DE7629693U1 - Turbinenschaufel aus verbundwerkstoff - Google Patents

Turbinenschaufel aus verbundwerkstoff

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DE7629693U1 DE19767629693U DE7629693U DE7629693U1 DE 7629693 U1 DE7629693 U1 DE 7629693U1 DE 19767629693 U DE19767629693 U DE 19767629693U DE 7629693 U DE7629693 U DE 7629693U DE 7629693 U1 DE7629693 U1 DE 7629693U1
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Description

EBC Baden
<^Tur-binenschaufel aus Verbundwerkstoff
Die Neuerung betrifft eine Turbinenschaufel aus Verbundwerkstoff auf der Basis von Hochteir.peraturlegierungen.
Turbinenschaufeln aus Kochtemperatur-Verbundv/erksteffen auf im wesentlichen metallischer Grundlage sind in zahlreichen Kcmbinationen versucht worden und aus der entsprechenden Literatur bekannt. Sie dürften insbesondere beim Bau hochteanspruchter thermischer Maschinen in Zukunft eine stets v/ichtigere Rolle spielen. Derartige Schaufeln und ihre Werkstoffe
sind an verschiedenen Stellen beschrieben worden (z.B. P.P..
Sahm and M.O. Speidel, High Temperature Materials in Gas
Turbines, Elsevier, Amsterdam-London-iiew York 197^; D. C.
Drennen, Turbine Blades with thermal fatigue resistant
Edges, Battelle Columbus Laboratories, Ohio, Review of
Metals Technology, January 28, 1972). Dabei wird im allge-
meinen versucht, einen als Verstärkungsfaser, Draht, Stab
oder Geflecht ausgebildeten Kernwerkstoff in einem als
Grundmasse dienenden eigentlichen, die äussere Form bestimmenden Konstruktionsf=toff einzubetten oder den ersteren mit letzterer) zu überziehen bzw. zu umkleiden. Zu diesem Zwecke werden sowohl schmelz- wie pulvermetallurgische Verfahren
und Kombinationen angewendet. Ei^ bekanntes Beispiel stellen Turbinenschaufeln aus mit Wolframfasern verstärkten Nickelsuperlegierungen dar, z.B. Gasturbinenschaufeln.
Bei der Beurteilung der Güte einer Turbinenschaufel aus einem Hochtemperatur-Verbundwerkstoff stellt die Alterungsbeständigkeit unter den Einsatzbedingungen einen Hauptfaktor
dar. Der Werkstoff sollte möglichst chemisch beständig sein
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und seine metallurgische Zusammensetzung und Struktur im Laufe der Zeit nicht ändern. Die Werkstoffkombination Wolfram/Nickel in der vorerwähnten Form erfüllt diese Bedingungen nur in sehr unzureichendem Masse, da Nickel zu einer vorzeitigen Versprödung der Wolframfasern führt. Dieser Umstand wiegt umso schwerer, als dass bei der üblichen Verwendung dünner Wolframfasern (vorzugsweise 50 μ bis 300^u) die Berührungsfläche zur nickelhaltigen Grundmasse gross und die Diffusionswege klein sind. Die Versprödung erfasst daher in kurzer Zeit nahezu den ganzen Querschnitt der Wolframfaser.
Der Neuerung liti?;t die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenschaufel auf der Basis eines Verbundwerkstoffes für hohe Arbeitstemperaturen zu entwickeln, deren Komponeneten ohne zeitliche Alterungserscheinungen gegenseitig chemisch verträglich sind und eine gegenüber konventionellen Werkstoffen erhöhte Kriechfestigkeit und Wechselfestigkeit bei hohen Temperaturen aufweisen. Des weiteren soll die feuerung eine Verbilligung des Endproduktes durch Vermeidung teurer Ausgangsstoffe ermöglichen.
Gemäss Neuerung wird dies dadurch erreicht, dass ein aus einer Dispersionslegierung bestehender Kernwerkstoff in einem aus einer warmfester Legierung bestehenden und die äussere Schaufelform bestimmenden Grundwerkstoff eingebettet, von einem Abdeckplättchen aus Grundwerkstoff abgedeckt, von letzterem allseitig abgeschlossen und mit demselben dicht verbunden ist.
Der der Neuerung zugrunde liegende Leitgedanke besteht darin, zur Verstärkung des die endgültige äussere Form der Turbinenschaufel bestimmenden Grundwerkstoffes (z.B. Nickelsuperlegierung) einen dispersionsgehärteten Kernwerkstoff (z.B. Nickelsuperlegierung + Yttriumoxyd) eines ähnlichen oder
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desselben Legierungstyps wie der Grundwerkstoff zu verwenden. Jedenfalls sollen die beiden Stoffe, was ihre Komponenten anbelangt, gegenseitig verträglich sein und in ihrer Zusammensetzung, abgesehen von der härtenden dispergierten Substanz, nicht wesentlich voneinander abweichen.
