DE959681C

DE959681C - Schaufeln und aehnlich beanspruchte Bauteile von Gasturbinen und andere gleich oder aehnlich beanspruchte Gegenstaende

Info

Publication number: DE959681C
Application number: DEK4455D
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Gerhard Bandel
Original assignee: Aktiengesellschaft fuer Unternehmungen der Eisen und Stahlindustrie
Current assignee: Aktiengesellschaft fuer Unternehmungen der Eisen und Stahlindustrie
Priority date: 1943-08-14
Filing date: 1943-08-14
Publication date: 1957-03-07

Description

Schaufeln und ähnlich beanspruchte Bauteile von Gasturbinen und andere gleich oder ähnlich beanspruchte Gegenstände Die Erfindung bezieht sich auf Schaufeln und ähnlich beanspruchte Bauteile von Gasturbinen und andere gleich oder ähnlich beanspruchte Gegenstände, die bei Temperaturen oberhalb 700° C hohe Dauerstandfestigkeit und Zunderbeständigkeit haben müssen.
Es ist bekannt, als Werkstoffe für Turbinenschaufeln, die bis zu etwa 700° C hohe Dauerstandfestigkeit und Zähigkeit haben sollen, Chrom-oder Chromnickelstahllegierungen zu verwenden.. Die durch Schmieden, Walzen oder Schmiedepressen hergestellten Vorstücke werden durch spanabhebende Bearbeitung und die aus Stangen und Rohren hergestellten Vorstücke durch Biegen, Schweißen oder durch Pressen und Ziehen auf die gewünschten Abmessungen gebracht. Für Betriebstemperaturen oberhalb 700° C, die zur Erzielung eines besseren thermodynamischenWirkungsgrades angestrebt werden, ist jedoch die Dauerstandfestigkeit solcher Werkstoffe nicht ausreichend, um den Beanspruchungen, die infolge der großen Fliehkraft bei den in Rede stehenden Gegenständen auftreten, widerstehen zu können. Es ist daher schon vorgeschlagen worden, als Werkstoff für solche Gegenstände hochdauerstandfeste, gesinterte oder gegossene Hartmetallegierungen aus Karbiden oder Nitriden von Wolfram, Titan, Chrom, Niob od. dgl. mit Zusätzen von Bor, Vanadin, Tontal, Kobalt, Nickel und anderen Metallen zu verwenden. Diese Werkstoffe sind jedoch verhältnismäßig spröde und teilweise nicht genügend zunderbeständig. Da ferner eine Verformung oder spanabhebende Bearbeitung der gegossenen oder gesinterten Vorstücke kaum möglich ist, ist die Erzielung der gewünschten und erforderlichen Maßhaltigkeit der Schaufelabmessungen nur unter Überwindung sehr großer Schwierigkeiten mit großem Arbeitsaufwand und hohen Kosten zu erreichen.
Ferner sind bereits mehrteilige Turbinenschaufeln bekannt, die aus einem die Leistung übertragenden, mit dem Schaufelträger starr verbundenen, gekühlten Kern und einer die eigentliche Schaufelform bildenden ungekühltenUmhüllung aus hochhitzebeständigem Metall bestehen. Nach einem bekannten Vorschlag soll die Befestigung der Umhüllung an dem Kern bei derartigen Turbinenschaufeln dadurch erfolgen, daß die Umhüllung am Kopf oder Fuß der Schaufel mit dem Kern verschweißt wird. Bei aus Kern und Umhüllung oder Panzerung bestehenden zweiteiligen Turbinenschaufeln ist es auch schon bekannt, die erforderliche feste und auch bei hohen Temperaturen haltbare Verbindung zwischen beiden Teilen durch eine entsprechende Formgebung zu erzielen. Ein bekannter Vorschlag besteht darin, den Kern mit Rillen zu versehen und die Umhüllung derart auf den Kern aufzupressen, daß die Umhüllung sich in die Rillen im Kern einschmiegt. