DE3114391C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gußkörpers gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In der US-PS 35 05 130 ist ein Verfahren zum Verbessern der Ermüdungsbeständigkeit von Turbinenschaufeln aus durch Verformung härtbaren Legierungen beschrieben, bei dem die Schaufeln an ihrer Oberfläche kalt verformt, zu einem feinkörnigen Gefüge rekristallisationsgeglüht und an der Oberfläche nochmals kalt verformt werden.

Verbesserungen in der Gasturbinentechnologie beruhten teilweise auf der Verwendung verbesserter hochtemperaturbeständiger Legierungen und der Kornstruktur solcher Legierungen in den fertigen Gegenständen.

In den heißen Bereichen von Gasturbinen werden meist Legierungen auf der Grundlage von Nickel und/oder Kobalt eingesetzt. Gegenstände, wie Turbinenschaufeln und -flügel werden üblicherweise nach dem Wachsausschmelzverfahren hergestellt. Der die Turbinen entwerfende Ingenieur verfügt derzeit über verschiedene Gefüge oder Kristallformen, aus denen er auswählen kann. Die Auswahl erfolgt auf der Grundlage der erwünschten Eigenschaften und der relativen Herstellungskosten für den Gegenstand.

So sind z. B. mehrkörnige Gußkörper durch gesteuerte Keimbildung nach dem Verfahren der US-PS 31 58 912 hergestellt worden.

Danach wurden Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens entwickelt, um solche Gegenstände mit einer langgestreckten Kornstruktur als Ergebnis der gerichteten Erstarrung während des Gießens herzustellen. Eine solche langgestreckte Kornstruktur bringt verbesserte Hochtemperatureigenschaften hauptsächlich hinsichtlich der thermischen Ermüdung, verglichen mit konventionell gegossenen Gegenständen mit gleichachsiger Kornstruktur mit sich, wie sie durch die vorgenannte US-PS erhalten werden.

Ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, um eine gerichtete Erstarrung auszuführen, ist in der US-PS 38 97 815 beschrieben.

Eine weitere Einstellung der Eigenschaften von Gußkörpern ist hinsichtlich der Erzeugung von Gußkörpern mit einer einheitlichen Korngröße in der US-PS 34 94 709 und hinsichtlich Verbundkörpern, die aus mehreren Teilen hergestellt wurden, von denen mindestens einige eine einheitliche Korngröße aufwiesen, in der US-PS 40 33 792 beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, um einen einheitlichen Gußkörper mit unterschiedlichen erwünschten Eigenschaften in verschiedenen Teilen des Gußkörpers, die unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt sind, wie z. B. der Flügelteil und der Befestigungsteil einer bei hoher Temperatur arbeitenden Turbinenschaufel, herzustellen.

Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst.

Für Superlegierungen auf Nickelbasis erfolgt ein solches Rekristallisationserhitzen z. B. auf eine Temperatur, die mindestens im Gamma′-Lösungstemperaturbereich der Legierung liegt bis zu einer Temperatur unterhalb der, die die Legierung des Gegenstandes nachteilig beeinflußt.

Besteht der einheitliche Gußkörper aus einer Legierung auf Kobaltbasis, dann erfolgt das Erhitzen zum Rekristallisieren auf eine Temperatur im Bereich von mindestens etwa 870°C bis zu einer Temperatur unterhalb der, die die Legierung des Gegenstandes nachteilig beeinflußt.

Der bearbeitete Teil des Gußkörpers wird auf diese Rekristallisationstemperatur für eine ausreichende Zeit erhitzt, um ihn zu rekristallisieren. Dadurch wird dieser rekristallisierte Teil mit einer Ermüdungsbeständigkeit gegen zyklische Wechselbeanspruchung versehen, die größer ist, als die des verbleibenden Teiles mit einer einheitlichen Korngröße.

Der erfindungsgemäß hergestellte Gußkörper ist ein einheitlicher Gußkörper aus einer ausgewählten, bei hoher Temperatur beständigen Superlegierung, wobei der Gußkörper einen Teil mit einer einheitlichen Korngröße einschließt, der im Betrieb erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden soll und der eine gute Zeitstandfestigkeit und eine gute thermische Ermüdungsbeständigkeit aufweist, sowie einen mehrkörnigen Teil, der sich im Betrieb bei einer geringeren Temperatur von bis zu etwa 700°C befinden soll und der verbesserte Ermüdungsbeständigkeit gegenüber zyklischer Wechselbeanspruchung aufweist, verglichen mit der des Teiles mit einheitlicher Korngröße.

