DE2220064A1

DE2220064A1 - Verfahren zur Herstellung eines geschmiedeten, integrierten Scheiben/Schaufel-Teiles einer Gasturbine

Info

Publication number: DE2220064A1
Application number: DE19722220064
Authority: DE
Inventors: Roy Lee North Palm Beach; Moore Joseph Burton Jupiter Tequesta; Fla. Athey (V.St.A.)
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1971-05-10
Filing date: 1972-04-24
Publication date: 1972-12-07
Also published as: SE383534B; IT951408B; CH544813A; GB1333354A; CA959740A; IL38707A; US3741821A; DE2220064B2; IL38707A0; DE2220064C3; JPS5632390B1; FR2139217A5

Description

Patentanwalt

Bernd Becker 6830 Bingen-Sponsheim Meine Akte: Römerstr. 10 - Tel. 06721/5311

47/72 Pt 21.4.1972

United Aircraft Corp,

400 Main Street

East Hartford, Conn. 06108

U.S.A.

Verfahren zur Herstellung eines geschmiedeten, integrierten Scheiben/Schaufel—Teiles einer Gasturbine

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines geschmiedeten, integrierten Scheiben/Schaufel-Teiles einer Gasturbine, das aus einer aushärtbaren Legierung besteht.

In der amerikanischen Patentschrift 3.-519.503 ist ein Schmiedeverfahren für ausscheidungshärtbare Legierungen hoher Festigkeit beschrieben, und zwar insbesondere für Legierungen,, bei denen ein Ausschmieden durch konventionelle Schmiedetechniken schwierig ist. Bei Anwendung dieses Verfahrens ist es nun möglich, nicht nur bestimmte der modernen Legierungen in Fällen, die vorher niemals durchzuführen waren, zu gebrauchen, sondern auch diese Legierungen unter Einhaltung sehr genauer'Maße bei sehr komplexen Ausführungen auszuschmieden. Es wird zum Beispiel gezeigt, daß es

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möglich ist, nicht nur Scheiben für Gasturbinen aus Legierungen sehr hoher Festigkeit herzustellen, an welche später die Schaufeln angefügt werden, sondern weiterhin auch Scheiben mit daran integrierten Schaufeln herzustellen.

In dem Verfahren werden die zu schmiedenden Teile durch einen spezifischen thermomechanischen Arbeitsablauf vorübergehend in einem Zustand niedriger Festigkeit und hoher Verformbarkeit gehalten, der während des Ausschmiedens erlangt wird. Nach dem Ausschmieden wird das ausgeschmiedete Teil geglüht, um die Legierung wieder in den Zustand hoher Festigkeit zurückzuversetzen.

Normalerweise wird ein derart hergestelltes, einzelnes Teil vor Gebrauch einfach geglüht, um die Mikrostruktur der Legierung für eine besondere Folge der gewünschten mechanischen Eigenschaften, z.B. maximale Reißfestigkeit oder Kriechfestigkeit, zu optimieren. Jedoch werden im Falle einiger Teile, wie z. B, integrierte Scheiben/ Schaufel-Bauteile, verschiedene Eigenschaften in dem Schaufel- und in dem Scheibenteil gefordert. In-folgedessen sind verschiedene Glühvorgänge in den entsprechenden Zonen dieser Teile notwendig, um überall optimale Eigenschaften zu erhalten.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Bearbeitungsverfahren für geschmiedete, integrierte Scheiben/Schaufel-Teile, die aus ausgehärteten Legierungen bestehen, wobei optimale mechanische Eigenschaften in den entsprechenden Zonen erhalten werden. Insbesondere sind Mittel zum Glühen der Schaufelzone derartiger Teile unter einer Reihe von Temperaturverhältnissen und der Scheibenzone unter einer anderen Reihe von Temperaturverhältnissen vorgesehen.

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Zum vollständigen Verständnis der Erfindung wird nachfolgend auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines integrierten Scheiben/ Schaufel Teiles,

Fig. 2 eine Vorrichtung zum selektiven Erhitzen der

Schaufelzone eines integrierten Scheiben/Schaufel-Teiles unter Verwendung einer Induktionsspule, die am Umfang des Teiles angebracht ist,

Fig. 3 einen Schnitt durch die Vorrichtung nach Fig. 2 entlang der Linie 3-3,

Fig. 4 eine Ansicht einer Vorrichtung zum selektiven Erhitzen der Schaufelzone eines integrierten Scheiben/ Schaufel-Teiles unter Verwendung einer Vielzahl von Induktionsspulen mit u-förmigem Querschnitt, und

Fig. 5 einen Schnitt gemäß der Linie 5-5 der Fig. 4.

