DE202005021294U1 - Geschweißtes Bauteil mit Schweißzusatzwerkstoff - Google Patents
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Abstract
Geschweißtes Bauteil
(120, 130, 155) mit einem Schweißzusatzwerkstoff,
der enthält (in wt%) 17.5%–20.0% Chrom
(Cr), insbesondere 19% Cr,
10.0%–12.0% Kobalt
(Co), insbesondere 11% Co,
9.0%–10.5% Molybdän (Mo),
insbesondere 10% Mo,
0.1%–3.3% Titan
(Ti), insbesondere 3.0%–3.3%
Ti,
1.4%–1.8% Aluminium
(Al), insbesondere 1.6% Al,
0.4%–0.12% Kohlenstoff,
insbesondere 0.09% C
0.003%–0.1% Bor
(B), insbesondere 0.005% B,
optional
maximal
5% Eisen
(Fe), insbesondere max. 0.35%, Fe,
maximal
0.1% Mangan
(Mn), insbesondere max. 0.05% Mn,
maximal
0.5% Silizium
(Si), insbesondere max. 0.1% Si
maximal
0.015% Schwefel
(S), insbesondere max. 0.0075% S,
maximal
0.03% Phosphor
(P), insbesondere max. 0.015% P,
Tantal (Ta) und/oder Zirkon (Zr) und/oder Hafnium
(Hf) und/oder Lanthan (La),
Rest Nickel,
insbesondere etwa 55% Ni.
der enthält (in wt%)
Rest Nickel,
insbesondere etwa 55% Ni.
Description
- Die Erfindung betrifft ein geschweißtes Bauteil mit einem Schweißzusatzwerkstoff gemäß Anspruch 1.
- Superlegierungen auf Nickel-Basis haben von allen Hochtemperaturmaterialien die günstigste Kombination aus mechanischen Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit für den Gasturbinenbau für Flugzeuge und Kraftwerke. Die hohe Festigkeitssteigerung wird besonders durch die Teilchenhärtung mit sehr hohen Volumenanteilen der kohärenten γ'-Phase Ni3(Al-Ti, Ta, Nb) ermöglicht. Legierungen mit höherem γ'-Anteil gelten aber allgemein als nur bedingt schweißbar. Diese geringe Schweißbarkeit ist bedingt durch:
- a) Nickel-Legierungen weisen allgemein eine relativ geringe Temperaturleitfähigkeit und einen relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizient auf, ähnlich den Werten der austenitischen Stähle und der Co-Legierungen. Die eingebrachte Schweißwärme wird deshalb vergleichsweise langsam abgeführt, und die inhomogene Erwärmung führt zu hohen thermischen Spannungen, die zur thermischen Ermüdung führt, die nur mit großem Aufwand beherrscht werden kann.
- b) Nickel-Legierungen sind sehr empfindlich gegen Heißrisse bei schnellem Wechsel der Temperaturzyklen im höheren Temperaturbereich. Ursache sind Korngrenzenanschmelzungen aufgrund von Schwankungen der chemischen Zusammensetzung (Seigerungen) oder Bildung von niedrigschmelzenden Phasen wie Sulfiden oder Boriden.
- c) Nickel-Legierungen weisen allgemein einen hohen Anteil an der γ'-Phase in einer γ-Matrix auf. Der Anteil der γ'-Phase liegt bei Nickel-Basis-Superlegierungen für Turbinenbauteile bis größer 40vol%. Dies bedingt eine hohe Festigkeit, aber auch geringe Duktilität des Werkstoffes insbesondere bei tiefen Temperaturen und im Bereich des Temperaturfeldes, in dem die γ/γ'-Ausscheidungsvorgänge stattfinden können („Ductility-Dip Temperature Range" oder auch „Subsolidus Ductility Dip", je nach Legierung etwa 700°C bis 1100°C). Auftretende Spannungen können deshalb weniger durch plastisches Fließen abgebaut werden, was allgemein die Gefahr der Rissbildung erhöht.
- d) Nickel-Legierungen zeigen das Phänomen der Post-Weld Heat Treatment Cracks, auch Strain-Age Cracking genannt. Dabei werden Risse charakteristischerweise in der ersten Wärmebehandlung nach dem Schweißen durch γ/γ'-Ausscheidungsvorgänge in der Wärmeeinflusszone oder – wenn der Schweißzusatz die γ'-Phase bilden kann – auch im Schweißgut erzeugt. Ursache sind lokale Spannungen, die während des Ausscheidens der γ'-Phase infolge der Kontraktion der umliegenden Matrix entstehen. Die Empfindlichkeit für Strain-Age Cracking nimmt mit zunehmenden Anteil an γ'-bildenden Legierungsbestandteilen wie Al und Ti zu, da dadurch auch der Anteil an γ'-Phase im Gefüge zunimmt.
