EP0574708A1 - Bauteil für hohe Temperaturen, insbesondere Turbinenschaufeln, und Verfahren zur Herstellung dieses Bauteils - Google Patents

Bauteil für hohe Temperaturen, insbesondere Turbinenschaufeln, und Verfahren zur Herstellung dieses Bauteils Download PDF

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EP0574708A1
EP0574708A1 EP93107926A EP93107926A EP0574708A1 EP 0574708 A1 EP0574708 A1 EP 0574708A1 EP 93107926 A EP93107926 A EP 93107926A EP 93107926 A EP93107926 A EP 93107926A EP 0574708 A1 EP0574708 A1 EP 0574708A1
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EP
European Patent Office
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section
component
alloys
blade
press
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EP93107926A
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Joachim Dr. Rösler
Manfred Dr. Thumann
Christoph Tönnes
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
ABB AB
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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Publication date
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    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/04—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of turbine blades
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/06—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
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    • Y10T428/12174—Mo or W containing

Definitions

  • the invention is based on a component for high temperatures, in particular a turbine blade, with a component body containing at least a first and a second section, in which the first section is formed from a ductile material and the second section is brittle compared to the ductile material Has material.
  • the invention is also based on a method for producing such a component.
  • the component described is designed as a turbine blade and is intended for use in a gas turbine. It has a blade body cast from a eutectic alloy and containing the blade root and blade blade.
  • the blade root is formed by a ductile cast body with a non-directional structure.
  • the airfoil consists of a matrix and parallel to each other and in Fibrous crystals aligned in the longitudinal direction of the blade, which are embedded in the matrix and which are formed by directional solidification from an inductively heated melt.
  • the blade is characterized by a significantly higher creep resistance with significantly reduced ductility. In particular when producing a large airfoil, however, it is difficult to achieve a temperature gradient which is sufficiently large for a directional solidification and thus the desired high creep resistance in the airfoil.
  • the invention is based on the object of specifying a component, in particular a turbine blade, of the type mentioned, which can be used in a device operated at medium and high temperatures, in particular a turbine , characterized by a long service life, and at the same time to point out a way that makes it possible to manufacture such a component in a simple and suitable for mass production.
  • the component according to the invention is distinguished from comparable components according to the prior art by a long service life. This is due, on the one hand, to the fact that sections of the component which are subjected to different loads, in particular which comprise a blade root or an airfoil, consist of differently specified alloys and are adapted to the different requirements. Since these alloys, which are matched to the graded graded properties of the component, such as the turbine blade in particular, contain a common base material, none occur in the border area of the sections chemical reaction products. The sections therefore merge into one another without a sharp transition, so that the component according to the invention can withstand the high thermal and mechanical loads that occur in graded fashion when a thermal machine, such as, in particular, a gas turbine or a compressor, are operated.
  • the process used to manufacture the components according to the invention is characterized in that even large components with high thermal and mechanical strength can be manufactured in a simple manner suitable for mass production by common process steps, such as in particular by hot isostatic pressing or by sintering.
  • FIGS. 1 and 2 and each designed as a turbine blade 1 each contain an elongate blade 2 and a blade root 3 formed on one end of the blade 2.
  • Reference number 4 denotes a press can.
  • this press can encloses the blade root 3 and has an opening 5 filled by the blade 2, which is preferably sealed gas-tight by welding or soldering the press can 4 to the blade 2.
  • the press can 4 encloses the entire turbine blade 1.
  • the turbine blade 1 shown in FIG. 1 is manufactured as follows: A cast body designed as an airfoil 2 is guided with its one end through the opening 5 into the press can 4.
  • the press can 4 preferably made of steel, is soldered or welded to the cast body in a gas-tight manner in the region of the opening 5.
  • a cavity of the press can 4 receiving the blade root of the turbine blade 1 is filled with alloy powder.
  • the press can 4 is then evacuated and sealed gas-tight.
  • the materials for the cast body and the powder each contain one of two alloys of different chemical based on a common base material Compositions which differ from one another by the presence and / or the amount of at least one dopant alloyed into the base material.
  • An intermetallic phase in particular a gamma titanium aluminide, is preferably used as the base material.
