DE4126989A1 - Einkristalliner, gegenueber der umgebung bestaendiger gasturbinenmantel - Google Patents
Einkristalliner, gegenueber der umgebung bestaendiger gasturbinenmantelInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Flugzeug-
Gasturbinenkomponenten und mehr im besonderen auf die
chemische Zusammensetzung und Be- bzw. Verarbeitung eines
einkristallinen Gasturbinenmantels aus Superlegierung mit
verbesserter Beständigkeit gegenüber der Umgebung, der ohne
Überziehen des Strömungspfades eingesetzt werden kann.
Eines der Ziele des Entwurfs von Flugzeugtriebwerken
besteht darin, Strahltriebwerke zu schaffen, die bei
höheren Temperaturen arbeiten. Höhere Betriebstemperaturen
ergeben entweder wirksamer arbeitende Triebwerke oder
leistungsfähigere Triebwerke. Die Betriebstemperaturen
werden allgemein durch die verschiedenen Teile, aus denen
das Triebwerk besteht, begrenzt, von denen eines der
Gasturbinenmantel ist.
In Flugzeug-Gasturbinen wird Luft in das vordere Ende des
Triebwerkes gezogen und durch eine Reihe axialer
Strömungskompressorstufen komprimiert. In den Luftstrom
wird Brennstoff eingespritzt und die Mischung in einem
Brenner verbrannt. Die ausgestoßenen Verbrennungsgase
passieren Axialströmungs-Turbinenstufen hohen Druckes und
Turbinenstufen geringen Druckes, in denen die Energie für
die Rotation der Kompressorstufen gewonnen wird. Das Gas
tritt danach aus dem rückwärtigen Teil des Triebwerkes aus.
Die Turbinenstufen sind als stationäre Leitbleche bzw.
Schaufeln und rotierende Turbinenschaufeln ausgebildet, die
auf einer Turbinenscheibe montiert sind. Die vorliegende
Erfindung befaßt sich mit der Struktur des Triebwerkes in
den Hochdruck-Turbinenstufen, die unmittelbar hinter den
Brennern angeordnet sind und mit den vorderen
Niederdruckstufen.
Die Hochdruck-Turbinenstufen schließen Hochdruck-
Turbinenschaufeln ein, die auf zylindrischen Hochdruck-
Turbinenscheiben fixiert sind, die um ihre zylindrischen
Achsen rotieren. Die Schaufeln bewegen sich daher in einem
Pfad längs des Umfanges eines Kreises. Bei einem etwas
größeren Radius befindet sich eine stationäre Komponente,
die als der Mantel bekannt ist. Der Mantel hat verschiedene
Funktionen. Einmal definiert er die Außenseite des
Strömungspfades der heißen Verbrennungsgase und wirkt zu
einem gewissen Ausmaß als Dichtung um den Strömungspfad der
heißen Gase herum. Dieser Mantel wird kontinuierlich den
heißen Gasen ausgesetzt. Außerdem unterstützt der Mantel
die Regelung der Gasdynamik des Gasströmungssystems und die
Wirkung des Gasstromes auf die rotierenden Schaufeln.
Drittens wirkt der Mantel als ein Behälter, um eine
Außenbeschädigung für den Fall zu minimieren, daß eine
Turbinenschaufel versagt. Ein Mantel, der im wesentlichen
die gleiche Funktion ausfüllt, kann auch die vorderen
Stufen der Niederdruck-Turbine einhüllen, die eine
Niederdruck-Scheibe und Niederdruck-Turbinenschaufeln
aufweist.
Der Mantel ist ein wesentlicher Teil der Betriebsstruktur
des Gasturbinentriebwerkes, selbst wenn es stationär ist.
Solche Mäntel werden aus Hochtemperatur-Legierungen, wie
Superlegierungen auf Nickel- oder Kobaltbasis hergestellt.
Die Mantel-Strömungspfade, die den inneren Durchmesser der
Umhüllung umfassen, der die Turbinenschaufeln berühren kann
und auf den die heißen Gase auftreffen, sind derzeit mit
Oxidations- und Korrosions-beständigen Überzügen versehen,
die die Lebensdauer dieser Strömungspfade in der Umgebung
der heißen Verbrennungsgase verlängern. Eine typische
gegenwärtige Konstruktion für einen solchen Mantel ist eine
Grundstruktur aus gekrümmten Segmenten, die in eine
kreisförmige Halterille gleiten. Jedes Segment besteht aus
einer Superlegierung, wie MarM-509 oder Hastelloy X mit
einem Überzug aus MCrAlY, einem Aluminid oder einer
Keramik, um die Superlegierung vor Oxidations- und
Hitzekorrosions-Beschädigung zu schützen. Das Segment kann
wahlweise Kühlöffnungen oder Löcher aufweisen. Die
Bezeichnung "MCrAlY" gilt für eine Legierung aus Nickel,
Kobalt oder Eisen oder einer Mischung davon, zu der Chrom,
Aluminium und Yttrium hinzugegeben wurden, um Oxidations-
und Hitzekorrosions-Beständigkeit zu erzielen. Der größte
Teil der derzeitigen Mäntel benutzt (Ni,Co)CrAlY-Überzüge.
