DE4038852A1

DE4038852A1 - Turbine blade protection from erosion - by laser beam hardening with carburising gas

Info

Publication number: DE4038852A1
Application number: DE19904038852
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dr Storch; Wolfgang Kuhn; Peter Kunde; Gottfried Prof Dr Beckmann; Juergen Saecker
Original assignee: BERGMANN BORSIG GmbH
Current assignee: ABB Kraftwerke Berlin GmbH
Priority date: 1990-12-03
Filing date: 1990-12-03
Publication date: 1992-06-04

Abstract

Turbine blade with ferritic-pearlitic structure is protected by a method in which the blade is placed in a hermetically sealed chamber, with cooling of the rear of the blade, and a carbonising reaction gas e.g. C2H2 is admitted at elevated pressure while a laser melts the blade surface with a beam transmitted through a Zn selenide window. The blade is rapidly cooled and thus hardened. ADVANTAGE - Protection from stress corrosion cracking and erosion.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Erosionsschutzes für axial durchströmte Turbinenlaufschau feln, insbesondere den Endstufen eines Niederdruckteiles.The invention relates to a method for producing a Erosion protection for axially flowed turbine run show feln, especially the output stages of a low pressure part.

Turbinenschaufeln der Endstufen von Niederdruckturbinen unterliegen einer Erosion, deren Intensität von der jewei ligen Turbinenausführung und deren Betriebsparametern be einflußt wird. Deshalb erfolgt in der Regel ein Schutz der Schaufeleintrittskanten und Blattbereiche durch besonders auf die Verzögerung oder Vermeidung der erosiven Schaufel kantenzerstörung abgestimmte Maßnahmen.Turbine blades of the output stages of low pressure turbines are subject to erosion, the intensity of which depends on the turbine design and its operating parameters is influenced. For this reason, the Blade leading edges and blade areas by special on delaying or avoiding the erosive shovel Edge destruction coordinated measures.

Ein bekanntes Verfahren (siehe DE-OS 22 11 830) sieht dazu vor, das ferritisch-perlitische Gefüge des Schaufelwerkstoffes im gefährdeten Bereich durch Härten in eine martensi tische Struktur umzuwandeln. Die mit der Abschreckung ein tretende Martensitbildung bewirkt dabei neben einer erhöh ten erosiven Verschleißfestigkeit eine Volumenvergrößerung im Stahl. Damit entsteht im gehärteten Bereich des Schaufel blattes eine Druckvorspannung, die unter Betriebsbedingungen die Zugspannungen der Fliehkräfte kompensiert.A known method (see DE-OS 22 11 830) provides this before, the ferritic-pearlitic structure of the blade material in the endangered area by hardening in a martensi transform table structure. The one with the deterrent martensite formation occurs in addition to an increased erosive wear resistance an increase in volume in steel. This creates in the hardened area of the blade a compressive preload that works under operating conditions the tensile stresses of the centrifugal forces are compensated.

Zur Sicherung bleibender Druckvorspannungen und um Verfor mungen am dünnwandigen Schaufelblatt zu vermeiden, darf die gehärtete Querschnittsfläche jedoch nur maximal 20% des Gesamtschaufelquerschnitts betragen.To secure permanent compressive stresses and to prevent deformation To avoid the thin-walled airfoil, the hardened cross-sectional area, however, only a maximum of 20% of the Total blade cross section.

Die Erfüllung dieser wichtigen Forderung ist verfahrens technisch bisher noch nicht überzeugend gelöst, so daß in den einschlägigen Betriebsvorschriften für Sattdampfturbinen Forderungen nach spezieller Dampfqualität erhoben werden, um der Spannungsrißkorrosion von Endstufenschaufeln zu begegnen. The fulfillment of this important requirement is procedural Technically not yet solved convincingly, so that in the relevant operating regulations for saturated steam turbines Demands for special steam quality are raised, to stress corrosion cracking of power stage blades to encounter.

Ein weiteres Härteverfahren für Turbinenschaufeln wird in der DD-PS 2 76 210 erläutert. Es beruht auf dem zeilenweisen Aufschmelzen der Oberfläche mittels Elektronen- oder LASER- Strahl und nachfolgender schneller Abkühlung. Eine Beständig keit gegen Spannungsrißkorrosion ist mit diesem Verfahren jedoch ebenfalls nicht gewährleistet.Another hardening process for turbine blades is described in the DD-PS 2 76 210 explained. It is based on the line by line Melt the surface using electron or LASER Jet and subsequent rapid cooling. A constant This method is used to combat stress corrosion cracking however also not guaranteed.

Die vorliegende Erfindung hat somit zum Ziel, den dünnwan digen Blattbereich der Endstufenschaufeln gegen Spannungsriß korrosion und erosiven Verschleiß zu schützen.The aim of the present invention is thus the thin wall the blade area of the output stage blades against stress cracking Protect corrosion and erosive wear.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die Schaufelblattoberfläche teilweise oder vollständig als geschlossene, harte Fläche mit hoher Verschleißfestigkeit und Beständigkeit gegen Spannungsriß korrosion ausgebildet werden kann.The invention is based on the object of a method develop with which the airfoil surface partially or completely as a closed, hard surface with high Wear resistance and resistance to stress cracking corrosion can be formed.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem das Schaufel blatt in einer hermetisch abgeschlossenen Arbeitskammer ge lagert wird, wobei an der Blattrückseite der zu bearbeitenden Fläche eine Kühlung angeordnet ist. Anschließend ist die Arbeitskammer mit einem aufkohlenden Reaktionsgas (z. B. C₂H₂) mit Überdruck zu füllen und durch ein in die Kammerwand eingesetztes Zinkselenidfenster mittels eines geformten Laserstrahles ein oberflächiges Einschmelzlegieren durchzu führen.According to the invention the object is achieved by the blade sheet in a hermetically sealed working chamber is stored, being on the back of the sheet to be processed Surface cooling is arranged. Then the Working chamber with a carburizing reaction gas (e.g. C₂H₂) filled with overpressure and through a into the chamber wall inserted zinc selenide window by means of a shaped Laser beam through a superficial melting alloy to lead.