Bei der Auswertung der vorliegenden Erfindung wurde die Wirkung des mechanischen Verformens auf einen Gußkörper untersucht. Ein solches mechanisches Verformen bewirkt eine permanente plastische Deformation bei einer Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur, um bei der anschließenden Wärmebehandlung des bearbeiteten Gußkörpers bei einer Temperatur und für eine Zeit, die die Bildung neuer Körner gestattet, eine Rekristallisation zu ermöglichen.

Eine Legierung auf Nickelbasis, die in der vorliegenden Erfindung eingesetzt wurde, war die sogenannte SEL-Legierung mit der nominellen Zusammensetzung in Gew.-% von:

0,08 C, 15 Cr, 22 Co, 4,4 Mo, 2,4 Ti, 4,4 Al, 0,015 B

und der Rest sind Nickel und übliche Verunreinigungen.

In der folgenden Tabelle I sind die Verarbeitungsbedingungen dieser Legierung zusammengefaßt. Die Alterungs-Wärmebehandlung dieser SEL-Legierung erfolgte für 16 bis 32 Stunden bei 780°C, und das Rekristallisieren erfolgte für 4 Stunden bei etwa 1050°C.

Es wurden im Handel erhältliche Almenstreifen benutzt, um die "A"- und "N"-Intensitäten für die permanente plastische Verformung zu bestimmen.

Verarbeitungszustände
Zustand
Verarbeitung
1
Gegossen + gealtert + mit Stahlschrot bis zu einer Intensität von 5 bis 6 A gehämmert
2	Zustand 1 + Rekristallisiert + gealtert
3	Zustand 2 + zusätzlich mit Glasschrot bis zu einer Intensität von 8 bis 10 N gehämmert
4	Zustand 2 + zusätzlich mit Glasschrot bis zu einer Intensität von 6 bis 8 A gehämmert.

Dauerermüdungsbeständigkeit Gußkörper aus SEL-Legierung
Festigkeit
Zustand
N/mm²
1
15,85
2	29,67
3	33,1-37,9
4	23,46

Die gemäß Tabelle I bearbeiteten Gußkörper befanden sich im mehrkörnigen Zustand. Die Verbesserung hinsichtlich der Dauerermüdungsfestigkeit ergibt sich aus der Tabelle II, insbesondere für den Zustand 3.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann für eine Vielfalt von Metallgußkörpern benutzt werden. So kann es zum Herstellen einer Vielfalt von Schaufelteilen für Gasturbinen eingesetzt werden, die einen Flügel mit einer einheitlichen Korngröße und mehrkörnige Teile aufweisen, wie Ständer oder Schwalbenschwänze, Plattformen, Flügelverriegelungen, Flügelplattformen, Schaufelbefestigungseinrichtungen usw. Das selektive mechanische Verformen eines Teiles eines Gußkörpers mit einer einheitlichen Korngröße gestattet daher eine flexible Auswahl der mechanischen Eigenschaften, die für eine bestimmte Anwendung am vorteilhaftesten sind.

Claims (2)

1. Verfahren zum Herstellen eines Gußkörpers aus einer ausgewählten, bei hoher Temperatur beständigen Superlegierung auf der Grundlage von Nickel und/oder Kobalt mit unterschiedlicher Gefügeausbildung in verschiedenen Bereichen,
gekennzeichnet durch folgende Stufen:
Schaffen des einheitlichen Gußkörpers mit einer einheitlichen Korngröße aus einer Legierung, die in diesem Zustand mit der einheitlichen Korngröße eine gute Zeitstandfestigkeit und thermische Ermüdungsfestigkeit bei hoher Temperatur aufweist und die in der Lage ist, im mehrkörnigen Zustand in einem tieferen Temperaturbereich von bis zu etwa 700°C eine hohe Ermüdungsbeständigkeit bei cyclisch wechselnder Beanspruchung zu entwickeln,
mechanisches Verformen eines Teiles des Gußkörpers, der im tieferen Temperaturbereich betrieben werden soll, um in der Oberfläche dieses ersten Teiles eine für eine Rekristallisation ausreichende bleibende plastische Verformung zu erzeugen, und
Erhitzen mindestens des bearbeiteten Teiles des Gegenstandes auf die Rekristallisationstemperatur für eine ausreichende Zeit, um den bearbeiteten Teil des Gegenstandes zu einer abgewandelten Gefügeausbildung zu rekristallisieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verbleibende Abschnitt mit der einheitlichen Korngröße ein Flügelteil einer Turbinenschaufel ist.