DE4110941A1 - Tropfenschlagerosionsgeschuetzte turbinenschaufel und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Tropfenschlagerosionsgeschuetzte turbinenschaufel und verfahren zu ihrer herstellung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Oberflächenhärtung von Maschinenbauteilen. Objekte bei denen ihre Anwendung möglich und zweckmäßig ist, sind alle tropfenschlag- oder kavitativ belasteten Maschinenbauteile aus martensitischen Chromstählen, die bei Einsatztemperaturen unterhalb von 250°C eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung zum Schutz stark durch Tropfenschlag erosiv belasteter Endstufenlaufschaufeln von Dampfturbinen anwendbar.
Die Laufschaufeln von Dampfturbinen unterliegen während ihres Betriebes einem ständigen Aufprall von Wassertröpfchen, die zu einem vorzeitigen Verschleiß und damit zur Zerstörung der Schaufeln durch Tropfenschlagerosion führen.
In der Fachwelt ist allgemein bekannt, den Verschleißwiderstand von Schaufeln aus martensitischen Chromstählen durch flammengehärtete Eintrittskanten zu erhöhen (Lit. z. B. W. Küntscher, H. Kilger, H. Biegler "Technische Baustähle", Knapp-Verlag Halle 1952, S. 288-290).
Der Mangel solcherart gehärteten Schaufeln besteht darin, daß ihr Verschleißwiderstand zu gering ist. Die Ursache dafür resultiert daraus, daß die Oberflächenhärte mit 500 bis 550 HV zu niedrig ist.
Das Verfahren des Flammenhärtens wird üblicherweise bei Austenitisierungstemperaturen von ca. 1000 bis 1100°C durchgeführt. Diese Austenitisierungstemperaturen führen bei den verfahrenstechnisch realisierbaren Austenitisierungszeiten nur zu einer relativ geringen Freisetzung von Kohlenstoff aus den (Fe, Cr)-Mischkarbiden. Der Mangel des Verfahrens besteht demzufolge in einer zu geringen Aufhärtung an der Oberfläche.
Höhere Austenitisierungstemperaturen verbieten sich wegen der bei den erreichbaren Austenitisierungszeiten noch während der Karbidauflösung einsetzenden Kornvergröberung sowie der mit der Spitzentemperatur rasch zunehmenden Durchhärtung der Schaufeleintrittskante, die zu einem Zähigkeitsverlust der Schaufel und einer Verschlechterung des Eigenspannungszustandes an der Eintrittskante führt. Die Ursache des Mangels besteht deshalb in der zu geringen eintragbaren Leistungsdichte.
Nach CH-PS 5 64 089 ist eine Turbinenschaufel mit induktiv gehärteter Eintrittskante bekannt. Entsprechend der mit dem Induktionshärten möglichen höheren Leistungsdichte sind ohne schädliche Folgen höhere Austenitisierungstemperaturen, jedoch noch im γ-Phasengebiet liegend, möglich. Solcherart gehärtete Eintrittskanten weisen dementsprechend höhere Oberflächenhärten auf. Nachteilig wirkt sich jedoch aus, daß diese höheren Härten von etwa 550 bis 670 HV nicht über die gesamte erosionsgefährdete Zone hinweg erzielt werden können.
Der Mangel des Verfahrens besteht darin, daß die eingetragene Leistungsdichte nicht den lokal unterschiedlichen Wärmeableitungsbedingungen angepaßt werden kann, wodurch die lokale Härtetemperatur nicht über die gesamte Breite der erosionsgefährdeten Zone im erforderlichen Maße konstant gehalten werden kann.
Die Ursache dafür besteht darin, daß der Induktor nur für jeweils eine Kontur der eintrittskantennahen Zonen optimal gestaltet werden kann, die Kontur sich jedoch über die Schaufelblattlänge stark ändert.
Weiterhin ist bekannt, Laser- oder Elektronenstrahlen zur Härtung der Eintrittskanten einzusetzen (z. B.: V. Bedogni; M. Cantello; W. Cerri; D. Cruciani; R. Festa; G. Mor; F. Nenci; F. P. Vivoli:
"Laser and Electron Beam Surface Hardening of Turbine Blades", in: Proceedings of the International Conference.
