DE3243580A1 - METAL OBJECT AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF - Google Patents
METAL OBJECT AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOFInfo
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Description
Metallener Gegenstand und Verfahren zu seiner HerstellungMetal object and process for its manufacture
Die Erfindung bezieht sich auf die Metallbearbeitung und insbesondere auf ein Verfahren zur Metallbearbeitung, bei dem der dadurch hergestellte Gegenstand eine verbesserte Beständigkeit gegen das Gesamtkriechwachsturn während einer thermischen Beanspruchung hat.The invention relates to metalworking and in particular to a method of working metal in which the article produced thereby exhibits improved durability against the total creep growth turn during a thermal Has stress.
Metallgegenstände, wie sie beispielsweise bei Turbomaschinen oder anderen Hochtemperatur-Anwendungen.mit hoher Beanspruchung verwendet sind, erfahren häufig ein Wachstum als Folge von thermischer Expansion, Kriechverformung oder einem Zusammenwirken von beidem. Thermische Expansion ist definiert als Wachstum eines Metallgegenstandes als eine Folge einer Erhöhung seiner Temperatur. Kriechverformung jedoch ist das längenmäßige Wachstum, das ein Metallgegenstand erfährt, wenn er bei erhöhten Temperaturen beansprucht wird. Ein derartiges Wachsen ist im allgemeinen unerwünscht. Bei einer Turbomaschine, wie beispielsweise einem Gasturbinentriebwerk, bewirkt beispielsweise das Wachsen eines Verdichtergehäuses einen Verlust der geringe Toleranzen aufweisenden Spielräume innerhalb des Verdichters, wodurch der Verdichter-Wirkungsgrad sinkt und häufigere Reparaturen erforderlich sind.Metal objects, such as those used in turbo machines or other high-temperature applications with high stress are used often experience growth as a result of thermal expansion, creep, or interaction of both. Thermal expansion is defined as growth of a metal object as a result of an increase in its temperature. Creep deformation, however, is the lengthwise Growth that a metal object experiences when it is stressed at elevated temperatures. Such growth is generally undesirable. In a turbomachine, such as a gas turbine engine, for example the growth of a compressor housing a loss of the small tolerances within the compressor, which reduces compressor efficiency and requires more frequent repairs.
Thermische Expansion eines Metalls oder einer Legierung ist eine physikalische Eigenschaft. Es gibt wenig bekannte mechanische Konditionierung, die auf ein Metall oder eine Legierung angewendet werden kann, um seine thermischen Expansionseigenschaften zu verändern. Thermische Expansion ist im allgemeinen beim Abkühlen rückgewinnbar, da die Expansion in dem elastischen Bereich auftritt vor dem Einsetzen der plastischen oder perma-Thermal expansion of a metal or alloy is a physical property. There are little known mechanical ones Conditioning that can be applied to a metal or alloy to improve its thermal expansion properties to change. Thermal expansion is generally recoverable on cooling because the expansion is in the elastic region occurs before the onset of the plastic or permanent
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nenten Verformung. Bei jeder gegebenen Hochtemperatur-Anwendung, wo eine Expansion eines Metalls oder einer Legierung unerwünscht ist, können Probleme bezüglich dieser Expansion vermieden oder an Bedeutung vermindert werden, indem ein Material mit natürlicher Beständigkeit gegen diese thermische Expansion bei der gewählten Betriebstemperatur gewählt wird.nent deformation. In any given high temperature application, where expansion of a metal or alloy is undesirable, problems related to that expansion can be avoided or be diminished in importance by using a material with natural resistance to this thermal expansion in the selected operating temperature is selected.
Die gesamte Kriechverformung von Metallegierungen, die im allgemeinen als Kriechen oder Gesamtkriechen bezeichnet wird, tritt in drei getrennten Stufen auf. Kurz gesagt, durchläuft bei einer gegebenen Temperatur und Beanspruchung der Metallgegenstand in einer ersten Kriechstufe ein schnelles Kriechen mit einer Geschwindigkeit, die mit zunehmender Zeit abnimmt. Während der zweiten Kriechstufe durchläuft der Metallgegenstand ein Kriechen mit einer langsam ansteigenden, linearen' Geschwindigkeit mit wachsender Zeit. Dies ist der Bereich mit kleiner Geschwindigkeit. Schließlich hat eine dritte Kriechstufe ein schnelles aber kurzes Kriechen des Metallgegenstandes mit einer Geschwindigkeit zur Folge, die mit der Zeit zunimmt bis zum Bruch. In jeder Stufe jedoch hat das Kriechen eine im wesentlichen dauerhafte oder nicht rückgewinnbare Längenausdehnung zur Folge.The total creep deformation of metal alloys, in general referred to as creep or total creep occurs in three separate stages. In short, runs through at a given temperature and stress the metal object in a first creep stage, a rapid creep at a speed that decreases with increasing time. During the second creep stage, the metal object undergoes a creep with a slowly increasing 'linear' Speed with increasing time. This is the slow speed area. Finally has a third creep level result in a rapid but brief creep of the metal object at a rate that increases over time until break. At each stage, however, the creep has a substantially permanent or irrecoverable elongation result.
