EP0574727A1 - Verfahren zur Herstellung eines hochtemperatur-festen Bauteils aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines hochtemperatur-festen Bauteils aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen Download PDF

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EP0574727A1
EP0574727A1 EP93108243A EP93108243A EP0574727A1 EP 0574727 A1 EP0574727 A1 EP 0574727A1 EP 93108243 A EP93108243 A EP 93108243A EP 93108243 A EP93108243 A EP 93108243A EP 0574727 A1 EP0574727 A1 EP 0574727A1
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EP
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alloy
press
alloys
titanium
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Peter Dr. Ernst
Manfred Dr. Thumann
Christoph Tönnes
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Alstom SA
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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    • 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, according to the introductory part of patent claim 1.
  • Such a component and a method for producing such a component are described in DE 28 13 892 A1.
  • the component described is designed as a turbine impeller, which has been produced by hot pressing metal powders with different particle structures and different chemical compositions.
  • mechanically pretreated powder of a nickel-based superalloy, such as alloy IN 792, with particles in the form of flattened spheres was used as the starting material for the blades.
  • a mechanically non-pretreated powder of another nickel-based superalloy, such as alloy IN 100, with spherical particles was used as the starting material for the impeller disk.
  • the blades Due to the structure and chemical composition of the starting powder, the blades are characterized by good corrosion resistance at high temperatures and the impeller disc has high tensile strength and good fatigue resistance.
  • alloys are suitable as starting materials for the turbine impeller which, like the very related nickel-based superalloys, do not Changes in their structure and thus their properties can be exposed to the high temperatures during hot isostatic pressing. For this reason, no alloys can be used in the production of this turbine impeller, each of which has excellent properties for different tasks, but which can only be hot-compressed at significantly different temperatures.
  • the invention is based on the object of specifying a component, in particular a turbine blade, of the type mentioned at the outset, which can be used when used in a device operated at high temperatures, in particular a gas turbine is 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 manner 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. On the one hand, this is due to the fact that differently stressed parts of the component consist of differently specified alloys, which are adapted to the different stresses of the parts of the component. On the other hand, these alloys are selected so that they form a boundary layer of high strength when hot compressed to a bimetallic composite material.
  • the component according to the invention can therefore with great certainty absorb high thermal and mechanical loads such as occur, for example, when operating a gas turbine or a compressor of a turbocharger.
  • the method used to manufacture the components according to the invention is characterized in that hot compression is carried out at temperatures at which the structure of the alloys desired for the desired physical or chemical properties is present with great certainty even if the alloys forming the starting powder have chemical compositions which differ greatly from one another.
  • FIGS. 1 and 2 and each designed as a turbine blade 1 each contain an elongated blade 2 and a blade root 3 formed on one end of the blade 2
  • Reference numeral 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 which accommodates the blade root of the turbine blade 1, is filled with alloy powder.
  • the press can 4 is then evacuated and sealed gas-tight.
  • Doped gamma titanium aluminides are used as the material for the cast body and alloys based on titanium or nickel are used for the powder.
  • the alloy forming the cast body is advantageously a gamma titanium aluminide with a proportion of at least 0.5 and at most 8 atom 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 is, for example, one that has 48 atomic percent Al, 2 to 4 atomic percent chromium and the remainder besides impurities that cannot be avoided, Ti.
  • the titanium base alloy used in the form of powder contains, in addition to titanium, aluminum and a proportion of up to 20 atomic percent of one or more additional elements, such as, in particular, V and / or Nb.
  • additional elements such as, in particular, V and / or Nb.
  • typical alloys contain either 6 atomic percent Al and 4 atomic percent V or 24 atomic percent Al and 11 atomic percent Nb.
  • the nickel-based alloy used in the form of powder can be, for example, the alloy IN 792 (composition in percent by weight Ni -0.12 C - 12.4 Cr - 9.0 Co - 1.9 Mo - 3.8 W - 3.9 Ta - 3.1 Al - 4.5 Ti - 0.2 B - 0.1 Zr).
  • the size of the powder particles is less than 500 ⁇ m for all powders used.
  • Such titanium and nickel-based alloys are characterized by good ductility (> 10%) at room temperature.
  • the mechanical resistance of the titanium base alloys at high temperatures is not as high as that of gamma titanium aluminides.
  • Nickel-based alloys on the other hand, have a much higher density than gamma titanium aluminides.
