festen, hitze- und korrosionsbeständigen Nickel- oder Kobaltlegierung gebildet ist, eine flächenzentrierte kubische Kristallstruktur hat und im Gebrauch bei hohen Temperaturen axial beansprucht werden kann; gemäß der Erfindung zeichnet sich eine solche Schaufel durch eine langgestreckte, säulenförmige Kornstruktur aus, wobei die Korngrenzen in der Schaufel im wesentlichen parallel zur Hauptbeanspruchungsachse verlaufen und wobei im wesentlichen keine Korngrenzen senkrecht zur Beanspruchungsachse liegen. Die mit dem Gas in Berührung kommenden Schaufeln für Gasturbinentriebwerke können sowohl bewegte Schaufeln (sogenannte Rotorschaufeln) als auch stationäre Schaufeln (die zuweilen als Statorsohaufeln bezeichnet werden) sein. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer neuen beweglichen oder stationären Gußturbinensohaufel, die bei gegebener Beanspruchung und Temperatur eine längere Lebensdauer bis zum Bruch und deren Lebensdauer bis zum Bruch unter Belastung größere

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Gleichmäßigkeit zeigt als die bekannten, in herkömmlicher Weise gegossenen Schaufeln aus der gleichen Legierung. Die gegossenen Schaufeln für Gasturbinen gemäß der Erfindung zeigen eine "dritte Kriechstufe" (third stage creep), so daß voraussagbare Änderungen der Kriechgeschwindigkeit benutzt werden können, um die Zeitspanne zwischen den Wartungen oder Überholungen der Ma-. schine abzuschätzen oder zu bestimmen. Die neue und verbesserte Gußturbinenschaufel hat ungewöhnlich gute Zugdehnungseigenschaf-. ten und kann bej/wesentlich höheren Temperaturen eingesetzt werden als die bekannten, auf herkömmliche Weise gegossenen Schaufeln aus der gleichen Legierung. Die Erfindung schafft ferner Gasturbinenschaufeln mit guter Dehnbarkeit und Dehnung, verlängerter Lebensdauer, ungewöhnlich gleichmäßigen Pestigkeitseigenschaften und relativ hoher Zugfestigkeit, obwohl sie aus einer Legierung hergestellt sind, die normalerweise und übe*>l icherweise eine gute Festigkeit bei hohen Temperaturen hat,jedoch in sofern mangelhaft ist, als sie niedrige Dehnbarkeit und Dehnung zeigt, was ein Anzeichen für ihre relative Sprödigkeit ist.

Gasturbinenschaufeln aus gegen hohe Temperaturen widerstandsfähigen Gußlegierungen wurden bisher im weiten Umfange benutzt, waren jedoch einer Beschränkung hinsichtlich ihrer Einsatzlebenszeit zwischen zwei Maschinenüberholungen unterworfen, und es ist allgemein üblich, die Einsatzlebenszeit einer Gasturbine vor dem Zerlegen und Wiederaufbau auf eine Gesamtzahl von Stunden zu beschränken, die viel niedriger ist als die aufgrund statistischer Ermittlungen zu erwartende Lebensdauer der Schaufeln, weil die Lebensdauer der Schaufeln niedriger angesetzt

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werden muß als die minimale Lebensdauer irgendeiner Schaufel, obwohl die meisten Schaufeln im tatsächlichen Einsatz diese mi nimale Lebensdauer bei weitem überschreiten.

Im Gegensatz zum relativ unregelmäßigen Verhalten von auf herkömmliche Weise gegossenen Schaufeln zeigen die Gasturbinen- schaufeln gemäß der vorliegenden Erfindung, obwohl sie aus Le- gierungen mit den gleichen Bestandteilen wie die Legierungen der bekannten, auf herkömmliche Weise gegossenen Schaufeln herge stellt sind, die eine flächenzentrierte, kubische Kristallstruktur haben, einheitlich eine längere Lebensdauer unter ähnlichen Beanspruchungs- und Temperaturbedingungen und fallen nicht ohne vorherige Warnung aus; vielmehr dehnen sich diese Schaufeln, nachdem sie während dieser längeren Lebenszeit benutzt worden sind, im allgemeinen während einer Zeitspanne von vielen Stunden und ermöglichen daher eine längere Einsatzzeit zwischen Maschinenüberholungen und tragen zur größeren Wirtschaftlichkeit im Betrieb bei.

Die Schaufeln der vorliegenden Erfindung haben eine langgestreckte, säulenförmige Makrokorn-Struktur mit im wesentlichen einheitlich ausgerichteten Kristallen, wobei die Ausrichtung im wesentlichen parallel zur Achse der Gußschaufeln verläuft; die Struktur in der Legierung der Schaufel ist demnach säulenförmig. Die Korngrenzen der Legierung der Gußschaufeln sind der art ausgerichtet, daß sie im wesentlichen parallel zur Haupt beanspruchungsachse der Schaufeln verlaufen, und KDrngrenzen senkrecht zu dieser Beanspruchungsachse sind nahezu vollständig vermieden.

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Zur Verwendung beim Herstellen der neuen Gasturbinen-Gußschau-, fein gemäß der Erfindung eignen sich vorzugsweise Hoehteraperatur-Legierungen auf Nickelbasis (die mindestens 35 % Nickel und vorzugsweise und normalerweise mehr als 50 % Nickel enthalten), bei denen die verschiedenen Bestandteile der Legierung unter die folgenden Gewichtsprozentbereiche fallen, obwohl - wji weiter unten noch ausgeführt wird - bestimmte Kobaltlegierungen auch zur Verwendung gemäß vorliegender Erfindung geeignet sind.

Die erwähnten Nickellegierungen sind solche, die die folgenden Gewichtsprozantbereiche der Zusammensetzung der Be-standteile haben:

Chrom 2 % bis 25 %

Kobalt 4 0 bis 30 %

Molybdän oder Wolfram 2 % bis 14 %

Aluminium 0 % bis 9 #

Titan 0 % bis 6 £

Aluminium und Titan mindestens 3,5 %

Kohlenstoff 0,1 % bis 0,5 %

Bor 0,005 % bis 0,1 %

Zirkon 0,05 % bis 0,2 %

Der Rest ist im wesentlichen Nickel in einer Menge von mindestens 55 % und vorzugsweise und normalerweise mehr als 50 Gew.^, obwohl die Legierung zusätzlich zu den oben angegebenen Bestandteilen die folgenden Elemente in den folgenden Prozentbereichen enthalten kann:

Vanadium 1,5 % max.

Eisen 5 % max..

Mangan 1 % max.