  • At least one of the two alloys containing gamma-titanium aluminide has a proportion of at least 0.2 and at most 8 atomic percent of dopant, such as one or more of the elements B, C, Co, Cr, Ge, Hf, Mn, Mo, Nb, Pd , Si, Ta, V, Y, W and Zr.
  • a typical alloy for the airfoil 2 has, for example, the following composition: In atom%: 48 Al - 3 Cr - remainder Ti and impurities; In% by weight: 33.2 Al - 3.9 Cr - impurities less than 0.5 - balance Ti.
  • the size of the powder particles is typically less than 500 ⁇ m.
  • Another typical alloy for the airfoil has the following composition in atomic%: 48 Al - 2 Cr - 2 Ta - balance Ti and impurities.
  • a typical alloy for the blade root 3 has, for example, the following composition: In atom%: 48 Al - 2 Cr - 2 Nb - balance Ti and impurities; In% by weight: 32.5 Al - 2.9 Cr - 5 Nb - impurities less than 0.5 - balance Ti.
  • the size of the powder particles is typically less than 200 ⁇ m, preferably less than 100 ⁇ m.
  • Another typical alloy for the blade root has the following composition in atomic%: 48 Al - 2 Cr - 2 Ta - 0.5 Si - balance Ti and impurities.
  • the sample completed by gas-tight closing of the press can 4 is brought into a press device and compressed hot isostatically at temperatures between 900 and 1200 ° C.
  • a typical pressing process at approx. 1070 ° C took approx. 3 hours at a pressure of approx. 250 MPa.
  • the two alloys were compacted pore-free with a gradual transition from the airfoil 2 to the airfoil 3, without chemical reaction products being formed in the border area.
  • This composite material already having the shape of the turbine blade, was then typically heat-treated at temperatures above 700 ° C. for about 4 hours after removal of the deformed press can 4. Subsequently, the turbine blade according to the invention was completed by slight material-removing processing, such as grinding, polishing and / or electrochemical treatment.
  • a press can 4 which was extended in the longitudinal direction and accommodates the entire turbine blade 1 was used.
  • the cast body forming the airfoil 2 was first introduced into this press can 4 and the alloy powder was subsequently introduced in accordance with the exemplary embodiment described above.
  • the press can 4 was then evacuated and sealed gas-tight.
  • the test specimen produced in this way was treated in accordance with the exemplary embodiment described above.
  • the alloys used had the same composition as in the previously described embodiment.
  • a body made of a hot-isostatically compressed powder can also be introduced into the press can 4.
  • a further alternative embodiment of the invention that was used to form the airfoil Alloy powder with 48 atomic percent Al, 3 atomic percent Cr, the rest of Ti and small amounts of impurities at a temperature of approx. 1070 ° C and a pressure of approx. 250 MPa compressed hot isostatically for approx. 3 hours.
  • the resulting body was then brought into the press can 4 shown in FIG.
  • an alloy powder of the previously specified chemical composition forming the airfoil 2 was filled into the press can 4.
  • An alloy powder forming the blade root 3 was then backfilled with the composition specified in the previously described exemplary embodiments.
  • the press can 4 was then evacuated and sealed gas-tight without shaking and without mixing the filled powders with one another.
  • hot isostatic pressing for approx. 3 hours at approx. 1070 ° C and a pressure of approx. 250 MPa, a non-porous material was produced, from which after removing the press jug 4, after two hours of heat treatment at approx. 1350 ° C and post-processing to remove the material a turbine blade was manufactured according to the invention.
  • a turbine blade designed in this way can also be taken from FIG. 2 in accordance with the previously mentioned embodiment variants.
  • the micrograph according to FIG. 3 shows the structure and microstructure of a part indicated by a frame in FIG. 2 a turbine blade according to the invention, produced exclusively from alloy powders, as described above. It can be seen from this that the alloy forming the airfoil 2 has a coarse-grained microstructure and the alloy forming the airfoil 3 has a fine-grained microstructure, and that no undesired reaction zone with chemical reaction products or with precipitates occurs at the transition zone between the two alloys. Both alloys gradually merge into one another by interlocking coarse and fine crystallites.