"Laser Advanced Materials Processing 87"; Osaka, May 1987, pp. 567-572). Obwohl über die gesamte Schaufelrückenseite konstante Härtewerte erzielbar sind, ist nachteilig, daß auch hiermit keine höheren Härten als 500-600 HV0,1 an Proben (Material X22 CrMoV 12.1. vgl.: M. Roth; M. Cantello:
"Laser Hardening of a 12 ./. Cr-Steel", Proceedings of "2nd Int. Conference "Lasers in Manufacturing" (ed by M. F. Kimmit) 26.-28. 3. 1985 Birmingham, S. 119-128) bzw. 550-620 HV₁ an Schaufeleintrittskanten (Material AlSI 403) erreicht werden.
Besonders nachteilig wirkt sich jedoch aus, daß die Härte in einer Tiefe von z. B. 0,1 mm schon auf 500-520 HV0,1 bzw. 560-580 HV₁ abgefallen ist. Die nachteilige Wirkung des Härteabfalles resultiert daraus, daß einerseits bei einer Tropfenschlagbelastung mit den im Niederdruckteil von Dampfturbinen auftretenden Tropfengrößen und Tropfenaufprall-Geschwindigkeiten das Maximum der Vergleichsspannung in einer recht großen Tiefe von 0,05 mm bis 0,2 mm liegt und andererseits der Verschleiß bei intensiver Tropfenschlagbelastung erst nach Ausbildung einer belastungstypischen Oberflächenrauheit mit Rauhtiefen von einigen 10 µm bis einigen 100 µm einen stationären Endzustand erreicht. Ein zu steiler und zudem schon an der Oberfläche beginnender relativ großer Härtegradient verhindert deshalb selbst bei ausreichender Oberflächenhärte einen stationären Verschleißzustand.
Die Ursache des Härteabfalles besteht darin, daß in den in Frage kommenden Tiefen zu wenig Kohlenstoff aus den (Fe, Cr)- Mischkarbiden freigesetzt ist.
Der Mangel des Verfahrens besteht demzufolge darin, daß nur in unmittelbarer Oberflächennähe genügend Kohlenstoff aus den (Fe, Cr)-Mischkarbiden freigesetzt wird, der zum Erreichen hoher Härten notwendig ist. Die Ursache dafür resultiert daraus, daß der Temperaturgradient der angegebenen Kurzzeithärtung so steil ist, daß die Peaktemperatur des lokalen Temperatur-Zeit-Zyklus in den in Frage kommenden Tiefen schon zu niedrig ist.
Das Ziel der Erfindung ist es, eine vor Tropfenschlagerosion besser geschützte Turbinenschaufel anzugeben sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung vorzuschlagen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Härtungszonenausbildung für die Eintrittskanten von Turbinenschaufeln anzugeben, bei der eine für die typischen Bedingungen der Tropfenschlagbelastung in Endstufen von Dampfturbinen ausreichend hohe Oberflächenhärte vorhanden ist und bei der auch nach Ausbildung der belastungstypischen Oberflächenaufrauhung das Maximum der Vergleichsspannung noch in einem ausreichend harten Bereich liegt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer tropfenschlagerosionsgeschützten Turbinenschaufel aus martensitischem Chromstahl mit einer kurzzeitgehärteten Eintrittskante, deren erosionsgeschützte Zone über den gesamten stark erosionsgefährdeten Bereich der Schaufelrückenseite eine konstante Oberflächenhärte aufweist, wie in den Ansprüchen 1 bis 4 dargestellt, gelöst.
Die in Anspruch 2 beschriebene zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung macht von der Tatsache vorteilhaft Gebrauch, daß gewöhnlich die Stärke und Fläche der Tropfenschlagbelastung zur Schaufelspitze hin stark zunimmt, während die zyklische Belastung abnimmt, so daß bei ausreichender Verschleißbeständigkeit durch die Abnahme der Härtungszonenbreite der Eigenspannungszustand an der Eintrittskante verbessert und die Zähigkeitsreserven der Schaufel vergrößert werden können.