Frühere Arbeiten, die auf die Erhöhung der Kriechbeständigkeit von Metallen oder Legierungen gerichtet waren, beinhalteten das Härten der Oberfläche des Metallgegenstandes durch verschiedene Mittel einschließlich Walzen oder Strahlsandblasen. Diese Verfahren hatten nur einen begrenzten oder gar keinen Erfolg bei der Verkleinerung des Gesamtkriechens eines Gegenstandes im Betrieb. Insbesondere war keines der bekannten Verfahren auf die verschiedenen Kriechstufen gerichtet, um das Gesamtkriechen während des Betriebs zu verkleinern.Previous work aimed at increasing the creep resistance of metals or alloys included hardening the surface of the metal object by various means including rolling or blasting sandblasting. These methods have had limited or no success in reducing the overall creep of an object operational. In particular, none of the known methods was directed to the various creep stages in order to to reduce the overall creep during operation.
Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten metallischen Fertigungsgegenstand zu schaffen, bei dem Expansion durch Kriechwachsen in seinem Bereich kleinster Geschwindigkeit auftritt.It is a primary object of the present invention to provide an improved metallic article of manufacture that in which expansion occurs through creep growth in its lowest speed range.
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Weiterhin soll ein Verfahren geschaffen werden, das einen Metallgegenstand während der Fertigung über seine gesamte erste Kriechstufe expandiert. Weiterhin soll die Lebensdauer eines Gasturbinentriebwerkes verlängert und seine Leistungsfähigkeit verbessert werden, indem das erfindungsgemäße Verfahren auf ein Kompressorgehäuse angewendet wird.Furthermore, a method is to be created that uses a metal object expands over its entire first creep stage during manufacture. Furthermore, the service life of a gas turbine engine should extended and its performance improved by the inventive method on a Compressor housing is applied.
Kurz gesagt, schafft die vorliegende Erfindung einen verbesserten Fertigungsgegenstand, wie beispielsweise ein Verdichtergehäuse für Gasturbinentriebwerke, wobei/der Gegenstand dadurch auszeichnet, daß sich seine MikroStruktur in einem Zustand befindet, bei dem die Expansion des Gegenstandes durch Kriechverformung oder durch Wachsen während thermischer Beanspruchung im wesentlichen i.n seinem Bereich kleinster Geschwindigkeit auftritt. Ein derartiger Gegenstand kann ein Teil einer Anordnung von Teilen sein, von denen wenigstens einer in bezug auf einen anderen Teil umlaufen soll, wodurch zwischen den Teilen ein vorgewählter Spalt aufrechtzuerhalten ist. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gegenstandes geschaffen, um diesen mit einer erhöhten Beständigkeit gegen Gesamtkriechverformung während thermischer Beanspruchung zu versehen, indem der Gegenstand bei einer vorgewählten Temperatur unterhalb seines Schmelzeinsetzpunktes erhitzt wird, während eine Kraft mit einer ausreichenden Größe und für eine ausreichende Zeit ausgeübt wird, um den Gegenstand im wesentlichen über seine erste Kriechstufe zu expandieren. Dann wird der Gegenstand abgekühlt. Anschließend kann der Gegenstand zu einer Form maschinell bearbeitet werden, die berücksichtigt, daß im wesentlichen das gesamte plastische Wachsen innerhalb der zweiten Kriechstufe während der thermischen Beanspruchung auftritt.In short, the present invention provides an improved article of manufacture such as a compressor housing for gas turbine engines, whereby / the object is characterized by the fact that its microstructure is in a state in which the expansion of the object through creep deformation or through growth during thermal stress in the essentially occurs in its lowest speed range. Such an article may be part of an assembly of Be parts of which at least one is to revolve with respect to another part, whereby a preselected one between the parts Gap is to be maintained. Furthermore, a method for producing such an article is provided around this to provide increased resistance to overall creep deformation during thermal stress by providing the article is heated at a preselected temperature below its melt onset point while applying a force with a sufficient Size and exerted for a sufficient time to the article substantially through its first creep stage to expand. Then the object is cooled. Then the item can be machined into a shape which takes into account that essentially all of the plastic growth within the second creep stage occurs during the thermal Stress occurs.
Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will now be based on further features and advantages the description and drawing of exemplary embodiments explained in more detail.
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Figur 1 ist eine schematische/ teilweise geschnittene Ansicht von einem Gasturbinentriebwerk eines Flugzeugs mit einem Verdichtergehäuse, auf das die vorliegende Erfindung gerichtet ist.Figure 1 is a schematic / partially sectioned view of a gas turbine engine of an aircraft having a compressor casing to which the present invention is applied is directed.
Figur 2 ist eine Schnittansicht von dem hinteren Teil eines Verdichters und zeigt die räumliche Beziehung zwischen dem Gehäuse und den Rotorschaufeln und die räumliche Beziehung zwischen den Statorschaufeln und dem Rotor.Figure 2 is a sectional view of the rear of a compressor showing the spatial relationship between the housing and the rotor blades and the spatial relationship between the stator blades and the rotor.
Figur 3 ist eine graphische Darstellung der Kriechverformung in Metallen als eine Funktion der Zeit bei einer gegebenenen Temperatur und Beanspruchung.Figure 3 is a graph of creep deformation in metals as a function of time for a given one Temperature and stress.
Figur 4 ist eine geschnittene Teilansicht von einem nicht bearbeiteten Verdichtergehäuse, das auf einer Expansionseinrichtung angeordnet ist.Figure 4 is a partial cross-sectional view of an unprocessed one Compressor housing, which is arranged on an expansion device.
