EP0507131A1 - Turbine blade protected against water droplets abrasion and method of manufacture - Google Patents
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- C21D9/0068—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for particular articles not mentioned below
Definitions
- the invention relates to the surface hardening of machine components.
- Objects for which their application is possible and expedient are all machine components made of martensitic chrome steels which are subject to dripping or cavitation and which are used at operating temperatures below 250 ° C.
- the invention can be used particularly advantageously to protect end-stage rotor blades of steam turbines which are heavily erosively loaded by the impact of drops.
- the blades of steam turbines are subject to a constant impact of water droplets during their operation, which leads to premature wear and thus destruction of the blades by drop impact erosion. It is generally known in the specialist field to increase the wear resistance of blades made of martensitic chromium steels by means of flame-hardened leading edges (lit. ). The lack of such hardened blades is that their wear resistance is too low. The reason for this results from the fact that the surface hardness is too low at 500 to 550 HV.
- the flame hardening process is usually carried out at austenitizing temperatures of approx. 1000 to 1100 ° C. These austenitization temperatures only lead to a relatively low release of carbon from the (Fe, Cr) mixed carbides during the austenitization times that can be achieved in terms of process engineering. The lack of the method therefore consists in too little hardening on the surface.
- the hardness has dropped to 500-530 HVo, 1 or 480-560 HV1 at a depth of, for example, 0.2 mm.
- the disadvantageous effect of the drop in hardness results from the fact that, on the one hand, Drop impact load with the drop sizes and drop impact velocities occurring in the low-pressure part of steam turbines, the maximum of the reference stress lies at a fairly large depth of 0.05 mm to 0.2 mm and, on the other hand, the wear with intensive drop impact load only after a typical surface roughness with roughness depths of a few has developed 10 ⁇ m to a few 100 ⁇ m reaches a steady state.
- the cause of the drop in hardness is that too little carbon is released from the (Fe, Cr) mixed carbides in the depths in question.
- the lack of the process is therefore that only in the immediate vicinity of the surface sufficient carbon is released from the (Fe, Cr) mixed carbides, which is necessary to achieve high hardness.
- the reason for this results from the fact that the temperature gradient of the indicated short-term curing is so steep that the peak temperature of the local temperature-time cycle is already too low at the depths in question.
- the aim of the invention is to provide a turbine blade that is better protected against drop impact erosion and to propose a method for its production.
- the invention has for its object to provide a hardening zone formation for the leading edges of turbine blades, in which there is a sufficiently high surface hardness for the typical conditions of the drop impact load in the output stages of steam turbines and in which, even after the surface roughening typical of the load has been formed, the maximum of the reference stress is still in one sufficiently hard area.
- this object is achieved with a turbine blade made of martensitic chromium steel which is protected against drip erosion and has a briefly hardened leading edge, the erosion-protected zone of which has a constant surface hardness over the entire area of the blade back side which is at risk of erosion, as shown in claims 1 to 4.
- the expedient embodiment of the invention described in claim 2 makes advantageous use of the fact that usually the strength and area of the drop impact load increases sharply towards the tip of the blade, while the cyclic load decreases, so that with sufficient wear resistance the decrease in the hardening zone width improves the residual stress state at the leading edge and the toughness reserves of the blade can be increased.
- the task is solved by a short-term hardening process for martensitic chromium-alloyed turbine blade steels, in which a peak temperature of the local temperature-time cycle is reached even at the required depth of 0.1 mm to approximately 0.9 mm, with which a complete temperature is achieved Carbide dissolution takes place without a property-deteriorating austenite grain coarsening already taking place on the surface.
- the procedure according to the invention is as specified in claims 5 to 10.
- the fact is advantageously taken into account that if the airfoil thickness falls below about 3 mm, the cooling rate already decreases in the temperature range in which austenite coarsening can take place due to poorer heat dissipation options.
- the final stage blade of a 100 MW turbine which is subject to dripping impact, is to be provided with a wear-resistant leading edge.
- the expected erosion zone width is 18 mm at the tip of the blade and decreases too little towards the blade root.
- the hardening system used consists of a CO2 cross-current laser with a nominal power of 5 kW, a motion machine that is used to realize the relative movement between the laser beam and the leading edge and whose control allows simultaneous movement in at least 4 coordinates.