Außerdem wird die Aufgabe durch ein Kurzzeithärtungsverfahren für martensitische chromlegierte Turbinenschaufelstähle gelöst, bei dem auch in der erforderlichen Tiefe von 0,1 mm bis etwa 0,9 mm eine Peak-Temperatur des lokalen Temperatur-Zeit-Zyklus erreicht wird, bei der noch eine vollständige Karbidauflösung stattfindet, ohne daß an der Oberfläche schon eine eigenschaftsverschlechternde Austenit-Kornvergröberung stattfindet.
Erfindungsgemäß wird dabei wie in den Ansprüchen 5 bis 10 angegeben verfahren.
Bei der Verfahrensausgestaltung gemäß Anspruch 6 wird dabei vorteilhafterweise die Tatsache berücksichtigt, daß bei Unterschreitung einer Schaufelblattdicke von etwa 3 mm sich die Abkühlgeschwindigkeit schon in dem Temperaturgebiet, in dem noch eine Austenit-Kornvergröberung ablaufen kann, aufgrund schlechterer Wärmeableitungsmöglichkeiten verringert.
Vorteilhaft bei der Verfahrensausgestaltung gemäß Anspruch 7 ist, daß damit eine Anpassung der optimalen Strahleinwirkungsdauer τs an die notwendige Härtungszonenbreite erreicht wird.
Der Vorteil der Verfahrensausgestaltung gemäß Anspruch 8 besteht darin, daß dieses ungewöhnlich kleine Amplitudenverhältnis die Einstellung einer nahezu konstanten Oberflächentemperatur Ts quer zur Laserspur innerhalb der sehr harten Zone auch unter den Bedingungen einer sehr assymmetrischen Wärmeableitung an der Schaufeleintrittskante erlaubt.
Die Erfindung ist am nachfolgenden Ausführungsbeispiel näher erläutert.
In der dazugehörigen Zeichnung ist eine schematische Darstellung der Lage und des Aufbaues des erfindungsgemäßen Kantenschutzes dargestellt.
Beispiel 1
Die tropfenschlagbelastete Endstufenlaufschaufel einer 100 MW-Turbine soll mit einer verschleißbeständigen Eintrittskante versehen werden. Die erwartete Erosionszonenbreite beträgt an der Schaufelspitze 18 mm und nimmt zum Schaufelfuß zu geringfügig ab.
Die eingesetzte Härteanlage besteht aus einem CO₂-Querstromlaser mit einer Nominalleistung von 5 kW, einer Bewegungsmaschine, die zur Realisierung der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Eintrittskante dient und deren Steuerung die gleichzeitige Bewegung in mindestens 4 Koordinaten zuläßt. Das Strahlformungssystem besteht aus einem off-axis-Parabolspiegel mit einer Brennweite von f=300 mm sowie einem sich im teilfokussierten Strahl befindlichen Resonanzscanner, der den Strahl mit einer Frequenz von 210 Hz senkrecht zur Strahlvorschubrichtung oszillieren läßt.
Das zu härtende Gebiet wird mit einer etwa 80 µm dicken Schicht schwarzer Schultafelfarbe o. ä. versehen, die als Absorptionsmittel für die Laserstrahlung dient.
Anhand von Nomogrammen wird ausgehend von der vorab gemessenen Dicke des Schaufelblattprofiles in Abhängigkeit vom Abstand zur Schaufelspitze ein geeigneter Satz von Bestrahlungsparametern (Laserleistung, Strahldefokussierung, Oszillationsamplitude, Vorschubgeschwindigkeit) festgelegt, der an jeder Stelle der Eintrittskante zur erfindungsgemäßen Ausbildung der Härtungszone führt.