  • the alloy forming the airfoil 2 has a ductility of approximately 0.5% at room temperature, while the alloy forming the airfoil 3 has a ductility of 2.1%.
  • the airfoil 2 has a creep resistance which, when corrected for density, is considerably higher than the creep resistance of the nickel-base superalloys usually used in this temperature range.
  • the entire turbine blade 1 shows a ductility of 0.5% corresponding to the material of the blade 2. Their mechanical and thermal properties are not affected by the transition zone between the two alloys.
  • the turbine blade 1 according to the invention is therefore characterized by a blade root 3 with high ductility and an airfoil 2 which is brittle at room temperature but has a high creep resistance at high temperatures.
  • the strength in the transition area is sufficiently high due to the common base material of the two alloys and the lack of brittle reaction products to ensure a safe To ensure operation of the turbine blade 1 at high temperatures.
  • the invention is not limited to turbine blades. It also relates to other components that are subjected to high mechanical loads at high temperatures, such as one-piece turbine wheels of turbochargers.

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Abstract

Das Bauteil ist für den Einsatz bei hohen Temperaturen vorgesehen und ist insbesondere als Turbinenschaufel ausgebildet. Es enthält einen zumindest einen ersten (Schaufelfuss 3) und einen zweiten Abschnitt (Schaufelblatt 2) umfassenden Bauteilkörper. Der erste Abschnitt (3) ist von einem duktilen Werkstoff gebildet. Hingegen weist der zweite Abschnitt (2) einen gegenüber dem duktilen Werkstoff spröden Werkstoff auf. Dieses Bauteil soll sich durch hohe Lebensdauer auszeichnen. Dies wird dadurch erreicht, dass jeder der beiden Werkstoffe jeweils eine von zwei auf einem gemeinsamen Basiswerkstoff beruhende Legierungen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzungen enthält, welche sich voneinander durch das Vorhandensein und/oder die Menge mindestens eines dem Basiswerkstoff zulegierten Dotierstoffes unterscheiden. <IMAGE>

Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Bauteil für hohe Temperaturen, insbesondere von einer Turbinenschaufel, mit einem zumindest einen ersten und einen zweiten Abschnitt enthaltenden Bauteilkörper, bei dem der erste Abschnitt von einem duktilen Werkstoff gebildet ist und der zweite Abschnitt einen gegenüber dem duktilen Werkstoff spröden Werkstoff aufweist. Die Erfindung geht ferner aus von einem Verfahren, um ein solches Bauteil herzustellen.
    • STAND DER TECHNIK
  • Ein solches Bauteil und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils sind in FR-A1-2.136.170 beschrieben. Das beschriebene Bauteil ist als Turbinenschaufel ausgebildet und ist zur Verwendung in einer Gasturbine vorgesehen. Es weist einen aus einer eutektischen Legierung gegossenen, Schaufelfuss und Schaufelblatt enthaltenden Schaufelkörper auf. Der Schaufelfuss ist von einem duktilen Gusskörper mit nichtgerichteter Struktur gebildet. Das Schaufelblatt besteht aus einer Matrix und aus parallel zueinander und in Längsrichtung der Schaufel ausgerichteten, faserförmigen Kristallen, welche in die Matrix eingebettet sind und welche durch gerichtetes Erstarren aus einer induktiv aufgeheizten Schmelze gebildet sind. Gegenüber dem Schaufelfuss zeichnet sich das Schaufelblatt bei erheblich verringerter Duktilität durch eine wesentlich grössere Kriechfestigkeit aus. Insbesondere bei der Herstellung eines grossen Schaufelblattes ist es jedoch schwierig, einen für eine gerichtete Erstarrung ausreichend grossen Temperaturgradienten und damit die erwünscht hohe Kriechfestigkeit im Schaufelblatt zu erreichen.
    • KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen 1 und 7 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil, insbesondere eine Turbinenschaufel, der eingangs genannten Art anzugeben, welches sich bei Einsatz in einer bei mittleren und hohen Temperaturen betriebenen Vorrichtung, wie insbesondere einer Turbine, durch eine hohe Lebensdauer auszeichnet, und gleichzeitig einen Weg zu weisen, der es ermöglicht, ein solches Bauteil in einfacher und für eine Massenfertigung geeigneten Weise herzustellen.