Die der Neuerung zugrunde gelegten Verbundwerkstoffe lassen sich je nach Zusammensetzung und Verwendungszweck in verschiedene Klassen einteilen. Legt man den chemischen Aufbau zugrunde, so ergibt sich die nachfolgende Einteilung.
Grundwerkstoff aus Nickel- oder Kobalt-Superlegierung:
Diese dem Ni-Cr-(Co)-Typ bzw. dem Co-Cr-(Ni)-Typ angehörenden Legierungen enthalten weitere Zusätze an C, W1 Mo, Ta, Nb^ Al, Ti, Zr und B, die sie insbesondere als Material für Gasturbinenschaufeln geeignet machen. Die Zusammensetzung des zur Verstärkung verwendeten Kernwerkstoffes entspricht weitgehend derjenigen des Grundwerkstoffes mit dem Unterschied, dass ersterer zusätzlich mindestens ein dispergiertes Oxyd eines der Elemente Y, Ca7La, Be, Th, Ce, Al oder eine Mischung derartiger Oxyde als härtende Substanz enthält.
Für Nickel- oder Kobaltbasislegierungen hat sich insbesondere ein Zusatz von 0,5 bis 3 % Yttrium- oder Lanthan- oder Thoriumoxyd als vorteilhaft erwiesen.
Grundwerkstoff aus Eisenlegierung:
Darunter fallen sowohl die ferritischen wie die austenitischen hitzebeständigen Stähle des Fe-Cr-Typs und des Fe-Ni-Cr-Typs, die unter anderem für hochbeanspruchte Teile des thermischen Maschinenbaus Verwendung finden. Der dem entsprechenden Legierungstyp angehörende Kernwerkstoff enthält zwecks Härtung zusätzlich mindestens ein Oxyd mindestens eines der Elemente Y, Ca, La, Be, Th, Ce, Al, Ti, Cr als dispergierte Substanz. Bei chromlegierten ferritischen Stählen erweisen sich insbe-
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sonder-e dispersionshärtende Zusätze von 0,5 bis 5 % Titanoxyd (TiOp) oder Chromoxyd (Cr 0.) als vorteilhaft. Beim 135&igen Chromstahl, der noch wenige Prozente Molybdän und Titan enthält, bewährt sich ausserdem ein Zusatz von 1,5 % Yttriumoxyd. Allen diesen dispersionsgehärteten chromhaltigen Eisenlegierungen ist eine hohe mechanische Dämpfung sowie eine hohe Zeitstandfestigkeit im Temperaturbereich von 600 C bis 700°C eigen, wodurch sie besonders vorteilhaft als verstärkender Kernwerkstoff für Bauteile des oben erwähnten Fachgebietes verwendet werden können.
Anhand des nachstehend durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiels, ergeben sich weitere Einzelheiten der Neuerung.
Dabei zeigt:
ucii giuiiuoavii^viicu nixii^cn* vj..t:j * v.» ~— .. — .- — '
aus urununcrno uwj. j. uhu
Fig. 2 die perspektivische Darstellung einer Gasturbinenschaufel unter Verwendung eines Verbundwerkstoffes (schematisch),
Fig.3 Verwendungsbeispiele für Querschnitte von Gasturbinenschaufeln .
In Fig. 1 ist der grundsätzliche Aufbau einer Turbinenschaufel bestehend aus Grundwerkstoff 1, Kernwerkstoff 2, Abdeckplättchen 3 und Schweissnaht 4 dargestellt.
Das aus dem Grundwerkstoff 1 bestehende Präzisionsgusstück entsprach der Legierung IN-738 und hatte folgende Zusammensetzung:
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0,17 % C
16 % Cr
8,5 % Co
1,75 % Mo
2,6 % W
1,75 % Ta
0,9 ί Kb
3,1 % Al
3," 52 Ti
0,01 % B
0,1 % Zr
Rest Ki
Das aus dem pulvermetallurgisch hergestellten Kernwerkstoff ? bestehende Stück hatte folgende Zusammensetzung:
20
16 % Cr 15 Ti 15 Al
8,5 % Co 29 Zr
1,75 % Mo °3
2,6 % W
1,75 % Ta
0,9 % Nb
44 JE Ni
22,7 % Ni
0,25 ϊ Ki
1,5 « Y2
Fig. 2 ist die perspektivische Darstellung einer Gasturbinenschaufel gemäss Ausführungsbeispiel unter Verwendung des oben beschriebenen Verbundwerkstoffes. 1 stellt den Grundwerkstoff, hier in Form eines Tragflügelprofils aus Präzisionsguss mit
entsprechenden Hohlräumen dar. Der prismatische Kernwerkstcff 2 ist in den Hohlraum 12 eingeschoben und durch das in die
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Aussparung 13 passende Abdeckplättchen 3 aus Grundwerkstoff verschlossen. Letzteres ist mit dem Tragflügelprofil stirnseitig verschweisst. 14 ist ein weiteres prismatisches Verstärkungselement aus Kernwerkstoff. 15 stellt einen runden, 16 einen tragflügeiförmigen durchgehenden Kühlkanal der Schaufel dar. Fig. 3 zeigt andere Querschnittsformen und Anordnungen von Grundwerkstoff, Kernwerkstoff und Kühlkanälen innerhalb eines Schaufelprofils.
