DE3334352C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Wellen mit hohem Modul sowie Verfahren zu ihrer Herstellung.

Wellen zur Kraftübertragung werden in Ausrüstungen der verschiedensten Art verwendet. Die vorliegende Erfindung wurde insbesondere im Hinblick auf Wellen von Turbinentriebwerken entwickelt und wird nachfolgend am Beispiel derartiger Wellen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf Gasturbinen-Triebwerke beschränkt.

Üblicherweise ist ein Gasturbinen-Triebwerk so aufgebaut, daß es ein hohles Gehäuse aufweist, in dem Reihen von stationären Leitschaufeln angeordnet sind, sowie eine rotierende Welle, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und auf der Scheiben montiert sind, auf deren Umfang eine Vielzahl von Laufschaufeln montiert sind. Der Aufbau ist dabei so, daß abwechselnd angeordnete Reihen von stationären Laufschaufeln und Leitschaufeln dazu dienen, Luft zuerst zu verdichten und anschließend die Energie aufzunehmen, die durch Verbrennung eines Brennstoffs mit der vorher verdichteten Luft erzeugt wird. Für den Wirkungsgrad derartiger Triebwerke sind minimale Spalten zwischen den beweglichen und stationären Teilen kritisch. Die Turbinenwelle hat dabei die Aufgabe, eine solche Montage der Scheiben und Laufschaufeln zu ermöglichen, daß sie sich frei drehen können, sowie Energie aus dem Turbinenabschnitt des Triebwerks auf dem Kom­ pressor-Abschnitt des Triebwerks zu übertragen. Ein erfolgreicher wirksamer Betrieb eines Triebwerks setzt eine präzise Anordnung der Laufschaufeln relativ zum Gehäuse voraus. Es ist dabei von allerhöchster Bedeutung, daß die Turbinenwelle steif ist und biegungs- und vibrationsfrei ist. Dabei können sich Spannungen, die zu Biegungen und Vibrationen führen, sowohl infolge der internen Arbeitsweise des Triebwerks ergeben, als auch infolge von extern angreifenden Belastungen, die sich aus der Bewegung des Flugzeugs ergeben.

Auf übliche Weise hergestellte Turbinen-Wellen werden aus Stahllegierungen erzeugt und hohl ausgeführt, um eine maximale (spezifische) Steifigkeit zu erhalten.

Die Durchbiegungs-Unterlast von Gegenständen wie Turbinen- Wellen verhält sich umgekehrt proportional zu dem Elastizitätsmodul oder Young'schen Modul. Es ist folglich höchst wünschenswert, ein Material zu verwenden, das den höchstmöglichen Elastizitätsmodul aufweist.

Metallische Materialien weisen im allgemeinen eine kristalline Struktur auf, was bedeutet, daß die individuellen Atome des Materials eine voraussagbare räumliche Anordnung gegenüber den Nachbaratomen einnehmen, und diese Anordnung wiederholt sich durch einen ganzen jeweiligen Kristall oder ein Korn. Hochtemperaturfeste Legierungen auf Nickelbasis (Nickel base superalloys) weisen eine kubisch flächenzentrierte Struktur auf. Die Eigenschaften derartiger Kristalle ändern sich in Abhängigkeit von der Orientierung sehr stark.

Die meisten Gegenstände aus Metallen enthalten viele Tausende von individuellen Kristallen oder Körnern, und die Eigenschaften eines solchen Gegenstandes in einer bestimmten Richtung spiegeln die mittlere Orientierung der individuellen Kristalle, aus denen der Gegenstand besteht, wieder. Wenn die Körner oder Kristalle eine regelose Orientierung aufweisen, sind die Eigenschaften des Gegenstandes isotrop, d. h. in allen Richtungen gleich. Obwohl das im allgemeinen angenommen wird, ist das in Wirklichkeit selten der Fall, da die meisten Guß- und Verformungs-Verfahren zur Erzeugung einer Kristall-Vorzugsorientierung oder Textur führen. Bei einer Verformung kommt es zu einer derartigen Vorzugsorientierung aus verschiedenen Gründen. So sind Kristalle bestimmter Orientierungen widerstandsfähiger gegen Verformung als andere Kristalle. Diese verformungsbeständigen orientierten Kristalle zeigen die Neigung, während der Verformung zu rotieren, was zur Entstehung einer Vorzugsorientierung führt. Während der Rekristallisation ergeben sich Vorzugsorientierungen aus den bevorzugten Kristallkeimbildungen und/oder dem Wachstum von Körnern bestimmter Orientierungen.