Während die existierenden Mantel-Ausführungsformen- und
Materialien in einer annehmbaren Weise arbeiten, gibt es
doch einen fortgesetzten Bedarf an verbesserten
Mantelkonstruktionen, die bei höheren Temperaturen zu
geringeren Herstellungskosten arbeiten. Diese verbesserte
Mantelkonstruktion gestattet das Arbeiten der Triebwerke
bei höheren Temperaturen, was entweder zu einer höheren
Leistungsfähigkeit oder zur besseren Brennstoffausnutzung
führt. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Anforderung
und schafft weiter damit in Beziehung stehende Vorteile.
Die vorliegende Erfindung schafft einen einkristallinen
Flugzeug-Gasturbinenmantel aus einer gegenüber der Umgebung
beständigen Superlegierung, die entlang des Strömungspfades
keinen gegen Oxidation und Korrosion schützenden Überzug
erfordert, um eine annehmbare Betriebslebensdauer zu
erzielen. Ohne einen solchen Überzug sind die
Herstellungskosten des Mantels geringer. Ein
zufriedenstellender Betrieb ohne einen Überzug hat auch den
wichtigen Nutzen, daß die Lebensdauer des Triebwerkes im
Falle von Kratzern oder anderen Beschädigungen, die während
des Betriebes des Triebwerkes am Mantel auftreten und den
Überzug durchdringen und eine Stelle für den Beginn von
Fehlern aufgrund des Einflusses der Umgebung schaffen,
nicht vermindert wird.
Gemäß der Erfindung umfaßt ein einkristalliner Gegenstand
zur Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk ein
Mantelsegment mit ausgezeichneter Beständigkeit gegenüber
der Umgebung und hervorragenden Eigenschaften bei hoher
Temperatur, die den ausgedehnten Gebrauch bei Temperaturen
von 1150°C und darüber gestatten. Das Mantelsegment hat
vorzugsweise eine Zusammensetzung in Gew.-% von etwa 5 bis
etwa 10 Chrom, etwa 5 bis etwa 10 Kobalt, 0 bis etwa 2
Molybdän, etwa 3 bis etwa 10 Wolfram, etwa 3 bis etwa 8
Tantal, 0 bis etwa 2 Titan, etwa 5 bis etwa 7 Aluminium, 0
bis etwa 6 Rhenium, 0 bis etwa 0,5 Hafnium, 0 bis etwa 0,07
Kohlenstoff, 0 bis etwa 0,015 Bor und 0 bis etwa 0,075
Yttrium, Rest Nickel. Das Mantelsegment hat ein im
wesentlichen einkristallines Gefüge. Den Mantel kann man im
gegossenen Zustand oder im lösungsgeglühten und gealterten
Zustand benutzen. Der Mantel bedarf für seinen Einsatz
keines Oxidations- und Korrosions-beständigen Überzuges im
Bereich des Strömungspfades, um eine annehmbare
Betriebslebensdauer zu gewährleisten.
In einer bevorzugteren Ausführungsform umfaßt ein
einkristalliner Gegenstand zum Einsatz in einem
Gasturbinentriebwerk ein Mantelsegment mit einer
Zusammensetzung in Gew.-% von etwa 6,75 bis etwa 7,25
Chrom, etwa 7,0 bis etwa 8,0 Kobalt, etwa 1,3 bis etwa 1,7
Molybdän, etwa 4,75 bis etwa 5,25 Wolfram, etwa 6,3 bis
etwa 6,7 Tantal, 0 bis etwa 0,02 Titan, etwa 6,1 bis 6,3
Aluminium, etwa 2,75 bis etwa 3,25 Rhenium, etwa 0,12 bis
etwa 0,18 Hafnium, etwa 0,04 bis etwa 0,06 Kohlenstoff,
etwa 0,003 bis etwa 0,005 Bor, etwa 0,002 bis etwa 0,03
Yttrium, Rest Nickel, wobei das Mantelsegment ein im
wesentlichen einkristallines Gefüge aufweist.
Diese Mantelkonstruktion stellt einen Fortschritt auf dem
Gebiet der Gasturbinen-Komponenten dar, die höhere
Temperaturen gestattet, was zu einer verbesserten
Leistungsfähigkeit und Wirksamkeit des Triebwerkes führt.
Das Weglassen von MCrAlY-Überzügen führt zu geringeren
Kosten aufgrund einer geringeren Zahl von
Herstellungsschritten. Die ausgezeichnete Beständigkeit des
Mantels nach der vorliegenden Erfindung gegenüber der
Umgebung führt zu einer längeren Lebensdauer aufgrund einer
Abnahme der Beschädigung durch Korrosion und Oxidation. Die
einkristalline Ausführung führt zu verbesserten
mechanischen Eigenschaften, im besonderen zu verbessertem
Spannungsbruch und verbesserter thermischer Ermüdung.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung, in der
zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Schnittansicht einer
Hochdruckstufe eines Gasturbinentriebwerkes, die die
Struktur und Anordnung des Mantels veranschaulicht und
Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines
Mantelabschnittes.
Fig. 1 veranschaulicht Struktur und Anordnung eines
Mantels 10 in der Hochdruckstufe 12 eines
Gasturbinentriebwerkes. Eine Turbinenscheibe 14 hat eine
allgemein zylindrische Gestalt und ist auf einer Welle 16
montiert, die die Rotation der Scheibe 14 um ihre
zylindrische Achse gestattet. Eine Vielzahl von
Turbinenschaufeln 18 ist auf der Peripherie der
Turbinenscheibe 14 montiert, so daß sich diese Schaufeln
entlang einem allgemein kreisförmigen Pfad um den Umfang
der Scheibe 14 herum bewegen, wenn diese rotiert.
