DE19756354A1

DE19756354A1 - Schaufel und Verfahren zur Herstellung der Schaufel

Info

Publication number: DE19756354A1
Application number: DE19756354A
Authority: DE
Inventors: Mohamed Dr Nazmy; Markus Staubli
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 1997-12-18
Filing date: 1997-12-18
Publication date: 1999-06-24
Anticipated expiration: 2017-12-19
Also published as: JPH11247614A; US6521059B1; DE19756354B4

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung geht aus von einer Schaufel bestehend aus einer Legierung auf der Basis von dotierstoffhaltigem γ-Titanaluminid nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches.

Die Erfindung geht ebenfalls aus von einem Verfahren zur Herstellung der Schaufel bestehend aus einer Legierung auf der Basis von dotierstoffhaltigem γ-Titanaluminid nach dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruches.

Stand der Technik

Aus der EP 0 513 407 B1 ist eine Schaufel aus einer Legierung auf der Basis von dotierstoffhaltigem γ-Titanaluminid bekannt geworden, bei der der Schaufelfuß eine feinkörnige Struktur und das Schaufelblatt eine grobkörnige Struktur aufweist. Das Schaufelblatt soll dadurch bei hohen Temperaturen eine gute Zeit- und Zug standfestigkeit aufweisen, der Schaufelfuß soll eine hohe Duktilität aufweisen. Problematisch ist jedoch das Ermüdungsverhalten des Schaufelblattes bedingt durch ihre grobkörniger Struktur sowie die relativ aufwendigen Herstellung der Schaufeln.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaufel und einem Verfah ren zur Herstellung der Schaufel der eingangs genannten Art das Ermüdungsver halten und die Zeitstandfestigkeit zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des ersten Anspruches erreicht.

Kern der Erfindung ist es also, daß zumindest ein Teil der Oberflächenschicht der Schaufel eine feinkörnige Struktur und der Kern eine grobkörnige Struktur auf weist, wobei die Duktilität der feinkörnigen Oberflächenschicht gegenüber dem grobkörnigen Kern erhöht ist.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß durch die Kombination von grobkörniger Struktur im Kern und feinkörniger Struktur auf der Oberfläche der Schaufel die Duktilität der Oberfläche erhöht wird und daß das Ermüdungsverhalten sowie die Zug- und Zeitstandfestigkeit gegenüber bisher be kannten Schaufeln verbessert wird. Da die Korngröße in γ-Titanaluminiden die kritische Größe für das Rißwachstum darstellt, wird durch die Verringerung der Korngröße auf der Oberfläche die Fehlertoleranz erhöht und damit die Lebens dauer der Schaufel verbessert. Weiter wird die thermomechanische Ermüdungs festigkeit durch die feinkörnige Schicht auf der Oberfläche verbessert.

Besonders vorteilhaft ist es, nur das Schaufelblatt mit einer feinkörnigen Oberflä chenschicht zu versehen, da diese besonders anfällig auf thermomechanische Ermüdungsbelastungen ist. Dadurch kann die Lebensdauer des Schaufelblattes erhöht werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Un teransprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch anhand einer Schaufel dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Schaufel;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Schaufel.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 und 2 ist eine erfindungsgemäß hergestellte Schaufel 1 mit einem Schaufelblatt 2 und einem Schaufelfuß 3 dargestellt. Eine feinkörnige Zone 4 auf der Oberfläche der Schaufel 1 umgibt eine grobkörnige Zone 5 im Kern der Schaufel, deren Struktur im wesentlichen durch den Herstellungsprozeß der Schaufel gegeben ist.

Feinkörnig bedeutet, daß die Korngröße etwa im Bereich von 10 bis 100 µm oder kleiner liegt, grobkörnig bedeutet, daß die Korngröße etwa im Bereich von 200 bis 600 µm liegt.

Der in den Figuren dargestellte Gußkörper besteht im wesentlichen aus einer Le gierung auf der Basis eines dotierstoffhaltigen γ-Titanaluminids, wie er beispiels weise aus der EP 0 455 005 A1 bekannt ist. Die grobkörnige Struktur 5 führt zu einem Gefüge mit einer hohen Zug- und Zeitstandfestigkeit. Die feinkörnige Struktur 4 weist eine höhere Duktilität, eine größere Fehlertoleranz und ein bes seres Ermüdungsverhalten auf als die grobkörnige Struktur 5. Hierdurch wird eine hohe Lebensdauer der Schaufel erreicht.

Die Turbinenschaufel nach der Erfindung läßt sich mit Vorteil bei mittleren und hohen Temperaturen, d. h. bei Temperaturen zwischen 200 und 1000°C, insbe sondere in Gasturbinen und in Verdichtern, einsetzen. Je nach Ausführungsform der Gasturbine oder des Verdichters kann hierbei zusätzlich ein nicht dargestelltes Schaufeldeckblatt vorhanden sein.