Figur 5 ist eine graphische Darstellung des Verhaltens eines Metallgegenstandes mit und ohne die hier beschriebene Anwendung des Vor-Kriechens.Figure 5 is a graphical representation of the behavior of a Metal object with and without the application of pre-creep described here.
Figur 6 ist eine graphische Darstellung des Kriechverhaltens einer für die vorliegende Erfindung brauchbaren Legierung im Vergleich zu zwei alternativen Verhalten der gleichen Legierung nach Anwendung der vorliegenden Erfindung. Figure 6 is a graph of the creep behavior of an alloy useful in the present invention compared to two alternative behaviors of the same alloy using the present invention.
um den vollen Vorteil aus einem Material zu erhalten, das wegen seiner Beständigkeit gegenüber thermischer Expansion ausgewählt ist, wurde das erfindungsgemäße Verfahren zur Vergrößerung der Beständigkeit gegenüber Gesamtkriechen geschaffen: Das anfängliche Wachsen, das der ersten Kriechstufe zuzuordnen ist, kann in dem Gegenstand vor-konditioniert werden. Die erfindungsgemäße Steuerung des Gesamtkriechens eines Metall- oder Legierungsgegenstandes über die Lebensdauer des Gegenstandes ist alsto get the full benefit from a material that is due to its resistance to thermal expansion is selected, the inventive method for increasing the Resistance to total creep created: The initial growth that can be assigned to the first creep stage can be pre-conditioned in the object. The control of the overall creep of a metal or alloy article in accordance with the present invention over the life of the item is considered
wünschenswert befunden worden, um die erste Kriechstufe vorzukonditionieren und während der zweiten Kriechstufe zu arbeiten, wo die Kriechgeschwindigkeit am kleinsten ist.has been found desirable to precondition the first creep stage and to work during the second creep stage where the creep speed is slowest.
Somit ist die Erfindung auf das Vorkonditionieren eines Metallgegenstandes für die erste Kriechstufe gerichtet, so daß dieses Kriechen nicht während des Betriebs auftritt. Die Vorbehandlung für diese erste Kriechstufe wird dadurch erreicht, daß der Metallgegenstand, wie beispielsweise ein Verdichtergehäuse für eine Turbomaschine, während der Fertigung durch die erste Kriechstufe geführt wird, bevor das Triebwerk tatsächlich in Betrieb genommen wird. Der Metallgegenstand arbeitet somit während des Betriebs nur innerhalb des Bereiches der zweiten Kriechstufe. Das erfindungsgemäße Verfahren wird als Vor-Kriechen bezeichnet.Thus the invention is directed to the preconditioning of a metal object directed for the first creep stage so that this creep does not occur during operation. The pre-treatment for this first creep stage is achieved in that the metal object, such as a compressor housing for a turbo machine, is guided through the first creep stage during production before the engine actually starts operating is taken. The metal object thus works only within the range of the second creep stage during operation. The method according to the invention is referred to as pre-creep.
Figur 1 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Gasturbinentriebwerk 10 als ein Anwendungsbeispiel der Erfindung. Das Triebwerk 10 umfaßt im allgemeinen einen Bläserabschnitt 20, einen Verdichterabschnitt 30, anhand dessen die Erfindung insbesondere beschrieben wird, einen Brennerabschnitt 50 und einen Turbinenabschnitt 55, die in einem Reihenströmungspfad angeordnet sind. Die Arbeitsweise des Gasturbinentriebwerks gemäß Figur 1 ist für den Fachmann allgemein bekannt und braucht an dieser Stelle nicht näher beschrieben zu werden.FIG. 1 shows a schematic view of a gas turbine engine 10 as an example of application of the invention. The engine 10 generally includes a fan section 20, a compressor section 30, on the basis of which the invention in particular is described, a burner section 50 and a turbine section 55 arranged in a series flow path are. The mode of operation of the gas turbine engine according to FIG. 1 is generally known to the person skilled in the art and requires not to be described in detail at this point.
Für die Zwecke der hier beschriebenen Erfindung soll der Begriff "axiale Richtung" die Richtung parallel zur horizontalen Mittellinie oder Achse des Gasturbinentriebwerks 10 gemäß Figur 1 bedeuten. Der Begriff "radiale Richtung" soll eine Richtung entlang einer Linie bedeuten, die senkrecht zu der gleichen horizontalen Mittellinie ist und diese schneidet. Der Begriff "Umfangsrichtung" soll eine Richtung entlang einer Linie bedeuten, die im allgemeinen durch einen Ortspunkt von Punkten gebildet wird, die in der gleichen axialen Ebene liegen und den gleichen Abstand von der horizontalen Mittellinie haben.For the purposes of the invention described herein, the term "Axial direction" means the direction parallel to the horizontal center line or axis of the gas turbine engine 10 according to FIG. The term "radial direction" is intended to mean a direction along a line that is perpendicular to the same horizontal one Center line is and this intersects. The term "circumferential direction" is intended to mean a direction along a line which is generally formed by a locus of points which lie in the same axial plane and are the same distance from the horizontal center line.