  • Das Bauteil nach der Erfindung zeichnet sich gegenüber vergleichbaren Bauteilen nach dem Stand der Technik durch eine hohe Lebensdauer aus. Dies ist zum einen dadurch bedingt, dass unterschiedlich beanspruchte, insbesondere Schaufelfuss oder Schaufelblatt umfassende, Abschnitte des Bauteils aus unterschiedlich spezifizierten und an die unterschiedlichen Anforderungen angepassten Legierungen bestehen. Da diese an die gradiert abgestuften Eigenschaften des Bauteils, wie insbesondere der Turbinenschaufel, angepassten Legierungen einen gemeinsamen Basiswerkstoff enthalten, treten im Grenzbereich der Abschnitte keine chemische Reaktionsprodukte auf. Die Abschnitte gehen daher ohne scharfen Übergang ineinander über, so dass das Bauteil nach der Erfindung die bei Betrieb einer thermischen Maschine, wie insbesondere einer Gasturbine oder eines Verdichters, gradiert auftretenden hohen thermischen und mechanischen Belastungen völlig problemlos aufnehmen kann. Das zur Herstellung der erfindungsgemässen Bauteile verwendete Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass selbst grosse Bauteile mit hoher thermischer und mechanischer Belastbarkeit durch geläufige Verfahrensschritte, wie insbesondere durch heiss-isostatisches Pressen oder durch Sintern, in einfacher und für eine Massenfertigung geeigneten Weise hergestellt werden können.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
    • Fig.1
    eine Aufsicht auf einen in Längsrichtung geführten Schnitt durch eine erste Variante eines als Turbinenschaufel ausgeführten erfindungsgemässen Bauteils nach Beendigung eines beim Herstellverfahren ausgeführten heiss-isostatischen Pressvorganges,
    Fig.2
    eine Aufsicht auf einen in Längsrichtung geführten Schnitt durch eine zweite Variante eines als Turbinenschaufel ausgeführten erfindungsgemässen Bauteils nach Beendigung eines beim Herstellen ausgeführten heiss-isostatischen Pressvorganges, und
    Fig.3
    ein Schliffbild des umrandet angegebenen Bereichs der zweiten Variante des erfindungsgemässen Bauteils.
    WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Die in den Figuren 1 und 2 dargestellten und jeweils als Turbinenschaufel 1 ausgeführten Bauteile enthalten jeweils ein langgestrecktes Schaufelblatt 2 und einen an einem Ende des Schaufelblattes 2 angeformten Schaufelfuss 3. Mit dem Bezugszeichen 4 ist eine Presskanne bezeichnet. Diese Presskanne umschliesst bei der Ausführungsform gemäss Fig.1 den Schaufelfuss 3 und weist eine vom Schaufelblatt 2 ausgefüllte Öffnung 5 auf, welche vorzugsweise durch Anschweissen oder Anlöten der Presskanne 4 an das Schaufelblatt 2 gasdicht abgeschlossen ist. Bei der Ausführungsform gemäss Fig.2 umschliesst die Presskanne 4 die gesamte Turbinenschaufel 1.
  • Die in Fig.1 dargestellte Turbinenschaufel 1 wird wie folgt hergestellt:
    Ein als Schaufelblatt 2 ausgeführter Gusskörper wird mit seinem einen Ende durch die Öffnung 5 in die Presskanne 4 geführt. Die vorzugsweise aus Stahl bestehende Presskanne 4 wird im Bereich der Öffnung 5 gasdicht an den Gusskörper angelötet oder angeschweisst. Durch eine nicht dargestellte weitere Öffnung der Presskanne 4 wird ein den Schaufelfuss der Turbinenschaufel 1 aufnehmender Hohlraum der Presskanne 4 mit Legierungspulver aufgefüllt. Die Presskanne 4 wird sodann evakuiert und gasdicht verschlossen.
