DE2805792A1 - Verwendung einer legierung fuer die herstellung von mechanischen schwingungen unterliegenden maschinenelementen - Google Patents

Description

• Verwendung einer Legierung für die Herstellung von mechanischen Schwingungen unterliegenden Maschinenelementen Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Legierung für die Herstellung von mechanischen Schwingungen unterliegenden Maschinen bzw. Maschinenelementen, insbesondere solcher Maschinenelemerfe, die bei hoher Temperatur mechanischen Schwingungen ausgesetzt sind wie zum Beispiel die Schaufeln von Gasturbinen.
• Bekanntlich bedarf es besonders für die vorerwähnten Verwendungszwecke des Einsatzes von Legierungen, die eine gute innere Dämpfung, eine hohe Festigkeit sowie eine gute Bildsamkeit bei Temperaturen aufweisen, die 7000C erreichen und auch darüber betragen können. Insbesondere stellt sich dieser Fall, wenn für die ersten, an Einlass angeordneten Turinenschaufelreihen, die bei hoher Temperatur besonders starken mechanischen 'chw-ngungen ausgesetzt sind, eine hohe Lebensdauer gewährleistet sein soll.
• Bei vielen Anwendungen und insbesondere solchen, wo die Werkstoffe durch mechanische Schwingungen beanspruckt sind, kann das Dämpfungsvermngen eines Werkstoffs grosser sein als andere Eigenschaften wie beispielsweise die Dauerhaltbarkeit. Das Därllpfungsvermegen eines Werkstoffs hat nämlich einen vierfachen Ursprtzg, nämlich die piastische Verformung, den thermoelastischen Einfluss, den magnetelastischen Effekt und die Atomstreuung.
• Sicherlich ist bei Legierungen für technische Verwendungszwecke von diesen Faktoren der magnetelastische Effekt am gressten. Es ist eine feststehende Tatsache, dass die ferromagnetischen Legierungen für gewisse Verwendungszwecke bessere als die bei nichtmagnetischen Legierungen gemessenen Eigenschaften aufweisen, da nämlich festgestellt wurde, dass infolge eines magnetmechanischen Hystereseeffekts die ferromagnetischen Legierungen ein hohes Dämpfungsvermegen besitzen; das Dämpfungsvermegen eines Werkstoffs wird gewährleistet durch die während eines Spannungsverformungszyklus im Gefolge des magnetmechanischen Effekts abgeführte Energie.
• Ein Werkstoff mit hohem Dämpfungsvermegen ist also ein magnetischer llerkstoff mit möglichst hoher Curie-Tmperatur, wobei jedoch zwischen den verschiedenen geforderten Eigenschaften wie Einsatztemperaturbeständigkeit, Dämpfungsvermcgen, Korrosionsfestigkeit und Bildsamkeit bei Umgebungstemperatur ein Kompromiss gefunden werden muss.
• Auf der Grundlage dieser Überlegungen bieten sich insbesondere für das Gebiet der Turbinenschaufelungen eine gewisse Zahl technischer Werkstoffe an wie einerseits die Stähle des Typs AISI 4O) (12 ffi Gr) sowie AISI 422 (12 ffi CrMoWV) und andererseits die NiVCo genannten Kobalt-Nickellegierungen sowie die Legierung 70 s Mn 50 % Cu. Die Wahl von Legierungselementen zur Härtung dieser ferromagnetischen Werkstoffe ist in der Tat beschränkt, weil die verschiedenen Zusätze im allgemeinen dafür gedacht sind, den Curie-Punkt der jeweiligen Legierung und damit die Dämpfungseigenschaften des Werkstoffs zu verringern.
• Aus dem einen oder anderen Grunde sind diese Legierungen mit Nachteilen behaftet, welche ihre Eignung zum Einsatz für die vorerwähnten Yerwendungszwecke beeinträchtigen.
• Zu diesen Nachteilen geh&ren eine ungenügende Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen, die Schwierigkeit ihrer Verwendung aus Gründen ihrer Härte, BrUchigkeit oder Nichtverformbarkeit, ihr verringertes D§mpfungsvermgen bei erhdhten dynamischen und statischen Beanspruchungen, oder auch ihre hohen Kosten.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen metallischon Werkstoff zu schaffen, der für die vorerwähnten Verwendungazwecke und im allgemeinen für die Herstellung von Maschinenelementen geeignet ist, die im Betrieb mehr oder weniger starken Schwingungen infolge Drehbewegung mit hoher Geschwindigkeit oder infolge von Hin- und Herbewegungen bzw. Bewegungen mit schwankender aeschwindigkeit ausgesetzt sind.