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, den Kern an dem dem Schaufelfuß abgewandten Ende mit einer -pilzförmigen Verdickung zu versehen, so daß sich die auf den sich zum Schaufelfuß hin verjüngenden Kern aufgepreßte Umhüllung auch bei erhöhter Temperatur unter Einwirkung der Zentrifugalkraft nicht von dem Kern lösen kann. Eine weitere bekannte Möglichkeit, eine besonders feste Verbindung zwischen Kern und Umhüllung zu erzielen, besteht in der Verwendung von Stiften, die Kern und Umhüllung in entsprechend angeordneten Bohrungen durchdringen und gegen Herausfallen durch Verschweißen oder Vernieten gesichert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, wie und aus welchen Werkstoffen aus Kern und Umhüllung bestehende Schaufeln und ähnlich beanspruchte Bauteile von Gasturbinen und andere gleich oder ähnlich beanspruchte Gegenstände her-7-ustellen sind, um zu erreichen, daß diese Gegenstände auch gegen solche Beanspruchungen, die bei Temperaturen über 700° C auftreten, widerstandsrähig sind, ohne daß die Fertigbearbeitung auf allzu große Schwierigkeiten stößt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei derartigen aus Kern und Jmhüllung bestehenden Gegenständen dadurch geöst, daß der Kern aus gesinterten oder gegossenen 3artmetallegierungen aus Wolframkarbid, Titancarbid, Niobkarbid, hochschmelzenden Nitriden, 3oriden oder ähnlichen harten Verbindungen mit oder ohne Zusätzen von Kobalt und anderen Hilfsmetallen und die Umhüllung aus einem zähen, gut verformbaren, hitzebeständigen Werkstoff besteht.
Die durch die Fliehkraft erzeugte Zugbeanspruchung wird bei Gegenständen gemäß der Erfindung in an sich bekannter Weise durch den Kern aufgenommen, der zur Verringerung der Fliehkraft auch hohl ausgebildet sein kann. Die Umhüllung wird dagegen nur wenig beansprucht, sie hat nur eine ungefährliche Druckbeanspruchung auszuhalten. Die erforderliche Maßhaltigkeit der äußeren Abmessungen der Gegenstände kann in an sich bekannter Weise durch Biegen, Ziehen, Pressen, Stauchen, gegebenenfalls auch durch nachträgliches Fräsen und Schleifen erzeugt werden, da die Umhüllung aus einer leicht verformbaren und bearbeitbaren Legierung besteht. Diese erforderliche Formgebung kann auch in mehreren Arbeitsgängen und nach verschiedenen Formgebungsarten nacheinander erfolgen. So ist es beispielsweise möglich, ein Blech um den Kern zu falten oder zu pressen. Auch kann ein auf bestimmte Vormaße gebrachtes Rohr oder eine Hohlschaufel über einen Kern geschoben werden, wobei durch Pressen, Stauchen oder Ziehen die erforderlichen äußeren Maße herzustellen sind. Nach der Fertigstellung der Gegenstände ist es unter Umständen zweckmäßig, zur Erhöhung der Dauerstandfestigkeit des Werkstoffes, aus dem die Umhüllung besteht, die Gegenstände einer Anlaßbehandlung, gegebenenfalls einer Ausscheidungshärtung, zu unterziehen. Dieser Arbeitsvorgang kann unter Umständen mit der Inbetriebnahme ausgeführt werden.
Bei der Auswahl der Werkstoffe für die einzelnen Teile der erfindungsgemäß herzustellenden Gegenstände sind folgende Gesichtspunkte maßgebend. Der Werkstoff für den Kern muß bei der Betriebstemperatur höchste Dauerstandfestigkeit haben, während auf die Verarbeitbarkeit und die Zunderbeständigkeit dieses Werkstoffes keine besondere Rücksicht zu nehmen ist. Es sind daher als Werkstoff für den Kern gesinterte oder gegossene Hartmetallegierungen aus Wolframkarbid, Titankarb.id, Niobharb.id, hochschmelzenden Nitriden, Boriden