Das Hauptziel des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, in den Schaufeln eines integrierten Scheiben/Schaufel-Teiles eine relativ grobe Korngröße, die gute Zerreißeigenschaften bei hoher Temperatur bringt, und in dem Scheibenteil das normalerweise niedrigeren Temperaturen als das Schaufelteil ausgesetzt ist, eine relativ feine Korngröße zum Erzeugen einer hohen Zugfestigkeit und eines hohen Ermüdungswiderstandes aufzubauen.

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Eine besonders vorteilhafte Nickel-Basis-Superlegierung zur Ver-

wendung im Turbinenteil einer Gasturbine setzt sich wie folgt zusammen:

Kohlenstoff 0,03 - 0,09 Gewichtsprozente

Chrom 14-16

Kobalt 16-18

Molybden 4,5-5,5

Titan 3,35 - 3,65

Aluminium 3,85 - 4, 15

Bor 0,02 - 0,03

Nickelausgleich

Diese Legierung wird im weiteren als Legierung A bezeichnet.

Die in der Industrie fest eingeführte Verfahrenstechnik dieser Legierung zum Glühen von Schaufeln ist folgende:

a) Vergütungsglühen bis 1163 C, 4 Stunden halten, und dann an der Luft oder'schneller bis zu einer Temperatur von 1O79,5°C kühlen
der Luft kühlen;

1079,5 C kühlen, diese 4-6Stunden halten und danach an

b) Stabilisierungsvergütungsglühen bis 843 C, 4 Stunden halten, und an der Luft oder schneller kühlen;

c) Ausscheidungsvergütungsglühen bis 760 C, ungefähr 16 Stunden halten, und an der Luft oder schneller kühlen,

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Zur Entwicklung einer feinen Kornmikrostruktur in einem Scheibeteil der Legierung A wird der folgende Vergütungsglühplan üblicherweise angewendet:

a) Vergütungsglühen bis zu einer Temperatur von 1079,5 1136 C, 4 Stunden halten, und in einem geschmolzenen Salzbad bei 316 C abschrecken, bei Badtemperatur stabilisieren, und an der Luft kühlen.

b) Stabilisierungsvergütungsglühen bis 871 C, 8 Stunden halten, an der Luft oder schneller kühlenj Erwärmen bis 982 C, 4 Stunden halten, an der Luft oder schneller kühlen.

c) Ausscheidungsvergütungsglühen bis 649 C, 24 Stunden halten, an der Luft bei Raumtemperatur kühlenj Erwärmen bis 760 C, 8 Stunden halten und an der Luft kühlen.

Das. für das integrierte Scheiben/Schaufel-Teil 2 (Fig. 1) erforderliche differenzierte Glühen wird zweckmäßigerweise mittels einer Einströmheizvorrichtung, wie sie in der Zeichnung in einer Stufe für das Vergütungsglühen gezeigt ist, erzeugt. Nach den Fig. 2 und 3 ist das integrierte Scheiben/Schaufel-Teil 2 zur Rotation innerhalb einer kreisförmigen Induktionsspule 4 montiert. Die Induktionsspule ist von bekannter Bauart und schließt eine Vielzahl von entsprechenden Induktorwindungen ein, wie z.B. Kupferwindungen, die dicht um den Umfang des Teiles 2 gelegt sind. Wenn von einer geeigneten Quelle 6 eine Spannung an die Induktionsspule über die Leitungen 8 und 10 gelegt wird, werden die Schaufeln 12 des Scheiben/Schaufel-Teiles sehr schnell auf eine hohe Lösungstemperatur gebracht. Eine große Zahl geeigneter Induktions-Heizgeräte fet auf dem Markt erhältlich. Im Falle, daß

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ein Teil aus der Legierung A gebildet ist, werden die Schaufeln auf eine Temperatur von 1163 C gebracht.