- the area to be hardened is covered with an approximately 80 ⁇ m thick layer of black board paint or similar. provided that serves as an absorbent for the laser radiation.
- a suitable set of irradiation parameters (laser power, beam defocusing, oscillation amplitude, feed rate) is determined based on nomograms, which leads to the formation of the hardening zone according to the invention at every point of the leading edge.
- the contour control program is then created by scanning the blade leading edge.
- the inclination of the area to be hardened relative to the laser beam is chosen so that, in cooperation with the set power density distribution of the laser beam across the feed direction, a constant temperature is established in the most wear-prone zone (the later very hard layer 2).
- the power density distribution in the laser beam can be varied sufficiently by the choice of the ratio of the oscillation amplitude of the beam A to the radius of the beam r.
- the turbine blade hardened with these parameters has a hardening zone at the leading edge 5 of the following geometrical dimensions, hardness and hardness distribution: Width of the entire hardening zone 1 on the blade back (for the position of the hardening zones see FIG. 1) at the blade tip: 20.2 mm; Width of hardening zone 1 at a distance of 150 mm from the tip of the blade: 18.7 mm; Total hardening depth 4: 1.17 mm to 2.9 mm depending on the distance to the leading edge, width of the entire hardening zone 1 on the blade belly side 7: 2.8 mm near the blade tip; Surface hardness in the very hard layer 2: 700 HV 0.05 ⁇ 35 HV 0.05 ; Depth of the very hard layer 2: 0.1 mm to 0.45 mm, decreasing with increasing distance from the leading edge, tapering at the leading edge approximately at the location of the greatest curvature of the airfoil profile.
- the hardness gradient in the very hard layer 2 is ⁇ 30 HV / mm.
- the width of the very hard layer 2 in the vicinity of the blade tip is approximately 19 mm.
- the length of the entire hardening zone 1 amounts to 185 mm. It leaves the blade at an exit angle of 45 °.
- the reproducibility of the desired hardness-depth curve according to the invention is very good.
- both the depth of the very hard layer 2 and the total hardening depth 4 decrease with increasing distance from the leading edge.
- the location of the reference stress maximum is less than a third of the depth of the very hard layer 2.
- a property-worsening coarsening of the austenite grain size does not occur. Compared to the prior art, at least 100 to 150 HV higher surface hardness is achieved.
- the difference in hardness is even greater at the depth of the reference stress maximum. This ensures considerably better wear resistance of the turbine blades hardened according to the invention.
- Another advantage over flame-hardened and, in a reduced form, also over induction-hardened blades is the more reproducible and more stress-resistant design of the hardening zone geometry along the leading edge. Among other things, it also leads to a much better reproducibility of the setting of a compressive residual stress state close to the leading edge along the leading edge over the entire hardened blade length.
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Abstract
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.The invention relates to the surface hardening of machine components. Objects for which their application is possible and expedient are all machine components made of martensitic chrome steels which are subject to dripping or cavitation and which are used at operating temperatures below 250 ° C. The invention can be used particularly advantageously to protect end-stage rotor blades of steam turbines which are heavily erosively loaded by the impact of drops.
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.The blades of steam turbines are subject to a constant impact of water droplets during their operation, which leads to premature wear and thus destruction of the blades by drop impact erosion.
It is generally known in the specialist field to increase the wear resistance of blades made of martensitic chromium steels by means of flame-hardened leading edges (lit. ).
The lack of such hardened blades is that their wear resistance is too low. The reason for this results from the fact that the surface hardness is too low at 500 to 550 HV.
The flame hardening process is usually carried out at austenitizing temperatures of approx. 1000 to 1100 ° C. These austenitization temperatures only lead to a relatively low release of carbon from the (Fe, Cr) mixed carbides during the austenitization times that can be achieved in terms of process engineering. The lack of the method therefore consists in too little hardening on the surface.
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-564089 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 erzieltwerden 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 - 580 HVo,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 "Laser in Manufacturing" (ed by M.F. Kimmit) 26. - 28.3.1985, S. 119 - 128) bzw. 500 - 580 HV1 an Schaufeleintrittskanten (Material AISI 403) erreicht werden.