Der Mantel 10 ist ein allgemein zylindrisches Gehäuse,
dessen innerster Punkt einen Abstand von der Welle 16 hat,
der größer ist als der Abstand des äußersten Punktes der
Turbinenschaufeln 18, wobei der Unterschied einen relativ
geringen Betrag ausmacht. Beim Betrieb des Triebwerkes
strömen heiße Verbrennungsgase entlang einem nicht
dargestellten Gaspfad durch die Hochdruckstufe vom Brenner
zum Auslaß des Triebwerkes. Der Mantel begrenzt den
Gaspfad, so daß der größte Teil des Gases den Pfad
passieren muß, durch den sich auch die Turbinenschaufeln 18
bewegen, und das Gas diese Schaufeln nicht umgehen kann.
Der Mantel 10 besteht aus einer Vielzahl von
Mantelsegmenten 22, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind.
Jedes Segment 22 besteht aus einer Vorderkantenseite 26,
die der Vorderkante der Turbinenschaufeln entspricht, einer
rückwärtigen Kantenseite 28, die der rückwärtigen Kante der
Turbinenschaufeln entspricht, und Endstücken 30, wobei
Öffnungen 42 sich von der rückwärtigen Fläche 34 zur
Strömungspfadfläche 36 durch die Segmente 32 erstrecken.
Die Verbrennungsgase strömen über die Strömungspfadfläche
36, um die Turbinenschaufeln in einer Richtung von der
Leitkantenseite 26 zur rückwärtigen Kantenseite 28 zu
drehen. Jedes Segment 22 bildet nur einen Teil des
Gesamtumfanges der Mantelstruktur. Die Mantelsegmente 22
werden auf einer nicht dargestellten Bahn zusammengebaut,
wozu man integrale Bahn-Eingriffseinrichtungen 40 benutzt,
die maschinell oder durch Gießen in das Mantelsegment 22
eingearbeitet sind und in den Mantelenden 30 enden, an
denen Mantelsegmente 22 miteinander verbunden sind.
Jedes Mantelsegment 22 ist als im wesentlichen
einkristalline Komponente ausgebildet. Im Sinne der
vorliegenden Anmeldung bedeutet "einkristalline Komponente"
eine Komponente, die durchgehend vorwiegend eine
einkristalline Orientierung aufweist. Die Anwesenheit von
Korngrenzen mit geringem Winkel, geringer Anteile von
Körnern unterschiedlicher Orientierungen und andere Arten
von Fehlern sind beim Gebrauch des Mantels annehmbar, und
ihre Anwesenheit führt eine solche Komponente nicht aus dem
Charakterisierungsbereich als einkristallin heraus. Obwohl
die Herstellung gegossener einkristalliner Komponenten für
den Einsatz in Gasturbinen bekannt ist, ist der Einsatz
eines einkristallinen Mantels neu.
Es gibt zwei üblicherweise durchgeführte Prozeduren zur
Herstellung einkristalliner Komponenten, wie des
einkristallinen Mantelsegments. Bei der Saatkristall-
Technik läßt man einen orientierten Saatkristall durch
gerichtetes Fortschreiten der Grenzfläche zwischen
Flüssigkeit und Festkörper in die flüssige Superlegierung
wachsen. Bei der Drosseltechnik wird die Grenzfläche
zwischen Flüssigkeit und Festkörper gerichtet durch einen
Labyrinthdurchgang in einer Form bewegt, so daß sich die
rascheste Wachstumsorientierung, (001)fcc (fcc = kubisch
raumzentriert), als die dominierende Wachstumsrichtung
ausbildet. Jede andere Technik, die einen einkristallinen
Gegenstand erzeugt, ist ebenfalls annehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
umfaßt ein einkristalliner Gegenstand zur Verwendung in
einem Gasturbinentriebwerk ein Mantelsegment mit einer
Zusammensetzung in Gew.-% von etwa 6,75 bis etwa 7,25
Chrom, etwa 7,0 bis etwa 8,0 Kobalt, etwa 1,3 bis etwa 1,7
Molybdän, etwa 4,75 bis etwa 5,25 Wolfram, etwa 6,3 bis
etwa 6,7 Tantal, 0 bis etwa 0,02 Titan, etwa 6,1 bis 6,3
Aluminium, etwa 2,75 bis etwa 3,25 Rhenium, etwa 0,12 bis
etwa 0,18 Hafnium, etwa 0,04 bis etwa 0,06 Kohlenstoff,
etwa 0,003 bis etwa 0,005 Bor, etwa 0,002 bis etwa 0,003
Yttrium, Rest Nickel, wobei das Mantelsegment ein im
wesentlichen einkristallines Gefüge aufweist. Der Mantel
ist eine gegossene Struktur, doch kann er auch im
lösungsgeglühten und gealterten Zustand benutzt werden.