Die Schaufel 1 gemäß den Figuren wird wie folgt hergestellt: Unter Schutzgas, wie etwa Argon, oder unter Vakuum wird in einem Induktionsofen folgende Legie rung auf der Basis eines γ-Titanaluminids mit Chrom als Dotierstoff erschmolzen:
Al = 48 At.-%
Cr = 3 At.-%
Ti = Rest

Andere geeignete Legierungen sind gamma-Titanaluminide, wie sie in der EP 0 455 005 A1 beschrieben werden, in denen als Dotierstoff mindestens eines oder mehrere der Elemente B, Co, Cr, Ge, Hf, Mn, Mo, Nb, Pd, Si, Ta, V, Y, W sowie Zr enthalten sind. Die Menge an zugesetztem Dotierstoff beträgt vorzugsweise 0,5 bis 8 Atomprozent.

Die Schmelze wird in einer der herzustellenden Turbinenschaufel entsprechenden Gußform abgegossen. Vom Gußkörperwerden sodann Gußhaut und Zunder schicht entfernt, indem beispielsweise eine Oberflächenschicht von ca. 1 mm Dicke auf mechanischem oder chemischem Wege abgetragen wird. Der entzunderte Gußkörper wird in eine passende Kapsel aus weichem Kohlenstoffstahl einge schoben und letztere gasdicht verschweißt. Der eingekapselte Gußkörper wird nun bei einer Temperatur von 1260°C während 3 h unter einem Druck von unge fähr 172 MPa heiß-isostatisch gepreßt (HIP) und abgekühlt.

Das heißisostatische Pressen sollte je nach Zusammensetzung der Legierung mit Vorteil bei Temperaturen zwischen 1200 und 1300°C und einem Druck zwi schen 150 und 190 MPa mindestens eine und höchstens fünf Stunden lang durchgeführt werden.

Der gebildete Gußkörper kann um die Duktilität der heißisostatisch gepreßten Schaufel zu erhöhen bei ca. 1270°C bis 1330, insbesondere bei 1300°C während beispielsweise 1 bis 10 Stunden in Argonatmosphäre geglüht und dann auf Raumtemperatur abgekühlt werden.

Die heißisostatisch gepreßten Schaufeln werden danach kugelgestrahlt. Der Druck kann dabei 2 bis 4 bar betragen, als Kugelstrahlmittel können Glaskugeln mit einem Durchmesser von ca. 1 mm verwendet werden und die Kugelstrahlzeit kann einige Minuten, insbesondere 2 bis 3 Minuten betragen.

Der Verformungsgrad bei Raumtemperatur liegt bei etwa minimal 1%.

Durch die Parameter des Kugelstrahlens und derjenigen der nachfolgend be schriebenen Wärmebehandlung kann die Dicke und die Korngröße der feinkörni gen Schicht 4 eingestellt werden. Eine bevorzugte Schichtdicke beträgt 0.1 bis 0.5 mm.

Die dem Kugelstrahlen nachgeschaltete Wärmebehandlung ist ein Rekristallisati onsglühen der durch das Kugelstrahlen verformten Oberflächenschicht. Dieses Rekristallisationsglühen erfolgt zwischen 1000°C und 1400°C während 0.5 bis 10 Stunden. Danach wurden die Schaufeln im Ofen unter Zugabe von Argongas auf Raumtemperatur RT abgekühlt.

Durch ein längeres Halten der Schaufeln bei einer bestimmten Temperatur kann die Größe der Körner der Oberflächenschicht eingestellt werden, d. h. daß bei längerem Halten der Schaufeln die Größe der Körner in der Oberflächenschicht zunimmt.

Besonders bevorzugte Wärmebehandlungen sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt.

Die entsprechend der obigen Tabelle hergestellten Schaufeln A bis D zeigten eine feinkörnige, duktile Oberflächenschicht mit einer Schichtdicke zwischen 0.1 bis 0.5 mm.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Es können beliebig andere Verformungsverfah ren als Kugelstrahlen zur Verformung der Oberfläche verwendet werden. Natürlich kann auch nur das Schaufelblatt mit einer feinkörnigen Oberflächenschicht verse hen werden.

Bezugszeichenliste

1

Schaufel

2

Schaufelblatt

3

Schaufelfuß

4

feinkörnige Zone

5

grobkörnige Zone

Claims

1. Schaufel (1) umfassend ein Schaufelblatt (2) und einen Schaufelfuß (3), bestehend aus einer Legierung auf der Basis von dotierstoffhaltigem γ- Titanaluminid, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Oberflächenschicht (4) der Schaufel (1) eine feinkörnige Struktur und der Kern (5) eine grobkörnige Struktur aufweist, wobei die Duktilität der feinkörnigen Oberflächenschicht (4) gegenüber dem grobkörnigen Kern (5) erhöht ist.

2. Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (4) des Schaufelblattes (2) eine feinkörnige Struktur aufweist.

3. Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (4) eine Dicke von 0.1 bis 0.5 mm aufweist.

4. Verfahren zur Herstellung der Schaufel nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Gießen und dem heißisostatisch Pressen der Schaufel (1) die Oberfläche verformt wird und daß die verformte Oberflächenschicht (4) einem Rekristallisationsglühen unterworfen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufel vorgängig der Verformung der Oberfläche eine Wärme behandlung zur Erhöhung der Duktilität der Schaufel unterworfen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rekristallisationsglühen zwischen 1000°C und 1400°C während 0.5 bis 10 Stunden erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung vorgängig der Verformung der Oberfläche zwi schen 1270°C bis 1330 während 1 bis 10 Stunden erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche durch Kugelstrahlen verformt wird.