Besonders nachteilig wirkt sich jedoch aus, daß die Härte in einer Tiefe von z.B. 0,2 mm schon auf 500 - 530 HVo,1 bzw. 480 - 560 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 Oberflächenrauhheit 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 Peak-Temperatur des lokalen Temperatur-Zeit-Zyklus in den in Frage kommenden Tiefen schon zu niedrig ist.Higher austenitization temperatures are prohibited because of the grain coarsening that occurs during carbide dissolution during the austenitization times that can be achieved and the hardening of the blade leading edge that increases rapidly with the peak temperature, which leads to a loss of toughness of the blade and a deterioration in the residual stress state at the leading edge. The cause of the defect is therefore the insufficient power density that can be entered.
According to CH-PS-564089, a turbine blade with an induction hardened leading edge is known. In accordance with the higher power density possible with induction hardening, higher austenitizing temperatures are possible without damaging consequences, but are still in the γ phase area. Leading edges hardened in this way accordingly have higher surface hardnesses. However, it has the disadvantage that these higher hardnesses of about 550 to 670 HV cannot be achieved over the entire zone at risk of erosion. The shortcoming of the method is that the power density entered cannot be adapted to the locally different heat dissipation conditions, as a result of which the local hardening temperature cannot be kept constant over the entire width of the zone at risk of erosion as required.
The reason for this is that the inductor can only be designed optimally for one contour of the zones near the leading edge, but the contour changes greatly over the length of the airfoil.
It is also known to use laser or electron beams to harden the leading edges (for example: V. Bedogni; M. Cantello; W. Cerri; D. Cruciani; R. Festa; G. Mor; F. Nenci; FP 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). Although constant hardness values can be achieved over the entire back of the blade, it is disadvantageous that no hardnesses higher than 500-580 HVo.1 on samples (material X22 CrMoV 12.1. Cf.: M. Roth; M. Cantello: "Laser Hardening of a 12 ./. Cr-Steel ", Proceedings of 2nd and International Conference" Laser in Manufacturing "(ed by MF Kimmit) March 26-28, 1985, pp. 119-128) or 500-580 HV1 at blade leading edges (material AISI 403) can be achieved.
However, it is particularly disadvantageous that the hardness has dropped to 500-530 HVo, 1 or 480-560 HV1 at a depth of, for example, 0.2 mm. The disadvantageous effect of the drop in hardness results from the fact that, on the one hand, Drop impact load with the drop sizes and drop impact velocities occurring in the low-pressure part of steam turbines, the maximum of the reference stress lies at a fairly large depth of 0.05 mm to 0.2 mm and, on the other hand, the wear with intensive drop impact load only after a typical surface roughness with roughness depths of a few has developed 10 µm to a few 100 µm reaches a steady state. A relatively large hardness gradient that is too steep and also begins on the surface therefore prevents a steady state of wear even with sufficient surface hardness.
The cause of the drop in hardness is that too little carbon is released from the (Fe, Cr) mixed carbides in the depths in question.
The lack of the process is therefore that only in the immediate vicinity of the surface sufficient carbon is released from the (Fe, Cr) mixed carbides, which is necessary to achieve high hardness. The reason for this results from the fact that the temperature gradient of the indicated short-term curing is so steep that the peak temperature of the local temperature-time cycle is already too low at the depths in question.
Das Ziel der Erfindung ist es, eine vor Tropfenschlagerosion besser geschützte Turbinenschaufel anzugeben sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung vorzuschlagen.The aim of the invention is to provide a turbine blade that is better protected against drop impact erosion and to propose a method for its production.
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.The invention has for its object to provide a hardening zone formation for the leading edges of turbine blades, in which there is a sufficiently high surface hardness for the typical conditions of the drop impact load in the output stages of steam turbines and in which, even after the surface roughening typical of the load has been formed, the maximum of the reference stress is still in one sufficiently hard area.
According to the invention, this object is achieved with a turbine blade made of martensitic chromium steel which is protected against drip erosion and has a briefly hardened leading edge, the erosion-protected zone of which has a constant surface hardness over the entire area of the blade back side which is at risk of erosion, as shown in
The expedient embodiment of the invention described in
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.In addition, the task is solved by a short-term hardening process for martensitic chromium-alloyed turbine blade steels, in which a peak temperature of the local temperature-time cycle is reached even at the required depth of 0.1 mm to approximately 0.9 mm, with which a complete temperature is achieved Carbide dissolution takes place without a property-deteriorating austenite grain coarsening already taking place on the surface.