  • the sample completed by gas-tight sealing of the press can 4 was placed in a press device and hot-isostatically compressed using a titanium-based alloy at temperatures between 900 and 980 ° C.
  • a typical pressing process at approx. 950 ° C took approx. 3 hours at a pressure of approx. 200 MPa.
  • the two alloys were compacted to form a boundary layer 6 to form a bimetallic composite material.
  • This composite material which already has the shape of the turbine blade, was then typically heat-treated at temperatures of about 700 ° C. for about 4 hours after removal of the deformed press can 4. Subsequently, through slight material-removing processing, such as grinding, Polishing and / or electrochemical treatment, the turbine blade according to the invention completed.
  • 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.
  • FIG. 3 shows the structure and the structural structure of a part of the turbine blade according to the invention which is outlined in FIG. 2. It can be seen from this that the alloy forming the airfoil 2 has a coarse-grained and the alloy forming the airfoil 3 has a fine-grained microstructure, and that the boundary layer 6 connecting the two alloys to one another is almost unstructured and, according to chemical analysis, essentially of a binary TiAl alloy is formed with a proportion of about 25 atomic percent Al.
  • the alloy forming the airfoil 2 has a ductility of approximately 0.5 to 1% at room temperature, while the alloy forming the airfoil 3 has a ductility of 18 to 20%. At a temperature of approx. 700 ° C., the airfoil 2 has a creep resistance which is considerably higher than the creep resistance that is usually in it Temperature range used nickel-based super alloys.
  • the turbine blade 1 shows a ductility of 0.5 to 1% corresponding to the material of the blade leaf 2, which means that the ductility of the blade is not negatively influenced by the boundary layer 6.
  • 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 of the boundary layer 6 is sufficient to ensure safe operation of the turbine blade 1 at high temperatures.
  • An increased strength of the boundary layer 6 can be achieved in that the two alloys - as shown in FIG. 2 - are at least partially or completely interlocked in the region of the boundary layer 6. This can be effected in a simple manner before the casting body is introduced into the press can 4 by grinding or sandblasting the casting body at its end receiving the blade root 3 to a roughness depth of up to 0.1 mm.
  • a body made of a hot-isostatically compressed powder can also be introduced into the press can 4.
  • approx. 100 g of an alloy powder with 48 atom percent Al, 3 atom percent Cr, rest Ti and small amounts of impurities at temperatures between 1050 and 1300 ° C. and a pressure of approx. 250 MPa were used for approx. 3 Hours hot isostatically compressed.
  • the compacted powder was then heat-treated at temperatures between 1300 and 1400 ° C for a few hours.
  • the resulting body was then brought into the press can 4 shown in FIG. 2 and, under the conditions described there, was hot isostatically compressed together with the powder forming the blade root 3. That after appropriate heat treatment and post-processing
  • the resulting turbine blade had a ductility of the airfoil 2 at room temperature which was increased by approximately 50% compared to the turbine blade according to FIG.
  • a blade root 3 made of a nickel-based alloy was molded onto the blade made of gamma titanium aluminide.
  • 4 powders of the nickel-based alloy were filled into the press can already containing the airfoil or alternatively into the press can welded onto the airfoil.
  • the press can 4 was evacuated and sealed gas-tight.
  • a pore-free bimetallic composite material was produced by hot isostatic pressing for approx. 3 hours at approx. 1000 to 1250 ° C and a pressure of approx. 250 MPa, from which after removing the press jug 4, after heat treatment at approx. 700 ° to 800 ° C and material-removing post-processing a turbine blade was produced according to the invention.
  • the boundary layer 6 had particularly good strength.