Anschließend wird durch Abtasten der Schaufeleintrittskante das Kontursteuerprogramm erstellt. Die Neigung des zu härtenden Gebietes relativ zum Laserstrahl wird so gewählt, daß sich im Zusammenwirken mit der eingestellten Leistungsdichteverteilung des Laserstrahles quer zur Vorschubrichtung eine konstante Temperatur in der am stärksten verschleißbelasteten Zone (der späteren sehr harten Schicht 2) einstellt. Die Leistungsdichteverteilung im Laserstrahl läßt sich durch die Wahl des Verhältnisses Schwingamplitude des Strahles A zu Radius des Strahles r in ausreichendem Maße variieren.
Die Laserstrahlhärtung wird unter folgenden Parametern durchgeführt: An der Turbinenschaufel auftreffende Laserleistung PL=2,60 kW; von der Turbinenschaufel absorbierte Laserleistung Pa=2,08 kW; Laserstrahldurchmesser auf der Schaufeloberfläche 2 · r=9,6 mm; Schwingamplitude des Laserstrahles A=8,9 mm, Amplitudenverhältnis =1,85; Anfangsgeschwindigkeit des Laserstrahles an der Schaufelspitze VBo=242 mm/min, Strahlformstreckung =2,85.
Die Laserstrahlhärtung mit diesen Parametern führt in der Nähe der Eintrittskante 5 zu folgenden Werten des Temperaturfeldes: Maximaltemperatur des Temperatur-Zeit-Zyklus auf dem Schaufelrücken über eine Breite von 16 mm: Tsmax≈1400-1440°C, Laserstrahleinwirkungsdauer: τs=2,38 s.
Die mit diesen Parametern gehärtete Turbinenschaufel weist an der Eintrittskante 5 eine Härtungszone folgender geometrischer Abmessungen, Härte und Härteverteilung auf: Breite der gesamten Härtungszone 1 auf dem Schaufelrücken (Lage der Härtungszonen siehe Bild an der Schaufelspitze: 20,2 mm; Breite der Härtungszone 1 in 150 mm Abstand von der Schaufelspitze: 18,7 mm; Gesamteinhärtungstiefe 4: 1,17 mm bis 2,9 mm in Abhängigkeit vom Abstand zur Eintrittskante, Breite der gesamten Härtungszone 1 auf der Schaufelbauchseite 7: 2,8 mm in der Nähe der Schaufelspitze; Oberflächenhärte in der sehr harten Schicht 2: 700 HV0,05±35 HV0,05; Tiefe der sehr harten Schicht 2: 0,1 mm bis 0,45 mm, abnehmend mit zunehmendem Abstand zur Eintrittskante, an der Eintrittskante auslaufend etwa am Ort der stärksten Krümmung des Schaufelblattprofiles. Der Härtegradient in der sehr harten Schicht 2 beträgt ≲30 HV/mm. Die Breite der sehr harten Schicht 2 beträgt in der Nähe der Schaufelspitze etwa 19 mm. Die Länge der gesamten Härtungszone 1 beläuft sich auf 185 mm. Sie verläßt die Schaufel unter einem Austrittswinkel von 45°.
Die Reproduzierbarkeit des angestrebten erfindungsgemäßen Härte-Tiefen-Verlaufes ist sehr gut. Entsprechend der abnehmenden Verschleißintensität nimmt sowohl die Tiefe der sehr harten Schicht 2 wie auch die Gesamteinhärtungstiefe 4 mit zunehmendem Abstand zur Eintrittskante ab. Die Lage des Vergleichsspannungsmaximums befindet sich bei weniger als einem Drittel der Tiefe der sehr harten Schicht 2. Eine eigenschaftsverschlechternde Vergröberung der Austenitkorngröße tritt nicht auf.
Gegenüber dem Stand der Technik werden mindestens 100 bis 150 HV höhere Oberflächenhärten erzielt. In der Tiefe des Vergleichsspannungsmaximums ist die Härtedifferenz noch größer. Damit sind erheblich bessere Verschleißbeständigkeiten der erfindungsgemäßen gehärteten Turbinenschaufeln gesichert.
