DE3145941A1

DE3145941A1 - "verfahren zur steigerung der zuverlaessigkeit eines satzes aus bauteilen, besonders turbinenschaufeln"

Info

Publication number: DE3145941A1
Application number: DE19813145941
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr.-Ing. 8061 Esterhofen Wortmann
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1981-11-20
Filing date: 1981-11-20
Publication date: 1983-06-01
Also published as: GB2111889A; DE3145941C2; GB2111889B; FR2516943A1; FR2516943B3

Description

3H5941

-3-wo/s i

MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MÜNCHEN GMBH

München, den 16.11.1981

Verfahren zur Steigerung der Zuverlässigkeit eines Satzes aus Bauteilen, besonders Turbinenschaufeln

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Kriechbeanspruchte Bauteile, im allgemeinen aus Metall, erfahren im Einsatz Werkstoffänderungen. Dabei handelt es sich insbesondere um Bildung von Ausscheidungen, Vergröberung von Ausscheidungen, Umbildung von Ausscheidungen entsprechend den thermodynamischen Gleichgewichten, Kriechporenbildung und Rißbildung. Eine Oberlagerung dieser Effekte führt in der Regel zum Versagen des Bauteils durch Zeitstandsbruch.

Ist eine zerstörungsfreie Prüfung solcher im Einsatz gewesener Bauteile nicht möglich, behilft man sich in der Regel mit Gefügeuntersuchungen an einer repräsentativen Stichprobe. Dieses Vorgehen ist jedoch mit einigen Unsicherheitsfaktoren behaftet, die im wesentlichen durch die Stichprobenentnahme bedingt sind. Insbesondere für die Restlebensdauerabschätzung von

T-677

Turbinenschaufeln ist dieses Vorgehen nicht zufriedenstellend, da wegen der großen Schaufelzahl eines Schaufelkranzes die Wahrscheinlichkeit für durch die Stichprobe nicht erfaßte zu starke Schädigungen oder Werk-Stoffänderungen aufgrund ökonomischer Zwänge nicht beliebig klein gehalten werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Zuverlässigkeit des im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Bauteilsatzes zu steigern.

Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung darin, daß gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1 verfahren wird.

Durch die dort genannte Heißisostatpressung bzw. Wärmebehandlung unter isostatischem Druck werden, zur Steigerung der Zuverlässigkeit des Bauteilsatzes, Werkstoffänderungen, die die kriechbeanspruchten Bauteile erfahren haben, bis zu einem großen Teil behoben, so daß diese Bauteile weiter eingesetzt werden können. Ferner wird, für beschichtete Bauteile und ebenfalls zur Steigerung der Zuverlässigkeit des Bauteilsatzes, durch diese Heißisostatpressung eine Voraussetzung zu einer Prüfung oder einfach durchzu-

²^ führenden Prüfung bezüglich Aussonderung von Bauteilen des Satzes geschaffen, worauf später näher eingegangen wird.

Vorteilhafte Ausbildungen und Weiterbildungen der Er-

findung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das Schließen der Kriechporen und Risse gemäß dem Anspruch 2 findet beim unbeschichteten Bauteil statt, sofern die Kriechporen und Risse nicht bis zur Ober-

T-677
16.11.1981

fläche des Bauteils reichen, beim beschichteten, also eine
Schicht und/oder mehrere aufeinander!iegende Schichten
aufweisenden Bauteil öfter auch noch, wenn die Kriechporen und Risse bis zur Oberfläche des Grundwerkstoffs j

reichen (äußere Grundwerkstoff-Poren und -Risse). j

Durch das Vorgehen gemäß dem Anspruch 2 wird die Gesamt- j lebensdauer des Bauteils gesteigert, wenn die Heißiso- j

statpressung erfolgt, solange nicht Risse an die Ober- :

fläche des Bauteils treten. Diese Steigerung beträgt
oft mindestens 50%, z.B. bei einer Nickel basis-Knetlegierung, die in Gewichtsprozenten im wesentlichen aus
etwa 14% Chrom, etwa 1 _s2% Titan, etwa 5% Aluminium, etwa
20% Kobalt, etwa 5% Molybdän, etwa 1% Silizium, etwa

1% Mangan, etwa 2% Eisen, etwa 0,2% Kohlenstoff und ungefähr 5OS Nickel besteht.

Wird gemäß dem Anspruch 3 vorgegangen, erhöhen sich,
insbesondere bei Nickelbasis-Knetlegierungen , Zeitstand-

festigkeit, Zugfestigkeit, Duktilität (Dehnbarkeit) und
Schwingungsfestigkeit. Z.B. ergibt sich bei der mit den
Prozentangaben genannten Nickelbasis-Knetlegierung eine
Steigerung der Verformungsarbeit im Kerbschlagversuch
um 400% bei erhöhter Zugfestigkeit.