The procedure according to the invention is as specified in
When designing the method according to
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 asymmetrischen Wärmeableitung an der Schaufeleintrittskante erlaubt.
Die Erfindung ist am nachfolgenden Ausführungsbeispiel näher erläutert.
In der dazugehörigen Zeichnung (Figur 1) ist eine schematische Darstellung der Lage und des Aufbaues des erfindungsgemäßen Kantenschutzes dargestellt.It is advantageous in the design of the method according to
The advantage of the process design according to
The invention is explained in more detail in the following embodiment.
In the accompanying drawing (Figure 1), a schematic representation of the location and structure of the edge protection according to the invention is shown.
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.The final stage blade of a 100 MW turbine, which is subject to dripping impact, is to be provided with a wear-resistant leading edge. The expected erosion zone width is 18 mm at the tip of the blade and decreases too little towards the blade root.
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.The hardening system used consists of a CO₂ cross-current laser with a nominal power of 5 kW, a motion machine that is used to realize the relative movement between the laser beam and the leading edge and whose control allows simultaneous movement in at least 4 coordinates. The beamforming system consists of an off-axis parabolic mirror with a focal length of f = 300 mm and a resonance scanner located in the partially focused beam, which allows the beam to oscillate at a frequency of 210 Hz perpendicular to the beam feed direction.
The area to be hardened is covered with an approximately 80 µm thick layer of black board paint or similar. provided that serves as an absorbent for the laser radiation.
Based on the previously measured thickness of the airfoil profile - depending on the distance to the blade tip - a suitable set of irradiation parameters (laser power, beam defocusing, oscillation amplitude, feed rate) is determined based on nomograms, which leads to the formation of the hardening zone according to the invention at every point of the leading edge.
The contour control program is then created by scanning the blade leading edge. The inclination of the area to be hardened relative to the laser beam is chosen so that, in cooperation with the set power density distribution of the laser beam across the feed direction, a constant temperature is established in the most wear-prone zone (the later very hard layer 2). The power density distribution in the laser beam can be varied sufficiently by the choice of the ratio of the oscillation amplitude of the beam A to the radius of the beam r.
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 A/r = 1,85; Anfangsgeschwindigkeit des Laserstrahles an der Schaufelspitze VBO = 242 mm/min, Strahlformstreckung
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 T = 2,38s.The laser beam hardening with these parameters leads to the following values of the temperature field in the vicinity of the leading edge 5: maximum temperature of the Temperature-time cycle on the back of the blade over a width of 16 mm: T smax ≈ 1400 - 1440 ° C, laser beam exposure time: τ s T = 2.38s.
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 Figur 1) 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 erfindungsgemäß gehärteten Turbinenschaufeln gesichert.
Ein weiterer Vorteil gegenüber flammengehärteten und in abgeminderter Form auch gegenüber induktionsgehärteten Schaufeln besteht in der reproduzierbareren und beanspruchungsgerechteren Ausbildung der Härtungszonengeometrie längs der Eintrittskante. Sie führt u.a. auch zu einer viel besseren Reproduzierbarkeit der Einstellung eines eintrittskantennahen Druckeigenspannungszustandes längs der Eintrittskante über die gesamte gehärtete Schaufellänge.The turbine blade hardened with these parameters has a hardening zone at the leading
The reproducibility of the desired hardness-depth curve according to the invention is very good. Corresponding to the decreasing wear intensity, both the depth of the very
Compared to the prior art, at least 100 to 150 HV higher surface hardness is achieved. The difference in hardness is even greater at the depth of the reference stress maximum.
This ensures considerably better wear resistance of the turbine blades hardened according to the invention.
Another advantage over flame-hardened and, in a reduced form, also over induction-hardened blades is the more reproducible and more stress-resistant design of the hardening zone geometry along the leading edge. Among other things, it also leads to a much better reproducibility of the setting of a compressive residual stress state close to the leading edge along the leading edge over the entire hardened blade length.