Silicium 1 % max.

mit unbedeutenden Mengen Schwefel, Phosphor, Kupfer usw., die

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die neuen, vorteilhaften Charakter1stlka der Gußschaufeln und ihre neue kristalline Form nicht schädlich beeinflussen. Molybdän und Wolfram werden im allgemeinen nicht beide benutzt, es ist vielmehr Üblich, nur das eine^ oder andere anzuwenden.

Bestimmte Kobaltlegierungen sind in der vorliegenden Erfindung auch brauchbar und diese umfassen die im Bereich der folgenden Analyse liegenden Legierungen:

Chrom 15 % bis 27 Gew.# Nickel 0 % bis 12 %

Wolfram 5 % bis 12 % Titan 1 1fr max. Kohlenstoff 0,40 % bis 1,2 %

Zirkon 0,05 % bis 2,5 %

wobei fakultativ folgende Elemente zugegeben werden können!

Tantal 0 % bis 10 %

Niobium 0 % bis 3 %

Bor 0,01 % max.

Eisen 1,5 % max.

Mangan 0,2 % max.

Silicium 0,2 % max.

Der Rest der Legierung besteht im wesentlichen aus Kobalt, vorzugsweise und normalerweise mehr als 50 Gew.# und nicht weniger als 55 Gew.% der Gesamtlegierung, wobei ein Teil des Kobalts durch Nickel ersetzt werden kann. So wie bei den Niolwllegierungen können die Kobaltlegierungen unbedeutende Mengen von Verunreinigungen wi« Schwefel, Phosphor, Kupfer und dgl. in Mengen enthalten, die die neuen, vorteilhaften Charakterittika deyfcußschaufel und ihre neue kristalline Form nloht «ohadlioh beeinflussen.

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Unter den zur Herstellung der Gasturbinen-Gußschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung geeigneten Legierungen befinden sich viele Legierungen, die in die oben angegebenen gereiche fallen und in den USA-Patenten 3,O26,iy8, 2,948,606, 3,061,426, 2,747*995 beschrieben sind, und die Legierungen, die im Handel als IN 100, SM 200, SM 302, X-40, WI-52 und Inconel 713 C bekannt sind, welche zu den nickelreichen und kobaltreichen Legierungen gehören, die gewöhnlich beim Herstellen von Gasturbinenschaufeln zur Verwendung, unter hohen Temperaturen benutzt werden und durch ihre hohe Festigkeit, Korrosionswiderstandsfähigkeit, Erosionswiderstandsfähigkeit, gute Beanspruchungsbrucheigenschaften und ihre flächenzentrierten, kubischen Kristallstrukturen gekennzeichnet sind.

Im einzelnen werden die folgenden Legierungen bevorzugt: Inconel 713 C, das folgende nominelle chemische Zusammensetzung

Chrom 14,0 Gew.?j

Molybdän 4,i> Jo

Niobium 2,0 j& (die die normale

Menge Tantal als Verunreinigung enthalten können)

Titan 1,0 Jo

Aluminium 6,0 ^

Bor 0,01 fi

Zirkon 0,0b %

Kobalt 0 ^ bis 10 ^

Kohlenstoff 0,20 # max.

Nickel (im wesentlichen) ad 100

In dieser Legierung können 2 % Niobium oder 2 % Tantal oder eine Mischung von Niobium und Tantal bis zu insgesamt 2 # vorhanden »ein. 1,5 Jf Niobium und ö,b % Tantal werden bevorzugt.

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SM 200. wird besonders bevorzugt und hat die folgende nominelle chemische Zusammensetzung:

Chrom	9,0 %
Kobalt	10,0 %
Wolfram	12,5 %
Niobium	1,0 %
Aluminium	5,0 %
Titan	2,0 %
Eisen	1,5 %
Bor	0,015 %
Zirkon	0,05 #
Kohlenstoff	0,15 %
Nickel (im wesent
lichen)	ad 100

IN 100 ist eine andere bevorzugte Legierung und hat eine nominelle Zusammensetzung von:

Chrom	Q K fr #Ä W
Kobalt	15,0 %
Molybdän	5,0 %
Vanadium	0,95 %
Titan	5,0 %
Aluminium	5,57 %
Eisen	1,0 #
Bor	0,015 %
Zirkon	0,06 ^
Kohlenstoff	0,175 %
Nickel	Rest

SM-502 ist eine Kobaltlegierung, die in der vorliegenden Erfindung brauchbar ist und die folgende nominelle chemische

Analyse hat:	Chrom	21,5 Gew.#
	Wolfram	10,0 %
	Tantal	9,0 %
	Zirkon	0,25 %
	Eisen	1,0 %
	Nickel	1,5 % max
	Bor	0,01 %
	Kohlenstoff	0,8b %
	Kobalt	Rest

Andere zur Durchführung der vorliegenden Erfindung brauchbare

Kobaltlegierungen sind die allgemein als "WI 52" und ¹¹X 40" bekannten Legierungen mit den folgenden Zusammensetzungen:

Die Legierung WI 52 ist eine Kobaltlegierung, die relativ große Chrom- und Wolframmengen enthält und folgende Zusamensetzung hat:

Kohlenstoff	0,40	0,50 %
Mangan	max.	0,50
Phosphor	max.	0,040
Schwefel	max.	.0,040
Silicium	max.	0/50
Chrom	20,00	- 22,00
Wolfram	10,00	- 12,00
Niobium - Tantal	1,50	2,50
Eisen	1,00	2,50
Nickel	max.	1,00
Kobalt	Rest

Die Legierung X 40 1st eine Kobaltlegierung mit der folgenden Analyse:

Kohlenstoff 0,45 0,55

Mangan - 1,0 max.

Silicium 1,0 max.

Phosphor 0,04 max.

Schwefel 0,04 max.

Chrom 24,5 - 26,5

Nickel 9,5 - H,5

Wolfram 7,0 - 8,0

Eisen 2,0 max.

Kobalt Rest

Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird die Legierung, die in die Form einer Gasturbinenschaufel zu gießen ist, in einem Vakuumofen mit einem Vakuum von 50 μ oder mehr geschmolzen und wird, nachdem sie während einer kurzen Zeitspanne auf einer Temperatur von 55,5 bis l40° C (100 bis 250⁰ F) über ihrem Schmelzpunkt gehalten worden ist, in eine Form gegossen. Die Form wird vorzugsweise aus keramischen oder

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slllkathaltlgem Material gebildet, so wie eine "Schalen-Form" (shell-mold), die aus abwechselnden Schichten feinverteilten slllkathaltlgen Materials, wie etwa Silikaten, Zirkonen oder anderen tonhaltigen oder feuerfesten Materialien, und feinverteiltem Sand öder dgl* Material besteht, wobei üblicherweise verschiedene Schichten jeder dieser beiden Materialien vorgesehen sind. Diese Schalenformen werden üblicherweise auf einem Wachsmodell geformt, und nach dem Trocknen wird die Form gebrannt, um das Wachs zu entfernen, wie das beim Formverfahren mit "verlorenem Wachs" üblich ist.