Der wahlweise Einsatz verschiedener Reaktionsgase, die Steuerfähigkeit von Gasdruck und/oder Abkühlgeschwindigkeit ermöglichen die Erzeugung variabel ausgebildeter Gefüge eigenschaften. Das kurzzeitige Aufschmelzen der Oberfläche auf eine vorbestimmte Tiefe in der bestehenden Gasatmosphäre bewirkt dabei eine intensive lokale Aufkohlung durch die verstärkte Anreicherung der Mischkristalle mit Kohlenstoff. Die nachfolgende Abkühlung soll besonders schnell und durch ein hohes Wärmegefälle zur flüssigen Phase begünsigt ablaufen, um die martensitische Gefügeumwandlung der aufgeschmol zenen Schaufelblattoberfläche zu erreichen. The optional use of different reaction gases, the Controllability of gas pressure and / or cooling rate enable the creation of variable structures properties. The brief melting of the surface to a predetermined depth in the existing gas atmosphere causes an intensive local carburization by the increased enrichment of the mixed crystals with carbon. The subsequent cooling should be particularly quick and thorough a high heat gradient to the liquid phase is favored, about the martensitic structural transformation of the melted to reach zenen airfoil surface.

Mit der Volumenzunahme des Metallgitters bei der Marten sitbildung bilden sich dann die gewünschten Druckvorspan nungen in den Grenzen der aufgeschmolzenen Schaufelblatt oberfläche aus.With the increase in volume of the metal grille at Marten The desired pre-tensioning is then formed in the limits of the melted airfoil surface out.

Die erfindungsgemäße Verbindung zwischen schützender Hart schicht und Beständigkeit gegen Spannungsrißkorrosion ist damit gegeben, da die im Betriebszustand auftretenden und die Spannungsrißkorrosion fördernden Zugspannungen durch die Druckvorspannungen kompensiert werden.The connection between protective Hart according to the invention layer and resistance to stress corrosion cracking given because the occurring in the operating state and tensile stresses which promote stress corrosion cracking the compressive stresses are compensated.

In einem Ausführungsbeispiel wird das Verfahren näher dar gestellt.In one embodiment, the method is shown in more detail posed.

Die mechanisch auf ihre Kontur vorbereitete Turbinenschaufel aus dem bekannten ferritisch-perlitischen Schaufelstahl ist mit geeigneten Vorrichtungen in der hermetisch abgeschlossenen Arbeitskammer so positioniert, daß die zu bearbeitende Fläche dem Zinkselenidfenster zugewandt ist. Das rückseitige Schaufelblattvolumen befindet sich dabei in einem Flüssig keitsbad, das die Aufgabe der intensiven Abkühlung hat. Nach dem Schließen der Arbeitskammer wird als Reaktionsgas C₂H₂ in den Arbeitsraum eingebracht, bis ein Überdruck be steht. Mit der außerhalb der Arbeitskammer angeordneten Laserstrahlquelle erfolgt dann durch das Zinkselenidfenster das Einschmelzlegieren des Kohlenstoffs in den vorgesehenen Bereich der Blattoberfläche. Die äußere Anordnung des Lasers gewährleistet damit in Verbindung mit der Unterkühlung des Schaufelblattes durch das Flüssigkeitsbad das erforderlich hohe Temperaturgefälle für die Härtung der Oberflächen schicht. Der Härtevorgang läuft somit zeitgleich fortlaufend zum Einschmelzprozeß ab.The turbine blade mechanically prepared for its contour from the well-known ferritic-pearlitic blade steel is hermetically sealed with suitable devices Working chamber positioned so that the one to be processed Surface facing the zinc selenide window. The back The airfoil volume is in a liquid keitsbad, which has the task of intensive cooling. After closing the working chamber is used as the reaction gas C₂H₂ introduced into the workspace until an overpressure be stands. With the one arranged outside the working chamber The laser beam source is then through the zinc selenide window the melting alloy of the carbon in the intended Area of the leaf surface. The external arrangement of the laser thus guarantees in connection with the hypothermia of the Airfoil through the liquid bath that is required high temperature gradient for hardening the surfaces layer. The hardening process thus runs continuously at the same time to the melting process.

Claims

1. A method for producing an erosion protection for turbine blades with a ferritic-pearlitic structure, in which the blade surface is positioned to generate compressive stresses and is melted for hardening with a laser beam, characterized in that the blade part to be hardened, provided with cooling on the back, in a hermetically sealed from the working chamber is stored, then a carburizing reaction gas (for example C₂H₂) with an overpressure atmosphere is introduced into the working chamber and with a laser arranged outside the working chamber through a window made of zinc selenide, a melting alloy of the carbon with simultaneous rapid supercooling he follows.

2. The method according to claim 1, characterized in that by varying the reaction gas, the gas pressure and / or the controllable cooling rate is variable trained structural properties are generated.