- Werden artgleiche Schweißungen (Grund- und Zusatzwerkstoff sind identisch) bei Raumtemperatur mit konventionellen Schweißverfahren versucht, so kann derzeit für viele technische Ni-Basis-Superlegierungen für Turbinenschaufeln (z.B. IN738LC, Rene80, IN939) Rissbildung in Wärmeeinflusszone und im Schweißgut nicht vermieden werden.
- Derzeit sind mehrere Verfahren und Verfahrensschritte bekannt, welche die Schweißbarkeit von Nickel-Basis-Superlegierungen verbessern:
- a) Schweißen mit Vorwärmung:
- Eine Möglichkeit zur Vermeidung von Rissen beim Schweißen von Nickel-Basis-Superlegierungen mit hochfesten Zusatzwerkstoffen (ebenfalls Nickel-Basis-Superlegierungen) ist die Verringerung des Temperaturunterschiedes und damit des Spannungsgradienten zwischen Schweißstelle und dem Rest des Bauteils.
- Dies wird durch eine Vorwärmung des Bauteils während des Schweißens erreicht. Ein Beispiel ist das manuelle WIG-Schweißen in einer Schutzgasbox, wobei die Schweißstelle induktiv (mittels Induktionsspulen) auf Temperaturen größer 900°C vorgewärmt wird. Dies verkompliziert und verteuert aber den Schweißprozess wesentlich. Zudem kann dies aufgrund mangelnder Zugänglichkeit nicht für alle zu schweißende Bereiche durchgeführt werden.
- b) Schweißen mit extrem geringer Wärmeeinbringung:
- Hierzu werden Schweißverfahren eingesetzt, welche eine sehr geringe Wärmeeinbringung in den Grundwerkstoff gewährleisten. Zu diesen Verfahren zählen Laserschweißen und Elektronstrahlschweißen. Beide Verfahren sind sehr kostspielig. Zudem erfordern sie Programmier- und Automatisierungsaufwand, der bei Reparaturschweißungen mit häufig wechselnden Schadensbildern und Schadenstellen unwirtschaftlich sein kann.
- Aus der US 2004/0115086 A1 ist eine Nickel-Legierung mit verschiedenen Zusätzen bekannt.
- Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein geschweißtes Bauteil mit einem Schweißzusatzwerkstoff aufzuzeigen, wodurch die Probleme aus dem Stand der Technik überwunden werden.
- Die Aufgabe wird gelöst durch ein geschweißtes Bauteil mit einem Schweißzusatzwerkstoff gemäß Anspruch 1.
- In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen ausgebildet, die in vorteilhafter Art und Weise beliebig miteinander kombiniert werden können.
- Vorgeschlagen wird ein geschweißtes Bauteil mit einem Schweißzusatzwerkstoff. Der Schweißzusatzwerkstoff ist ebenfalls eine γ'-gehärtete Nickel-Basis-Superlegierung, unterscheidet sich aber insbesondere von dem Material eines Substrats eines zu reparierenden Bauteils. Die Schweißrepara tur ermöglicht eine niederzyklische Festigkeit (LCF, low cycle fatigue), die in etwa 50% und mehr der Eigenschaften des Grundwerkstoffs entspricht (die Schweißung hält 50% der LCF Zyklen des Grundwerkstoffs).
- Die Erfindung wird im Folgenden näher erläutert.
- Es zeigen
-
1 eine Auflistung der Zusammensetzung von Werkstoffen, die mit dem erfindungsgemäßen Zusatzwerkstoff geschweißt werden können, -
2 eine perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel, -
3 eine perspektivische Ansicht eines Brennkammerelementes und -
4 eine Gasturbine. - Vorgeschlagen zur Schweißung eines Bauteils
120 ,130 (2 ),138 ,155 (3 ,4 ) wird ein Schweißprozess für das Schweißen von Bauteilen wie Heißgaskomponenten138 ,155 und Turbinenschaufeln120 ,130 aus Nickel-Basis-Superlegierungen, der vorzugsweise folgende Charakteristika aufweist: - • Wärmebehandlung
vor dem Schweißen
mit dem Ziel der Vergröberung
der γ'-Phase im Grundwerkstoff aus
Nickel-Basis-Superlegierung (siehe
EP 1 428 897 A1 ). Diese auch als Überalterung oder Overaging bezeichnete Wärmebehandlung erhöht die Duktilität und damit die Schweißbarkeit des Grundwerkstoffs. - • Schweißen ohne Vorwärmung (bei Raumtemperatur) mit konventionellen manuellen Schweißverfahren wie WIG- oder Plasmapulverschweißen oder alternativ Schweißen mit automatisierten Verfahren, wie Laserpulverschweißen oder automatisiertem Plasmapulverschweißen, ebenfalls bei Raumtemperatur.