Im Vakuumformapparat (und Ofen) ist die Form mit elektrischen Heizvorrichtungen versehen, so daß ihr oberer Teil vor dem Ausschütten des Metalls in die Form auf eine Temperatur erhitzt werden kann, die mindestens 55>5*£ (100° F) über dem Schmelzpunkt der Legierung liegt. In Gießstellung wird die Form mit ihrem offenen Bodenende auf einem Lagerglied aufgelagert, das gekühlt werden kann und während des Gießvorganges wesentlich kälter bleibt als der Körper der Form, wodurch das Gußmetall in der Form an ihrem unteren Ende gekühlt wird.

Diese Kühlung des Gußmetalls an einem Ende bewirkt, daß die Schaufel in einer säulenförmigen Struktur kristallisiert, wobei die Struktur gleichgerichtete, im wesentlichen parallel zur Achse der gegossenen Schaufel ausgerichtete Kristalle hat, bei der Korngrenzen senkrecht zur Beanspruchungsachs der Gußschaufel nahezu vollständig vermieden werden.

Mach dem Abkühlen des Gußstückes auf Raumtemperatur oder nach ausreichender Kühlung, so daß das Gußstück nbht mehr mit der

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Atmosphäre reagiert, kann das Vakuum aufgehoben werden und die Gußschaufel und ihre Form werden aus dem Gerät entfernt, woraufhin die Form normalerweise durch Zerstörung vom Gußstück entfernt wirdj das Gußstück ist dann zur abschließenden Fertigbearbeitung bereit.

Die obige allgemeine Beschreibung der Gasturbinerisehaufeln der vorliegenden Erfindung und des Verfahrens zu ■ ihrer Herstellung dient zur Erläuterung der Erfindung und ihrer Grundlagen, und die folgende EinzelDeschreibung stellt die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ebenso wie eine Vielfalt von erläuternden ArDeitsbeispielen der vorliegenden Erfindung dar.

Das Verfahren zur Herstellung von Gasturbinerisehaufeln goiiäß der vorliegenden Erfindung wird in einer Vakuumkammer durchgeführt. Folglich ist das Verfahren besonders zum Gießen von bei hoher Temperatur kriechfesten Legierungen geägnet, die in einem Vakuum von vorzugsweise 50 ρ oder mehr geschmolzen und gegossen werden müssen. Das Verfahren umfaßt eine gleichgerichtete Erstarrung oder Verfestigung, so daß alle Korngrenzen parallel zur vorher festliegenden HauptDeanspruchungsachse angeordnet werden. Die Turbinenschaufeln werden vorzugsweise durch GJd3en einer geschmolzenen Legierung in eine feuerfeste Form hergestellt, die durch elektrische Vorrichtungen erhitzt werden kann, um ein Temperaturgefälle zu schaffen. Das so erzeugte Temperaturgefälle sollte am Boden der Form aus einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt der Legierung bestehen und bis zu einer Temperatur über dem Schmelzpunkt der Legierung gehen,

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die in Richtung der Achse der Form aufrechterhalten wird. Die Innenflächen der 'Wände der Form sollten so glatt sein, daß sich koine Feststoff-Kristallationskerne in der Flüssigkeit an den Formwänden bilden. Eine zweckmäßige Wachsgeschwindigkeit der ausgerichteten Kernstruktur wird dadurch erreicht, daß der Boden der Form aus einem stark wärmeleitenden Material, wie z.B. einer waseergekühlten Kupferplatte, hergestellt wird. Dadurch wird die Hitze vom Boden des sich verfestigenden Gußstückes mit größerer Geschwindigkeit abgeführt. Das beschriebene Verfahren führt zu einer gleichmäßig ausgerichteten Verfestigung oder Erstarrung des geschmolzenen Metalls in Richtung des Temperaturgefälles. Insbesondere die Makrokornstruktur des Gußstückes wird parallel zur Achse des Gußstückes ausgerichtet, d.h. die Kornstruktur ist "säulenförmig". Die gewünschten säulenförmigen Strukturen können erzeugt werden, da<iie folgenden zwei Bedingungen in dem oben beschriebenen Verfahren erfüllt werden.

1.) Der Wärmefluß muß gleichgerichtet sein, wodurch die Grenzfläche zwischen flüssig und fest beim Wachsen der Kerne sich in eine Richtung bewergt.

2,) Es darf keine Kernbildung in der Schmelze vor dieser fortschreitenden Grenzfläche auftreten.

Die Ergebnisse der Erzeugung solch einer säulenförmigen Struktur in einem Gußstück sind: (a) eine hinsichtlich der Gestalt des Gußstücke.-, ausgerichtete Korngrenzenstruktur und (b) eine bevorzugte Ausrichtung der Kristallstruktur der Körner.

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Eine sorgfältige Einhaltung dieser Bedingung durch die oben beschriebenen Verfahren führt zu einer Gasturbinen-Gußschaufel, die die gewünschte Gestalt und die gewünßohten Abmessungen hat. Eine keramische Schaufelform wird für die gerichtete Erstarrung oder Verfestigung dadurch vorbereitet, daß zuerst der Boden der Form so vorbereitet wird, daß die Bodenwandflächen glatt auf die wassergekühlte Kupferplatte passen, und daß zweitens die Form doppelt mit einem Molybdän-Heizdrant bewickelt wird. Die Heizdrähts werden an eine Stromquelle angeschlossen und zur Steuerung der Temperatur der Schmelze In der Fitigelform während der Erstarrung benutzt. Ein unter Benutzung dieses Verfahrens erlangtes Erzeugnis ist in Big. 1 dargestellt. Eine \mter Benutzung dieses Verfahrens erlangte Gasturbinen-Statorschaufel ist in Fig. 11 dargestellt. Der Unterschied zwischen der Kornstruktur eines auf herkömmliche Welse gegossenen Flügels und eines gleichgerichtet gegossenen Flügels kann durch Grobätzung aufgezeigt werden.