• Dieser Werkstoff ist durch eine Zusammensetzung in den folgenden Verhältnisanteilen gekennzeichneti 5 % # Cr 25 % Ti 4 5 ffi O # Mo # 5 % Rest Fe und die beim Herstellungsprozess üblichen Verunreiniger.
• Es wurde festgestellt, dass der vorbeschriebene Werkstoff gleichzeitig gute Warmfestigkeitseigenschaften sowie eine gute Bildsamkeit, Kriechfestigkeit und Innendämpfung bei Temperaturen bis zu 7000C aufweist.
• Als Beispiel ist in den Figuren 1 und 2 bei 0.5 Hz die Abhängigkeit der Innendämpfung von der dynamischen Verformung bei verschiedenen statischen Beanspruchungen gegenübergestellt.
• Fig. 3 zeigt, dass durch Wärmebehandlung der betreffenden Legierung, ebenfalls bei 0.5 Hz> die vorher ermittelte Kurve sowohl des maximalen Dämpfungswertes als auch der entsprechenden Spannung verändert werden kann. Es konnte festgestellt werden, dass durch Wärmebehandlung nach der Ltsungsglüh und Alterungsmethode und wie aus Fig. 5 ersichtlich nach verschiedenen thermomechanischen Behandlungen der Wert des Dämpfungsvermögens der Legierung anpassbar war. Die Härtung der metallischen Grundmasse auf der Basis nicht -nqhr der Karbidbildung, sondern vielmehr der Ausscheidung einer Phase des Typs Fe17 Crl7 (Ti, Mo)5 ermöglicht Einsätze bis zu Temperaturen von 700 C aufgrund der Stabilität der vorgenannten Phase.
• Ebenfalls als Beispiel zeigt die Jig. 4 erneut die Entwicklung des Innendämpfungsvermens bei 0.5 Hz in Abhängigkeit von der dynamischen Verformung bei verschiedenen beaufschlagten statischen Lasten auf für die Legierung: Cr 13 % Mo 1.5 % Ti 3.5 % TiO2 1 % Fe Rest Diese Figur weist bei hohen dynamischen Beanspruchungen besonders hohe Dämpfungswerte und bei der beaufschlagten statischen Last eine schwache Dämpfungsempffndllchkeit aus, was einen zweiten Vorteil darstellt.
• Fig .5 zeigt die Veränderung der Innendämpfungswerte in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Grundmasse bei einer einzigen statischen Belastung (erhdhte Belastung) von 220 MN/m2.
• Diese Figur enthält auch die Dämpfungskurve der herkdmmlichen Austenitlegierung AISI 316. Hier ist die grosse Abweichung zwischen dieser Kurve und den Kurven der anderen Legierungen, von denen sich die Legierung 818 als besonders vorteilhaft erwiesen hat, zu sehen.
• Um die Auswertung der verschiedenen Diagramme gemäss den Fig. 1 bis 5 zu vereinfachen, sind in der nachfolgenden Tabelle T1 die Zusammensetzungen der aegenstand dieser Diagramme bildenden Legierungen wiedergegeben: Legierung Fe ß Cr « Ni ß Mo ß Ti ffi Ti02 % AISI 410 R.st 13 - - - -AISI 316 Rest 16 13 1 - -B 5 Rest 13 - 1.5 2.5 -816 ** Rest 13 - 1.5 5.5 0.5 817 U Rest 13 - 1.5 3.5 1.O 818 au Rest 13 - 1.5 5.5 1.5 819 U Rest 13 - 1.5 5.5 2.0 Fussnoten siehe S. 6 Fussnoten Tabelle T1: Stranggepresst bei 11000C u Stranggepresst bei 11000C Reduziert von 19 auf 10 mm bei 1050 - 11000C Reduziert von 10 auf 8.6 mm bei 250C Einstündige Wärmebehandlung unter Argon mit 10500C Nach einer Abwandlung der vorliegenden Erfindung wie in Fig. 4 und 5 dargestellt wurde festgestellt, dass die Eigenschaften der vorerwähnten metallischen Grundmasse durch Einbringung einer feinverteilten chemisch neutralen Phase nach einem Pulvermetallurgieverfahren verbessert werden konnten. In einer besonderen Zusammensetzung hat sich der Zusatz eines oder mehrerer der nachstehend aufgeführten Elemente in den angegebenen Mengen zur vorgenannten Grundmasse als besonders vorteilhaft erwiesen: Ti02 g 4 Vol.-% Y203 4 4 Vol.% MgO ç 4 Vol.-% A1203 4 Vol.-% PATENTANS PRUCHE

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE 1. Verwendung einer Legierung für die Herstellung von Maschinenelementen, die Drehbewegungen mit hoher Geschwindigkeit, Hin- und Herbewegungen oder Bewegungen mit sich ändernder Geschwindigkeit ausführen sollen, gekennzeichnet durch nachstehende Zusammensetzung in den angegebenen Mengenanteilen: 5 % < Cr < 25 % Ti < 5 % 0 < Mo < 5 % Rest Fe und die beim Herstellungsprozeß üblichen Verunreiniger.
2. 2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Zusatz eines oder mehrerer der nachstehend aufgeführten Elemente in den angegebenen Mengen: TiO2 L 4 Vol.-% Y203 F 4 Vol.-% MgO I 4 Vol.-% Al2O3 < 4 Vol.-%