Texturen wurden ausführlich untersucht, und texturierte Materialien werden bereits in gewissem Umfange praktisch ausgenutzt. So hat insbesondere auf dem Gebiet von magnetischen Materialien wie beispielsweise Transformatorenstählen das Texturieren zu beträchtlich verbesserten Verhaltenseigenschaften geführt. Das wird beispielsweise in der US-PS 32 19 496 und in einem Artikel in Metal Progress, Dezember 1953, Seiten 71 bis 75 beschrieben.

Metalle, die einer tiefgreifenden Verformung unterzogen wurden, zeigen oft eine "faserige" Makrostruktur, insbesondere nach dem Anätzen. Eine derartige Struktur ergibt sich aus der Ausrichtung von Einschlüssen, Korngrenzen und Sekundärphasen, hat jedoch nichts mit der kristallographischen Textur des Materials zu tun und sollte daher nicht mit der vorliegenden Erfindung durcheinandergebracht werden.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Arbeitsschritte eines Verfahrens zu beschreiben, das bei seiner Anwendung auf eine bestimmte Klasse von Materialien den Elastizitätsmodul oder Young'schen Modul in axialer Richtung um Werte im Bereich von 25% steigern kann.

Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, nach einem solchen Verfahren erzeugte Wellen hoher Steifigkeit anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch einen Gegenstand und ein Verfahren gemäß den Patentansprüchen gelöst.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden somit Legierungen auf Nickelbasis einer bestimmten Zusammensetzung mit einem Gehalt einer verfestigenden zweiten Phase und einer mäßigen bis hohen Stapelfehlerenergie so verarbeitet, daß eine Kombination aus einer axial-symmetrischen Warmverformung und einer axial-symmetrischen Kaltverformung zur Anwendung kommt, wobei ein Produkt erhalten wird, das einen hohen Elastizitätsmodul in einer vorgegebenen Richtung aufweist.

Nachfolgend wird die oben skizzierte Erfindung sowie weitere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 Texturen als Funktion des Verformungsgrades und der Verformungstemperatur für zwei Materialien mit verschiedenen Stapelfehlerenergien.

Fig. 2 ein Verfahrens-Fließdiagramm, in dem die Verfahrensschritte von alternativen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt sind.

Fig. 3 eine graphische Darstellung, in der der Elastizitätsmodul gegen die Temperatur aufgetragen ist, wobei in der Darstellung die für erfindungsgemäß behandelte Materialien sowie für bekannte Materialien erhaltenen Kurven gezeigt sind.

Fig. 4 eine graphische Darstellung, in der der Schermodul gegen die Temperatur aufgetragen ist, und zwar für ein erfindungsgemäß behandeltes Material und ein Vergleichsmaterial.

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Dichten von erfindungsgemäßen Materialien und einem bekannten Material sowie Darstellungen der prozentualen Verbesserungen der unter Berücksichtigung der Dichte standardisierten Elastizitätsmodulen erfindungsgemäßer Materialien gegenüber einem üblichen bekannten Material.

Die vorliegende Erfindung betrifft Gegenstände wie beispielsweise Kraftübertragungs-Wellen, und sie beschreibt die Erzeugung derartiger Wellen unter Kombination einer richtigen Auswahl der Ausgangsmaterial-Zusammensetzung und dazugehörigen Verarbeitungs-Parametern.

Dabei ist es aufgrund der Natur der vorliegenden Erfindung schwierig, die Anforderungen an die Materialien, die bei Anwendung der erfindungsgemäßen Verarbeitung zu den gewünschten hohen Elastizitätsmodulen führen, präzise zu definieren. Es scheint, daß die Materialien vorzugsweise Legierungen auf Nickelbasis sind, die eine beträchtliche Menge (d. h. eine Menge von mehr als 30 Vol.-%) einer verfestigenden Phase von Typ γ′ enthalten, wobei γ′ eine Verbindung des Typs Ni₃X ist, in der X Aluminium, Titan, Tantal oder dgl. ist. Es ist ferner wesentlich, daß das Material eine mäßige bis hohe Stapelfehlerenergie aufweist. Die Stapelfehlerenergie ist eine Materialeigenschaft, die das Verhalten von Versetzungen im Material beeinflußt und sehr stark die Textur beeinflußt, die bei der Verformung des Materials erzeugt wird.