- • Verwendung von geschlossenen Schutzgas- oder Vakuumboxen, in die das gesamte Bauteil während des Schweißens zum Schutz vor Oxidation eingebracht wird, sind nicht erforderlich. Ebenso werden keine Durchflussboxen benötigt, in denen durch einen entsprechend großen Durchfluss von Schutzgas das Bauteil während des Schweißens geschützt wird.
- • Für Grundwerkstoffe,
die extrem zur Heißrissbildung
und/oder Oxidation während
des Schweißens
neigen, wird die Verwendung von Schutzgas empfohlen, das Stickstoff
zur Unterdrückung
der Heißrissigkeit und/oder
Wasserstoff zur Verringerung der Oxidation enthält (Das Schutzgas ist offenbart
in
EP 04011321.9 - • Wärmebehandlung nach dem Schweißen zur Homogenisierung von Grund- und Schweißzusatzwerkstoff: Lösungsglühung. Die Lösungsglühtemperatur sollte auf den Grundwerkstoff abgestimmt sein. Die Lösungsglühtemperatur muss oberhalb der Lösungsglühtemperatur, aber unterhalb der Solidustemperatur des Schweißzusatzwerkstoffes (ca. 1315°C für SC 52) liegen. Das ein- oder mehrstufige Auslagern zur Einstellung der gewünschten γ'-Morphologie (Größe, Form, Verteilung) kann direkt im Anschluss oder später während der Prozessierung der Heißgaskomponenten erfolgen.
- Der Schweißzusatzwerkstoff wird unterschieden in eine Basislegierung Legierung SC 52 und dieser Varianten Legierung SC 52+.
- SC 52
- Dieser Schweißzusatzwerkstoff hat relativ gute Schweißeigenschaften bei Raumtemperatur. Dazu wurden die Anteile an Al und Ti in der Legierung so gewählt, dass eine sehr geringe Empfindlichkeit gegen Strain-Age Cracking resultiert. Der Al-Gehalt wurde kleiner 4% gewählt und der Cr-Gehalt auf 17–20%, so dass die Legierung eine korrosionsbeständige Cr2O3-Deck schicht bildet und ein ausreichendes Reservoir zur Regeneration dieser Schicht unter Betriebsbedingungen enthält.
- SC 52+
- Im Vergleich zu SC52 können vorzugsweise die nachfolgend genannten Veränderungen vorgenommen werden.
- Titan: Der Titananteil ist vorzugsweise auf maximal 1.5wt% reduziert. Dadurch wird die Gefahr der Bildung der versprödenden, inkohärenten η-Phase Ni3Ti eliminiert. Die η-Phase bildet sich bei hohen Titan zu Aluminium Gehalten, zum Beispiel in der Ni-Basis-Superlegierung IN939 mit ca. 3.7wt% Ti und ca. 1.9wt% Al).
- Tantal: Es ist vorzugsweise bis zu 2.5wt% Tantal zulegiert, um den Verlust an γ'-bildendem Titan zu kompensieren.
- (Titan + Tantal): Der Anteil an (Ti + Ta) ist vorzugsweise auf ≤ 3.5wt% limitiert, um die Gefahr der Strain-Age Crackings zu unterdrücken. Insbesondere beträgt der Minimalgehalt 3wt%.
- Eisen: Eisen ist vorzugsweise auf maximal 0.35wt% limitiert, um die Oxidationsbeständigkeit der Legierung zu verbessern, und die Gefahr der Bildung von versprödenden TCP-Phasen zu verringern (TCP = topologigally closed packed).
- Silizium: Silizium ist vorzugsweise limitiert auf maximal 0.1wt%, um die Heißrissigkeit zu minimieren.
- Zirkon: Zirkon ist vorzugsweise zugesetzt in einem Anteil von 0.01 bis 0.1wt%. Es bindet Schwefel und Kohlenstoff und verringert dadurch in den zugesetzten Anteilen die Heißrissigkeit.