Die benutzte Superlegierung ist eine Gamma/Gamma′-
Legierung, die als einkristalliner Mantel gegossen und in
diesem Zustand benutzt werden kann. Die Gamma-Phase ist
eine mischkristall-gehärtete, kubisch flächenzentrierte
Phase, und die Gamma′-Phase ist eine intermetallische Phase
mit der allgemeinen Zusammensetzung Ni3Al, die auch
mischkristall-gehärtet und gealtert sein kann, um
mechanische Eigenschaften zu erzielen, die besser sind als
die im gegossenen Zustand. Um die besseren mechanischen
Eigenschaften der wahlweise lösungsgehärteten und
gealterten Struktur zu erreichen, wird der Mantel zuerst
bei hoher Temperatur einer Lösungs-Wärmebehandlung
unterworfen und dann gealtert, um eine Verteilung der
Gamma′-Phase zu erzeugen. Die Wärmebehandlung ist eine
Lösungsbehandlung bei einer Temperatur und für eine Zeit,
die ausreichen, mindestens etwa 95% der Gamma′-Phase in
Lösung zu bringen, gefolgt von einer Zwischen-
Alterungsbehandlung und einer End-Alterungsbehandlung. Eine
brauchbare Wärmebehandlung besteht aus einem Lösungsglühen
bei etwa 1290 bis etwa 1315°C für 2 Stunden (bei einem etwa
12 mm dicken Stück) Abkühlen auf etwa 1095°C mit etwa
55°C/min, weiterem Abkühlen auf etwa 650°C in 60 min oder
weniger, einer Zwischenalterung bei etwa 1080°C für 4
Stunden, Abkühlen auf unter 650°C in 6 Minuten oder weniger
und einer abschließenden Alterung bei etwa 900°C für 16
Stunden. Das aufgrund dieser Wärmebehandlung entstehende
Gefüge besteht aus einem Duplex-Gefüge großer und kleiner
Gamma′-Teilchen in einer Gamma-Matrix, wobei die Gamma′-
Teilchen etwa 60% und die Gamma-Matrix etwa 40% des
Volumens einnehmen.
Die besonderen Legierungselemente in der Superlegierungs-
Zusammensetzung, die für den Mantel benutzt wird, und deren
Mengen und Grenzen wurden im Hinblick auf ihre
Eigenschaften in Kombination ausgewählt. Dies heißt, daß
die Anwesenheit und Menge jedes Elementes im Hinblick auf
die Wirkung auf die anderen Legierungselemente in der
Superlegierung ausgewählt wurde. Die Eigenschaften
schließen die Festigkeit und den Kriechbruch bzw. die
Standfestigkeit der Legierung und der einzelnen Phasen ein,
die Beständigkeit der Legierung gegenüber der Bildung von
Instabilitäten, wie spröden Phasen, während sie erhöhter
Temperatur ausgesetzt ist sowie die Beständigkeit der
Legierung gegenüber Beschädigung durch Oxidation und
Hitzekorrosion durch die Umwelt.
Der Chromgehalt der Legierung liegt im Bereich von etwa 5
bis etwa 10 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 6,75 bis etwa
7,25 Gew.-% und am bevorzugtesten bei etwa 7 Gew.-%. Chrom
gibt eine Beständigkeit gegenüber Beschädigung durch
Hitzekorrosion und Oxidation. Ist die Chrommenge zu gering,
dann fällt die Beständigkeit gegen Hitzekorrosion auf ein
unannehmbar geringes Niveau. Wird der Chromgehalt über die
angegebene Grenze hinaus erhöht, dann trägt er zur Bildung
einer unerwünschten spröden topologisch dicht gepackten
Phase (TCP) während des Betriebes bei erhöhter Temperatur
bei.
Der Kobaltgehalt liegt im Bereich von etwa 5 bis etwa 10
Gew.-%, vorzugsweise von etwa 7,0 bis etwa 8,0 Gew.-% und
am bevorzugtesten bei etwa 7,5 Gew.-%. Kobalt unterstützt
die Stabilisierung der Legierung gegen die Bildung der TCP-
Phase während eines ausgedehnten Betriebes bei erhöhter
Temperatur, und es verbessert die Gießbarkeit während der
Herstellung des Gegenstandes. Ist der Kobaltgehalt zu
gering, dann wird die Stabilität gegen TCP-Bildung
unannehmbar vermindert. Ist der Kobaltgehalt dagegen zu
hoch, dann ist die Bruchfestigkeit der Legierung
vermindert.
Der Molybdängehalt liegt im Bereich von 0 bis etwa
2 Gew.-%, vorzugsweise von 1,3 bis etwa 1,7 Gew.-% und am
bevorzugtesten bei etwa 1,5 Gew.-%. Molybdän trägt zur
Mischkristallhärtung der Gamma-Phase bei. Seine Wirkung ist
nicht so stark, und deshalb werden geringe Mengen benutzt.
Zuviel Molybdän vermindert die Oxidationsbeständigkeit der
Legierung.
Der Wolframgehalt liegt im Bereich von etwa 3 bis etwa 10
Gew.-%, vorzugsweise von etwa 4,75 bis etwa 5,25 Gew.-% und
am bevorzugtesten bei etwa 5,0 Gew.-%. Wolfram teilt sich
nahezu gleichermaßen auf die Gamma- und die Gamma′-Phasen
auf und härtet jede Phase durch Mischkristallbildung.
Wolfram ist sehr schwer und erhöht die Dichte der
Legierung. Ist der Wolframgehalt zu gering, dann ist die
Festigkeit der Legierung ungenügend. Im besonderen kann die
Festigkeit der Gamma-Phase zu gering sein. Ein zu hoher
Wolframgehalt erhöht die Dichte unannehmbar und vermindert
auch die Beständigkeit der Legierung gegenüber Oxidation
und Hitzekorrosion.