  • 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. LIST OF DESIGNATIONS 1 Turbine blade 4th press jug 2nd Airfoil 5 opening 3rd Blade root 6 Boundary layer

Abstract

Ein Bauteil für den Einsatz bei hohen Temperaturen, insbesondere Turbinenschaufel, enthält einen einen ersten Abschnitt (Schaufelfuss 3) und einen zweiten Abschnitt (Schaufelblatt 2). Der erste Abschnitt (3) ist von einem duktilen Werkstoff gebildet. Hingegen weist der zweite Abschnitt (2) einen gegenüber dem duktilen Werkstoff spröden, jedoch hochtemperaturbeständigen Werkstoff auf. Jeder der beiden Werkstoffe enthält jeweils Legierungen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung. Diese Legierungen sind unter Bildung einer den ersten (3) und den zweiten Abschnitt (2) verbindenden Grenzschicht (6) zu einem bimetallischen Verbundwerkstoff heissverdichtet. Eine den ersten Abschnitt bildende erste Legierung enthält überwiegend Titan und/oder Nickel. Eine den zweiten Abschnitt bildende zweite Legierung enthält ein gamma-Titanaluminid mit einem Anteil von mindestens 0,5 und höchstens 8 Atomprozent an Dotierstoff. <IMAGE>

Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Bauteil für hohe Temperaturen, insbesondere von einer Turbinenschaufel, gemäss dem einleitenden Teil von Patentanspruch 1.
    • STAND DER TECHNIK
  • Ein solches Bauteil und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils sind in DE 28 13 892 A1 beschrieben. Das beschriebene Bauteil ist als Turbinenlaufrad ausgebildet, welches durch Heisspressen von Metallpulvern mit unterschiedlichen Teilchenstrukturen und unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen hergestellt worden ist. Bei diesem Turbinenlaufrad wurde als Ausgangsmaterial für die Schaufeln mechanisch vorbehandeltes Pulver einer Nickelbasis-Superlegierung, wie beispielsweise der Legierung IN 792, mit Teilchen in Form abgeplatteter Kügelchen verwendet. Als Ausgangsmaterial für die Laufradscheibe wurde ein mechanisch nicht vorbehandeltes Pulver einer anderen Nickelbasis-Superlegierung, wie beispielsweise der Legierung IN 100, mit kugelförmigen Teilchen verwendet. Aufgrund der Struktur und der chemischen Zusammensetzung der Ausgangspulver zeichnen sich die Schaufeln durch eine gute Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen aus und weist die Laufradscheibe eine hohe Zugfestigkeit und eine gute Ermüdungsbeständigkeit auf. Als Ausgangsmaterialien für das Turbinenlaufrad sind jedoch nur Legierungen geeignet, die wie die einander sehr verwandten Nickelbasis-Superlegierungen ohne Veränderung ihrer Gefüge und damit ihrer Eigenschaften den hohen Temperaturen beim heissisostatischen Pressen ausgesetzt werden können. Daher können bei der Herstellung dieses Turbinenlaufrades keine Legierungen verwendet werden, die zwar je für sich hervorragende Eigenschaften für unterschiedliche Aufgaben aufweisen, welche aber nur bei erheblich voneinander abweichenden Temperaturen heissverdichtet werden können.
    • KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen 1 und 5 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil, insbesondere eine Turbinenschaufel, der eingangs genannten Art anzugeben, welche sich bei Einsatz in einer bei hohen Temperaturen betriebenen Vorrichtung, wie insbesondere einer Gasturbine, 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 Teile des Bauteils aus unterschiedlich spezifizierten Legierungen bestehen, welche an die unterschiedlichen Beanspruchungen der Teile des Bauteils angepasst sind. Zum anderen sind diese Legierungen so ausgewählt, dass sie beim Heissverdichten zu einem bimetallischen Verbundwerkstoff eine Grenzschicht hoher Festigkeit bilden. Das Bauteil nach der Erfindung kann daher mit grosser Sicherheit hohe thermische und mechanische Belastungen aufnehmen, wie sie etwa bei Betrieb einer Gasturbine oder eines Verdichters eines Turboladers auftreten.
  • Das zur Herstellung der erfindungsgemässen Bauteile verwendete Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Heissverdichten bei Temperaturen ausgeführt wird, bei denen die für die angestrebten pysikalischen oder chemischen Eigenschaften erwünschten Gefüge der Legierungen auch dann mit grosser Sicherheit vorliegen, wenn die die Ausgangspulver bildenden Legierungen stark voneinander abweichende chemische Zusammensetzungen aufweisen.
    • 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 ausgebildeten 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 mit Legierungspulver aufgefüllt. Die Presskanne 4 wird sodann evakuiert und gasdicht verschlossen.