- 11
- gesamte Härtungszoneentire hardening zone
- 22nd
- sehr harte Schichtvery hard layer
- 33rd
- an 2 anschließende Schichtat 2 subsequent layers
- 44th
- GesamteinhärtungstiefeTotal depth of hardening
- 55
- EintrittskanteLeading edge
- 66
- Auftreffrichtung der schädlichsten TröpfchengrößenfraktionDirection of impact of the most harmful droplet size fraction
- 77
- Ort an der SchaufelbauchseiteLocation on the bucket belly side
- 88th
-
Tangente an die Oberfläche am Ort 7Tangent to the surface at
location 7 - 99
- minimales Biegemoment des Schaufelquerschnittesminimal bending moment of the blade cross section
- 1010th
- SchaufelquerschnittBlade cross section
- QL Q L
-
Querschnitt der gesamten Härtungszone 1Cross section of the
entire hardening zone 1 - Qs Q s
- Querschnitt des gehärteten SchaufelprofilabschnittesCross section of the hardened blade profile section
Claims (10)
dadurch gekennzeichnet, daß
characterized in that
dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Härtungszone (1) nach der sich längs der Eintrittskante ändernden Breite der Erosionszone eingestellt wird.Drop impact erosion-protected turbine blade according to claim 1,
characterized in that the width of the hardening zone (1) is adjusted according to the width of the erosion zone which changes along the leading edge.
dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamthärtungstiefe (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.Drop impact erosion-protected turbine blade according to claim 1,
characterized in that the total hardening depth (4) in the case of blades which are subject to severe cyclical or stress corrosion cracking at least reaches the location (7) on the blade belly side where the tangent (8) to the surface perpendicular to the direction of the minimum bending moment (9) of the Blade cross section (10).
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:
characterized in that the edge of the hardening zone (1) on the blade rear side around a damper wire hole with the radius R D describes an arc of a circle with the radius R S , where:
dadurch gekennzeichnet, daß
characterized in that
dadurch gekennzeichnet, daß zum Härten von Schaufelblattpartien, deren mittlere Dicke 3 mm unterschreitet, bei konstanter Oberflächentemperatur Ts max die maximal mögliche Energieeinwirkungsdauer τs max entsprechend dem Verhältnis des erwünschten Querschnitts QL der Härtungszone (1) zum Querschnitt QS des Schaufelprofilabschnittes nach τs max = 3 s. L - KQL/Qs reduziert wird, wobei K und L vom gewählten Stahl abhängende Konstanten mit einem Wert nahe 1 sind.Method according to claim 5,
characterized in that, for hardening of airfoil sections, the mean thickness of which is less than 3 mm, at a constant surface temperature T s max the maximum possible energy exposure time τ s max corresponding to the ratio of the desired cross section Q L of the hardening zone (1) to the cross section Q S of the airfoil section according to τ s max = 3 s. L - KQ L / Q s is reduced, where K and L are constants depending on the selected steel with a value close to 1.
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 2 ≲ (d ⊥v)/(d ∥v) ≲ 8 gewählt wird.Method according to claim 5,
characterized in that when a laser beam or electron beam hardening process is used, the beam is shaped such that the ratio of the expansion of the beam perpendicular to the beam feed direction d ⊥v to the expansion of the beam in the beam feed direction d ∥v in the range 2 ≲ (d ⊥v) / ( d ∥v) ≲ 8 is selected.
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 Strahlesvon
1,3 ≲ A/r ≲ 2,1 gewählt wird.Method according to claims 5 and 7,
characterized in that the beam formation is produced by the rapid oscillation of the laser beam or electron beam transversely to the feed direction, and in the case of the laser beam with a sinusoidal law of motion, depending on the power density distribution of the non-deformed laser beam, a ratio of the oscillation amplitude of the beam A to the radius r of the beam from
1.3 ≲ A / r ≲ 2.1 is selected.
dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis A/r der Schwingungsamplitude zum Strahlradius r während des Oberflächenhärtens entsprechend der Änderung des eintrittskantennahen Schaufelblattprofiles stetig verändert wird.Method according to claims 5, 7 and 8,
characterized in that the ratio A / r of the oscillation amplitude to the beam radius r during surface hardening is continuously changed in accordance with the change in the airfoil profile close to the leading edge.
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.Method according to claims 5 and 9,
characterized in that the beam shaping is generated by the rapid oscillation of the laser beam or electron beam transversely to the feed direction, in both cases the instantaneous beam power or the law of motion of the beam oscillation according to the inclination of the beam axis to the local surface normal and the heat dissipation conditions of the blade edge profile close to the leading edge and selected accordingly Change in the surface normals and the heat dissipation conditions along the leading edge is changed during the short-term hardening.
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