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Es sei nun auf Figur 2 eingegangen, die eine Schnittansicht von dem hinteren Teil des Verdichterabschnitts 30 ist und das hintere Verdichtergehäuse 31 zeigt. Das hintere Verdichtergehäuse 31 weist eine äußere Oberfläche 32, eine innere Oberfläche 34, einen vorderen Flansch 36, einen hinteren Flansch 38 und einen hinteren Anschlag 39 auf. Der vordere Flansch 36 weist mehrere im gleichen Abstand angeordnete Löcher 37a auf seinem Umfang auf, um im allgemeinen mehrere Befestigungsvorrichtungen aufzunehmen, die den vorderen Teil des hinteren Gehäuses 31 an dem hinteren Teil eines vorderen Gehäuses befestigen, das der Einfachheit halber nicht gezeigt ist. In ähnlicher Weise weist der hintere Flansch 38 mehrere im gleichen Abstand angeordnete Löcher 37b auf seinem Umfang auf zur Aufnahme von mehreren Befestigungsvorrichtungen, die den hinteren Teil des hinteren Gehäuses 31 an dem hinteren Verdichterrahmen befestigen, der der Einfachheit halber nicht gezeigt ist. Der hintere Anschlag 39 sorgt für eine konzentrische Ausrichtung zwischen dem hinteren Gehäuse 31 und dem Verdichterrotor 44. Die Befestigungslöcher in dem vorderen Flansch 36 und dem hinteren Flansch 38 weisen enge Toleranzen auf und sind so augelegt, daß sie mit den Befestigungsvorrichtungen und damit zusammenpassenden Oberflächen zusammenarbeiten, um einen Schlupf des Gehäuses in Umfangrichtung während des Triebwerksbetriebes zu vermindern.Reference is now made to FIG. 2, which is a sectional view of the rear part of the compressor section 30 and that rear compressor housing 31 shows. The rear compressor housing 31 has an outer surface 32, an inner surface 34, a front flange 36, a rear flange 38 and a rear stop 39. The front flange 36 has a plurality of equally spaced holes 37a thereon Circumference to generally receive a plurality of fasteners that attach the front portion of the rear housing 31 to attach to the rear of a front housing, not shown for simplicity. Similarly points the rear flange 38 has several equally spaced holes 37b on its circumference for receiving several fastening devices, which attach the rear part of the rear housing 31 to the rear compressor frame, the is not shown for the sake of simplicity. The rear stop 39 provides a concentric alignment between the rear one Housing 31 and the compressor rotor 44. The mounting holes in the front flange 36 and the rear flange 38 have tight tolerances and are designed to work with fasteners and mating surfaces work together to reduce circumferential slippage of the casing during engine operation.
Gemäß Figur 2 enthält der Verdichterabschnitt 30 weiterhin mehrere axial ausgerichtete Statorschaufeln, die gleitend auf dem Umfang in dem Kompressorgejäuse 31 angebracht sind, und mehrere axial ausgerichtete Rotorschaufeln 42 auf, die gleitend auf dem Umfang im Verdichterrotor 24 angebracht sind.According to FIG. 2, the compressor section 30 furthermore contains a plurality of axially aligned stator blades that slide open mounted circumferentially in the compressor housing 31, and a plurality of axially aligned rotor blades 42 that are slidable are mounted on the circumference in the compressor rotor 24.
Der Wirkungsgrad eines Verdichters und dementsprechend die Leistungsfähigkeit eines Triebwerkes stehen in direkter Beziehung zu dem radialen Spielraum 48 zwischen den radial äußersten Spitzen der Rotorschaufeln 42 und der inneren Gehäuseoberfläche 3 4 und dem radialen Spielraum 46 zwischen den radial innersten Spitzen der Statorschaufeln 40 und der inneren Oberfläche des Turbinenrotors 44. Eine wesentliche Verbesserung der Leistungsfähigkeit und des Wirkungsgrades, wie beispielsweise Verbesse-The efficiency of a compressor and, accordingly, its performance of an engine are directly related to the radial clearance 48 between the radially outermost Tips of the rotor blades 42 and the inner casing surface 3 4 and the radial clearance 46 between the radially innermost Tips of the stator blades 40 and the inner surface of the turbine rotor 44. A significant improvement in performance and the degree of efficiency, such as improvement
rungen im spezifischen Brennstoffverbrauch und Vermeidung des Strömungsabrisses, werden dadurch erhalten, daß die Spielräume 46 und 48 während jedes gegebenen Triebwerksbetriebs und über die Lebensdauer des Triebwerks so klein wie möglich gehalten werden. Somit ist das Wachsen des Verdichtergehäuses durch thermische Expansion oder Kriechen unerwünscht und muß vermieden werden.ments in the specific fuel consumption and avoidance of stall, are obtained that the leeway 46 and 48 should be kept as small as possible during any given engine operation and over the life of the engine. Thus, the growth of the compressor housing is due to thermal Expansion or creep is undesirable and must be avoided.
Gemäß einer Ausführungsform schafft die Erfindung einen Metallgegenstand, der für eine Verwendung als ein Verdichtergehäuse verwendbar ist, das nicht in einem solchen Ausmaß kriecht, daß die Spielräume 46 und 48 auf Grenzwerte expandieren, die eine Verschlechterung des Verdichterwirkungsgrades oder der Leistungsfähigkeit des Triebwerks zur Folge hat. Dabei wird der Vorteil der charakteristischen Form der Kriechkurve eines Metalls oder einer Metallegierung ausgenutzt. In Figur 3 ist eine graphische Darstellung der Kriechverformung gezeigt, die im allgemeinen bei Metallegierungen als eine Funktion der Zeit bei einer gegebenen Temperatur und Beanspruchung beobachtet wird, wie es vorstehend erläutert wurde. Wie aus der Kurve ersichtlich ist, tritt ein großer Teil des Kriechens in einer kurzen Zeit während der ersten Kriechstufe auf.According to one embodiment, the invention provides a metal object, which is suitable for use as a compressor housing that does not creep to such an extent that the margins 46 and 48 expand to limits that a deterioration in the compressor efficiency or the performance of the engine. It takes advantage of the characteristic shape of the creep curve of a metal or exploited a metal alloy. Referring to Figure 3, there is shown a graph of creep deformation generally occurring at Metal alloys as a function of time at a given temperature and stress is observed, as above was explained. As can be seen from the graph, a large part of the creep occurs in a short time during the first creep level.