  • Als Werkstoff für den Gusskörper werden dotierte gamma-Titanaluminide und für das Pulver Legierungen auf der Basis von Titan oder Nickel verwendet. Die den Gusskörper bildende Legierung ist mit Vorteil ein gamma-Titanaluminid mit einen Anteil von mindestens 0,5 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. Eine typische Legierung ist beispielsweise eine solche, die 48 Atomprozent Al, 2 bis 4 Atomprozent Chrom und als Rest neben nicht zu vermeidenden Verunreinigungen Ti aufweist. Besonders bewährt hat sich eine Legierung mit der nachfolgend angegebene Zusammensetzung in Gewichtsprozent 33,2 Al - 3,9 Cr - Verunreinigungen kleiner 0,5 - Rest Ti. Gamma-Titanaluminide zeichnen sich durch eine geringe Dichte und eine gute mechanische Beständigkeit bei Temperaturen von bis zu 800°C aus. Jedoch ist ihre Duktilität vergleichsweise gering (<4%).
  • Die in Form von Pulver verwendete Titan-Basislegierung enthält neben dem Titan Aluminium und einen Anteil an bis zu 20 Atomprozent eines oder mehrerer Zusatzelemente, wie insbesondere V und/oder Nb. Typische Legierungen enthalten neben nicht zu vermeidenden Verunreinigungen und Ti entweder 6 Atomprozent Al und 4 Atomprozent V oder 24 Atomprozent Al und 11 Atomprozent Nb.
  • Die in Form von Pulver verwendete Nickel-Basislegierung kann beispielsweise die Legierung IN 792 sein (Zusammensetzung in Gewichtsprozent Ni -0,12 C - 12,4 Cr - 9,0 Co - 1,9 Mo - 3,8 W - 3,9 Ta - 3,1 Al - 4,5 Ti - 0,2 B - 0,1 Zr).
  • Die Grösse der Pulverteilchen ist bei allen verwendeten Pulvern kleiner 500 µm. Derartige Titan- und Nickel- Basis-legierungen zeichnen sich durch eine gute Duktilität (>10%) bei Raumtemperatur aus. Die mechanische Beständigkeit der Titan-Basislegierungen bei hohen Temperaturen ist jedoch nicht so hoch wie jene von gamma-Titanaluminiden. Nickel-Basislegierungen hingegen weisen eine wesentlich höhere Dichte als gamma-Titanaluminide auf.
  • Die durch gasdichtes Verschliessen der Presskanne 4 fertiggestellte Probe wurde in eine Pressvorrichtung gebracht und bei Verwendung einer Titan-Basislegierung bei Temperaturen zwischen 900 und 980°C heiss-isostatisch verdichtet. Ein typischer Pressvorgang bei ca. 950°C dauerte bei einem Druck von ca. 200 MPa ca. 3 Stunden. Hierbei wurden die beiden Legierungen unter Bildung einer Grenzschicht 6 porenfrei zu einem bimetallischen Verbundwerkstoff verdichtet.
  • Dieser bereits die Form der Turbinenschaufel aufweisende Verbundwerkstoff wurde nach Entfernen der deformierten Presskanne 4 sodann bei Temperaturen von ca. 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.
  • Aus dem Schliffbild gemäss Fig.3 sind der Aufbau und die Gefügestruktur eines in Fig.2 umrandet angegebenen Teils der 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 die die beiden Legierungen miteinander verbindende Grenzschicht 6 nahezu unstrukturiert ist und gemäss chemischer Analyse im wesentlichen von einer binären TiAl-Legierung mit einem Anteil von ca. 25 Atomprozent Al gebildet ist.
  • Werkstoffuntersuchungen haben für den der erfindungsgemässen Turbinenschaufel 1 zugrundeliegenden bimetallischen Verbundwerkstoff folgende Eigenschaften ergeben:
    Die das Schaufelblatt 2 bildende Legierung weist bei Raumtemperatur eine Duktilität von ca. 0,5 bis 1% , die den Schaufelfuss 3 bildende Legierung hingegen eine solche von 18 bis 20 % auf. Bei einer Temperatur von ca. 700°C besitzt das Schaufelblatt 2 eine Kriechfestigkeit, welche erheblich über der Kriechfestigkeit der üblicherweise in diesem Temperaturbereich verwendeten Nickelbasis-Superlegierungen liegt. Die Turbinenschaufel 1 zeigt eine dem Werkstoff des Schaufelblattes 2 entsprechende Duktilität von 0.5 bis 1% auf, was bedeutet, dass durch die Grenzschicht 6 die Duktilität der Schaufel nicht negativ beeinflusst wird. 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 der Grenzschicht 6 reicht aus, um einen sicheren Betrieb der Turbinenschaufel 1 bei hohen Temperaturen zu gewährleisten.