  • Die Werkstoffe für den Gusskörper und das Pulver enthalten jeweils eine von zwei auf einem gemeinsamen Basiswerkstoff beruhende Legierungen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzungen, welche sich voneinander durch das Vorhandensein und/oder die Menge mindestens eines dem Basiswerkstoff zulegierten Dotierstoffes unterscheiden. Vorzugsweise wird als Basiswerkstoff eine intermetallische Phase, wie insbesondere ein gamma-Titanaluminid, verwendet. Mindestens eine der beiden gamma-Titanaluminid enthaltenden Legierungen weist einen Anteil von mindestens 0,2 und höchstens 8 Atomprozent an Dotierstoff, wie beispielsweise eines oder mehrere der Elemente B, C, Co, Cr, Ge, Hf, Mn, Mo, Nb, Pd, Si, Ta, V, Y, W sowie Zr auf.
  • Eine typische Legierung für das Schaufelblatt 2 weist beispielsweise folgende Zusammensetzung auf:
    In Atom%: 48 Al - 3 Cr - Rest Ti und Verunreinigungen;
    In Gew.%: 33,2 Al - 3,9 Cr - Verunreinigungen kleiner 0,5 - Rest Ti.
    Die Grösse der Pulverteilchen ist typischerweise kleiner 500µm.
    Eine weitere typische Legierung für das Schaufelblatt weist folgende Zusammemsetzung in Atom% auf:
    48 Al - 2 Cr - 2 Ta - Rest Ti und Verunreinigungen.
  • Eine typische Legierung für den Schaufelfuss 3 weist beispielsweise folgende Zusammensetzung auf:
    In Atom%: 48 Al - 2 Cr - 2 Nb - Rest Ti und Verunreinigungen;
    In Gew.%: 32,5 Al - 2,9 Cr - 5 Nb - Verunreinigungen kleiner 0,5 - Rest Ti.
    Die Grösse der Pulverteilchen ist typischerweise kleiner 200µm, vorzugsweise kleiner 100µm.
    Eine weitere typische Legierung für den Schaufelfuss weist folgende Zusammensetzung in Atom% auf:
    48 Al - 2 Cr - 2 Ta - 0,5 Si - Rest Ti und Verunreinigungen.
  • Die durch gasdichtes Verschliessen der Presskanne 4 fertiggestellte Probe wird in eine Pressvorrichtung gebracht und bei Temperaturen zwischen 900 und 1200°C heissisostatisch verdichtet. Ein typischer Pressvorgang bei ca. 1070°C dauerte bei einem Druck von ca. 250 MPa ca. 3 Stunden. Hierbei wurden die beiden Legierungen, ohne dass im Grenzbereich chemische Reaktionsprodukte gebildet wurden, porenfrei mit einem graduellen Übergang vom Schaufelblatt 2 zum Schaufelfuss 3 verdichtet.
  • Dieser bereits die Form der Turbinenschaufel aufweisende Verbundwerkstoff wurde nach Entfernen der deformierten presskanne 4 sodann bei Temperaturen oberhalb 700°C typischerweise ca. 4 Stunden lang wärmebehandelt. Nachfolgend wurde durch geringfügige materialabhebende Bearbeitung, wie Schleifen, Polieren und/oder elektrochemisches Behandeln, die Turbinenschaufel nach der Erfindung fertiggestellt.
  • Bei der Herstellung der aus Fig.2 ersichtlichen Turbinenschaufel 1 wurde eine in Längsrichtung erweiterte und die gesamte Turbinenschaufel 1 aufnehmende Presskanne 4 verwendet. In diese Presskanne 4 wurde zunächst der das Schaufelblatt 2 bildende Gusskörper eingegeben und nachfolgend entsprechend dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel das Legierungspulver eingefüllt. Die Presskanne 4 wurde sodann evakuiert und gasdicht verschlossen. Der so hergestellte Probekörper wurde entsprechend dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel behandelt. Die verwendeten Legierungen wiesen die gleiche Zusammensetzung auf wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel.
