DE19847222A1

DE19847222A1 - Bauteil für hohe mechanische Belastungen

Info

Publication number: DE19847222A1
Application number: DE1998147222
Authority: DE
Inventors: Mohamed Nazmy; Markus Staubli
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1998-10-13
Filing date: 1998-10-13
Publication date: 2000-04-27
Anticipated expiration: 2018-10-14
Also published as: DE19847222C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil für hohe mechanische Belastungen aus Metall mit einem gerichtet erstarrten Gefüge. Das Bauteil zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest ein Teil der Oberflächenschicht eine feinkörnigere Struktur als das gerichtet erstarrte Gefüge aufweist. DOLLAR A Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteiles. DOLLAR A Derartige Bauteile können extrem mechanisch und thermisch belastet werden, da die feinkörnige Struktur der Oberflächenschicht verhindert, dass sich Risse auf die Korngrenzen des übrigen, gerichtet erstarrten Gefüges ausdehen und so zu einem Reißen des Bauteiles führen. Derartige Bauteile sind vorzugsweise Turbinenschaufeln.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Bauteil für hohe mechanische Belastungen aus einem Me tall mit einem gerichtet erstarrten Gefüge. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfah ren zur Herstellung des Bauteils.

Stand der Technik

Bauteile für hohe mechanische Belastungen aus einem Metall mit einem gerichtet erstarrtem Gefüge sind zum Beispiel als Turbinenschaufeln bekannt. Es hat sich ge zeigt dass sich aufgrund dieser Struktur verstärkt entlang der langgestreckten Korn grenzen Risse ausbilden. Diese Risse führen zu einer Spaltung des Schaufelblattes, wobei beim Betrieb einer Turbine hierdurch nicht nur das Schaufelblatt sondern auch die gesamte Turbine beschädigt werden kann.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung liegt der Aufgabe zugrunde, bei einem Bauteil für hohe mechanische Belastungen und einem Verfahren zur Herstellung des Bauteils der eingangs ge nannten Art die Langzeitfestigkeit zu verbessern.

Die Aufgabe wird durch ein Bauteil mit dem Merkmal des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.

Das erfindungsgemässe Bauteil für hohe mechanische Belastungen aus einem Me tall mit einem gerichtet erstarrtem Gefüge zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest ein Teil der Oberflächenschicht eine feinkörnigere Struktur als das gerichtet erstarrte Gefüge aufweist.

Es hat sich gezeigt, dass diese feinkörnige Struktur Risse von den gerichteten Korn grenzen des gerichtet erstarrten Gefüges abhalten kann, wodurch eine Ausbreitung der Risse und damit eine Beschädigung des Bauteils vermieden wird.

Dieses Bauteil ist vorzugsweise eine Turbinenschaufel, die extremen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt ist, bei welchen Risse zudem nicht nur zur Beschädigung der Turbinenschaufel sondern auch zur Beschädigung der gesamten Turbine führen können. Vorzugsweise ist nur das Schaufelblatt mit einer feinkörnigen Oberflächenschicht versehen, da dieses besonders anfällig auf thermomechanische Ermüdungsbelastung ist. Dadurch kann die Lebensdauer des Schaufelblattes be trächtlich erhöht werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü chen.

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, und

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 Turbinenschaufel 1 gezeigt die ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemässes Bauteil für hohe mechanische Belastungen darstellt. Diese Schaufel 1 besitzt ein Schaufelblatt 2 und einen Schaufelfuss 3. Die Schaufel ist aus einem gerichtet erstarrten Gefüge mit einer feinkörnigen Zone 4 auf der Oberfläche der Schaufel 1 und einer grobkörnigen Zone 5 im Kern der Schaufel ausgebildet.

Feinkörnig bedeutet, dass die Korngrösse etwa im Bereich von 10-100 µm oder kleiner liegt wohingegen der grobkörnige Kern eine Korngrösse im Bereich von 200-600 µm aufweist.

Die Schaufel 1 ist aus einem Metall ausgebildet, das ein homogenes Metall oder auch eine Legierung sein kann. Für die Erfindung ist wesentlich, dass das Grundge füge gerichtet erstarrt ist, das heisst, dass die Körner nicht gleichmässig ausgebildet, sondern in eine Richtung gestreckt sind. Hierzu eignen sich besonders Ni-Basis- Legierungen. Das grobkörnige Gefüge 5 besitzt eine hohe Zugfestigkeit. Die feinkör nige Zone 4, die beispielsweise eine dünne Schicht mit einer Dicke von 100-200 µm ist, verhindert, dass sich feine Risse vergrössern und hält sie von den langgestreck ten Korngrenzen der gerichtet erstarrten Struktur (DS-Struktur; directed solidification) ab. Hierdurch wird verhindert, dass sich die an der Oberfläche entstehenden Haar risse bis in die grobkörnige Zone 5 fortsetzen und zu einem Reissen der Schaufel 1 führen. Hierdurch wird die Lebensdauer der Schaufel beträchtlich verlängert.

Die erfindungsgemässe Turbinenschaufel kann mit Vorteil bei mittleren und hohen Temperaturen, das heisst bei Temperaturen zwischen 200°C und 1000°C, insbeson dere in Gasturbinen und in Verdichten eingesetzt werden. Je nach Ausführungsform der Gasturbine oder des Verdichters kann hierbei zusätzlich ein nicht dargestelltes Schaufeldeckblatt vorhanden sein.

