DE19847222C2

DE19847222C2 - Turbinenschaufel für hohe mechanische und thermische Belastungen

Info

Publication number: DE19847222C2
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: 2001-09-20
Anticipated expiration: 2018-10-14
Also published as: DE19847222A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel für hohe mechanische und thermische Belastungen aus einem homogenen Metall oder einer Legierung mit einem gerichtet erstarrten Gefüge. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung der Turbinenschaufel.

Turbinenschaufeln sind Bauteile für hohe mechanische Belastungen und bestehen aus einem Metall mit einem gerichtet erstarrtem Gefüge. Es hat sich gezeigt, dass sich aufgrund dieser Struktur verstärkt entlang der langgestreckten Korngrenzen Ris se ausbilden. Diese Risse führen zu einer Spaltung des Schaufelblattes, wobei beim Betrieb einer Turbine hierdurch nicht nur das Schaufelblatt, sondern auch die ge samte Turbine beschädigt werden kann.

Aus der DE 42 19 470 A1 geht ein Bauteil für hohe Temperaturen, insbesondere Turbinenschaufel, hervor, mit einem zumindest einen ersten (Schaufelfuss) und ei nen zweiten Abschnitt (Schaufelblatt) enthaltenden Bauteilkörper, bei dem der erste Abschnitt von einem duktilen Werkstoff gebildet ist und der zweite Abschnitt einen gegenüber dem duktilen Werkstoff spröden Werkstoff aufweist, wobei jeder der bei den Werkstoffe jeweils eine von zwei auf einem gemeinsamen Basiswerkstoff beru hende Legierung unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung enthält, welche sich voneinander durch das Vorhandensein und/oder die Menge mindestens eines dem Basiswerkstoff zulegierten Dotierstoffes unterscheiden. Der erste Abschnitt (Schaufelfuss) besteht vorzugsweise aus einem feinkristallinen Gefüge, während der zweite Abschnitt (Schaufelblatt) aus einem grobkristallinen Gefüge besteht.

Ferner beschränkt sich die technische Lehre der Druckschrift ausschliesslich auf die Herstellung einer Turbinenschaufel mittels einer sogenannten Presskanne oder Sin terform, in der der Schaufelfuss an das Schaufelblatt anlegiert wird.

Auch bei der vorstehend beschriebenen Turbinenschaufel können sich Risse längs beider Legierungen ausbilden.

Die Erfindung liegt der Aufgabe zugrunde, bei einer Turbinenschaufel für hohe me chanische Belastungen und einem Verfahren zur Herstellung der Turbinenschaufel 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 7 gelöst.

Die erfindungsgemässe Turbinenschaufel für hohe mechanische Belastungen aus einem Metall mit einem gerichtet erstarrtem Gefüge zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest ein Teil der Oberflächenschicht eine feinkörnigere Struktur als das ge richtet 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.

Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel ist extremen mechanischen und thermi schen Belastungen ausgesetzt, bei welchen Risse zudem nicht nur zur Beschädi gung der Turbinenschaufel, sondern auch zur Beschädigung der gesamten Turbine führen können. Vorzugsweise ist nur das Schaufelblatt mit einer feinkörnigen Ober flächenschicht versehen, da diese besonders anfällig auf thermomechanische Ermü dungsbelastung ist. Dadurch kann die Lebensdauer des Schaufelblattes beträchtlich erhöht werden.

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

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch anhand ei ner 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. 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 erstarrtem 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 langge streckten Korngrenzen der gerichtet erstarrten Struktur (DS-Struktur; directed solidifi cation) ab. Hierdurch wird verhindert, dass sich die an der Oberfläche entstehenden Haarrisse bis in die grobkörnige Zone 5 fortsetzen und zu einem Reissen der Schaufel 1 führen. Hierdurch wird die Lebensdauer der Schaufel beträchtlich verlän gert.

Die erfindungsgemässe Turbinenschaufel kann mit Vorteil bei mittleren und hohen Temperaturen, das heisst bei Temperaturen zwischen 200°C und 1000°C, insbe sondere in Gasturbinen und in Verdichtern eingesetzt werden. Je nach Ausführungs form der Gasturbine oder des Verdichters kann hierbei zusätzlich ein nicht darge stelltes 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 überführt.

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 Wärmebehandlung ist ein Rekristallationsglühen, durch das die durch das Kugel strahlen verformte Oberflächenschicht zu einer feinkörnigen äquiaxialen Schicht re kristallisiert. 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 kann die Dicke und die Korngrösse der feinkörnigen Schicht 4 eingestellt werden. Eine bevorzugte 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 zur versehen.

Bezugszeichenliste

1

Schaufel

2

Schaufelblatt

3

Schaufelfuss

4

Feinkörnige Zone

5

Grobkörnige Zone

Claims

1. Turbinenschaufel (1) für hohe mechanische und thermische Belastungen, be stehend aus einem homogenen Metall oder einer Legierung, wobei das Metall oder die Legierung ein gerichtet erstarrtes Gefüge aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Oberflächenschicht der Turbinenschaufel eine fein körnigere Struktur als das übrige gerichtet erstarrte Gefüge aufweist.

2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel (1) ein Schaufelblatt (2) und einen Schaufelfuss (3) umfasst, wobei die Oberflächenschicht des Schaufelblattes (2) die feinkörnige Struktur (4) aufweist.

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

4. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngrösse des übrigen gerichtet erstarrten Gefüges (5) im Bereich von 200-600 µm liegt.

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

6. Turbinenschaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eine Ni-Basis-Legierung ist.

7. Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel aus einem Metall mit einem gerichtet erstarrten Gefüge nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Giessen der Turbinenschaufel (1)

- die Oberfläche verformt wird, und
- die verformte Oberflächenschicht (4) einem Rekristallationsglühen unterzogen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel nach dem Giessen und vor dem Verformen einem Verfahren zur Ausbildung eines gerichtet erstarrten Gefüges unterzogen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche durch Kugelstrahlen verformt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, 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 ei ner halben bis einer Minute erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Rekristallationsglühen bei einer Temperatur zwischen 1000°C und 1400°C während 0,5-10 Stunden erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, . dass das Rekristallationsglühen zwischen 1200°C und 1300°C während 1,5 bis 3 Stunden erfolgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel nach dem Rekristallationsglühen einer zweifachen Kalthärtung unterzogen wird.