  • Anstelle eines das Schaufelblatt 2 bildenden Gusskörpers kann in die Presskanne 4 auch ein Körper aus einem heiss-isostatisch verdichteten Pulver eingeführt werden. In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung wurde das zur Bildung des schaufelblattes verwendete Legierungspulver mit 48 Atomprozent Al, 3 Atomprozent Cr, Rest Ti und geringen Mengen an Verunreinigungen bei einer Temperatur von ca. 1070°C und einem Druck von ca. 250 MPa während ca. 3 Stunden heiss-isostatisch verdichtet. Der resultierende Körper wurde sodann in die in Fig.2 dargestellte Presskanne 4 gebracht und bei den dort beschriebenen Bedingungen zusammen mit dem den Schaufelfuss 3 bildenden Legierungspulver mit 48 Atomprozent Al, 2 Atomprozent Cr, 2 Atomprozent Nb, Rest Ti und geringen Mengen an Verunreinigungen heiss-isostatisch verdichtet. Der verdichtete Körper wurde sodann noch entsprechend dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wärmebehandelt und nachbearbeitet.
  • In weiteren Varianten der Erfindung wurden anstelle des Gusskörpers bzw. des aus heissverdichtetem Pulver gebildeten Körpers jeweils ein das Schaufelblatt 2 bildendes Legierungspulver der zuvor angegebenen chemischen Zusammensetzung in die Presskanne 4 eingefüllt. Danach wurde ein den Schaufelfuss 3 bildendes Legierungspulver mit der bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen angegebenen Zusammensetzung hinterfüllt. Die Presskanne 4 wurde sodann, ohne zu schütteln und ohne die eingefüllten Pulver miteinander zu vermischen, evakuiert und gasdicht verschlossen. Durch heiss-isostatisches Pressen während ca. 3 Stunden bei ca. 1070°C und einem Druck von ca. 250 MPa wurde ein porenfreier Werkstoff hergestellt, aus dem nach Entfernen der Presskanne 4, nach zweistündiger Wärmebehandlung bei ca. 1350°C und materialentfernender Nachbearbeitung eine Turbinenschaufel nach der Erfindung hergestellt wurde. Eine derartig ausgeführte Turbinenschaufel ist entsprechend den zuvor erwähnten Ausführungsvarianten ebenfalls Fig.2 entnehmbar.
  • Aus dem Schliffbild gemäss Fig.3 sind der Aufbau und die Gefügestruktur eines in Fig.2 umrandet angegebenen Teils einer - wie zuvor beschrieben - ausschliesslich aus Legierungspulvern hergestellten Turbinenschaufel nach der Erfindung zu entnehmen. Hieraus ist ersichtlich, dass die das Schaufelblatt 2 bildende Legierung eine grobkörnige und die den Schaufelfuss 3 bildende Legierung eine feinkörnige Mikrostruktur aufweist, und dass an der Übergangszone zwischen beiden Legierungen keine unerwünschte Reaktionszone mit chemischen Reaktionsprodukten oder mit Ausscheidungen auftritt. Beide Legierungen gehen unter Verzahnung grober und feiner Kristallite graduell ineinander über.
  • Werkstoffuntersuchungen haben für den der erfindungsgemässen Turbinenschaufel 1 zugrundeliegenden Werkstoff folgende Eigenschaften ergeben:
    Die das Schaufelblatt 2 bildende Legierung weist bei Raumtemperatur eine Duktilität von ca. 0,5% auf, die den Schaufelfuss 3 bildende Legierung hingegen eine solche von 2,1 %. Bei einer Temperatur von ca. 700°C besitzt das Schaufelblatt 2 eine Kriechfestigkeit, welche dichtekorrigiert erheblich über der Kriechfestigkeit der üblicherweise in diesem Temperaturbereich verwendeten Nickelbasis-Superlegierungen liegt. Die gesamte Turbinenschaufel 1 zeigt eine dem Werkstoff des Schaufelblattes 2 entsprechende Duktilität von 0.5%. Ihre mechanischen und thermischen Eigenschaften sind durch die Übergangszone zwischen beiden Legierungen nicht beeinträchtigt. Die Turbinenschaufel 1 nach der Erfindung zeichnet sich demnach durch einen Schaufelfuss 3 mit hoher Duktilität und ein bei Raumtemperatur zwar sprödes, bei hohen Temperaturen jedoch eine grosse Kriechfestigkeit aufweisendes Schaufelblatt 2 aus. Die Festigkeit im Übergangsbereich ist wegen des beiden Legierungen gemeinsamen Basiswerkstoffs und des Fehlens spröder Reaktionsprodukte ausreichend gross, um einen sicheren Betrieb der Turbinenschaufel 1 bei hohen Temperaturen zu gewährleisten.