Die Schaufel 1 wird wie folgt hergestellt:
Unter Schutzgas, wie zum Beispiel Argon, oder unter Vakuum wird in einem Indukti onsofen eine Ni-Basis-Legierung erschmolzen.

Die Schmelze wird in einer der herzustellenden Turbinenschaufel entsprechenden Gussform abgegossen. Vom Gusskörper werden die sich ausbildende Gusshaut und Zunderschicht entfernt, indem beispielsweise eine Oberflächenschicht von ca. 1 mm Dicke auf mechanischem oder chemischem Wege abgetragen wird.

Der entzunderte Gusskörper wird durch geeignete Verfahren in eine grobkörnige ge richtet erstarrte Struktur 5 überführt. Diese Struktur weist eine Körnung auf, deren Korngröße im Bereich von 200-1000 µm in Querrichtung und ca. 5-100 mm in Längsrichtung liegt. In Fig. 1 ist die gerichtete, erstarrte Struktur im Bereich 5 ent sprechend eingezeichnet.

Der so hergestellte Schaufel-Grundkörper wird danach kugelgestrahlt. Der Druck kann dabei 1-4 bar betragen. Als Kugelstrahlmittel können Glaskugeln mit dem Durchmesser von ca. 1 mm verwendet werden und die Kugelstrahlzeit beträgt zum Beispiel eine halbe bis eine Minute. Der Verformungsgrad liegt bei Raumtemperatur bei weniger als ein Prozent.

Nach dem Kugelstrahlen wird der Schaufel-Grundkörper wärmebehandelt. Die Wär mebehandlung ist ein Rekristallationsglühen, durch das die durch das Kugelstrahlen verformte Oberflächenschicht zu einer feinkörnigen äquiaxialen Schicht rekristalli siert. Die Wärmebehandlung erfolgt zum Beispiel bei 1260°C und dauert etwa zwei Stunden.

Nach der Wärmebehandlung wird die Schaufel einer zweifachen Kaltaushärtung un terzogen.

Durch die Parameter des Kugelstrahlens und der Wärmebehandlung können die Dicke und die Korngrösse der feinkörnigen Schicht 4 eingestellt werden. Eine bevor zugte Schichtdicke beträgt 100-200 µm, wobei auch eine Schichtdicke bis zu 500 µm möglich ist.

Das erfindungsgemässe Bauteil ist oben anhand einer Turbinenschaufel beschrie ben. Es können jedoch auch andere Bauteile erfindungsgemäss ausgestaltet sein, insbesondere wenn sie thermisch und mechanisch stark belastet sind. Es können auch andere Verformungsverfahren, insbesondere Kaltverformungsverfahren, als Kugelstrahlen zur Verformung der Oberfläche verwendet werden. Im Rahmen der Erfindung kann es auch zweckmässig sein, nur das Schaufelblatt mit einer feinkörni gen Oberflächenschicht zu versehen.

Bezugszeichenliste

1

Schaufel

2

Schaufelblatt

3

Schaufelfuss

4

Feinkörnige Zone

5

Grobkörnige Zone

Claims

1. Bauteil für hohe mechanische Belastungen aus einem Metall mit einem gerichtet erstarrten Gefüge mit einer Oberflächenschicht, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Oberflächenschicht eine feinkörnigere Struktur (4) als das übrige gerichtet erstarrte Gefüge (5) aufweist.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Turbinenschaufel (1) mit einem Schaufelblatt (2) und einem Schaufelfuss (3) ist, wobei die Oberflächenschicht des Schaufelblattes (2) die feinkörnige Struktur (4) aufweist.

3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngrösse der feinkörnigen Struktur (4) im Bereich von 10-100 µm liegt.

4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngrösse des übrigen gerichtet erstarrten Gefüges (5) im Bereich von 200-1000 µm in Querrichtung und ca. 5-100 mm in Längsrichtung liegt.

5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die feinkörnige Struktur (4) eine Dicke von 100-500 µm und vorzugsweise eine Dicke von 100-200 µm aufweist.

6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus einer Legierung ausgebildet ist.

7. Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eine Ni-Basis-Legierung ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Metall mit einem gerichtet erstarrten Gefüge nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Giessen des Bauteiles

- die Oberfläche verformt wird und
- dass die verformte Oberflächenschicht (4) einem Rekristallationsglühen unter zogen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach dem Giessen und vor dem Verformen einem Verfahren zur Ausbildung eines gerichtet erstarrten Gefüges unterzogen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche durch Kugelstrahlen verformt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelstrahlen bei einem Druck von 1-4 bar und für eine Zeitdauer von einer halben bis drei Minuten und vorzugsweise für eine Zeitdauer von einer hal ben bis einer Minute erfolgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Rekristallationsglühen bei einer Temperatur zwischen 1000°C und 1400°C während 0,5-10 Stunden erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Rekristallationsglühen zwischen 1200°C und 1300°C während 1,5 bis 3 Stunden erfolgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach dem Rekristallationsglühen einer zweifachen Kalthärtung unterzogen wird.