Erhöhte Betriebstemperaturen, die im hinteren Gehäuse 31 auftreten^ haben eine thermische Expansion des Gehäuses zur Folge. Wie bereits ausgeführt wurde, ist diese Expansion im allgemeinen rückgewinnbar beim Abkühlen, da die Expansion in dem elastischen Bereich auftritt vor dem Einsetzen der plastischen oder permanenten Verformung. Eine Auswahl eines Materials mit einem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat weniger thermisches Wachsen und erhöhte Betriebswirkungsgrade zur Folge. Eine derartige Legierung mit einem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, die für eine Verwendung in dem hinteren Gehäuse 31 ausgewählt war, ist eine kommerziell verfügbare Eisen-Basis-Legierung, die in den Vereinigten Staaten von Amerika als M152 bekannt ist und eine nominale Zusammensetzung von 11,9 % Chrom, 2,5 % Nickel, 1,8 % Molybdän, 0,3 % Vanadium, 0,7 % Mangan,Increased operating temperatures that occur in the rear housing 31 ^ result in a thermal expansion of the housing. As stated earlier, this expansion is general recoverable on cooling, since the expansion occurs in the elastic region before the onset of the plastic or permanent one Deformation. Choosing a material with a small coefficient of thermal expansion will have less thermal Growth and increased operating efficiencies result. Such an alloy with a small coefficient of thermal expansion, which was selected for use in the rear housing 31 is a commercially available iron-based alloy, which is known in the United States of America as M152 and has a nominal composition of 11.9% chromium, 2.5% nickel, 1.8% molybdenum, 0.3% vanadium, 0.7% manganese,
0,5 % Kohlenstoff, der Rest Eisen mit zufälligen Verunreinigungen, hat. Alle hier verwendeten Prozentangaben der Zusammensetzung sind Gew.-%te, wenn etwas anderes nicht besonders angegeben ist. Diese Legierung war für eine Verwendung gegenüber vorher verwendeten Legierungen mit einem höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausgewählt worden. Es wurde gedoch gefunden, daß sie einem größeren Gesamtkriechen ausgesetzt ist. Für eine effektive Ausnutzung der vorteilhaften kleinen thermischen Ausdehnungseigenschaften dieser Eisen-Basis-Legierung ist es notwendig, das Auftreten des Legierungskriechens während des Betriebes zu reduzieren oder zu eliminieren.0.5% carbon, the rest iron with incidental impurities, Has. All percentages of the composition used here are percentages by weight unless otherwise indicated. This alloy was for use over previously used alloys with a higher coefficient of thermal expansion been selected. However, it has been found to be subject to greater overall creep. For effective Using the advantageous small thermal expansion properties of this iron-based alloy, it is necessary to reduce or eliminate the occurrence of alloy creep during operation.
Eine ingenieursmäßige Analyse hat gezeigt, daß der größere Teil der Kriechverformung während der Lebensdauer eines Verdichtergehäuses aus "einer derartigen Eisen-Basis-Legierung im Betrieb während der ersten Kriechstufe auftritt. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einen deratigen Gegenstand erfährt dieser nur die zweite Kriechstufe im Betrieb. Die erste Kriechstufe ist in ihrer Wirkung eliminiert worden/ indem der Gegenstand während der Fertigung in erfindungsgemäßer Weise einem Vor-Kriechen ausgesetzt wird. Dasjenige Kriechen, das dann während·des Betriebs auftritt, hat nicht die schnelle Wachstumsart des Verdichtergehäuses zur Folge, das zu einer Verschlechterung der Wirkungsgrade oder der Leistungsfähigkeit des Triebwerks führt.An engineering analysis has shown that the greater part of the creep deformation occurs during the life of a compressor casing from "such an iron-based alloy occurs during operation during the first creep stage. By application of the method according to the invention on such an object only experiences the second creep stage during operation. The first Creep step has been eliminated in its effect / by the object during manufacture in the manner according to the invention is subjected to a pre-creep. The creep that then occurs during operation is not fast Type of growth of the compressor housing result in a deterioration in the efficiency or the performance of the Engine leads.