  • In einer weiteren Variante der Erfindung ist es möglich, an Stelle einer Presskanne 4 als Form zur Aufnahme der Legierungen eine Sinterform zu verwenden, und das Verdichten zur Turbinenschaufel in einem Sinterverfahren zu erreichen.
  • Die Erfindung ist nicht auf Turbinenschaufeln beschränkt. Sie bezieht sich auch auf andere bei hohen Temperaturen mechanisch stark belastete Bauteile, wie etwa einstückig ausgebildete Turbinenräder von Turboladern.
    • BEZEICHNUNGSLISTE
    • 1
    Turbinenschaufel
    2
    Schaufelblatt
    3
    Schaufelfuss
    4
    Presskanne
    5
    Öffnung

Claims (12)

  1. Bauteil für hohe Temperaturen, insbesondere Turbinenschaufel (1), mit einem zumindest einen ersten (Schaufelfuss 3) und einen zweiten Abschnitt (Schaufelblatt 2) enthaltenden Bauteilkörper, bei dem der erste Abschnitt (3) von einem duktilen Werkstoff gebildet ist und der zweite Abschnitt (2) einen gegenüber dem duktilen Werkstoff spröden Werkstoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden Werkstoffe jeweils eine von zwei auf einem gemeinsamen Basiswerkstoff beruhende Legierungen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzungen enthält, welche sich voneinander durch das Vorhandensein und/oder die Menge mindestens eines dem Basiswerkstoff zulegierten Dotierstoffes unterscheiden.
  2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (3) und der zweite Abschnitt (2) ohne das Auftreten eines eine Grenzschicht bildenden chemischen Reaktionsproduktes ineinander übergehen.
  3. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiswerkstoff gamma-Titanaluminid ist.
  4. Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Dotierstoff in mindestens einer der beiden Legierungen mindestens 0,2 und höchstens 8 Atomprozent beträgt.
  5. Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Dotierstoff mindestens eines oder mehrere der Elemente B, C, Co, Cr, Ge, Hf, Mn, Mo, Nb, Pd, Si, Ta, V, Y, W sowie Zr enthalten sind.
  6. Bauteil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine den ersten Abschnitt (3) bildende erste der beiden Legierungen einen die Einstellung eines feinkristallinen Gefüges fördernden Dotierstoff, wie insbesondere eines oder mehrere der Elemente Cr, Mn, V, Si, und eine den zweiten Abschnitt (2) bildende zweite der beiden Legierungen einen die Einstellung eines grobkristallinen Gefüges fördernden und die Kriechfestigkeit erhöhenden Dotierstoff, wie insbesondere eines oder mehrere der Elemente Nb, Ta, W, enthält.
  7. Verfahren zur Herstellung des Bauteils nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Legierungen zum Bauteilkörper heissverdichtet werden, und dass vor dem Heissverdichten eine den ersten Abschnitt (3) bildende erste der beiden Legierungen als Pulver in eine Form eingefüllt wird.
  8. Verfahren nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine den zweiten Abschnitt (2) bildende zweite der beiden Legierungen in Form eines Gusskörper oder eines aus heissverdichtetem Pulver gebildeten Körpers verwendet wird, und dass dieser Gusskörper oder der aus dem heissverdichteten Pulver gebildete Körper zumindest mit einem Ende in die als Presskanne (4) ausgebildete Form geführt und in der Presskanne (4) mit dem Pulver in Berührung gebracht wird.
  9. Verfahren nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Presskanne (4) eine vom eingeführten Körper ausgefüllte Öffnung (5) aufweist, welche vorzugsweise durch Anschweissen oder Anlöten der Presskanne (4) an den Körper abgeschlossen wird.
  10. Verfahren nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Heissverdichten eine den zweiten Abschnitt (2) bildende zweite der beiden Legierungen als Pulver in die Form eingefüllt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Heissverdichten bei Temperaturen zwischen 900 und 1200°C durchgeführt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der durch Heissverdichten entstandene Werkstoff bei Temperaturen grösser 700°C wärmebehandelt wird.
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