Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln Die Entwicklung im
Turbinenbau neigt in den letzten Jahren zu immer größeren Baueinheiten. Das erforderliche
Volumen der gasförmigen Antriebsmittel wird daher besonders in den Endstufen immer
größer und im gleichen Maße sind größere Schaufelflächen notwendig. Die Zunahme
der Abmessungen von Endstufenschaufeln betrifft nicht nur die Länge, sondern in
noch größerem Ausmaß die Blattbreite, sodaß vielfach neue Schaufelformen entwickelt
werden müssen. Die ebenfalls stark vergrößerten Randdurchmesser, sehr hohe Drehzahlen
und daher Um:°angsgeschwindigkeiten bis etwa 2 P:iach in den Iliederdruckendstufen
beanspruchen die Schaufeln durch starke Fliehkräfte und Schwingungen. Insbesondere
bei den Dampfturbinen tritt infolge der bei Druckerniedrigung entstehenden Kondensation
starke Erosion und Korrosion hauptsächlich in Bereich der Einströmkanten in sehr
großem 1.Iaße auf. Die Auswahl von Merkstoffen, die ausreichende Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit
und Oberflächenhärte bei oft sehr hohen Betriebstemperaturen aufweisen sollen,Qinerseits,
wie auch die Konstruktion strömungstechnisch und-festigkeitstheoretisch richtiger
Schaufelformen andererseits machen die betriebsmäßige Fertigung von Schaufeln zu
einem schwer lösbaren Problem. Die Erfindung befaßt sich daher mit einem Verfahren
zur Herstellung von Turbinenschaufeln, die allen durch diese neue technische Entwicklung
bedingten Ansprüchen gerecht werden.Process for the production of turbine blades The development in
Turbine construction has tended towards larger and larger units in recent years. The required
The volume of the gaseous drive medium is therefore always increasing, especially in the output stages
larger and to the same extent larger blade areas are necessary. The increase
The dimensions of the final stage blades are not only related to the length, but also in
The blade width is even greater, so that new blade shapes are often developed
Need to become. The also greatly enlarged edge diameter, very high speeds
and therefore by: ° angsgeschätze up to about 2 P: iach in the low-pressure output stages
stress the blades through strong centrifugal forces and vibrations. In particular
in the case of steam turbines, condensation occurs as a result of the pressure drop
severe erosion and corrosion mainly in the area of the inflow edges in very
big 1.I let on. The selection of features that have sufficient strength, corrosion resistance
and surface hardness at often very high operating temperatures, on the other hand,
as well as the construction is more correct in terms of flow technology and strength theory
Blade shapes, on the other hand, shut down the operational manufacture of blades
a problem that is difficult to solve. The invention is therefore concerned with a method
to manufacture turbine blades, all through this new technical development
meet conditional requirements.
E s ist üblich, die Schaufeln aus einem z.B. durch Walzen oder Schmieden
hergestellten Rohling mittels spanabhebender oder apanloser Bearbeitung zu erzeugen
oder sie schon mit
den Endabmessungen bzw. mit sehr geringen Übermaßen
nach einem Wacheausschmelz-, Formmasken- oder sonstigen Verfahren zu gießen. Dabei
müssen VTerkstoffe verwendet werden; die nachstehende Eigenschaften aufweisen: 1.)
Ausreichende mechanische Festigkeit gegen Beanspruchung der Schaufeln auf Zug durch
sehr große Fliehkräfte und auf Biegung durch den Druck des Antriebsmittels, der
häufig vibrierend wirkt (Biegewechselfestigkeit). 2.) Dauerstandfestigkeit bei Betriebstemperaturen
von 650°C und darüber.It is customary to make the blades from a for example by rolling or forging
produced blank by means of cutting or non-cutting machining
or you already with
the final dimensions or with very small oversize
to cast by a wax melt, molded mask or other process. Included
V materials must be used; which have the following properties: 1.)
Sufficient mechanical strength against stress on the blades due to tension
very large centrifugal forces and on bending due to the pressure of the drive means, the
often has a vibrating effect (flexural fatigue strength). 2.) Endurance strength at operating temperatures
of 650 ° C and above.