Der Tantalgehalt liegt im Bereich von etwa 3 bis etwa 8
Gew.-%, vorzugsweise von etwa 6,3 bis etwa 6,7 Gew.-% und
am bevorzugtesten bei etwa 6,5 Gew.-%. Tantal ist ein die
Gamma′-Phase härtendes Element, und es sorgt auch für eine
Beständigkeit gegen Hitzerisse und Fleckenbildung auf
Gußkörpern. Ist der Tantalgehalt zu gering, dann ist die
Festigkeit der Legierung zu gering. Ist der Tantalgehalt zu
hoch, dann gibt es eine erhöhte Neigung zur Bildung der TCP-
Phase, wenn die Legierung für eine ausgedehnte Zeitdauer
erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist.
Der Aluminiumgehalt liegt im Bereich von etwa 5 bis etwa 7
Gew.-%, vorzugsweise von etwa 6,1 bis 6,3 Gew.-% und am
bevorzugtesten bei 6,2 Gew.-%. Aluminium ist das
hauptsächlichste Legierungselement bei der Bildung der
Gamma′-Phase, und es trägt auch zur Oxidationsbeständigkeit
bei, indem es oberflächliche Aluminiumoxide bildet. Ist der
Aluminiumgehalt zu gering, dann gibt es einen ungenügenden
Volumenanteil an Gamma′-Phase, um eine gute Festigkeit und
eine gute Beständigkeit gegen Kriechbruch zu erzielen und
auch die Oxidationsbeständigkeit der Legierung ist gering.
Ist der Aluminiumgehalt zu hoch, dann gibt es eine erhöhte
Neigung zur Bildung der spröden TCP-Phase während eines
längeren Aussetzens gegenüber erhöhten Temperaturen.
Der Titangehalt liegt im Bereich von 0 bis etwa 2 Gew.-%,
vorzugsweise maximal 0,02 Gew.-% und am bevorzugtesten ist
kein Titan in der Legierung vorhanden. Ist Titan vorhanden,
so kann es teilweise das Aluminium in der Gamma′-Phase
ersetzen, so daß die Ni3(A1,Ti)-Phase resultiert. Titan ist
ein Element mit geringem Schmelzpunkt, und es neigt zur
Verminderung des Schmelzpunktes der Superlegierung. Seine
Anwesenheit ist auch nachteilig für die
Oxidationsbeständigkeit. Der Titangehalt wird daher so
gering als möglich und vorzugsweise bei null gehalten.
Der Rheniumgehalt liegt im Bereich von 0 bis etwa 6 Gew.-%,
vorzugsweise von etwa 2,75 bis etwa 3,25 Gew.-% und am
bevorzugtesten bei etwa 3,0 Gew.-%. Rhenium, das relativ
dicht ist, ist ein potentes Element zur
Mischkristallhärtung der Gamma-Phase und es ist auch
wichtig bei der Erzielung einer Festigkeit der Legierung
bei hohen Temperaturen. Ein geringer Rheniumgehalt ist als
Ersatz für andere, weniger potente Elemente zur
Mischkristallhärtung, wie Molybdän und Chrom, eingesetzt
worden. Ist der Rheniumgehalt zu gering in bezug zu den
ausgewählten Gehalten der anderen Elemente, dann ist die
Festigkeit der Legierung zu gering. Ist der Rheniumgehalt
zu hoch, dann gibt es eine erhöhte Neigung zur Bildung der
TCP-Phase während einem längeren Aussetzen gegenüber hohen
Temperaturen.
Hafnium, Kohlenstoff und Bor sind Korngrenzen härtende
Elemente. Es war üblich, sie vollständig aus
einkristallinen Legierungen wegzulassen. Sie sind in der
erfindungsgemäß eingesetzten Legierung jedoch in relativ
geringen Mengen vorhanden, um die Härtung der
Subkorngrenzen zu fördern, die häufig vorhanden sind,
selbst in Gegenständen, die nominell Einkristalle sind.
Werden diese Elemente aus der Legierung weggelassen, dann
sind Subkorngrenzen mit Grenz-Fehlorientierungen von mehr
als 6° in einem Gegenstand unannehmbar, und die Gegenstände
mit solchen Korngrenzen größerer Winkel werden
normalerweise verworfen. Das Vorhandensein einer geringen
Menge dieser Korngrenzen härtenden Elemente gibt diesen
Grenzen genügend Festigkeit, so daß Gegenstände mit
Subkorngrenzen von bis zu 12° Fehlorientierung akzeptabel
sind. Diese Elemente erhöhen daher den Prozentsatz
akzeptabler gegossener Gegenstände durch Vermindern des
Prozentsatzes, der wegen der Anwesenheit von Korngrenzen
mit großem Winkel verworfen werden muß. Jedes dieser
Elemente wirkt jedoch senkend auf den Schmelzpunkt der
Legierung und die Gamma′-Solvustemperatur (unter "Solvus"
versteht man eine Kurve auf einem
Temperatur/Zusammensetzungs-Zustanddiagramm, das die
Grenzen der Löslichkeit einer festen Phase in einer anderen
angibt). Zuviel von Hafnium, Kohlenstoff oder Bor
vermindert diese Temperaturen in einem unannehmbaren Maß.