Das oben beschriebene Verfahren zeitigt verbesserte Eigenschaften bei erhöhter Temperatur mit hervorragender Dehnbarkeit in einer starken Legierung für hohe Temperaturen im Vergleich zu den Eigenschaften des herkömmlichen Gußes aus der gleichen Legierung. Das bemerkenswerte Kennzeichen ist, daß alle beim ausgerichtet erstarrten oder verfestigten Material erzielten Ergebnisse über und in manchen Fällen wesentlich über den Ergebnissen liegen, die mit auf herkömmliche Weise verfestigtem Material erzielt werden. Diese Verbesserung der Dehnbarkeit ist im Vergleich zur Zugdehnung dargestellt. Weiter ist bemerkenswert, daß alle erzielten Ergebnisse wesentlich über den Mittelwerten

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von auf herkömmliche Welse gegossenem Material liegen. Ee ist bemerkenswert, daß die maximale Zugfestigkeit mit der minimalen Zugdehnbarkeit zusammenfällt, wie das bei Legierungen dieser Art Üblich 1st. Auf herkömmliche Weise gegossenes Material würde kein Minimum der Dehnbarkeit zeigen, da die Mittelwerte wesentlich unter dem Minieum für gerlohtet verfestigtes oder erstarrtes Material liegen.

Beim Vergleich der Bruohbelastungswerte von gerichtet verfestigtem und auf herkömmliche Weise gegossenem Material ergeben sich bei allen drei Temperaturen von 76O⁰ C (14OO° F), 902° C (1000° P) und IO38⁰ C (I9OO⁰ P) bei der gerichtet verfestigten Versuchslegierung bessere Eigenschaften. Von größerer Bedeutung ist die Bruchdehnung bei Belastungsbruch, wobei das Mittel der Ergebnisse von herkömmlichem Oufl bei 3 % Dehnung und darunter im ganzen Temperaturbereich lie gt, während gerichtet verfestigtes oder erstarrtes Material Bruchdehnungen von wesentlich über 3 % Dehnung bei allen untersuchten Temperaturen liefert. Der dritte Kriechbereich (third stage oreep) ist bei allen untersuchten Temperaturen vorhanden, nMnlich bei 76O⁰ C (1400° F), 982⁰ C (1800° F) und IO38⁰ C (I9OO⁰ P). Die vorteilhafte Wirkung der gerichteten Verfestigung oder Erstarrung der untersuchten Legierung auf die Brucheigenschaften in Werten der Lebensdauer und Beanspruchung zeigt, daß das gerichtet verfestigte* Material in allen Fällen überlegen ist.

Zusätzlich zu den gemessenen Eigenschaften, die in Versuchen ermittelt wurden, bei denen die Belastungsachse parallel zur säulenförmigen Kornachse verlief, zeigen Versuche, bei denen die Belastungsachse eenkrecht zur langgestreckten, säu-

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lenfcrmigen Kornachse verläuft, daß die Kornstruktur von auf herkömmliche Weise gegossenen Schaufeln viele Korngrenzen senkrecht zur vertikalen Hauptbelastungsaehse hat. Die Eigenschaftswerte gerichtet verfestigten Materials quer zur säulenförmigen Richtung sind höher als die Mittelwerte von auf herkömmliche Weise gegossenem Material (was sich aus der folgenden Tabelle ergibt), und es wurde festgestellt, daß die iSigenschaften gerichtet verfestigten Materials über die Kurve für das auf herkömmliche Weise gegossene Material hinausgehen. Es zeigt sich daher, daß eine begründete technische Basis für die wesentliche Verbesserung dar Eigenschaften vorhanden ist, die dureh gerichtete Verfestigung oder Erstarrung und Prüfung mit den. Korngrenzer- parallel zur Beanspruohungsacb.se zu beobachten sind.

Die folgende Tabelle zeigt die Zeiten, die bis zum Bruch erforderlich sind, und zwar bei Proben, die aus einer auf herkömmliche Weisa gegossenen Legierung SM 200 bestehen im Vergleich zu Proben, die aus einer gerichtet verfestigten oder erstarrten Legierung SM 200 hergestellt sind, wenn diese Proben Beanspruchungen von 6670, 6320 und 5970 kg/cm² bei 760⁰ C (1400° P) unterworfen werden (95 000, 90 000 und 85 000 pounds per square inch bei 1400° F).

Beanspruchung Bruchzeit in Stunden bei 7&0° C (14OQ° F)

kg/cm¹" p.s.i. herkömmlicher Guß gerichtete Erstar-

SM 200 rung SM 200

6670 95 000 0,1 15

6320 90 000 60 155

597O 85 000 200 245

Die Herstellung von mit dem Gas in Berührung kommenden Gasturbinenschaufeln gemäß der vorliegenden Erfindung, wie das be-

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schrieben wurde, erbringt im Vergleich zu auf herkömmliche Weise gegossenem Material durchweg die folgenden Vorteile:

1.) Zugeigenschaften: verbesserte Dehnbarkeit bei (mindestens) gleicher Beanspruchungshöhe über einen weiten Temperaturbereich.

2.) Kriechbrucheigenschaften: längere Lebensdauer bei allen Temperaturen, eine Erhöhung der möglichen Betriebstemperatur um 28 - ^lj6° G (50 - 100° F) oder eine höhere Bruchfestigkeit bei der gleichen Prüftemperatur, vergrößerte Dehnbarkeit bei allen Temperaturen bei gleichzeitiger Minimalisierung der niedrigen Dehnbarkeltscharakteristika (low ductility characteristics) im mittleren Temperaturbereich, T _ _n u

Tm " ^ü'^'

J.) Ausschaltung des interkristallinen Bruchmodus (failure mode). 4.) Entwicklung eines deutlichen dritten Kriechbereiches.

¹J.) Gießeigenschaften: eine minimale Mikroporosität bei nach diesem Verfahren hergestellten Gußstücken, da die Erstarrung nur an der Grenzfläche zwischen dem flüssigen und dem festen Bereich eintreten kann; im wesentlichen keine Makro-Auskristallisation im Gußstück, da die Verfestigungs- und Kühl geschwindigkeit sich noch mehr den Gleichgewichtsbedingungen annähert; im wesentlichen kein Einschluß von Fremdstoffen, da die sich vorwärts bewegende Erütarrungsfront derartige Fremdstoffe vor sich hei· in die zu diesem

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6.) Temperaturwechsel-Widerstandsfähigkeit (thermal shock resistance): Im Vergleich zu den weitgehend veränderlichen und unvorhersagbaren Temperaturwechseleigenschaften von auf herkömmliche Weise gegossenen Erzeugnissen wird eine gleichmäßig hohe TemperaturweohselwiderStandsfähigkeit erlangt.

Die mit dem Gas in Berührung kommenden Gasturbinenschaufeln gemäß der vorliegenden Erfindung sind äußerst stabil bei hohen Temperaturen, da das beim säulenförmigen Wachsen entwickelte Gefüge ebenso wie die in nächster Annäherimg gegebenen Guß-Gleiehgewichtsbedingungen dazu ne^en, eine Rekristallisation bei erhöhten Temperaturen zu verhüten.

Im folgenden werden bestimmte und bevorzugte AusfUhrungßformen der vorliegenden Erfindung dargestellt.