Die Erfindung beinhaltet die thermomechanische Vorbearbeitung des Gegenstandes, beispielsweise des unbearbeiteten Gehäuses, das bei der Fertigung des fertigen hinteren Gehäuses 31 verwendet werden soll. Figur 4 ist eine Teilschnittansicht von einem unbearbeiteten Verdichtergehäuse 61, beispielsweise in Form eines Schmiedestücks, eines Gußstücks, eines gewalzten oder geschweißten Blechs, einer Platte^usw. Das unbearbeitete Verdichtergehäuse 61 wird auf einer Expansionseinrichtung 60 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel besteht die Expansionseinrichtung 60 aus einem Dorn mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der größer als derjenige des GehäusesThe invention includes thermomechanical preprocessing of the item, for example the raw housing, used in the manufacture of the finished rear housing 31 shall be. FIG. 4 is a partial sectional view of an unmachined compressor housing 61, for example in FIG The shape of a forging, casting, rolled or welded sheet, plate, etc. The unedited Compressor housing 61 is arranged on an expansion device 60. In this embodiment there is the expansion device 60 from a mandrel with a coefficient of thermal expansion which is greater than that of the housing
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ist, das auf der Ausdehnungseinrichtung angeordnet ist. Die Ausdehnungseinrichtung 60 hat ferner eine Schmelzeinsetztemperatur, die höher ist als die Temperatur, die zum Expandieren des unbearbeiteten Verdichtergehäuses auf der ersten Kriechstufe während der Anwendung der Erfindung gewählt ist, wie es im folgenden noch näher erläutert wird. Der Dorn der Ausdehnungseinrichtung 60 kann eine massive oder ringförmige Form haben. Das Dornmaterial kann die folgende nominelle Zusammensetzung haben, die eine kommerziell verfügbare Legierung darstellt, die in den Vereinigten Staaten von Amerika mit A-286 bezeichnet wird: 26 % Nickel, 15 % Chrom, 2,1 % Titan, 1,5 % Mangan, 1,3 % Molybdän, 0,7 % Silizium, 0,3 % Aluminium, 0,3 % Vanadium, 0,04 % Kohlenstoff, 0,005 % Bor, der Rest im wesentlichen Eisen und zufällige Verunreinigungen.which is arranged on the expansion device. The expansion device 60 also has a melt onset temperature that is higher than the temperature required to expand the unmachined compressor casing on the first creep stage during the application of the invention is selected as follows will be explained in more detail. The mandrel of the expander 60 can be solid or annular in shape. That Mandrel material can have the following nominal composition, which is a commercially available alloy used in the United States of America is designated A-286: 26% nickel, 15% chromium, 2.1% titanium, 1.5% manganese, 1.3% molybdenum, 0.7% silicon, 0.3% aluminum, 0.3% vanadium, 0.04% carbon, 0.005% boron, the remainder essentially iron and accidental contamination.
Das unbearbeitete Gehäuse 61, das auf der Expansionseinrichtung 61 angeordnet ist, wird in einen Ofen eingebracht und für eine ausreichende Zeit und bei einer ausreichenden Temperatur erhitzt, damit sich die Expansionseinrichtung 60 genügend gegen das unbearbeitete Gehäuse 61 ausdehnt. Wenn das Gehäuse aus der vorstehend näher spezifizierten Eisen-Basis-Legierung hergestellt ist, bewirkt eine derartige Ausdehnung, daß das Gehäuse über 0,115 % hinaus kriecht, was ausreichend ist, damit das Gehäuse die erste Kriechstufe durchläuft als eine Folge der Bandbeanspruchungen, die in dem Gehäuse durch die Expansionseinrichtung hervorgerufen werden. Das unbearbeitete Gehäuse 61 wird dann in normaler Weise bearbeitet.The unprocessed case 61, which is arranged on the expansion device 61, is placed in a furnace and used for a heated for sufficient time and at a sufficient temperature so that the expansion device 60 is sufficiently against the raw Housing 61 expands. If the housing is made from the iron-based alloy specified in more detail above such expansion causes the housing to creep beyond 0.115%, which is sufficient for the housing the first creep stage goes through as a result of the belt stresses, which are caused in the housing by the expansion device. The unprocessed housing 61 is then edited in the normal way.
Die thermomechanische Behandlung, die als die Vor-Kriech-Behandlung bezeichnet wird, wurde anhand von zwei Schmiedestücken für ein hinteres Verdichtergehäuse demonstriert. Bei einem Beispiel der Erfindung wurde ein kommerziell verfügbarer rostfreier Stahl,, der in den Vereinigten Staaten von Amerika die Bezeichnung A.I.S.I. 321 hat und eine nominale Zusammensetzung von 18 % Chrom, 9,5 % Nickel, 2 % Mangan, 0,75 % Silizium, 0,5 % Kupfer, 0,5 % Molybdän, 0,1 % Titan, 0,08 % Kohlenstoff, Rest Eisen und zu-The thermomechanical treatment called the pre-creep treatment was demonstrated using two forgings for a rear compressor housing. In an example According to the invention, a commercially available stainless steel, which was named in the United States of America A.I.S.I. 321 and has a nominal composition of 18% chromium, 9.5% nickel, 2% manganese, 0.75% silicon, 0.5% copper, 0.5% molybdenum, 0.1% titanium, 0.08% carbon, the remainder iron and
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fällige Verunreinigungen aufweist, als die Expansionseinrichtung verwendet. Es wurde die in Figur 4 gezeigte Anordnung benutzt: Das Schmiedestück 61 für ein hinteres Verdichtergehäuse wurde auf einer Expansionseinrichtung 60 angeordnet. Die Anordnung wurde gleichmäßig erhitzt in einem Ofen mit Luftzwangsumwälzung und bei einer Temperatur von 565 C (1050 P) + 15°C (25°F) für 4 Stunden + 10 Minuten gehalten. Zum Abschluß der Erhitzung wurde die Anordnung aus dem Ofen herausgenommen und durch Luftkühlung auf Raumtemperatur abgekühlt. Eine Reihe von Durchmessermessungen bei Raumtemperatur zeigten an, daß das Schmiedestück des hinteren Verdichtergehäuses eine KriechdehnungHas due impurities, used as the expansion device. The arrangement shown in Figure 4 was used: The forging 61 for a rear compressor housing was placed on an expander 60. The order was heated evenly in a forced air oven and at a temperature of 565 C (1050 P) + 15 ° C (25 ° F) held for 4 hours + 10 minutes. At the end of the heating, the assembly was removed from the oven and cooled to room temperature by air cooling. A series of diameter measurements at room temperature indicated that the Forging of the rear compressor housing a creep strain
von 0,115 % überschritten hatte, wodurch angezeigt wird, daß das sekundäre Kriechen begonnen hatte.of 0.115%, indicating that the secondary creep had started.