Der Yttriumgehalt beträgt 0 bis etwa 0,075 Gew.-%,
vorzugsweise von etwa 0,002 bis etwa 0,030%, am
bevorzugtesten etwa 0,01 Gew.-%. Yttrium fördert die
Oxidationsbeständigkeit. Zuviel Yttrium verursacht eine
Reaktion der Superlegierung mit üblichen Siliziumdioxid-
und Zirkoniumdioxid-Keramik-Gießformen und erfordert den
Einsatz von Gießformen aus Aluminiumoxid.
Die bevorzugteste Legierung der Erfindung wurde
vergleichsweise in verschiedenen Testarten und beim
tatsächlichen Gasturbinenbetrieb ausgewertet. Die folgenden
Beispiele sollen Aspekte der Erfindung veranschaulichen,
nicht aber als deren Beschränkung in irgendeiner Hinsicht
dienen.
Es wurden Proben in ein Brennergestell der Machzahl 1 bei
Abmessungsverminderung in 0,025 mm pro Fläche nach 200
Stunden ausgewertet. Drei Proben der bevorzugten Legierung
der Erfindung erfuhren Verminderungen von etwa 0,015 bis
0,025 mm. Drei Proben von Mar M-509, überzogen mit üblichem
(Ni,Co)CrAlY, verloren 0,025 bis 0,043 mm pro Fläche. Drei
Proben von gerichtet erstarrter Rene 142 hatten Verluste
von 0,013 bis 0,028 mm pro Fläche. Drei Proben von
konventionell gegossenem Rene 142 hatten Verluste von etwa
0,005 bis etwa 0,01 mm pro Fläche. Eine Probe Hastelloy X
wies einen Verlust von etwa 1,13 mm pro Fläche auf. Eine
Probe aus nicht überzogenem Mar M-509 wurde bei 1150°C
getestet und die Ergebnisse auf 1175°C und 200 Stunden
extrapoliert. Die Extrapolation ergab einen Verlust von
etwa 2,5 mm pro Fläche.
Die Legierung nach der Erfindung hat einen annehmbar
geringen Oxidationsverlust, verglichen mit dem
verschiedener anderer Materialien und sehr viel weniger als
bei nicht überzogenem Mar M-509.
Es wurden Proben in thermischen Ermüdungszyklen getestet.
Jeder Zyklus schloß ein Erhitzen von etwa 425°C zu einer
Maximaltemperatur in 8 Sekunden, das 48 Sekunden lange
Halten bei der Maximaltemperatur, das Abkühlen auf 650°C in
8 Sekunden und das weitere Abkühlen auf etwa 425°C in 8
Sekunden ein. Jede Probe wurde bei Maximaltemperaturen von
etwa 1065°C, etwa 1095°C., etwa 1120°C, etwa 1150°C, etwa
1175°C und etwa 1190°C jeweils 1000 Zyklen ausgesetzt,
wobei insgesamt 6000 Zyklen pro Probe stattfanden.
Die mikroskopische Auswertung der Proben zeigte, daß die
bevorzugte Legierung der Erfindung sowie die Legierung Mar
M-509, die mit einem (Ni,Co)CrAlY-Überzug versehen waren,
keine Rißbildung zeigten und eine ausgezeichnete
Oxidationsbeständigkeit aufwiesen. Gerichtet erstarrte Rene
142 zeigte einige Risse und wies einen deutlichen
oxidationsbedingten Lochfraß sowie Oberflächenausschläge
auf. Konventionell gegossene Rene 142 zeigte Kantenrisse
nach tausend Zyklen bei etwa 1065°C, der mildesten
Beanspruchung, und daß sich die Risse bei nachfolgenden
Zyklen ausbreiteten. Die Oberfläche wies eine ausgedehnte
Oxidationsbeschädigung auf.
Das Testen der Beispiele 1 und 2 führte zu dem Schluß, daß
die nicht überzogene bevorzugte Legierung der Erfindung
hinsichtlich der Leistungsfähigkeit vergleichbar war mit
einem derzeit benutzten System aus Mar M-509 mit einem
(Ni,Co)CrAlY-Überzug. Nicht überzogene Mar M-509 oxidiert
rasch. Die Legierung der vorliegenden Erfindung hat daher
den wichtigen Vorteil einer mit Mar M-509 vergleichbaren
Leistungsfähigkeit ohne die Gefahr der Beeinträchtigung der
Eigenschaften, wenn ein Teil des Überzuges durch Abspalten,
Risse oder in anderer Weise verloren geht oder beschädigt
wird. Die Rene 142 hatte unannehmbare thermische
Ermüdungszyklen. Das Oxidationsverhalten von Rene 142 hängt
auch von der genauen Kontrolle des Yttriumgehaltes ab, was
bei einer Massenherstellung schwierig sein mag.
Ein Hochdruck-Turbinenmantel für eine F110 Flugzeug-
Gasturbine wurde aus abwechselnden Segmenten der
bevorzugten Legierung der Erfindung und aus mit
(Ni,Co)CrAlY-überzogener Mar M-509, den nach den
Testergebnissen der Beispiele 1 und 2 beiden besten
Materialien, konstruiert. Man ließ das Triebwerk 166
Stunden in Evendale, Ohio, arbeiten. Nach vollständigem
Testlauf wurde das Triebwerk auseinandergebaut und die
Mantelsegmente wurden untersucht.