Fig. Ja stellt einen Schaufelquerschnitt ohne Kühlkanäle dar. Die aus dem Grundwerkstoff 1 bestehende Schaufel weist an der Eintrittskante ein rundes (17)» im mittleren Teil ein quadratisches (18) und im hinteren Teil ein rechteckiges (19) Profil aus verstärkendem Kernwerkstoff auf.
In Fig. 3b wird ein Profil gezeigt, welches sowohl runde Kühlkanäle 15 wie runde Verstärkungselemente 17 aufweist. Die runde Querschnittsform ist bezüglich Herstellungstechnologie besonders vorteilhaft und eignet sich sehr gut zum Aufbau eines Verbundwerkstoffes. Dies gilt speziell im Falle der Verwendung eines einheitlichen Stabdurchmessers für den Kernwerkstoff wie Fig. 3b zeigt.
In Fig. 3c ist ein Gasturbinenschaufelprofil für höchste Ansprüche, wie sie insbesondere für Flugzeugstrahltriebwerke gestellt werden, dargestellt. Dabei ist der Querschnitt des Grundwerkstoffes 1 vollständig in ein Gitter aufgelöst. Der Kernwerkstoff ist in das Gitter in Form von runden (17), parabelförmigen (2o) und rechteckigen (21) Verstärkungselementen mit abgerundeten Schmalseit3n eingebaut. Von der* der Eintrittskante am nächsten liegenden Kühlkanal führen Oeff- nungen 23 an die Oberfläche des Schaufelprofils, durch welehe das Kühlmittel ausströmen kann und den in Strömungsrichtung nachfolgenden Schaufelteil mit einem kühlenden und wiirme-
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isolierenden Film (Grenzschicht) umgibt.
Durch die gemäss Neuerung auf der Basis von Verbundwerkstoffen entwickelten Turbinenschaufeln wurden Bauformen geschaffen, die gegenüber herkömmlichen Schaufeln verbesserte Hochtemperatureigenschaften aufweisen. Dank Verwendung dispersionsgehärteter Legierungen als Kernwerkstoffe kann die Kriechfestigkeit und die Wechselfestigkeit bei hohen Temperaturen erhöht werden, ohne dass die Gefahr der Versprödung durch chemische Reaktion zwischen nichtverträglichen Elementen besteht. Dadurch wird eine lange Lebensdauer des Bauteils gewährleistet. Im Falle von Nickelbasis-Superlegierungen kann die Kriechfestigkeit auf den durch das Querschnittsverhältnis von Kern- zu Grundwerkstoff gegebenen Wert, d.h. praktisch um zusätzlich 70 % der Differenzfestigkeit zwischen Dispersions- und Gusslegierung gesteigert werden. Durch die Kombination "plastische Hülle" um "steifen Kern" werden im Betrieb auftretende Spannungsspitzen im Bereich der Grenzfläche von Kern- und Grundwerkstoff abgebaut und ein günstiges thermisches Ermüdungsverhalten erzielt.
Die Turbinenschaufeln gemäss Neuerung erlauben den Einsatz bei Arbeitst
Gasturbinen.
bei Arbeitstemperaturen vonlOOO C bis 1050 C für stationäre
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Claims (4)

BBC Aktiengesellschaft 29.6.1978 Brown, Boveri & Cie. R .„ Baden/Schweiz tsr/fs Schutzansprüche
1. Turbinenschaufel aus Verbundwerkstoff auf der Basis von Hochteraperaturlegierungen, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus einer Dispersionslegierung bestehender Kernwerkstoff (2) in einem aus einer warmfesten Legierung bestehenden und die äussere Schaufelform bestimmenden Grundwerkstoff (1) eingebettet, von einem Abdeckplättchen (3) aus Grundwerkstoff abgedeckt, von letzterem allseitig abgeschlossen und mit demselben dicht verbunden ist.
2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie Kühlkanäle (15; 16) enthält.
3. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch· gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff (1) aus einer Nickel- oder Kobalt-Superlegierung und der Kernwerkstoff (2) aus der entsprechenden, jedoch zusätzlich 1,5 % Yttriumoxyd enthaltenden Dispersionslegierung besteht.
4. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff (1) aus einem austenitischen Nickel-Chrom-Stahl oder aus einem ferritischen Chromstahl und der Kernwerkstoff (2) aus der entsprechenden, jedoch zusätzlich 0,5 bis 5 % Chrom- oder Titanoxyd enthaltenden Dispersionslegierung besteht.
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