3:) Korrosionsbeständigkeit gegen Angriffe der Antriebsmittel,, insbesondere
Spannungskorrosion und Schwingungsbeanspruchung unter korrosiven Mitteln. 4.) Widerstandsfähigkeit
der Oberfläche gegen Erosion und Kavitation durch die Antriebsmittel. 5.) Bearbeitbarkeit
durch spanabhebende Verfahren bei Formung des Schaufelfußes. Bisher versuchte man
allen diesen Forderungen durch Verwendung von Stählen mit Gehalten von 13 % Chrom
und o,25 % Kohlenstoff gerecht zu werden, die im vergüteten Zustand ein martensitisches
Gefüge mit Ferritanteilen aufweisen. Für die modernen Hochleistungs.turbinen genügten
aber weder die Festigkeitswerte, noch das Verhalten bei'Vechselbeanspruchung, noch
die Zähigkeit dieser Stähle. IIan hat daher versucht, bessere Eigenschaften durch
Erhöhung des C-Gehaltes zu erzielen. Dabei dachte man besonders auch daran, die
am stärksten beanspruchten Einströmkanten durch eine örtliche Oberflächenhärtung
mittels Plamm- oder Induktionserwärmung gegen Erosion widerstandsfähig zu machen.
Die im Hinblick auf die partielle Oberflächenhärtung an den Schaufelkanten höhergekohlten
13 %igen Chromstähle sind weniger korrosionsbeständig, wenn sie im Bereich von 500
bis 650°C angelassen werden, und weisen außerdem, Trenn
man unkontrollierbaren
Anlaßvorgängen beim Oberflächenhärten vorbeugen will und die Anlaßtemperatur über
650 bis 700°C steigert, keine wesentlich besseren Festigkeitswerte gegenüber den
niedriggekohlten Sorten auf. Auch Versuche mit anderen Negierungen, insbesondere
mit höheren Chromgehalten, und komplex legierten Or-Ni-T;1o-V-Nb-Stählen schlugen
fehl, weil die Zähigkeitswerte durch Karbid- und Hitridausscheidungen bei gewissen
Anlaßtemperaturen zu gefährlichen Versprödungen führen. Auch die Spannungsrißkorrosion
hat nach Anlaßbehandlungen in den kritischen Temperaturbereichen ebenso wie die
Schwingungsfestigkeit bei gleichzeitigem korrosiven Angriff sehr ungleichmäßige
Werte ergeben.3 :) Corrosion resistance against attacks by the drive means, in particular
Stress corrosion and vibration stress under corrosive agents. 4. Resilience
the surface against erosion and cavitation by the drive means. 5.) Machinability
by machining processes when forming the blade root. So far one has tried
all of these requirements by using steels with 13% chromium
and o, to meet 25% carbon, which in the quenched and tempered state is a martensitic
Have a structure with ferrite components. Sufficient for the modern high-performance turbines
but neither the strength values nor the behavior under alternating stresses
the toughness of these steels. Ian has therefore tried to get better properties through
To achieve an increase in the C content. One thought especially of the
the most heavily stressed inflow edges due to local surface hardening
to make them resistant to erosion by means of flame or induction heating.
Those with higher carbon in view of the partial surface hardening at the blade edges
13% chrome steels are less resistant to corrosion when they are in the range of 500
can be tempered up to 650 ° C, and also have separ
one uncontrollable
Wants to prevent tempering processes during surface hardening and the tempering temperature above
650 to 700 ° C increases, no significantly better strength values compared to the
low-carbon varieties. Also attempts with other negations, in particular
with higher chromium contents and complex alloyed Or-Ni-T; 1o-V-Nb steels
fail, because the toughness values due to carbide and nitride precipitations in certain
Tempering temperatures lead to dangerous embrittlement. Also the stress corrosion cracking
has after tempering treatments in the critical temperature ranges as well as the
Vibration resistance with simultaneous corrosive attack is very uneven
Values.