Die Mantelsegmente der Legierung der Erfindung wiesen
weniger Kantenrisse auf als die überzogenen Mar M-509-
Mantelsegmente. In einem Bereich hinter einer schlechten
Brennerdüse war das überzogene Mar M-509-Mantelsegment
stark verbrannt, während der Mantel nach der vorliegenden
Erfindung in der gegossenen Form deutlich weniger
beschädigt war, was zeigt, daß der erfindungsgemäße Mantel
eine Verbesserung der Temperatureigenschaften von
mindestens etwa 40°C gegenüber Mar M-509 aufwies. In keinem
der Mäntel wurde Hitzekorrosion beobachtet.
Beispiel 3 wurde wiederholt mit einer CF6-Flugzeug-
Gasturbine mit der Ausnahme, daß die Strömungspfadfläche
der Mantelsegmente der Legierung der Erfindung nicht
überzogen wurde, während man alle anderen Oberflächen mit
einem Aluminidüberzug nach dem CODEP-Verfahren der US-PSen
34 15 672 und 35 40 878 versehen hatte. Das Triebwerk wurde
in einer Umgebung etwa 1 Kilometer vom Ozean entfernt und
in einem Bereich potentieller hoher industrieller
Verunreinigung betrieben. Der Betrieb erfolgte für 700
Stunden und umfaßte 2750 Zyklen, woraufhin das Triebwerk
zur Inspektion und Messung auseinandergenommen wurde.
Die Mantelsegmente der vorliegenden Erfindung wiesen
Metallverluste auf den Strömungspfadflächen von etwa 0,050
bis etwa 0,075 mm und auf den rückwärtigen Flächen von 0
bis etwa 0,1 mm auf. Geringe Mengen von Hitzekorrosion
wurden auf den Strömungspfadflächen der Mäntel nach der
Erfindung bemerkt, und der kombinierte Metallverlust für
Oxidation und Hitzekorrosion betrug etwa 0,025 bis etwa 0,2 mm.
Die überzogenen Mar M-509-Mantelsegmente wiesen schwere
Metallverluste durch Oxidation auf den Strömungspfadflächen
von etwa 0,2 bis etwa 0,4 mm und auf den rückwärtigen
Flächen von 0 bis etwa 0,15 mm auf. Die Kühllöcher oder
-öffnungen der Mantelsegmente der vorliegenden Erfindung
zeigten geringfügige Beschädigung, während die bei dem
Mantel aus überzogener Mar M-509 etwas stärkere
Beschädigungen zeigten. Der nicht überzogene Mantel der
vorliegenden Erfindung bringt daher eine deutlich
verbesserte Leistungsfähigkeit, selbst verglichen mit einem
Mantelsystem aus anderen gegenwärtigen Legierungen, wie Mar
M-509, das mit einem Überzug auf der Strömungspfadfläche
versehen ist.
Die Tests des Beispiels 3 zeigten, daß die Mantelsegmente
der vorliegenden Erfindung mit einem nicht überzogenen
Strömungspfad eine bessere Leistungsfähigkeit aufwiesen als
die Mantelsegmente aus überzogener Mar M-509, wenn der
Betrieb in einer nicht korrosiven Umgebung erfolgt. Die
Tests des Beispiels 4 zeigten, daß der nicht überzogene
Strömungspfad der Mantelsegmente der vorliegenden Erfindung
eine bessere Leistungsfähigkeit als der aus überzogener Mar
M-509 in einer korrodierenden Umgebung aufweist. In
korrodierenden Umgebungen zeigen die Testergebnisse jedoch,
daß es erforderlich ist, Öffnungen oder Kühllöcher mit
Aluminidüberzügen zu versehen, wie nach dem CODEP-
Verfahren, um die volle mögliche Verbesserung hinsichtlich
der Temperatur zu erzielen, deren die Mantelsegmente der
vorliegenden Erfindung fähig sind. Die nicht überzogene
Legierung nach der Erfindung weist Hitzekorrosion in
Kühllöchern auf, wo solche vorhanden, insbesondere wenn der
Betrieb in einer korrosiven Umgebung erfolgt.
Die vorliegende Erfindung schafft somit ein Material zum
Einsatz bei nicht überzogenen Gasturbinentriebwerk-Mänteln,
die genauso gut oder besser arbeiten als die üblichen
überzogenen Legierungen. Ein Schutzüberzug in den Öffnungen
42 oder Kühllöchern, den Seiten 26, 28 und den Enden 30
wird vorzugsweise auf die Mäntel der vorliegenden Erfindung
aufgebracht, nicht aber auf die Strömungspfadflächen.
Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit spezifischen
Beispielen und Ausführungsformen beschrieben worden ist,
sollte dem Fachmann doch klar sein, daß die Erfindung
modifiziert werden kann, ohne daß man den Rahmen der
vorliegenden Erfindung, wie er sich aus den Ansprüchen
ergibt, verläßt.