- Lanthan: Lanthan ist vorzugsweise in einem Anteil an 0.05wt% bis 0.1wt% zugesetzt, da es wie Zirkon Schwefel bindet und die Heißrissigkeit verringert.
- Schwefel: Schwefel wird vorzugsweise auf maximal 0.0075wt% limitiert, um die Heißrissigkeit zu unterdrücken.
- Hafnium: Hafnium wird vorzugsweise in einem Anteil an 0.25wt% bis 0.5wt% zulegiert. Es bindet Schwefel, verringert die Heißrissigkeit, und es wird in γ' eingebaut, wodurch dessen Festigkeit erhöht wird.
- Durch diese Änderungen wird die Gefahr der Bildung von versprödenden TCP-Phasen (topologische dichteste Packung), insbesondere der η-Phase Ni3Ti minimiert.
- Zugleich wird der Anteil an schädigenden Verunreinigungen wie Fe, Mn, S, Si und P limitiert, welche sich auf die Schweißbarkeit und die Eigenschaften der Legierung des Bauteils nachteilig auswirken.
- Beim Erstellen des Bauteils und beim Schweißen können sich Oxide und insbesondere Sulfide an den Korngrenzen bilden. Diese schwefel- und sauerstoffhaltigen, dünnen, zwischenkristallinen Eutektika verspröden einerseits die Korngrenzen. Andererseits haben sie eine niedrige Schmelztemperatur, was zu einer großen Korngrenzenrissanfälligkeit durch lokales Aufschmelzen der Korngrenzen führt.
- Gegen die Sauerstoffversprödung hilft insbesondere eine lokale Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Korngrenzen durch Zugabe von Hf, welches an der Korngrenze segregiert und dadurch die Korngrenzendiffusion des Sauerstoffs erschwert, und somit die Korngrenzenversprödung, die durch den Sauerstoff verursacht wird, behindert. Außerdem wird Hafnium in die γ'-Phase eingebaut und erhöht dessen Festigkeit.
- Zirkon, Lanthan und auch Hafnium binden Schwefel und ermöglichen dadurch eine deutliche Verbesserung der Heißrissbeständigkeit.
- Die folgende Tabelle fasst zwei Ausführungsbeispiele zusammen (Angaben in wt%).
- Anwendungsbeispiel ist das Schweißen der Legierung Rene80, insbesondere wenn es betriebsbeansprucht ist, mittels manuellem WIG-Schweißen und Plasmapulverauftragsschweißen. Weitere Schweißverfahren und Reparaturanwendungen sind nicht ausgeschlossen. Die Schweißreparaturstellen besitzen Eigenschaften, die „strukturelle" Reparaturen im Übergangsradius Schaufelblatt-Plattform oder im Schaufelblatt einer Turbinenschaufel erlauben.
- Weitere nickelbasierte Zusatzstoffe können danach ausgewählt werden, wie groß der Anteil der γ'-Phase ist, nämlich vorzugsweise größergleich 35 vol% bei einer vorzugsweise gegebenen maximalen Obergrenze von 75 vol%.
- Vorzugsweise lassen sich Werkstoffe IN738, IN939, PWA1483SX oder IN6203DS mit dem erfindungsgemäßen Schweißzusatzwerkstoff schweißen.
-
2 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel120 oder Leitschaufel130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse121 erstreckt. - Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
- Die Schaufel
120 ,130 weist entlang der Längsachse121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich400 , eine daran angrenzende Schaufelplattform403 sowie ein Schaufelblatt406 auf. - Als Leitschaufel
130 kann die Schaufel130 an ihrer Schaufelspitze415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt). - Im Befestigungsbereich
400 ist ein Schaufelfuß183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln120 ,130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt). - Der Schaufelfuß
183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich. - Die Schaufel
120 ,130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt406 vorbeiströmt, eine Anströmkante409 und eine Abströmkante412 auf. - Bei herkömmlichen Schaufeln
120 ,130 werden in allen Bereichen400 ,403 ,406 der Schaufel120 ,130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet. - Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der
EP 1 204 776 B1 ,EP 1 306 454 ,EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil der Offenbarung. - Die Schaufel
120 ,130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedever fahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein. - Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
- Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.
- Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.
- Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures).
- Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der
EP 0 892 090 A1 bekannt; diese Schriften sind Teil der Offenbarung. - Ebenso können die Schaufeln
120 ,130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z.B. (MCrAlX; M ist zu mindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)). Solche Legierungen sind bekannt aus derEP 0 486 489 B1 ,EP 0 786 017 B1 ,EP 0 412 397 B1 oderEP 1 306 454 A1 , die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen. - Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO3, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
- Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
- Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile
120 ,130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil120 ,130 repariert, wobei der erfindungsgemäße Schweißzusatzwerkstoff verwendet werden kann. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung des Bauteils120 ,130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils120 ,130 . - Die Schaufel
120 ,130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel120 ,130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher418 (gestrichelt angedeutet) auf. - Die
3 zeigt eine Brennkammer110 einer Gasturbine100 (4 ). - Die Brennkammer
110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse102 herum angeordneten Brennern107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum154 münden, die Flammen156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse102 herum positioniert ist. - Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer
110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1000°C bis 1600°C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen, ist die Brennkammerwand153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen155 gebildeten Innenauskleidung versehen. - Jedes Hitzeschildelement
155 aus einer Legierung ist arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt. - Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf). Solche Legierungen sind bekannt aus der
EP 0 486 489 B1 ,EP 0 786 017 B1 ,EP 0 412 397 B1 oderEP 1 306 454 A1 , die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen. - Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3–ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
- Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
- Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Hitzeschildelemente
155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in dem Hitzeschildelement155 mit dem erfindungsgemäßen Schweißzusatzwerkstoff repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Hitzeschildelemente155 und ein erneuter Einsatz der Hitzeschildelemente155 . - Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer
110 kann zudem für die Hitzeschildelemente155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum154 mündende Filmkühllöcher (nicht dargestellt) auf. - Die
4 zeigt beispielhaft eine Gasturbine100 in einem Längsteilschnitt. - Die Gasturbine
100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse102 drehgelagerten Rotor103 mit einer Welle101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. - Entlang des Rotors
103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse104 , ein Verdichter105 , eine beispielsweise torusartige Brennkammer110 , insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern107 , eine Turbine108 und das Abgasgehäuse109 . - Die Ringbrennkammer
110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal111 . Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen112 die Turbine108 . - Jede Turbinenstufe
112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums113 gesehen folgt im Heißgaskanal111 einer Leitschaufelreihe115 eine aus Laufschaufeln120 gebildete Reihe125 . - Die Leitschaufeln
130 sind dabei an einem Innengehäuse138 eines Stators143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln120 einer Reihe125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe133 am Rotor103 angebracht sind. - An dem Rotor
103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt). - Während des Betriebes der Gasturbine
100 wird vom Verdichter105 durch das Ansauggehäuse104 Luft135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums113 in der Brennkammer110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium113 entlang des Heißgaskanals111 vorbei an den Leitschaufeln130 und den Laufschaufeln120 . An den Laufschaufeln120 entspannt sich das Arbeitsmedium113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln120 den Rotor103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine. - Die dem heißen Arbeitsmedium
113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln130 und Laufschaufeln120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums113 gesehen ersten Turbinenstufe112 werden neben den die Ringbrennkammer110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet. - Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.
- Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur).
- Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel
120 ,130 und Bauteile der Brennkammer110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen verwendet. - Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der
EP 1 204 776 B1 ,EP 1 306 454 ,EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierungen Teil der Offenbarung. - Die Leitschaufel
130 weist einen dem Innengehäuse138 der Turbine108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor103 zugewandt und an einem Befestigungsring140 des Stators143 festgelegt.
Claims (23)
- Geschweißtes Bauteil (
120 ,130 ,155 ) mit einem Schweißzusatzwerkstoff, der enthält (in wt%)17.5%–20.0% Chrom (Cr), insbesondere 19% Cr, 10.0%–12.0% Kobalt (Co), insbesondere 11% Co, 9.0%–10.5% Molybdän (Mo), insbesondere 10% Mo, 0.1%–3.3% Titan (Ti), insbesondere 3.0%–3.3% Ti, 1.4%–1.8% Aluminium (Al), insbesondere 1.6% Al, 0.4%–0.12% Kohlenstoff, insbesondere 0.09% C 0.003%–0.1% Bor (B), insbesondere 0.005% B, optional maximal 5% Eisen (Fe), insbesondere max. 0.35%, Fe, maximal 0.1% Mangan (Mn), insbesondere max. 0.05% Mn, maximal 0.5% Silizium (Si), insbesondere max. 0.1% Si maximal 0.015% Schwefel (S), insbesondere max. 0.0075% S, maximal 0.03% Phosphor (P), insbesondere max. 0.015% P, - Geschweißtes Bauteil mit einem Schweißzusatzwerkstoff nach Anspruch 1, wobei der Schweißzusatzwerkstoff Tantal, insbesondere 0.1wt% bis 2.5wt%, enthält.