Schalenformen für mit dem Gas in Berührung kommende Gasturbinenschaufeln, d.h. Turbinenrotorschaufeln, wurden auf ihren Außenseiten mit elektrischen Widerstandsheizelementen versehen und an eine Stromquelle angeschlossen, so daß die oberenTeile der Formen auf etwa 1372° C bis 15^8° C (2500 bis 2800° P) und mindestens auf 55,5° C (100° P) über den Schmelzpunkt der Legierung erhitzt wurden.

Nachdem die Form auf dem Kupferblock in der Ofenkammer angeordnet ist, wird die Ofenkammer gesuhlossen und der Innendruck wird herabgesetzt, bis der Druck geringer als vorzugsweise etwa 50 ja 1st, und die Heizung der Form beginnt» Die Form wird in der Ofenkammer.nach und nach aufgeheist, so daß die Temperatur der Anordnung versichtig steigt und mit Sicherheit alle Komponenten entgast werden? die Schmelze der Legierung SM 200 ist bereits in den Ofen eingebracht worden. Die Temperatur der Formancrdnung wird nach und nach auf etwa 649° C (1200° F) angehoben. Es wird eine ausreichende .;$Axsp3jmfe 'zW 3/Öiteren Entgasung der Form

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und zur Brrelohung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung in der Fonnanordnung eingeschaltet. Dann wird die Temperatur der Form stufenweise erhöht, bis die gewünschte Temperatur von etwa 1372 bis 1538° C (2500 - 2800° P) in der Formanordnung erreioht ist. Dl· SolUMlzoharge 1st dann geschmolzen und entgast, und wenn dl· Temperatur sowohl der Schmelze als auoh der Formanord nung erreioht ist, wird dl· Schmelze bei etwa 1482° C (2700° F) eingeschüttet. Während des garnen Aufhelsiyklusses wird das Wasser zum wassergekühlten Kupferblook so gesteuert, daß die Temperatur des ausfliesenden tfassers etwa 82° C (l80° 7} beträgt. Kurz vor dem linschUtten der Sohtstlze wird das Wasser ganz aufgedreht, bis die Temperatur des «usfliefenden Wassers auf dl· ü«ge)bungste«peratur sinkt, und In dieses Augentollok wird dl· Sohaelie eingesohUttet. Maaj» «ea UnsohUtten wird der Stromflut sum Formheizer stufenweise herabgesetzt, naohdan ein· Verweilzeit von etwa 20 Minuten vorgängen 1st, naoh der e*n fen Ofen und das OufletUok abkühlen UIt) nun wird Luft a*e* ttlok- stoffgas in den Ofen eingeleitet uM die fufstUoiet werten aus dem Ofen entfernt.

Die Schaufel, sei es eine Rotor- oder eine Statorsohaufel, wurde dann durch maschinelle Fertigbearbeitung auf die genauen erforderlichen MaJe gebracht.

Fig. 1 zeigt in einer fotografischen Darstellung eine Seitenansicht einer gegossenen Rotorschaufel für ein Gasturbinentriebwerk gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Fotografie die Schaufel unmittelbar nach dem Gießen zeigt, nachdem diese einer oberflächigen Ätzung unterworfen worden ist, um die kristalline Struktur des Metalls der Schaufel zu zeigen;

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Pig. 2 ist eine ähnliche fotografische Wiedergabe einer herkömmlichen Rotorschaufel, die aus einer ähnlichen Legierung gegossen ist und als auch unmittelbar nach dem Gießen nach einer oberflächigen. Ätzung gezeigt ist!

Fig. 3 zeigt in einer graphischen Darstellung in Abhängigkeit von der Temperatur die Werte der Endzugfestigkeit und der Strecklast eines Schaufelmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einem herkömmlichen Schaufelm&terial aus der gleichen Legierung;

Fig. 4 zeigt in einem Diagramm in Abhängigkeit von cer Temperatur die Werte der Zugdehnung eines Schaufelmaterials genüg der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einem herkömasliohfn Schtuft!material aus der gleichen Legierung;

Fig· 5 selgt in eine« «weiteren Diagramm Sie Kurven der Endzugfestigkeit^ der Strecklast, der Flächenverringerung und der prozentualen Dehnung eines Schaufelmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 zeigt in einer graphischen Darstellung die vierte der

Bruchlastlebensdauer von gerichtet gegossenem "SM 200" im Vergleich zu herkömmlich gegossenem "SM 200" bei 76O⁰ C (1400° P).

Fig. 7 zeigt in einer graphischen Darstellung die Bruchlastwerte bei 982⁰ G (1800° P) tind bei 10j58° C (1900° P) für eine herkömmliche Legierung und die Werte bei den gleichen

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Temperaturen von einem der neuen, in der vorliegenden Erfindung benutzten Materialien;

Fig.β ist eine graphische Darstellung der Kriechkurve für ein Material gemäß der vorliegenden Erfindung bei 760⁰ C (1400° P) und 6850 kg/cm² (97500 p.s.i.).

Fig.BA zeigt die Kriechkurven für ein Material gemäß der vorliegenden Erfindung bei 982⁰ C (I8OO⁰ F) und 2040 kg/cm² (29 000 p.s.i.) Last und bei 10^8° G (I9OO⁰ F) und einer

ο
Belastung von I58O kg/cm (22500 p.s.i.).

Fig. 9 ist eine graphische Darstellung der Bruchdehnungswerte, die aus Bruchlastversuchen des Materials gemäß der vorliegenden Erfindung bei 982⁰ C und 10^8° C (I8OO⁰ F und I9OO⁰ F) entnommen sind;

Fig.10 ist eine perspektivische Bestellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Turbinenschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig.11 ist eine fotografische Darstellung in Seitenansicht einer Gußstatorschaufel für ein Gasturbinentriebwerk gemäß der Erfindung, wobei die Fotografie die Schaufel unmittelbar nach dem Gießen zeigt, nachdem sie einer oberflächigen Ätzung unterworfen worden ist, um die Kristallstruktur des Metalls der Schaufel zu zeigen.

Fig.12 ist eine ähnliche fotografische Darstellung eines herkömmlichen Flügels, der aus einer ähnlichen Legierung <·;ο gössen ist, wobei die Schaufel aucli hier unmittelbar

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nach dem Guß nach einer oberflÄchigen Ätzung gezeigt ist.

Fig.13 ist eine perspektivische Darstellung, die eine bevorzugte ' Form einer Statorschaufel gemäß der Erfindung zeigt.