Ein weiterer Vorteil gegenüber flammengehärteten und in abgeminderter Form auch gegenüber induktionsgehärteten Schaufeln besteht in der reproduzierbaren und beanspruchungsgerechteren Ausbildung der Härtungszonengeometrie längs der Eintrittskante. Sie führt u. a. auch zu einer viel besseren Reproduzierbarkeit der Einstelllung eines eintrittskantennahen Druckeigenspannungszustandes längs der Eintrittskante über die gesamte gehärtete Schaufellänge.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen und Begriffe
 1 - gesamte Härtungszone
 2 - sehr harte Schicht
 3 - an 2 anschließende Schicht
 4 - Gesamteinhärtungstiefe
 5 - Eintrittskante
 6 - Auftreffrichtung der schädlichsten Tröpfchengrößenfraktion
 7 - Ort an der Schaufelbauchseite
 8 - Tangente an die Oberfläche am Ort 7
 9 - minimales Biegemoment des Schaufelquerschnittes
10 - Schaufelquerschnitt
QL - Querschnitt der gesamten Härtungszone 1
QS - Querschnitt des gehärteten Schaufelprofilabschnittes

Claims (10)

1. Tropfenschlagerosionsgeschützte Turbinenschaufel aus martensitischem Chromstahl mit einer kurzzeitgehärteten Eintrittskante, deren erosionsgeschützte Zone über den gesamten stark erosionsgefährdeten Bereich der Schaufelrückenseite eine konstante Oberflächenhärte aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - diese konstante Oberflächenhärte der Maximalhärte entspricht, die bei dem jeweiligen Stahl mit optimalen Parametern des Kurzzeithärtezyklus erreichbar ist,
  • - diese Härte je nach Kohlenstoffgehalt des Stahles Werte von 580-750 HV0,05 erreicht,
  • - die gesamte Härtungszone 1 aus einer sehr harten Schicht 2 mit einer nach der Verschleißintensität und der Tiefenlage des Vergleichsspannungsmaximums gewählten Tiefe von 0,1 mm bis 0,9 mm besteht, in der der Härtegradient nur 0 bis 200 HV/mm beträgt und an deren unteren Berandung noch Härten von 550 HV0,05 bis 680 HV0,05 erreicht werden, sowie einer daran anschließenden Schicht 3 besteht, die eine Dicke von 0,4 bis 2,0 mm und einen größeren mittleren Härtegradienten aufweist,
  • - die Gesamteinhärtungstiefe 4 in Abhängigkeit von der Verschleißintensität 0,7 mm bis 3,5 mm beträgt,
  • - die sehr harte Schicht 2 mindestens bis an den Ort 5 in der Nähe der Eintrittskante reicht, an dem die Auftreffrichtung 6 der schädlichsten Tröpfchengrößenfraktion parallel zur Tangente an die Oberfläche liegt,
  • - die Härtungszone 1 sich von der Schaufelblattspitze über die gesamte erosionsgefährdete Länge der Eintrittskante 5 hinweg bis zu einer Stelle minimaler oder zumindest nicht kritischer zyklischer Belastung der Schaufel erstreckt und dort die Schaufel unter einem Austrittswinkel zur Eintrittskante von 30 bis 65° verläßt.
2. Tropfenschlagerosionsgeschützte Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Härtungszone 1 nach der sich längs der Eintrittskante ändernden Breite der Erosionszone eingestellt wird.
3. Tropfenschlagerosionsgeschützte Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamteinhärtungstiefe 4 bei stark zyklisch oder spannungsriß-korrosionsbelasteten Schaufeln mindestens bis an den Ort 7 an der Schaufelbauchseite heranreicht, an dem die Tangente 8 an die Oberfläche senkrecht zur Richtung des minimalen Biegemomentes 9 des Schaufelquerschnittes 10 steht.