- Geschweißtes Bauteil mit einem Schweißzusatzwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schweißzusatzwerkstoff bis 1.5wt% Titan enthält.
- Geschweißtes Bauteil mit einem Schweißzusatzwerkstoff nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Schweißzusatzwerkstoff Titan und Tantal enthält, insbesondere (Ti + Ta) ≤ 3.5wt%, und insbesondere (Ti + Ta) ≥ 3wt%.
- Geschweißtes Bauteil mit einem Schweißzusatzwerkstoff nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei der Schweißzusatzwerkstoff Zirkon (Zr), insbesondere 0.01wt% – 0.1wt%, enthält.
- Geschweißtes Bauteil mit einem Schweißzusatzwerkstoff nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, wobei der Schweißzusatzwerkstoff Hafnium (Hf), insbesondere 0.25wt% – 0.5wt%, enthält.
- Geschweißtes Bauteil mit einem Schweißzusatzwerkstoff nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, wobei der Schweißzusatzwerkstoff Lanthan (La), insbesondere 0.05wt% – 0.1wt%, enthält.
- Geschweißtes Bauteil mit einem Schweißzusatzwerkstoff nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei der Schweißzusatzwerkstoff maximal 0.0075wt% Schwefel (S) enthält.
- Geschweißtes Bauteil mit einem Schweißzusatzwerkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Schweißzusatzwerkstoff maximal 0.015wt% Phosphor (P) enthält.
- Geschweißtes Bauteil mit einem Schweißzusatzwerkstoff nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei der Schweißzusatzwerkstoff maximal 0.35wt% Eisen (Fe) enthält.
- Geschweißtes Bauteil mit einem Schweißzusatzwerkstoff nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei der Schweißzusatzwerkstoff maximal 0.05wt% Mangan (Mn) enthält.
- Geschweißtes Bauteil mit einem Schweißzusatzwerkstoff nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, wobei der Schweißzusatzwerkstoff maximal 0.1wt% Silizium (Si) enthält.
- Geschweißtes Bauteil mit einem Schweißzusatzwerkstoff nach Anspruch 1, wobei der Schweißzusatzwerkstoff aus Nickel, Chrom, Kobalt, Molybdän, Titan, Aluminium, Kohlenstoff, Bor und optionalen Bestandteilen Eisen, Mangan, Silizium, Schwefel und/oder Phosphor besteht.
- Geschweißtes Bauteil mit einem Schweißzusatzwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schweißzusatzwerkstoff aus Nickel, Chrom, Kobalt, Molybdän, Titan, Aluminium, Kohlenstoff, Bor und optionalen Bestandteilen Eisen, Mangan, Silizium, Schwefel, Phosphor, Lanthan, Tantal, Zirkon und/oder Hafnium besteht.
- Geschweißtes Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, bei dem das Bauteil (
120 ,130 ,155 ) ein nickelbasierter Werkstoff ist. - Geschweißtes Bauteil nach Anspruch 15, bei dem der nickelbasierte Werkstoff eine γ'-Phase mit einem Anteil von ≥ 35vol% aufweist.
- Geschweißtes Bauteil nach Anspruch 15 oder 16, bei dem der Anteil der γ'-Phase bei maximal 75vol% liegt.
- Geschweißtes Bauteil nach Anspruch 15, bei dem der nickelbasierte Werkstoff IN738 aufweist.
- Geschweißtes Bauteil nach Anspruch 15, bei dem der nickelbasierte Werkstoff Rene 80 aufweist.
- Geschweißtes Bauteil nach Anspruch 15, bei dem der nickelbasierte Werkstoff IN939 aufweist.
- Geschweißtes Bauteil nach Anspruch 15, bei dem der nickelbasierte Werkstoff PWA14835X oder IN6203DS aufweist.
- Geschweißtes Bauteil nach Anspruch 15, bei dem der nickelbasierte Werkstoff von dem Schweißzusatzwerkstoff verschieden ist.
- Geschweißtes Bauteil nach Anspruch 15 bis 22, bei dem das Bauteil (
1 ,120 ,130 ,138 ,155 ) vor dem Schweißen einer Überalterungswärmebehandlung unterzogen wurde.
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