Aus Fig. 1 und 11 der Zeichnungen ist deutlich zu erkennen, daß die geätzte Oberfläche einer aus der Legierung "SM 200" gegossenen Turbinen-Rotor- oder Statorschaufel mit einer flächenzentrierten, kubischen Kristallstruktur - wobei der Turbinenflügel durch Schalenformung und Vakuuragiefltechnik hergestellt ist - eine Rotoroder Statorschaufel zeigt, die gerichtet verfestigt oder erstarrt ist, wobei die Korngrenzen der Rotor- oder Statorschaufel im wesentlichen parallel zur Beanspruchungsachee der Schaufel verlaufen und Korngrenzen senkrecht zur Hauptbeanspruchungsachse der Schaufel im wesentlichen vollkommen vermieden sind. Flg. 1 zeigt, daß die Kristalle der Legierung von solcher Gestalt sind, daß die langgestreckten, säulenförmigen Kristalle größtenteils von der Wurzel 2 der Schaufel durch das mittlere Schaufelblatt 5 Ils zum Kopf 4 verlaufen und sieh durch die Wurzel und den Kopf erstrecken. Ein ähnlicher Effekt ist in Fig. 11 gezeigt.

In der in Flg. 1 gezeigten Rotorschaufelstruktur und desgleichen in der in Fig. 11 gezeigten Statorschaufelstruktur sind im wesentlichen keine Korngrenzen senkrecht zum langen Luftschaufelte11 2 der Schaufel vorhanden, und die Hauptbeanspruchungsachse der Schaufel verläuft in Längsrichtung des Luftschaufelteiles. In gleicher Weise hat sowohl das Wurzelteil 2 als auch das Kopfteil 3 der Rotorschaufel eine ähnliche säulenförmige Kornstruktur aus langgestreckten, säulenförmigen Kristallen, die im wesentlichen

9 0.9 9 Q 2/Öl 22 BADORIG«NAL

parallel verlaufen und sich in den mittleren Luftschaufelte11 3 sowohl von der Wurzel als auch vom Kopf her erstrecken. Vorzugswelse haben die langgestreckten» säulenförmigen Körnej?6er Legierung eine Länge, die mindestens 5-mal so groß wie ihre Dicke 1st·

Fig. 2 und 12 zeigen eine ähnliche Seitenansicht einer Gasturbinenrοtorschaufel bzw. -statorschaufel mit identischer Gestalt, die aus der gleichen Legierung "SM 200" hergestellt ist, Wie in Fig. 1 und 11 zeigt die Fotografie die geätzte Oberfläche der Schaufel, die in herkömmlicher Welse gegossen ist, wobei diese Oberfläche die gleichachsige, polykristalline Struktur erkennen läßt, bei der viele Korngrenzen im wesentlichen senkrecht zur Beanspruohungsachse der Rotor- oder Statorschaufel liegen.

Fig. JJ zeigt in einem Diagramm die Bndzugfestigkeit und Strecklastwerte von bei verschiedenen Temperaturen durchgeführten Versuchen an gerichtet verfestigten oder erstarrten Gußproben aus der Legierung ⁿSM 200", deren Korngrenzen parallel zur Beanspruchungsachse der Proben ierlaufen, im Vergleich zu ähnlichen Gußproben aus der gleichen Legierung mit einer herkömmlichen, gleichachsigen Struktur. Die Werte für die in herkömmlicher Weise gegoseene Legierung sind in einer dünnen Linie dargestellt, während die Werte für die gerichtet verfestigte Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung in der oberen dicken Linie dargestellt sind.

Fig. h zeigt in einem Diagramm die Überlegenheit der Gasturbinenschaufeln aus der vorliegenden, gerichtet verfestigten Guß-

·■■■■'··■ 8Ö99Ö2/0130 bad original

legierung "SM 200" im Vergleich zu herkömmlichen Gußproben aus der Legierung "SM 200", wobei in diesem Diagramm die Werte der Zugdehnung und der prozentualen Dehnung in Abhängigkeit von der Temperatur aufgezeichnet sind; die dicke Linfe zeigt die Werte der gerichtet verfestigten Gußlegierung, während die dünne Linie die vergleichbaren Werte für herkömmliche Gußproben wiedergibt.

5 gibt die vollständigen Zugspannungswerte für de gerichtet erstarrte Gußlegierung "SM 200" wieder, wobei die Belastung

in 1000 kg/cm , die Werte der prozentualen Dehnung und die prozentuale Flächenverringerung in Abhängigkeit von der Temperatur aufgezeichnet sind. Die Kurve 1 zeigt die Werte der Endzugfestigkeit. Die Kurve 2 zeigt/die Werte der Strecklast bei 0,2 % Dehnung. Die Kurve 3 zeigt die prozentuale Flächenverringerung bei verschiedenen Temperaturen und Belastungen. Die Kurve 4 zeigt die Werte der prozentualen Dehnung bei verschiedenen Temperaturen»

Fig. 6 zeigt die Belastungsbruchwerte bei 76O⁰ C (l400° F) und die Belastungsbruchlebensdauer in Stunden in Abhängigkeit von der Belastung in 1000 kg/cm . Die vierte für die gerichtet verfestigte Legierung "SM 200" sind in der oberen dicken Linie dargestellt, während die untere dünnere Linie die vergleichbaren Werte der auf herkömmliche Weise gegossenen Legierung ¹¹SM 200" zeigt. Man bemerkt, daß die vierte für das gerichtet verfestigte oder erstarrte Material durchweg und wesentlich über denjenigen des auf herkömmliche Weise gegossenen Materials liegen.

Fig. 7 zeigt in einer graphischen Darstellung ähnliche Belastungsbruchwerte bei yb2° C (1800° F) und 10;3Ö^o c (19OO⁰ F),

809902/01 30 iAD original

während die dünnen Punkte vergleichbare Werte für gerichtet verfestigte Proben bei 982° C (l800° P) und die kleinen Kreuze vergleichbare Werte für gerichtet verfestigtes Material bei 1038° C (1900° P) zeigen.

Die Werte der Fig. 7 können folgendermaßen tabelliert werden*

Beanspruchung Zeit bis zum Bruch in Stunden bei 982°C

kg/cm p.s.i. herkömmlicher Guß gerichtet erstarrt

SM 200 SM 200

2105 ^O 000 40 95

2θ4θ 29 000 46 134

I7OO 25 000 145 220

Zeit bis zum Bruch in Stunden bei 1038°C

1760 25 000 13 3*

1406 20 000 45 77

1260 18 000 80 186

Fig. 8 zeigt in einer graphischen Darstellung die Kriechkurve für gerichtet erstarrte Proben einer Legierung "SM 200ⁿ gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei dfe Werte bei 76Ο⁰ C (l400°F) und 685Ο kg/cm (97 500 p.s.i.) Last ermittelt sind.

Fig. 8A zeigt in einer zusammengesetzten graphischen Darstellung die "Krieehkurven" für gerichtet verfestigte Proben einer Legierung ¹¹SM 200" bei

982° C (1800° F) und 2040 kg/cm² (29 000 p.s.i.) Belastung, IO38⁰ C (19ΟΟ⁰ F) und I58O kg/cm² (22 500 p.s.i.) Belastung.