Claims (21)
1. Gegenüber der Umgebung beständiges Gußteil zum Einsatz
in einem Gasturbinentriebwerk, umfassend ein Mantelsegment
mit einer Zusammensetzung in Gewichts-% von etwa 5 bis etwa
10 Chrom, etwa 5 bis etwa 10 Kobalt, 0 bis etwa 2 Molybdän,
etwa 3 bis etwa 10 Wolfram, etwa 3 bis etwa 8 Tantal, 0 bis
etwa 2 Titan, etwa 5 bis etwa 7 Aluminium, 0 bis etwa 6
Rhenium, 0 bis etwa 0,5 Hafnium, 0 bis etwa 0,07
Kohlenstoff, 0 bis etwa 0,015 Bor, 0 bis etwa 0,075
Yttrium, Rest Nickel, wobei das Mantelsegment ein im
wesentlichen einkristallines Gefüge aufweist.
2. Einkristalliner Mantel nach Anspruch 1, bei dem der
gegossene Mantel lösungsgeglüht und gealtert ist.
3. Einkristalliner Mantel nach Anspruch 1, worin Chrom in
einer Menge von etwa 6,75 bis etwa 7,25 Gewichts-%
vorhanden ist.
4. Einkristalliner Mantel nach Anspruch 1, worin Kobalt
in einer Menge von etwa 7,0 bis etwa 8,0 Gewichts-%
vorhanden ist.
5. Einkristalliner Mantel nach Anspruch 1, worin Molybdän
in einer Menge von 1,3 bis etwa 1,7 Gewichts-% vorhanden
ist.
6. Einkristalliner Mantel nach Anspruch 1, worin Wolfram
in einer Menge von etwa 4,75 bis etwa 5,25 Gewichts-%
vorhanden ist.
7. Einkristalliner Mantel nach Anspruch 1, worin Tantal
in einer Menge von etwa 6,3 bis etwa 7 Gewichts-% vorhanden
ist.
8. Einkristalliner Mantel nach Anspruch 1, worin Titan in
einer Menge von 0 bis etwa 0,02 Gewichts-% vorhanden ist.
9. Einkristalliner Mantel nach Anspruch 1, worin
Aluminium in einer Menge von etwa 6,1 bis etwa 6,3
Gewichts-% vorhanden ist.
10. Einkristalliner Mantel nach Anspruch 1, worin Rhenium
in einer Menge von etwa 2,75 bis etwa 3,25 Gewichts-%
vorhanden ist.
11. Einkristalliner Mantel nach Anspruch 1, worin Hafnium
in einer Menge von etwa 0,12 bis etwa 0,18 Gewichts-%
vorhanden ist.
12. Einkristalliner Mantel nach Anspruch 1, worin
Kohlenstoff in einer Menge von etwa 0,04 bis etwa 0,06
Gewichts-% vorhanden ist.
13. Einkristalliner Mantel nach Anspruch 1, worin Bor in
einer Menge von etwa 0,003 bis etwa 0,005 Gewichts-%
vorhanden ist.
14. Einkristalliner Mantel nach Anspruch 1, worin Yttrium
in einer Menge von etwa 0,002 bis etwa 0,030 Gewichts-%
vorhanden ist.
15. Einkristalliner Mantel nach Anspruch 1, worin die
Strömungspfadfläche des Mantels keinen gegen Oxidation und
Korrosion beständigen Überzug aufweist.
16. Gegenüber der Umgebung beständiges Gußteil zum
Einsatz in einem Gasturbinentriebwerk umfassend ein
Mantelsegment mit einer Zusammensetzung in Gewichts-% von
etwa 6,75 bis etwa 7,25 Chrom, etwa 7,0 bis 8,0 Kobalt,
etwa 1,3 bis etwa 1,7 Molybdän, etwa 4,75 bis etwa 5,25
Wolfram, etwa 6,3 bis etwa 6,7 Tantal, 0 bis etwa 0,02
Titan, etwa 6,1 bis etwa 6,3 Aluminium, etwa 2,75 bis etwa
3,25 Rhenium, etwa 0,12 bis etwa 0,18 Hafnium, etwa 0,04
bis etwa 0,06 Kohlenstoff, etwa 0,003 bis etwa 0,005 Bor,
etwa 0,002 bis etwa 0,03 Yttrium, Rest Nickel, wobei das
Mantelsegment ein im wesentlichen einkristallines Gefüge
aufweist.
17. Einkristalliner Mantel nach Anspruch 16, worin der
gegossene Mantel lösungsgeglüht und gealtert ist.
18. Einkristalliner Mantel nach Anspruch 16, worin die
Strömungspfadfläche des Mantels keinen gegen Oxidation und
Korrosion beständigen Überzug aufweist.
19. Gegenüber der Umgebung beständiges Gußteil zum
Einsatz in einem Gasturbinentriebwerk, umfassend ein
Mantelsegment mit einer Zusammensetzung in Gewichts-% von
etwa 7 Chrom, etwa 7,5 Kobalt, etwa 1,5 Molybdän, etwa 5
Wolfram, etwa 6,5 Tantal, kein Titan, etwa 6,2 Aluminium,
etwa 3 Rhenium, etwa 0,15 Hafnium, etwa 0,05 Kohlenstoff,
etwa 0,004 Bor, etwa 0,01 Yttrium, Rest Nickel, wobei das
Mantelsegment ein im wesentlichen einkristallines Gefüge
aufweist.
20. Einkristalliner Mantel nach Anspruch 19, worin der
gegossene Mantel lösungsgeglüht und gealtert ist.
21. Einkristalliner Mantel nach Anspruch 19, worin die
Strömungspfadfläche des Mantels keinen gegen Oxidation und
Korrosion beständigen Überzug aufweist.
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Legal Events
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