In der Vorrichtung nach den Fig. 2 und 3 schreitet die Hitze radial nach innen fort. Somit ist diese Vorrichtung am besten für kurze Schaufeln geeignet. Für Teile mit längeren Schaufeln, bei denen die erwünschte Lösungstemperatur nicht über die ganze Schaufellänge bei Verwendung der Umfanginduktionsspule nach Fig. 2 erreicht werden kann, wird vorzugsweise eine Vorrichtung nach den Fig. 4 und 5 benutzt. Für eine gleichmäßige Erhitzung wird das Teil langsam in der Induktionsspule gedreht. In der Vorrichtung nach den Fig. 4 und 5 bilden eine oder mehrere Induktions-Heizeinheiten 14 mit u-förmigem Querschnitt die Heizquelle für die Auflösung der Schaufeln. Die Beine 16 und 18 der u-förmigen (im Querschnitt gesehen) Induktionseinheit sind ausreichend^ lang um die gesamte Länge der Schaufeln zu bestreichen. Bei der Vorrichtung nach den Fig. 4 und 5 ist es natürlich nicht notwendig, das Teil innerhalb der Induktionseinheit 14 zu drehen, um eine gleichmäßige Hitze und eine gleichmäßige Heizfolge für jede Schaufel zu erzeugen. Normalerweise sind Rotationsgeschwindigkeiten, die zum Erzeugen einer Temperatui— gleichheit geeignet sind, schon ausreichend. In Abhängigkeit von der Größe des Teils und von den Umweltbedingungen kann eine Vielzahl von Induktionseinheiten zweckmäßig sein.

Bei Verwendung der obengeannten Vorrichtung wird die Behandlung des integrierten Scheiben/Schaufel-Teiles so durchgeführt, daß ein hohes Vergütungsglühen und ein Kornwachstum in dem Schaufelteil des Teiles und ein niedrigeres Vergütungsglühen und eine Feinkornmikrostruktur in dem Scheibenteil 20 des Teiles erzeugt wird. Ein späteres Glühen zur Stabilisation oder zum Vergüten entspricht dem, das normalerweise mit dem Glühen des Scheibenteiles verbunden ist.

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In Verbindung mit der Legierung A ist die Verfahrenstechnik nach der vorliegenden Erfindung wie folgt:

a) Vergütungsglühen

1) vorzugsweise nur die Schaufelzone des Scheiben/ Schaufel-Teiles auf 1163 - 1204°C erhitzen, hier für die Zeit halten, die für das gewünschte Kornwachstum erforderlich ist, und dann an der Luft

oder schneller kühlen; dann das ganze Teil auf eine Temperatur von ungefähr 1107 C erhitzen, 4 Stunde halten, und abschrecken, vorzugweise in einem geschmolzenen
kühlen; oder

schmolzenen Salzbad bei 316 C, und an der Luft

2) das Teil auf eine Temperatur von 1107 C erhitzen, 4 Stunden halten, und abschrecken; nur die Schaufelzone auf eine Temperatur von 1163 C- 1204 C erhitzen, für eine Zeit halten, die notwendig ist, um das Schaufelkornwachstum zu vollenden und dann an der Luft oder schneller kühlen.

b) Stabilisierungsglühen des ganzen Teiles auf 871 C, 8 Stunden hier halten, an der Luft oder schneller kühlen; auf 982 C er- · hitzen, 4 Stunden halten, an der Luft oder schneller kühlen.

c) Ausscheidungsglühen des Teiles auf 649 C, 24 Stunden halten, an der Luft oder bei Raumtemperatur kühlen; erhitzen auf 760°C, 8 Stunden halten, und an der Luft kühlen.

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Aus dem Vorstehenden ist zusammenfassend zu ersehen, daß die Verfahrenstechnik der vorliegenden Erfindung für ein geschmiedetes integriertes Scheiben/Schaufel-Teil wie folgt abläuft:

a) differenziertes Unterziehen des Teils einem mehrfachen Vergütungsglühen, wobei die Schaufelzone geglüht wird, um gute Zerreißeigenschaften bei hohen Temperaturen zu

- erreichen, und das Scheibenteil wird geglüht, um eine hohe Zugfestigkeit und einen guten Ermüdungswiderstand zu erreichen. Das Vergütungsglühen der Schaufeln, in die ein gröberes Korn eingebracht wird, ist höher als das des Scheibenteils, in dem eine feine Kornmikrostruktur ( in den beschriebenen Ausführungen ASTM 3-4 oder feiner) erwünscht ist. Das Vergüten der Schaufeln bei hoher Temperatur kann vor oder nach dem Vergüten der Scheiben durchgeführt werden, obwohl es natürlich in der Praxis zweckmäßig ist, zuerst das Vergüten der Schaufeln vorzunehmen. Das danach angewendete Niedrig-Temperatur-Glühen bringt die gewünschten Eigenschaften in den Schaufeln.

b) Wenn es zweckmäßig ist, kann dem Teil oder Ausschnitten von diesem vor oder während eines Abschnittes des Vergütungszyklus eine geeignete Umhüllung zugeordnet werden. Z.B. kann die Aluminiumumhüllung nach dem US-Patent 3,102.044 bei dem vergütete Schaufeln mit der notwendigen Umhüllungs-Substratdiffussion angewendet werden, die während Vergütungsglühens des Scheibenteils erzeugt wurde.