Die vorliegende Erfindung erzeugt eine hohe Steifigkeit durch Entwicklung einer starken ⟨111⟩-Textur in der Axialrichtung der Welle. Diese Textur wird durch Anwendung einer Kombination einer axial-symmetrischen Warm- und Kaltverformung des Ausgangsmaterials entwickelt. Fig. 1 zeigt dabei den Einfluß der Stapelfehlerenergie auf die Textur, die durch Verformung zwei unterschiedlicher Materialien erhalten wird. Die Legierung 185 ist dabei eine Legierung mit einer hohen Stapelfehlerenergie, und sie dient als Beispiel für solche Legierungen, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung nützlich eingesetzt werden. Es ist zu erkennen, daß Kombinationen von hohen Extrusionsverhältnissen und hohen Temperaturen die gewünschte ⟨111⟩-Textur erzeugen. Dagegen weist die Legierung 116 eine niedrige Stapelfehlerenergie auf, und keinerlei Kombination von Extrusionsverhältnis und Extrusionstemperatur führt zu der erforderlichen singulären ⟨111⟩-Textur.

Wie oben angegeben wurde, ist eine mäßige bis hohe Stapelfehlerenergie erforderlich. Unglücklicherweise läßt sich die Stapelfehlerenergie, obwohl sie eine gut definierte physikalische Bedeutung aufweist, nur schwer messen, und unterschiedliche Meßtechniken führen zu unterschiedlichen Werten für die Stapelfehlerenergie ein und desselben Materials. Dabei ist es sogar so, daß viele Techniken zur Messung der Stapelfehlerenergie häufig zu unterschiedlichen Ergebnissen führen, wenn sie von unterschiedlichen Personen angewandt werden. Aus diesem Grunde ist eine Beschreibung der erforderlichen Stapelfehlerenergie anhand numerischer Angabe für praktische Zwecke wertlos, und es ist wesentlich zweckmäßiger, eine Legierung anzugeben, deren Stapelfehlerenergie eine Grenzenergie ist, und zwar in dem Sinne, daß zur Erreichung der gewünschten Ergebnisse der vorliegenden Erfindung eine Legierung erforderlich ist, die verglichen mit dieser Bezugslegierung eine höhere Stapelfehlerenergie aufweist. Somit kann ein Fachmann diese Legierung herstellen, ihre Stapelfehlerenergie bestimmen und dann die Stapelfehlerenergie einer beliebigen gewünschten Legierung bestimmen und anschließend anhand eines Vergleichs feststellen, ob die von ihm in Erwägung gezogene Legierung die erforderliche Stapelfehlerenergie aufweist. Diese Bezugslegierung ist die Legierung mit der Bezeichnung Legierung 607 in Tabelle I, wobei diese Tabelle ferner die Zusammensetzung verschiedener anderer Legierungen enthält, auf die im Rahmen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen wird.

Außer der Angabe, daß eine mäßige bis hohe Stapelfehlerenergie erforderlich ist, d. h. eine Stapelfehlerenergie, die größer ist als die Stapelfehlerenergie der Legierung 607, kann gesagt werden, daß ein Gehalt von mehr als etwa 6% Molybdän in der Legierung erforderlich zu sein scheint, damit diese gewünschte Stapelfehlerenergie erhalten wird. Es scheint so zu sein, daß der breite Zusammensetzungsbereich von

6 bis 18% Molybdän,
0 bis 10% Chrom,
3 bis 10% Aluminium,
0 bis 10% Wolfram,
0 bis  6% Tantal,
0 bis  6% Niob

die Legierungen umfaßt, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung von Nutzen sind. Es scheint ferner so zu sein, daß eine Gleichung des Typs X=2 Mo+Ta+Nb+1,5 Al in grober Näherung eine Abschätzung erlaubt, ob eine Legierung für die vorliegende Erfindung geeignet ist, und daß Legierungen, für die aus der angegebenen Gleichung einen Wert im Bereich von etwa 40 bis etwa 55 erhalten wird, im allgemeinen die erforderliche Stapelfehlerenergie aufweisen.

Die Ausgangslegierung kann in Form eines Pulvers oder eines Gusses vorliegen. Die verschiedenen Verfahrensstufen, die zur Gewinnung des Endprodukts erforderlich sind, sind in Fig. 2 gezeigt. Wenn das Material pulverförmig vorliegt, besteht der erste Schritt darin, das Pulver in einem evakuierten verformbaren Metallbehälter unterzubringen. Wenn mit einem Gußblock begonnen wird, ist dieser Schritt jedoch nicht erforderlich. Der nächste Schritt besteht dann darin, das Material in axial-symmetrischer Richtung bei einer Temperatur und einem Verformungsgrad zu verformen, die die gewünschte singuläre ⟨111⟩-Textur erzeugen. Wenn das Ausgangsmaterial pulverförmig vorliegt, führt die Verformung auch zur Verfestigung und Bindung des Pulvers zu einem festen Körper. Mit dem Begriff "axial-symmetrische Verformung" wird ein Verformungsverfahren beschrieben, das im Hinblick auf eine Achse symmetrisch ist. Derartige axial- symmetrische Verformungs-Verfahren sind beispielsweise das Extrudieren, Ziehen und Gesenkschmieden. Die Achse, entlang derer die Verformung erfolgt, entspricht dabei der Achse, entlang derer die ⟨111⟩-Textur sich entwickelt.