Es wurde eine Auswertung der Wirkungen des Vor-Kriech-Verfahrens gemäß der Erfindung auf andere mechanischen Eigenschaften des Vor-Kriechgegenstandes unternommen. Die Ergebnisse wurden mit Ergebnissen verglichen, die aus einem gleichen Schmiedestück eines hinteren Verdichtergehäuses erhalten wurden, das nicht dem erfindungsgemäßen Vor-Kriech-Verfahren ausgesetzt waren.An evaluation of the effects of the pre-creep process according to the invention on other mechanical properties of the Before crawling object undertaken. The results were with Compared results obtained from a same forging of a compressor rear housing that did not were exposed to the pre-creep process of the invention.
Die Ergebnisse des Kriechversuches sind in Tabelle I, die desThe results of the creep test are in Table I, those of the
" " der Dauerbruchversuchs in Tabelle II und die/Dehnungsversuche in Tabelle II gezeigt. Darin bedeuten "ID" Innendurchmesser"AD" Außendurchmesser und die Abkürzung "VK" bedeutet den Vor-Kriech-Zustand gemäß der Erfindung und "OVK" bedeutet ohne Vor-Kriechen oder der Zustand des Schmiedestückes "wie erhalten"."" the fatigue fracture test in Table II and the / elongation tests in Table II shown. "ID" means inside diameter, "AD" means outside diameter and the abbreviation "VK" means the pre-creep condition according to the invention and "OVK" means "as received" without pre-creep or the state of the forging.
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Ergebnisse von Krlechtestverg!eichenResults of cross test comparison
Versuchstemperatur Spannung Zeit bis 0,1 % Zeit bis 0,2% Test temperature Voltage Time up to 0.1% Time up to 0.2%
Probenart Pc](0F) Qo3 bar] (kai) Kriechen (Std'} «riechen (Std.) Sample type Pc] ( 0 F) Qo 3 bar] (kai) Creep (Std ' } «smell (Std.)
- 1,0- 1.0
RO = AuslaufRO = run-out
·■ »ν· ■ »ν
artrehearse
art
temperatur
[0C](0F)Attempt
temperature
[ 0 C] ( 0 F)
keit
[jO3 bar] (ksi)Tensile strength
speed
[jO 3 bar] (ksi)
grenze
[To3 bar| (ksi)0.2% stretch
border
[To 3 bar | (ksi)
(%)
W strain
(%)
W.
rung
CO Snug
tion
CO
In Tabelle I ist die wesentliche Verbesserung der Kriechbeständigkeit durch die Erfindung bei jedem Beanspruchungswert sowohl für den Innendurchmesser als auch den Außendurchmesser der behandelten Proben gezeigt, wobei die prozentualen Kriechwerte gemessen sind. In ähnlicher Weise zeigt Tabelle II die signifikante Verbesserung in der Dauerfestigkeit durch die Verwendung der Erfindung gegenüber unbehandelten Proben bei jedem untersuchten Wert. Die Erbenisse in Tabelle III sollen zeigen, daß die Zugeigenschaften durch die Erfindung nicht wesentlich beeinflußt werden.In Table I is the major improvement in creep resistance by the invention at each stress value for both the inside diameter and the outside diameter of the treated Samples shown with percent creep values measured. Similarly, Table II shows the significant improvement compared in fatigue strength through the use of the invention untreated samples at each value tested. The results in Table III are intended to show that the tensile properties are not significantly affected by the invention.
In Figur 5 sind die Ergebnisse des radialen Kriechens, gemessen an der Stelle des hinteren Flansches (in Fig. 2 bei 38), graphisch gezeigt für ein Schmiedestück eines hinteren Verdichtergehäuses mit und ohne Anwendung der Vor-Kriech-Verfahren gemäß der Erfindung. Beispielsweise machen die Ergebnisse deutlich, daß für einen gewählten Triebwerksbetrieb von 3000 Stunden das Material ohne Vor-Kriechen ein radiales Wachsen von 0,28 mm (0,011 Zoll) erfahren würde, während ein Material, das dem erfindungsgemäßen Vor-Kriech-Verfahren ausgesetzt ist, nur ein radiales Wachsen von etwa 0,114 mm (0,045 Zoll) erfährt. Wenn ein maximales radiales Wachsen von etwa 0,228 mm (0,009 Zoll) zulässig ist, bevor eine Verschlechterung des Verdichterwirkungsgrades oder der Leistungsfähigkeit des Triebwerkes auftritt, hat das Material ohne Vor-Kriechen eine erwartete Lebensdauer von etwa 800 Stunden. Im Vergleich dazu hat ein Material, das dem erfindungsgemäßen Vor-In Figure 5, the radial creep results measured at the location of the rear flange (at 38 in Figure 2) are graphed shown for a forging of a rear compressor housing with and without application of the pre-creep method according to the invention. For example, the results make it clear that for a selected engine operation of 3000 hours, the material without pre-creep, would experience a radial growth of 0.28 mm (0.011 inch) while a material conforming to the present invention Pre-creep process is exposed to only radial growth of about 0.114 mm (0.045 inches). When a maximum radial Growing about 0.228 mm (0.009 inches) is allowed before a deterioration of the compressor efficiency or the performance of the engine occurs, the material has without Pre-creep has an expected life of about 800 hours. In comparison, a material that meets the inventive concept
Kriech-Verfahren ausgesetzt ist, eine erwartete Lebensdauer von etwa 15000 Stunden, was eine sehr signifikante Verbesserung bedeutet .Exposed to creep processes, an expected life of about 15,000 hours, which is a very significant improvement .