4. Tropfenschlagerosionsgeschützte Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schaufelrückenseitige Berandung der Härtungszone 1 um ein Dämpferdrahtloch mit dem Radius RD einen Kreisbogen mit dem Radius RS beschreibt, wobei gilt: RD + 3 mm ≲ Rs ≲ RD + 10 mm
5. Verfahren zur Herstellung der tropfenschlagerosionsgeschützten Turbinenschaufel von Anspruch 1 bis 4 mittels eines hochenergetischen Oberflächenhärteverfahrens dadurch gekennzeichnet, daß
  • - der Temperatur-Zeit-Zyklus des Kurzzeithärtens so geführt wird, daß am Ende einer Energieeinwirkungsdauer τs von 0,3 s≲τs≲3 s eine Oberflächentemperatur TSmax beträchtlich oberhalb des γ-Gebietes von 1380°C ≲ Tsmax ≲ 1430°C erreicht wird, über eine entsprechende Kombination von Leistungsdichte, Vorschubgeschwindigkeit und Strahlabmessung in Vorschubrichtung der oberflächennahe Temperaturgradient so eingestellt wird, daß in einer Tiefe t von 0,1 mm ≲ t ≲ 0,9 mm noch eine Maximaltemperatur des lokalen Temperatur-Zeit-Zyklus TL von TL ≈ TSmax - (B · 60 K+C · τs · 36K/s) herrscht, wobei die Konstanten B und C etwa den Wert 1 erreichen, der genaue Wert jedoch nach der chemischen Zusammensetzung und dem Ausgangsgefüge des Stahles gewählt wird, - und daß die Leistungsdichteverteilung quer zur Strahlvorschubrichtung so eingestellt wird, daß die lokale Oberflächentemperatur Ts an keiner Stelle der Oberfläche der sehr harten Schicht 2 den Wert TSmax um mehr als 50 K unterschreitet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Härten von Schaufelblattpartien, deren mittlere Dicke 3 mm unterschreitet, bei konstanter Oberflächentemperatur TSmax die maximal mögliche Energieeinwirkungsdauer τSmax entsprechend dem Verhältnis des erwünschten Querschnittes QL der Härtungszone 1 zum Querschnitt Qs des Schaufelprofilabschnittes nach τSmax=3 s · L-KQL/Qs reduziert wird, wobei K · L vom gewählten Stahl abhängende Konstanten mit einem Wert nahe 1 sind.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung eines Laserstrahl- oder Elektronenstrahlhärteverfahrens eine Strahlformung dergestalt vorgenommen wird, daß das Verhältnis der Ausdehnung des Strahles senkrecht zur Strahlvorschubrichtung d⟂ v zur Ausdehnung des Strahles in Strahlvorschubrichtung d| | v im Bereich gewählt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlformung durch die schnelle Oszillation des Laserstrahles oder Elektronenstrahles quer zur Vorschubrichtung erzeugt wird, wobei im Falle des Laserstrahles bei sinusförmigem Bewegungsgesetz in Abhängigkeit von der Leistungsdichteverteilung des nichtumgeformten Laserstrahles ein Verhältnis von Schwingamplitude des Strahles A zum Radius r des Strahles von gewählt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 5, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis A/r der Schwingungsamplitude zum Strahlradius r während des Oberflächenhärtens entsprechend der Änderung der eintrittskantennahen Schaufelblattprofiles stetig verändert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 5 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlformung durch die schnelle Oszillation des Laserstrahles oder Elektronenstrahles quer zur Vorschubrichtung erzeugt wird, wobei in beiden Fällen die momentane Strahlleistung oder das Bewegungsgesetz der Strahloszillation nach der Neigung der Strahlachse zur lokalen Oberflächennormalen und den Wärmeableitungsbedingungen des eintrittskantennahen Schaufelblattprofiles gewählt und entsprechend der Änderung der Oberflächennormalen und den Wärmeableitungsbedingungen entlang der Eintrittskante während des Kurzzeithärtens verändert wird.
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Roth, M., Cantello, M.: Laser Hardening of a 12%-Cr-steel, In: Proceedings of 2nd Int. Corp. "Laser in Manufacturing" (Edition by M.F. Kimmit) 26., 28. März 1985 Birmingham, S. 119-128 *

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