Vtenn man daher die Steigerung der wesentlichen Eigenschaften durch
metallurgische lr:aßnahmen, insbesondere den Einsatz der komplex legierten Stähle
ausnützen will, verbietet sich von selbst die Anwendung jener Verfahren zur Verstärkung
der Einsirömkanten, die in Übergangszonen zu qualitätsvernindernden Anlaßerscheinungen
fuhren können. Die Erfindung schlägt nun zur Überwindung der dargestellten Schwierigkeiten
ein neues Herstellungsverfahren für Turbinenschaufeln vor, welches dadurch gekennzeichnet
ist, daß ein üblicherweise hergestellter Schaufelrohling im Bereich der Einströmkante
mit einer gegebenenfalls in einer vorbereiteten Ausnehmung aufgeschweißten Panzerung,
z.B. aus einer Hartlegierung, aus Hartmetall, aus Schnellarbeitsstahl oder dergleichen,
versehen wird und daß anschließend nach Glättung der Unebenheiten der Aufschweißung
diese im Ges enk gemeinsam mit dem Schaufelkörper auf Endmaß verformt und schließlich
einer '.armbehandlung unterworfen wird. Dieses erfindungsgemäße Verfahren erbringt
gegenüber allen bisher vorgeschlagenen wesentliche Vorteile. Sowohl die im Anschluß
an die Aufpanzerung erfolgende Verformung wie auch die nachträgliche Wärmebehandlung
verhindern die Bildung schroffer Übergänge von einer Gefügeform zu einer anderen
und verni..ndern dadurch die Entstehung kritischer Verschlechterungen
der
örtlichen Festigkeitseigenschaften. Durch diese Methode ist es möglich, die Schutzkanten
aus Hartlegierungen wirklich jedem gew".inschten Schaufelprofil im höchstmöglichen
Grade und ohne störende Lötfuge anzupassen. Das Schaufelprofil verläuft am Übergang
zur -Einströmkante völlig glatt. Vergleichsversuche mit den nach herkömmlichen Verfahren
hergestellten Turbinenschaufeln haben gzeigt, daß die erfindungsgemäß hergestellten
eine wesentlich längere Standzeit aufweisen und da:; außerdem bei der Endkontrolle
ein erheblich geringerer Ausschußanteil entsteht. Das erfindungsgemäße Verfahren
wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung an Hand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert. So zeigen: Fig. 1 den beispielsweise durch Schmieden oder spanabhebende
Bearbeitung hergestellten Schaufelrohling im Querschnitt, Fig. 2 den Rohling mit
der aufgeschweißten Panzerung und rig. 3 die nach dem maßgenauen Gesenkschmieden
und der nachfolgenden Warmbehandlung erhaltene Turbinenschaufel, ebenfalls im Querschnitt.
Aus einem in üblicher Gleise vorgewalzten Knüppel wird ein entsprechender Abschnitt
so vorgeschmiedet, daß er annähernd in das Vorgesenk ohne allzugroßen Materialfluß
mit möglichst wenigen Schlägen eingeschlagen werden kann. Dieser Rohling wird in
gebräuchlicher ;'eise unter der Abrratpresse in der Schmiedehitze von dem Grat befreit,
der sich aus dem überschüssigen Material zwischen den beiden Gesenkhälften rund
um die Kontur des Rohlings gebildet hat. Anschließend erfolgt die Vorbereitung für
die Aufpanzerung, indem eine aus Fig.1 ersichtliche Nut 1 parallel zur Längsausdehnung
des Schaufelrohlings ausgenommen wird. Wenn diese Nut nicht bereits beim Gesenkschmieden
vorgesehen ist, kann sie durch andersartige Materialabtragung, beispielsweise spanabhebende
oder elektroerosive Bearbeitung hergestellt werden. Es ist darauf zu achten, daß
die Nut und die angrenzenden Teile des Rohlings sorgfältig entzundert sind, so daß
eine gute oxydeinschlußfreie metallische Verbindung mit der aufzutragenden Hartlegierung
entsteht. Vor dem Schweißvorgang erfolgt
je nach der zu ber'Ieksichtigenden
Materialeigenschaft des Grundwerkstoffes und der Auftragslegierung, insbesondere
auch der ;":armrißempfindlichkeit, eine sorgfältige Vorwärmung, wobei auch Widerstands-
oder Induktionserhitzung auf elektrischem Wege in Betracht kommt. Die Auftragung
des Schweißgutes erfolgt mittels eines der bekannten Schmelzschweißverfahren, wobei
gegebenenfalls auch die Schweißung unter Schutzgas oder unter Schlacke mit oder
ohne Zuführung von Flußmitteln aus der Ummantelung der Elektrode oder durch ein
Schweißpulver vorgesehen werden, können, wenn dies die verwendeten Legierungen erfordern.