Noch einmal bezugnehmend auf Fig. 1 zeigt das Verhalten der Legierung 185 in typischer Form das Verhalten der Legierungen, auf die die vorliegende Erfindung angewandt werden kann, so daß eine Verformung bei Temperaturen in der Nähe, jedoch unterhalb der γ′-Lösungstemperatur erforderlich ist, und daß es eine Steigerung des Extrusions-Verhältnisses ermöglicht, in einem größeren Abstand unterhalb der γ′-Lösungstemperatur (solvus temperature) zu arbeiten, und trotzdem die gewünschte ⟨111⟩-Textur zu erhalten. Ein Gesamt-Extrusionsverhältnis von mehr als 10 : 1, und vorzugsweise mehr als 15 : 1 scheint erforderlich zu sein, um eine starke ⟨111⟩-Textur zu erhalten (wobei dann, wenn das Ausgangsmaterial ein Pulver ist, höhere Extrusionsverhältnisse bevorzugt sind).

Der Anfangsschritt der Verformung ist dabei ein Warmverformungsschritt, der dazu bestimmt ist, eine singuläre ⟨111⟩-Textur zu erzeugen. Der zweite Schritt ist ein Kaltverformungsschritt, der die ⟨111⟩-Textur verstärkt. Wiederum wird die Kaltverformung als axial-symmetrische Verformung (Extrusion, Gesenkschmieden oder Ziehen) durchgeführt, und zwar unterhalb von etwa 260°C (500°F). Der in der Kaltverformungs-Stufe erforderliche Verformungsgrad entspricht dabei einem, bei dem eine Querschnittsverminderung von 30% oder mehr erreicht wird. Der erhaltene Gegenstand weist dann eine ⟨111⟩-Textur-Intensität in Axialrichtung auf, die wenigstens den fünffachen Wert einer bei einem nicht-texturierten Material beobachteten aufweist.

In Fig. 3 sind die Elastizitätsmodulen der Legierungen 103 und 185 (die die Kriterien der vorliegenden Erfindung erfüllen), die gemäß der vorliegenden Erfindung verarbeitet wurden, zusammen mit einer Kurve für die Legierung 185 aufgetragen, wenn diese so verarbeitet wurde, daß eine im wesentlichen regellose Textur erhalten wird. Zu Vergleichszwecken ist ferner eine Kurve für den Elastizitätsmodul der Legierung PWA 733 gezeigt, die ein üblicherweise verwendetes Stahlmaterial für Wellen ist. Es ist zu erkennen, daß über einen Temperaturbereich bis hinauf zu etwa 316°C (600°F) ein texturiertes Material, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, eine beträchtliche Verbesserung des Young′schen Elastizitätsmoduls gegenüber einem bekannten Material wie auch gegenüber einem nicht-texturierten Material zeigt.

Es könnte angenommen werden, daß eine Betonung der ⟨111⟩ -Textur in Axialrichtung zur Verschlechterung anderer Materialeigenschaften führen könnte, beispielsweise zu einer Verschlechterung der Scherfestigkeiten des Materials. Fig. 4 zeigt die Schermodulen der texturierten Legierung 185, und zwar wiederum im Vergleich mit dem bekannten Material PWA 733 auf Eisenbasis. Es ist zu erkennen, daß in einem Temperaturbereich bis zu etwa 316°C (600°F) das texturierte Material auch einen überlegenden Schermodul aufweist, und daß diese Überlegenheit des Schermoduls mit zunehmender Temperatur stärker in Erscheinung tritt.