oder ähnlichen harten Verbindungen. mit oder ohne Zusätzen von Kobalt und anderen Hilfsmetallen geeignet. So hat sich z. B. eine Sinterlegierung mit 17 bis 60% Titankarbid, 3 bis 511/o. Kobalt, Rest Wolframkarbid sehr gut bewährt. Diese Legierung zeigt bei 90o° C im Dauerstandversuch eine Gesamtdehnung von i % in 300 Stunden erst bei 1a kg/mm2. Der Werkstoff für die Umhüllung muß dagegen neben ausreichender Zunderbeständigkeit gute Kaltbildsamkeit aufweisen, während die Dauerstandfestigkeit bei der Auswahl dieses Werkstoffes keine ausschlaggebende Rolle spielt. Es können daher hitzebeständige ferritische, vorteilhafterweise aber austenitische Stahl- oder Chromnickelstahllegierungen mit o,oz bis 0,50/a Kohlenstoff, 5 bis 30% Chrom, bis 80°/a Nickel, bis a5 0/a Kobalt und/oder Mangan, bis 5 0/a Titan, Niob, Molybdän, Wolfram, Vanadin, Aluminium, Silizium, Zirkon, bis 0,5 °/o Beryllium, Cer, Kalzium, Magnesium, Stickstoff und sonstigen Zusätzen zur Verbesserung der Zähigkeit, Verarbeitbarkeit, Feinkörnigkeit und Zunderbeständigkeit .als Werkstoff für die Umhüllung Verwendung finden. Zum Beispiel ist eine Stahllegierung mit etwa 15 0/a Chrom, 30% Nickel, 2% Titan für diesen Zweck sehr geeignet. Diese Legierung ist im weichen, von oberhalb iooo° C abgeschreckten Zustand bei einer Brinellhärte von 130 gut kaltverformbar und zeigt im ausgehärteten Zustand eine Gesamtdehnung von i 0/a in 300 Stunden bei etwa 5 bis 8 kg/mm2 und 8oo° C und bei etwa 1,5 kg/mm2 und goo° C.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Aus einem Kern und einer Umhüllung bestehende Schaufeln und ähnlich beanspruchte Bauteile von Gasturbinen und andere gleich oder ähnlich beanspruchte Gegenstände, die bei Temperaturen oberhalb 7oo° C hohe Dauerstandfestigkeit und Zunderbeständigkeit haben müssen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus gesinterten oder gegossenen Hartmetalllegierungen aus Wolframkarbid, Titankarbid, Niobkarbid, hochschmelzenden Nitriden, Boriden oder ähnlichen harten Verbindungen mit oder ohne Zusätzen von Kobalt und anderen Hilfsmetallen und die Umhüllung aus einem zähen, gut verformbaren, hitzebeständigen Werkstoff besteht.
2. Schaufeln nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung aus hitzebeständigen, ferritischen, vorzugsweise austenitischen Stahl- oder Chromnickelstahllegierungen mit o,oi bis o,5 0/m Kohlenstoff, 5 bis 30'/& Chrom, bis 8o % Nickel, bis 25 %i Kobalt und/oder Mangan, bis 5 % Titan, Niob, Molybdän, Wolfram, Vanadin, Aluminium, Silizium, Zirkon, bis o,5 % Beryllium, Cer, Kalzium, Magnesium, Stickstoff und sonstigen Zusätzen zur Verbesserung der Zähigkeit, Verarbeitbarkeit, Feinkörnigkeit und Zunderbeständigkeit besteht.
3. Schaufeln nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus einer gesinterten Hartmetallegierung, die neben Wolframkarbid 17 bis 6o % Titankarbid und 3 bis 5 % Kobalt enthält, und die Umhüllung aus einer Stahllegierung, die etwa 15 % Chrom, etwa 300/a Nickel und etwa 2%, Titan enthält, besteht. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 536 278, 566 638, 593 837; britische Patentschriften Nr. 36o 230, 392 145; italienische Patentschrift Nr. 380 391; W. He s s e n b r u c h , Metalle und Legierungen für hohe Temperaturen, 1940, S. 118 bis 124; Luftfahrtforschung, Bd. 15 (1938), S.505 bis 510. Entgegengehaltene ältere Rechte: Deutsche Patente 829 684, 948 36o.