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«·—y—

Die nominale Zusammensetzung einer Legierung enthält in Gewichtsprozenten:

Kohlenstoff 0,03-0,1

Chrom 18-21

Kobalt 12-15

Molybden 3,5-5

Titan 2,75-3,25

Aluminium 1,2 - 1,6

Zirkonium 0,05-0,12

Bor 0,003 - 0,01
Nickelausgleich

Diese Legierung ist im weiteren als Legierung B bezeichnet.

Die vorzugsweise anzuwendende Verfahrenstechnik dieser Erfindung ist in Verbindung mit der Legierung B folgende:

a) Vergütungsglühen der Schaufelzone des Scheiben/Schaufel-Teiles auf 1097,5 C, bei einer Temperatur halten bis das gewünschte Kornwachstum erreicht ist, und an. der Luft oder schneller kühlen; auf eine Temperatur von 1024 C erhitzen, bei dieser Temperatur für 4 Stunden anhalten, mit einer Abkühlrate, die äquivalent der Luftkühlung oder schneller ist, abkühlen.

b) Stabilisationsglühen auf 843 C, bei dieser Hitze 4 Stunden halten, und an der Luft kühlen.

c) Ausscheidungsglühen auf 760 C, bei dieser Temperatur für 16 Stunden halten, und an der Luft kühlen.

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Claims

Meine Akte: 47/72 Pt . 21.4.1972 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung eines geschmiedeten, integrierten Scheiben/Schaufel-Teiles einer Gasturbine, das aus einer aushärtbaren Legierung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vergütungsglühen nur in dem Schaufelteil dieses Teiles im Abschnitt der höheren Temperatur des Vergütungstemperaturbereiches, während einer ausreichend langen Zeitperiode angewandt wird, um ein starkes Kornwachstum und eine hohe Kriechreißfestigkeit bei hohen Temperaturen zu erzeugen, daß ein Vergütungsglühen für das ganze Teil im Abschnitt der niedrigeren Temperatur des Vergütungstemperaturbereiches während einer ausgewählten Zeitspanne angewandt wird, um das Kornwachstum zu verringern und um eine hohe Zugfestigkeit und einen hohen Ermüdungswiderstand des Scheibenteiles des Teiles zu erzielen, daß das entsprechende Vergütungsglühen vorzugsweise jedoch nur nach eigener Wahl in der angeführten Folge vorgenommen wird, daß das Stabilisationsvergütungsglühen des ganzen Teils bei einer Temperatur unterhalb der Lösungstemperatur der Legierung durchgeführt wird, und daß dann die Aushärtung des Teiles vorgenommen wird, um die Härtungsphasen und die maximale Legierungsfestigkeit zu erreichen.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur der Schaufelzone des Teiles eine Induktionsheizung für eine Temperatur im höheren Temperaturabschnitt des Lösungstemperaturbereiches zugeordnet wird, und das Teil bei dieser Temperatur für eine ausreichend lange Zeitperiode gehalten wird, um ein starkes Kornwachstum und eine Kriechreißfestigkeit bei hohen Temperaturen zu erzeugen; daß das Vergütungsglühen des ganzen Teiles im niedrigen Temperaturabschnitt des Lösungstemperaturbereiches während einer ausgewählten "Zeit spanne angewandt wird, um das Korhwachstum zu verringern und um eine hohe Zugfestigkeit und einen hohen Ermüdungswiderstand in dem Scheibenteil des Teiles zu erreichen, daß das Stabilisationsvergütungsglühen des ganzen Teils bei einer Temperatur unterhalb der Lösungstemperatur der Legierung durchgeführt wird, und daß eine Aushärtung des Teils erfolgt, um die' Aushärtungsphasen und die maximale Legierungsfestigkeit zu erreichen.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als aushärtbare Legierung eine Nickel—Basis— Superlegierung verwendet wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelzone ein späteres Induktionsheizen zugeordnet wird, das jedoch vor dem Vergütungsglühen des gan- ■ zen Teiles vorgenommen wird, daß die Schaufelzone des Teiles zum Schluß aluminisiert wird, wobei das Vergütungsglühen und das nachfolgende Bearbeiten eine Aluminiumlegierungszwischen— diffussion und die Entwicklung einer schützenden Aluminiumumhüllung erzeugen.

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