Nach vorsichtiger Abkühlung der auf gesch;-:eißten Rohlinge und allenfalls Einschaltung
einer Ausgleichsglühung zur Vermeidung von Spannungsrissen im Grundmaterial oder
insbesondere an der Oberfläche der Hrtlegierung werden die von den Sch@-:eißraupen
herrührender. Unebenheiten z.B. durch Schleifen geglättet, der Rohling sodann neuerlich
langsam und durchgreifend erwärmt und in einem maßgenauen Fertiggesenk auf Endabmessungen
verformt. Der hierbei entstehende geringfügige Schmiedegrat wird durch ein mechanisches
Verfahren, beispielsweise Schleifen, entfernt und dann die Schaufel nach neuerlichem
Erwärmen gehärtet. Nach tiiedererwärmung unterhalb der Anlaßterperatur erfolgt,
gegebenenfalls nach Zwischenschaltung eines Planierschlages im Fertiggesenk,ein
Richtvorgang zur Beseitigung des durch die Härtung allenfalls auftretenden Verzuges.
Für empfindliche Werkstoffe empfiehlt sich die Anwendung einer besonderen Quette
zum Richten. Geringfügige Abweichungen von der Maßtoleranz, die sich nach dem Abschleifen
von oberflächlichen Materialanhäufungen noch ergeben, werden durch Nachrichten im
kalten Zustand beseitigt. Gegenüber den bisher üblichen Verfahren erweist sich die
erfindungsgemäße Vorgangsweise schon deshalb als überlegen, weil durch die 1I'ärmebehandlung
nach der Auftragsschweißung ein einheitliches und rißfreies Gefüge erzielt wird.
Auch besteht keine Gefahr, daß sich LIaterialspannungen im Betrieb dadurch störend
auswirken, daß sie bei der Erwärmung der fertigen Schaufeln auf Betriebstemperatur
zu nachträglichen Formveränderungen
führend. Die erfindungsgemäß
aufgeschweißten und durch das Nachschmieden gemeinsam mit dem Grundkörper verformten
Einströmkanten besitzen bei richtiger Verkst@offauswahl eine hervorragende, rißfreie,
korrosionsfeste und gegen die erosiven Beanspruchungen durch das Antriebsmedium
außerordentlich widerstandsfähige Oberfläche. Stoßfugen oder Materialtrennungen
zwischen dem Grundwerkstoff und der aufgeschweißten Hartlegierung sind ausgeschlossen,
so daß auch an dieser Stelle Unterwaschungen nicht mehr auftreten können, die sich
bei den nach anderen, insbesondere durch Auflöten hergestellten Kanten störend auswirkten.