Die Anwendung relativ niedriger Temperaturen - siehe

den Anspruch 4 - ermöglicht die Heißisostatpressung

beschichteter Bauteile, ohne daß unzulässige Ver- !

sprödungs- und Diffusionseffekte in der Beschichtung |

und/oder im Grundwerkstoff auftreten. Ein Entfernen j

der Beschichtung vom Grundwerkstoff vor dem Heißiso- j

statpressen erübrigt sich. I

Die Beschichtung verdeckt die äußeren Grundwerkstoff- ;

^5 Risse, so daß diese nicht oder nur mit größerem Auf-

T-677

16.11.1981

-δι wand aufgefunden werden können. Durch die Heißisostdtpressunq werden sie geschlossen - siehe den Anspruch 2 und die /uqiihöHqen Ausführungen - oder sie öffnen sich durch die Ho ißisos tatprftssung, was i, eine RifiprUf'iing ermöglicht - sieho den Anspruch !). Dieses Offnen, d.h. das Einreißen der Beschichtung außerhalb der äußeren Grundwerkstoff-Risse, stellt eine Vorbereitunq einer PrUfunq oder leicht durchzuführenden Prüfunq dar. So können jetzt leicht mit einem Mikroskop die Risse sichtbar qemacht werden. Die Beurteilung derselben führt dann je nach Nichtzulässigkeit oder ZuI ä'ssiqkei t. der Rißqröße zu einer Aussonderung dieses Bauteils aus dem Satz bzw. einem Darinbelassen. Ein weiterer Einsatz unzulässig stark geschädigter ßau-

ΙΊ teile, /.B. ein Wiodereinbau unzulässig stark qeschädiqter Gasturbinen·.!, haul ein, wird also vermieden.

Die Parameter der Heißisostatpressung sind insbesondere so groß, wie im Anspruch 6 angegeben ist. Im Anspruch :<u sind Grüßenbereithe dieser Parameter für eine bestimmte Grundwerkstoffart mit bestimmten Schichtarten angegeben.

Bei der mit den Prozent.angaben genannten Nickelbasis-Knetlegierumj und einer Aluminiumdiffusionsschicht be-2!j trägt die Temperatur insbesondere etwa 1050 C, der isostatische Druck insbesondere etwa 1300 bar und die Preßzeit insbesondere ₍»twa 1 ,Π Stunden.

Bei dem genannten Sat/ oder Kranz Turbomaschinen- oder ^l'^5ü Turbinenschaufel η handelt es sich in erster Linie um einen solchen au*, Laui'.chaufel η, insbesondere einer Gasturbine. Die anfangs genannten Bauteile können auch z.B. Rohrkrümmer oder -bögen sein.

T-677
16.11.1981

Der Werk- bzw. Grundwerkstoff der anfangs genannten

Bauteile ist im allgemeinen ein Metall oder eine Metallegierung;, insbesondere eine Nickeibasis-Legierung. Die anfangs genannten Bauteile können z.B. aus einem aus-

scheidungsgehärteten Werk- bzw. Grundwerkstoff bestehen;
insbesondere bestehen die genannten Turbinenschaufeln
daraus» Dabei handelt es sich z.B. um Nickelbasis-Werkstoffe«,

Bei den anfangs genannten beschichteten Bauteilen ist die Beschichtung Z₀B₀ eine Aluminium- oder Chromdiffusionsschichts eine Auflageschicht₉ wie z.B. eine Kobalt-Chrom-Aluminium-Yttrium-Schicht., eine Wärmedämmschicht z.B. eine Zirkoniumo)cid(Zr₂0)-Schicht₉ oder die Summe mindestens

zweier dieser Schichten-, die dann aufeinander! legen» Insbesondere weisen die genannten Turbinenschaufeln eine
Beschichtung dieser Art auf.

T-677
16.11.1981

Claims

3H5941 wo/si MTU MOTOREN-'UND TURBINEN-UNION MÜNCHEN GMBH München, den 16.11.1981 Patentansprüche

1. Verfahren zur Steigerung der Zuverlässigkeit eines Satzes bereits kriechbeanspruchter, insbesondere beschichteter Bauteile, vorzugsweise Turbomaschinen-, besonders Turbinenschaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß die bereits kriechbeanspruchten Bauteile einer Heißisostatpressung unterworfen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Heißisostatpressung Kriechporen und Risse geschlossen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen hohen isostatischen Druck,, insbesondere größer als 1250 bar, das Lösungsverhalten von Legierungselementen zur Homogenisierung und zu einer Verfeinerung von Ausscheidungen geändert wird.

T-677
35

3UbÜ41

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß he 1 beschichteten Bauteilen die lleiü ι iosU tprosr.ung mit einer unterhalb der Lösungsg I lihtempera tür des Grundwerkstoffs liegenden

ii Temperatur durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Heißisostatpressung bei Nichtschließen äußerer Grundwerks toff -Risse dort die Beschichtung

in zur Mßfindung flir eine Bautei 1-Aussonderung eingerissen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dah bei dieser Heißisostatpressung

l'> die Temperatur etw.i gleich der ßeschichtungstemperatur bzw. kleiner als die LösunqsglUhtemperatur des Grundwerkstoffs ist, der isostatische Druck etwa zwischen ⁽)50 bar und 2000 bar liegt und die Preßzeit bis in etwa 4 Stunden betrügt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Nickelbasis-Knetlegierung als Grundwerkstofl und einer Diffusionsschicht oder einer Auflageschicht dice Temperatur etwa zwischen

^2U 950⁰C und 1150⁰C, dieser isostatische Druck zwischen 1200 bar und 1100 lur und diese Preßzelt zwischen 1 Stunde und zwei \tunden liegt.

T-677
16.11.1981