In den Fig. 8 und 8-A sind die Kitechwerte in Stunden in Abhängigkeit von der prozentualen Dehnung der Proben aufgezeichnet. Man bemerkt, daß das Kriechen oder die Dehnung der Proben in jedem Augenblick eine ungewöhnlich mäßige Progression über den J , _KP 0 SUyj 2/0130 BAD ORlGiNAL

größten Teil der Verlaufs zeigt, woraufhin der Dehnungsbetrag anwächst und sich vor dem Bruch während einer beträchtlichen Zeitspanne fortsetzt, woflurch sich das ergibt, was als '"dritte Kriechstufe¹¹ (third stage creep) bezeichnet werden kann.

Fig. 9 ist eine graphische Darstellung der Bruchdehnungswerte von Belastungsbruchversuchen, mit Ausnahme des äußersten linken Punktes jeder Kurve, der die Zugdehnungswerte bei Raumtemperatur zeigt. In den Kurven sind die Werte der" prozentualen Dehnung in Abhängigkeit von der Temperatur für gerichtet verfestigtes oder erstarrtes Material gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.

In, Fig.10 weist die Gasturbinenschaufel 1 eine nennenswerte Verwindung zwischen der Wurzel 2 und dem Schaufelkopf k auf, wie das im einzelnen in der USA-Patentschrift Nr. 2, i?10,734 beschrieben ist. Die langgestreckten Körner oder Kristalle erstrecken sich in Längsrichtung der Schaufel und sind von der in Fig. 1 dargestellten Artj sie sind in Fig. 10 jedoch nicht dargestellt.

Obwohl Gasturbinenschaufeln je nach den Erfordernissen der besonderen Turbinenkonstruktion auch in anderen Formen hergestellt werden können, zeigt Fig. 10 eine bevorzugte Ausführungsform und eine Form, bei der die Prinzipien der vorliegenden Erfindung mit maximaler Wirksamkeit angewendet werden . können.

In Fig, 13 hat die Statorschaufel einen inneren Ring (shroud) 5 und einen äußeren Ring 6 und einen LuftfliUelteil 7» Die

809902/Ö13Ö BAD ORIGINAL _ ^_

ganze Schaufel besteht aus einem einstüokigen Guß, der zur Erzeugung der gewünschten Ring- oder Kopfform bearbeitet worden ist. In Fig. 13 erstrecken sich die langgestreckten Körner oder Kristalle parallel zur senkrechten Achse des LuftflUgelteils 7 und sind von der in Fig. 11 gezeigten Art.

Der folgende Vergleich der Bruchwerte für gerichtet erstarrte Teile aus der ¹¹SM 200"-Legierung im Vergleich zu gleichachsigen« auf herkömmliche Weise gegossenen gleichen Versuchsteilen, die ebenso aus der ¹¹SM 200"-Legierung bestanden, zeigt den weiten Bereich der bei auf herkömmliche Weise gegossenen Legierungsteilen erzielten Werte und die Minimalwerte, die erreicht werden, wenn man gerichtet erstarrte Legierungsteile gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet.

Bruchdauer in Stunden

herkömmlich gerichtet erstarrt

760° C 597O kg/cm²

(1400° F) (85 000 psi) l40 - 400 Std. 8OO Std. und mehr

982⁰ C I76O kg/cm²

(I8OO⁰ F) (25 000 psi) 100 - 150 Std. 300 Std. und mehr

1038^oC 1400 kg/cm²

(19OO⁰ F) (20 000 psi) 20-30 Std. 75 Std. und mehr

Beanspruchung zur Erzeugung des Bruches in 100 Std.

herkömmlich gerichtet erstarrt kg/cnr p.s.i. kg/cm² p.s.i.

76O⁰ C (1400° F) 6320 982⁰ C (1800° F) i860 1038⁰ c (1900⁰F) 1230

8 099 0 2/0130

90 000	7030	100 000
26 500	2070	29 500
17500	1335	19000
		- 25 -
0		BAD OFIlG¹NAL

Die folgende Tabelle zeigt die Temperaturwechselwiderstandsfähigkeit von Statorschaufeln aus einer gleichachsigen, auf herkömmliche Weise gegossenen Legierung SM 200 im Vergleich zu Statorschaufeln aus einer gerichtet verfestigten Legierung SM 200, die bei Temperaturen von 1093° C (2000° P), 1149° C (2100° P) und 1204° C (2200° P) für jeweils 600, 400 bzw. 400 Zyklen untersucht wurden. Jeder Versuchszyklus umfaßt das Aufheizen der Schaufeln einem Heißgasstrom auf die angegebene Temperatur, Aufrechterhaltung dieser Temperatur während einer Minute und dann schnelle Abkühlung auf Raumtemperatur.

Schaufeln aus herkömmlich gegossenem SM 200

Beispiel	B	Zyklen bei 1093° G (2000° P)	1	600	Zyklen bei 1149° C (2100° P)	Zyklen bei 1204° C (2200° P)	400	insgesamt Zustand der Zyklen Schaufeln am linde des Ver suchs	gerissen
A	C	300	2	600	-	-	400	300	gerissen
D	600	3	600	400	-	-	1000	gerissen
E	600	4	6oo	200	-	4oo	600	gerissen
300	-	-	300	gerissen
300	-	-	300
Schaufeln aus	gerichtet erstarrtem SM	200	keine Beschä digung
400	1400	II Il
400	1400	H tt
400	1000 -	Il Il
400	1400

Zwei Punkte werden aus diesen Werten deutlich. Erstens haben auf herkömmliche tfeise gegossene Schaufeln stark wechselnde Temperaturwechselwiderstandsfähigkeit und zweitens haben die durch gerichtete SfcafcepeehatifelR Verfestigung gemäß der Erfindung hergestellten Statorschaufeln sowohl eine gleichmäßigere als auch eine bessere Temperaturwechselwiderstandsfähigkeit als die auf

80S302/0130 _{BAD 0R1G1NAL} . ₂₆ .

herkömmliche Weise gegossenen Erzeugnisse.

Das Problem fehlender Gleichmäßigkeit der Temperaturwechselwiderstandsfähigkeit ist bei Statorschaufeln von Gasturbinentriebwerken besonders ernst. Es ist kein Verfahren zur Vorausbestimmung der Haltbarkeit einer bestimmten Statorschaufel bekannt. Die folgende Tabelle stellt wiederum Versuche bei 1093° C (2000° F) mit 600 Zyklen, 1149° C (2100° F) mit 400 Zyklen und 1204° C (2200° F) mit 400 Zyklen dar. Der Versuch wurde bei l400 Zykeln bzw. beim Bruch beendet. In jedem Falle war die Schaufel aus einer Standard-Legierung(s 2500 eine vergleichbare Legierung auf Nickelbasis]hergestellt und auf herkömmliche Weise unter genau den gleichen Bedingungen gegossen.