Besonders überraschend ist es, daß entgegen allen dem Fachwissen entsprechenden
Erwartungen ohne Schwierigkeiten ein maßgenaues Ausschmieden dieser mit einer aufgeschweißten
Panzerung versehenen Rohlinge auch dann möglich ist, wenn beispielsweise Schnellarbeitsstähle
oder Iis.rtlegierungen der Co-Cr-W-Type verwendet werden, die an sich nicht als
schmiedbar angesehen werden. Ein weiterer technischer Vorteil, der sich insbesondere
auch auf die Vereinfachung und Verbilligung des Herstellverfahrens auswirkt, liegt
in der Vermeidung einer spanabhebenden Bearbeitung der Kanten aus Hartlegierung,
die auch durch Schleifen nur unter Schwierigkeiten und mit besonderen Vorrichtungen
möglich ist. .Therefore, if one wishes to increase the essential properties by means of metallurgical measures, in particular the use of complex alloyed steels, the use of those processes for reinforcing the edges that can lead to quality-reducing conditions in transition zones is forbidden. The invention now proposes a new manufacturing method for turbine blades to overcome the difficulties presented, which is characterized in that a usually manufactured blade blank in the area of the inflow edge with armor optionally welded in a prepared recess, e.g. made of a hard alloy, hard metal, high-speed steel or the like, and that after the unevenness of the weld has been smoothed, it is then deformed to its final size in the die together with the blade body and finally subjected to an arm treatment. This method according to the invention provides significant advantages over all of the previously proposed. Both the deformation following the armouring and the subsequent heat treatment prevent the formation of sharp transitions from one structural shape to another and thereby reduce the occurrence of critical deterioration in the local strength properties. This method makes it possible to adapt the protective edges made of hard alloys to any desired blade profile in the highest possible degree and without a troublesome solder joint. The blade profile runs completely smooth at the transition to the inflow edge. Comparative tests with the turbine blades manufactured using conventional methods have shown that those produced according to the invention have a significantly longer service life and because:; in addition, a significantly lower proportion of rejects occurs during the final inspection. The method according to the invention is explained in more detail below with reference to the drawing on the basis of an exemplary embodiment or machining produced blade blank in cross section, Fig. 2 shows the blank of the welded armoring and rig. 3, the turbine blade obtained after the size-adjustment forging and the subsequent heat treatment, also in cross section. from an in In the case of usual rails, pre-rolled billets, a corresponding section is pre-forged so that it can be roughly hammered into the pre-die with as few blows as possible without an excessive flow of material. This blank is freed from the burr that has formed from the excess material between the two die halves around the contour of the blank in a conventional way under the abrasion press in the forging heat. Subsequently, the preparation for the armouring takes place in that a groove 1 shown in FIG. 1 is cut parallel to the longitudinal extension of the blade blank. If this groove is not already provided during drop forging, it can be produced by a different type of material removal, for example cutting or electrical discharge machining. It is important to ensure that the groove and the adjacent parts of the blank are carefully descaled so that a good metal bond, free of oxide inclusions, is created with the hard alloy to be applied. Before the welding process, depending on the material property to be taken into account of the base material and the deposit alloy, in particular also the; the known fusion welding processes, in which case welding under protective gas or under slag with or without the supply of flux from the coating of the electrode or through a welding powder can be provided, if this is required by the alloys used. The unevenness caused by the caterpillars, for example by grinding, is smoothed out, for example by grinding, and the blank is then slowly and again Thoroughly heated and shaped to final dimensions in a dimensionally accurate finished die. The resulting slight forging burr is removed by a mechanical process, for example grinding, and then the blade is hardened after being reheated. After heating up below the tempering temperature, if necessary after interposing a leveling stroke in the finished die, a straightening process is carried out to eliminate any distortion that may occur as a result of hardening. The use of a special quette for straightening is recommended for sensitive materials. Slight deviations from the dimensional tolerance, which still result after grinding off superficial accumulations of material, are eliminated by messages in the cold state. The procedure according to the invention proves to be superior to the previously customary methods because the heat treatment after the build-up welding results in a uniform and crack-free structure. There is also no risk of material stresses having a disruptive effect during operation in that they lead to subsequent changes in shape when the finished blades are heated to operating temperature. The inflow edges, welded on according to the invention and deformed together with the base body by the reforging, have an excellent, crack-free, corrosion-resistant and extremely resistant surface against the erosive stresses caused by the drive medium if the correct sales are made. Butt joints or material separations between the base material and the welded-on hard alloy are excluded, so that underwashing can no longer occur at this point as well, which had a disruptive effect on the other edges, especially those made by soldering. It is particularly surprising that, contrary to all expectations corresponding to the technical knowledge, a dimensionally accurate forging of these blanks provided with welded armor is also possible when, for example, high-speed steels or Iis.rt alloys of the Co-Cr-W type are used, which per se cannot be considered forgeable. Another technical advantage, which in particular also has an effect on the simplification and lower cost of the manufacturing process, is the avoidance of machining of the hard alloy edges, which is only possible with difficulty and with special devices even by grinding. .