Bei Verwendungen für Maschinen mit rotierenden Grundbestandteilen wird die Bedeutung vieler Materialeigenschaften durch die Dichte des Materials beeinflußt. Um die Eigenschaften verschiedener Materialien miteinander zu vergleichen, ist es daher üblich, die Eigenschaft zu standardisieren, indem sie durch die Dichte geteilt wird. Fig. 5 zeigt die relativen Dichten des bekannten Materials PWA 733 und der Legierungen 185 und 103, und es ist zu erkennen, daß die Legierungen 185 und 103 dichter sind als das bekannte Material auf Eisenbasis. Wenn man jedoch den Elastizitätsmodul entweder bei Raumtemperatur oder 288°C (550°F) durch die Dichte teilt, ist zu erkennen, daß die erfindungsgemäßen Legierungen einen wenigstens 10%igen Vorteil bei den dichte-standardisierten Elastizitätsmodulen aufweisen, und unter bestimmten Bedingungen kann eine etwa 23%ige Verbesserung des dichte-standardisierten Elastizitätsmoduls erhalten werden.

Zusätzlich zu den Materialeigenschaften, die in den eben genannten Figuren dargestellt sind, hat eine experimentelle Untersuchung gezeigt, daß Legierungen wie die Legierung 185 der vorliegenden Erfindung auch eine beträchtliche Verbesserung im Hinblick auf die Ermüdungseigenschaften zeigen, wenn man mit dem bekannten Material vergleicht; daß sie außerdem einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der genau dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Stahlmaterialien entspricht, die zur Herstellung der Lager verwendet werden, so daß über einen weiten Temperaturbereich der Lagersitz und das Betriebsverhalten unbeeinträchtigt sein sollten; und daß ferner die Materialien in dem Temperaturbereich, dem sie unter praktischen Bedingungen ausgesetzt sind, gute Zugfestigkeitseigenschaften aufweisen.

Somit umfaßt die vorliegende Erfindung eine Klasse von Materialien, die nach einem bestimmten Arbeitsplan so verarbeitet werden können, daß Wellen hergestellt werden, die einen hohen Elastizitätsmodul in Axialrichtung infolge einer ⟨111⟩-Textur in dieser Axialrichtung aufweisen, wobei für diese ⟨111⟩-Textur ein Wert erhalten wird, der wenigstens das Fünffache des Werts beträgt, der für ein regellos orientiertes Material erhalten wird.

Obwohl die vorliegende Erfindung in der vorstehenden Beschreibung anhand spezifischer Ausführungsbeispiele erläutert wurde, ist der Fachmann aufgrund der vermittelten technischen Lehre ohne weiteres in der Lage, andere konkrete Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu finden. Derartige Ausführungsformen werden von der vorliegenden Erfindung mitumfaßt, solange sie in den Bereich der geltenden Patentansprüche fallen.

Tabelle 1

Legierungen-Nominalzusammensetzung (Gew.-%)

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes, insbesondere einer Welle, mit einem hohen Elastizitätsmodul entlang einer vorgegebenen Achse, dadurch gekennzeichnet, daß man

• - als Ausgangsmaterial eine Legierung auf Nickelbasis wählt, die eine Stapelfehlerenergie aufweist, die höher ist als die Stapelfehlerenergie der Legierung bestehend aus 10 Gew.-% Mo, 6,6 Gew.-% Al, 6 Gew.-% W, 0,04 Gew.-% C, 0,01 Gew.-% B, Rest Nickel und die wenigstens etwa 30 Vol.-% einer γ′-Phase des Ni₃X-Typs enthält,
• - dieses Material axial-symmetrisch entlang der Achse, in deren Richtung der hohe Modul gewünscht wird, bei Temperaturen in der Nähe, jedoch unterhalb der γ′-Solvustemperatur mit einem Gesamtextrusionsverhältnis von mehr als 10 : 1 warmverformt, und dadurch eine singulär-⟨111⟩-Textur entlang dieser Achse erzeugt, und
• - dann das Material axial-symmetrisch entlang der Achse, in deren Richtung der hohe Modul gewünscht wird, unterhalb von 260°C mit einem Verformungsgrad, der einer Querschnittsverminderung von 30% oder mehr entspricht, kaltverformt, wobei die ⟨111⟩-Textur so verstärkt wird, daß sie wenigstens den fünffachen Wert einer regellosen Anordnung aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gewählte Legierung im wesentlichen wie folgt zusammengesetzt ist: Molybdän 6 bis 18 Gew.-% Chrom 0 bis 10 Gew.-% Aluminium 2 bis 10 Gew.-% Wolfram 0 bis 10 Gew.-% Tantal 0 bis 6 Gew.-% Niob 0 bis 6 Gew.-% Nickel Rest.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial pulverförmig ist und in einen verformbaren Behälter eingefüllt und bei einem Extrusionsverhältnis oberhalb von 15 : 1 warmextrudiert wird.

4. Verwendung eines nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellten Gegenstands in Form einer Welle als Turbinenwelle eines Gasturbinentriebwerks.