Beispiel

insgesamt Zyklen

Zustand am Ende such s

des Ver-

900

1050

I5OO

700

5OO

500

1400 300 36O i00 200 5OO 600 200

gerissen an der Vorderkante

«ι 11 η ti

η it

ti ti ti η

gerissen sowohl an der Vorderais auch an der Hinterkante

Il Il

kein Schaden

gerissen an der Hinterkante gerissen an der Vorderkante

ti	It	Il	η
ti	Il	It	ti
ti	Il	η	Il
ti	Il	η	η

Bei den herkömmlich gegossenen Schaufeln sind also welche dabei, die Temperaturwechseln im wesentlichen widerstehen, aber

809902/0130

- 27 -

BAD

auch welche, die sehr geringe Widerstandsfähigkeit haben und schon nach nur 100 Zyklen reißen. Die Folge ist, daß die Probe mit der geringsten Widerstandsfähigkeit die Einsatzdauer bestimmt, da die Austauschung aller Schaufeln aus Sicherheitsgründen dann erfolgen muß, wenn die geringste zu erwartende Lebensdauer vergangen ist. Benutzt man das Verfahren gemäß der Erfindung mit gleichgerichtet gegossenen Schaufeln, so ist eine ■gleichmäßige hohe Temperaturwechselwiderstandsfähigkeit gewährleistet.

Während Nickellegierungen mit einem Nickelgehalt von mindestens 35 %t vorzugsweise zwischen 50 und 60 Gew.% Nickel, und besonders die Legierung SM 200 zur Durchführung der vorliegenden Erfindung bevorzugt werden, können im allgemeinen ähnliche Ergebnisse bei Verwendung von Kobaltlegierungen mit der oben erwähnten flächenzentrierten, kubischen Kristallstruktur erzielt werden, die mindestens 55 % Kobalt und vorzugsweise 50 % und mehr Kobalt enthalten.

Die Erfindung ist in ihrer Konzeption nicht auf die dargestellten und beschriebenen speziellen Schritte, Verfahren und Zusammensetzungen beschränkt; es kann von diesen vielmehr abgegangen werden, ohne daß dadurch dje Grundlagen der Erfindung verlassen und die Hauptvorteile beeinträchtigt werden.

Patentansprüche

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Claims

Pr. »ng. E. BERKENFELD, Patentanwalt, KÖLN, Univenitätutraße 31 1425378 zur Eingab« vom 19.10.1964 CS. NaiMd.An«. United Aircraft Corporation Patentansprüche

1. Eine mit dem Gas in Berührung kommende Schaufel für ein Gasturbinentriebwerk, die als einteiliges Gußstück aus einer starken, hitze- und korrosionsbeständigen Nickel- oder Kobaltlegierung gebildet ist, eine flächenzentrierte, kubische Kristallstruktur hat und im Gebrauch bei hohen Temperaturen axial beansprucht werden kann, gekennzeichnet durch eine langgestreckte, säulenförmige Kornstruktur, wobei die Korngrenzen in der Schaufel im wesentlichen parallel zur Hauptbeanspruchungsachse verlaufen und wobei im wesentlichen keine Korugrenzen senkrecht zur Beanspruchungsachse liegen.

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung eine Nickellegierung mit folgender Zusammensetzung

Chrom 2 % bis 25 %

Aluminium bis zu 9 %

Titan bis zu 6 #

Aluminium und Titan mindestens 3,5 % Kobalt 4 # bis 30 %

Kohlenstoff 0,1 £ bis 0,5 %

Bor 0,005 % bis 0,1 %

Zirkon 0,05 # bis 0,2 %

der Rest ist im wesentlichen Nickel in einer Menge von mindestens 35 %·

3. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung eine KobaltIegierung mit folgender Zusammensetzung ist:

809902/0130 -29*

U26378

Chrom 15 % bis 27 $

Wolfram 5 % bis 12 JlS

Titan bis zu 1 ^

Kohlenstoff 0,40 # bis 1,20 %

Zirkon 0,05 % bis 2.,^ %

Tantal 3,0 % bis 10,0 $ Niobium und/oder Tantal bis zu j5,0 %

Nickel bis zu 12 %

wobei der Rest im wesentlichen aus Kobalt besteht und die Gesamtmenge von Kobalt und Nickel mindestens 35 % beträgt.

4. Schaufel nach Anspruch 1 - ^, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel eine Rotorschaufel ist, die eine wurzel und ein relativ langes, einstückiges Luftblatt- oaer Luftschaufelteil hat, das von der Wurzel wegragt.

5· Schaufel nach Anspruch 1 - J>, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel eine Statorschaufel ist.

6. Schaufel nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel ein von der Wurzel der Schaufel wegragendes Luftblatteil hat und daß die säulenförmige Kornstruktur sich durch das Luftblatteil der Schaufel erstreckt, wobei im Luftblatteil im wesentlichen keine Korngrenzen senkrecht zur Länge des Luftblatteiles liegen.

7. Schaufel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die langgestreckte Kornstruktur sich in und durch die wurzel erstreckt.

8. Schaufel nach Anspruch 6 oder T, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel mit einem einstückig mit diesem ausgebildeten Kopf an dem der Wurzel gegenüberliegenden Ende der

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Schaufel ausgebildet ist und daß die langgestreckte, säulenförmige Kornstruktur sich in und durch den Kopf erstreckt.

9. Verfahren zum Gießen einer mit dem Gas in Berührung kommenden Schaufel gemäß den Ansprüchen 1 - B, dadurch gekennzeichnet, daß die zu gießende Legierung in einem Vakuumofen mit einem Vakuum von mindestens 50 /U geschmolzen und auf eine Temperatur von 55 bis 14O° C (100 bis 250° F) über ihren Schmelzpunkt erhitzt und in eine Form gegossen wird, die im oberen Teil geheizt und im Bodenteil gekühlt wird, um ein Temperaturgefälle in der Form zu schaffen.

10. Verfahren nach Anspruch 9* gekennzeichnet durch die Erhitzung des oberen Teiles der Form auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt der Legierung durch eine Heizvorrichtung und durch die Kühlung des Bodenteiles der Form auf eine Temperatur unter dem Schmelzpunkt der Legierung mittels eines durch einen Flüssigkeitskreislauf gekühlten, gut wärmeleitenden Materials.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoff-Kernbildung in der flüssigen Legierung durch die Glätte der Formwände verhindert wird.

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