Das verwendete und beschriebene Verfahren· hat die Wirkung, daß der Metallgegenstand über die erste Kriechstufe kriecht. Wie bei jedem derartigen Verfahren werden gewisse Restbeanspruchungen eingeführt, die sich entspannen oder rückgewinnbar sind durch gewisse Erwärmung- oder Spannungsentlastungsvorgänge, beispielsweise in nachfolgenden Fertigungsgängen, wie beispielsweise überziehen, Schweißen oder spannungsfreies Glühen, entweder allein oder in Verbindung miteinander. Die bereits genannte Eisen-Basis-Legierung (M152) wurde vergütet bei 565°C (1050°F) für 4 Stunden/ wonach das erfindungsgemäße Vor-Kriech-Verfahren folgte. Der Metallgegenstand war nicht befestigt, d. h. in seinem freien Zustand, und es wurde eine gewisse anclastischc Rückgewinnunq beobachtet. Figur 6 zeigt eine graphische Darstellung der Kriechverformung als eine Funktion der Zeit bei einer gegebenen Temperatur und Beanspruchung für ein Grundmaterial ohne Vor-Kriechen, ein Material mit Vor-Kriechen + Vergüten und ein Material nur mit Vor-Kriechen. Es ist zu ersehen, daß das Material mit Vor-Kriechen + Vergüten eine wesentliche Verbesserung darstellt im Gesamtkriechverhalten gegenüber Material ohne Vor-Kriechen.The method used and described has the effect that the metal object creeps over the first creep step. As with any such process, certain residual stresses are introduced which are relaxed or recoverable through certain heating or stress relief operations, for example in subsequent manufacturing operations such as plating, welding or stress relieving, either alone or in conjunction with one another. The aforementioned iron-based alloy (M152) was tempered at 565 ° C (1050 ° F) for 4 hours / after which the pre-creep process of the invention was followed. The metal object was unattached, that is, in its free state, and some anclastic recovery was observed. Figure 6 shows a graph of creep deformation as a function of time at a given temperature and stress for a base material with no pre-creep, a material with pre-creep + temper and a material with only pre-creep. It can be seen that the material with pre-creep + tempering represents a significant improvement in the overall creep behavior compared to material without pre-creep.
Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß ein wirksames Mittel geschaffen worden ist, damit ein Metallgegenstand seine erste Kriechstufe während der Fertigung durchläuft. Ein derartiges Verfahren verlängert die Lebensdauer des Gegenstandes und trägt bei der Anwendung auf ein Verdichtergehäuse eines Gasturbinentriebwerkes zur Aufrechterhaltung der Verdichterwirkungsgrade und Leistungsfähigkeit des Triebwerkes für einen längeren Zeitraum bei. Somit löst das Verfahren die eingangs gestellten Aufgaben.From the above description it is clear that an effective Means have been created so that a metal object goes through its first creep stage during manufacture. A such a method extends the life of the article and is beneficial when applied to a compressor housing of a gas turbine engine to maintain the compressor efficiency and performance of the engine for a longer period of time Period at. The method thus solves the tasks set out at the beginning.
Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel des Vor-Kriech-Verfahrens gemäß der Erfindung ist besonders brauchbar bei der Verminderung des Gesamtkriechens eines Verdichtergehäuses aufThe above-described embodiment of the pre-creep method according to the invention is particularly useful in reducing the overall creep of a compressor housing
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Eisen-Basis während thermischer Beanspruchungen. Das beschriebene Verfahren kann auch in verschiedenen Formen auf andere Gegenstände (ringförmige, kreisförmige oder gerade Gegenstände) und/ andere Metalle oder Metallegierungen angewendet werden. Das Verfahren ist auf Kobalt, Eisen, Nickel, Titan, Aluminium und Legierungen anwendbar, die diese Elemente enthalten, wie beispielsweise Nickelbasis-Superlegierungen, rostfreie Stähle, niederlegierte Stähle oder andere, die bei Hochtemperatur-Anwendungen mit hoher Beanspruchung verwendet werden.Iron base during thermal stresses. The method described can also be applied in various forms to other objects (ring-shaped, circular or straight objects) and / other metals or metal alloys are used. The procedure is applicable to cobalt, iron, nickel, titanium, aluminum and alloys containing these elements such as Nickel-based superalloys, stainless steels, low-alloy steels or others used in high temperature applications be used with high stress.
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