  • Eine erhöhte Festigkeit der Grenzschicht 6 kann dadurch erreicht werden, dass die beiden Legierungen - wie in Fig.2 dargestellt - im Bereich der Grenzschicht 6 zumindest teilweise oder aber vollständig ineinander verzahnt sind. Dies kann vor dem Einbringen des Gusskörpers in die Presskanne 4 in einfacher Weise durch Schleifen oder Sandstrahlen des Gusskörpers an seinem den Schaufelfuss 3 aufnehmenden Ende bis zu einer Rauhtiefe von bis zu 0.1 mm bewirkt werden.
  • 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 wurden ca. 100 g eines Legierungspulvers mit 48 Atomprozent Al, 3 Atomprozent Cr, Rest Ti und geringe Mengen an Verunreinigungen bei Temperaturen zwischen 1050 und 1300°C und einem Druck von ca. 250 MPa während ca. 3 Stunden heiss-isostatisch verdichtet. Das verdichtete Pulver wurde anschliessend bei Temperaturen zwischen 1300 und 1400°C wenige Stunden wärmebehandelt. 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 Pulver heiss-isostatisch verdichtet. Die nach entsprechender Wärmebehandlung und entsprechender Nachbearbeitung resultierende Turbinenschaufel wies gegenüber der Turbinenschaufel gemäss Fig.2 bei gleichbleibend guter Kriechfestigkeit eine um ca. 50% erhöhte Duktilität des Schaufelblattes 2 bei Raumtemperatur auf.
  • In einer weiteren Variante der Erfindung wurde an das aus gamma-Titanaluminid bestehende Schaufelblatt ein Schaufelfuss 3 aus einer Nickel-Basislegierung angeformt. Zu diesem Zweck wurde in die bereits das Schaufelblatt enthaltende oder alternativ in die an das Schaufelblatt angeschweisste Presskanne 4 Pulver der Nickel-Basislegierung eingefüllt. Die Presskanne 4 wurde evakuiert und gasdicht verschlossen. Durch heiss-isostatisches Pressen während ca. 3 Stunden bei ca. 1000 bis 1250°C und einem Druck von ca. 250 MPa wurde ein porenfreier bimetallischer Verbundwerkstoff hergestellt, aus dem nach Entfernen der Presskanne 4, nach Wärmebehandeln bei ca. 700° bis 800°C und materialentfernender Nachbearbeitung eine Turbinenschaufel nach der Erfindung hergestellt wurde. Bei dieser Turbinenschaufel wies die Grenzschicht 6 eine besonders gute Festigkeit auf.
  • 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 4 presskanne
    2 Schaufelblatt 5 Öffnung
    3 Schaufelfuss 6 Grenzschicht

Claims (9)

  1. Hohen Temperaturen aussetzbares Bauteil, insbesondere Turbinenschaufel (1), mit einem zumindest einen ersten Abschnitt (Schaufelfuss 3) und zumindest 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 und jeder der beiden Werkstoffe jeweils eine von zwei Legierungen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung enthält, welche unter Bildung einer den ersten (3) und den zweiten Abschnitt (2) verbindenden Grenzschicht (6) zu einem bimetallischen Verbundwerkstoff heissverdichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine den ersten Abschnitt bildende erste der beiden Legierungen überwiegend Titan und/oder Nickel enthält, und dass eine den zweiten Abschnitt bildende zweite der beiden Legierungen ein gamma-Titanaluminid ist und einen Anteil von mindestens 0,5 und höchstens 8 Atomprozent an Dotierstoff aufweist.
  2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Legierung 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.
  3. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Legierung neben Titan auch Aluminium und Vanadium oder Aluminium und Niob enthält.
  4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Abschnitt im Bereich der Grenzschicht (6) ineinander verzahnt sind.
  5. Verfahren zur Herstellung des Bauteils nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Heissverdichten ein aus der zweiten Legierung gegossener oder aus Pulver der zweiten Legierung heissverdichteter Körper zumindest mit einem Ende in eine als Presskanne (4) ausgebildete Form geführt wird, und dass die erste Legierung als Pulver in die Presskanne gefüllt und mit dem in der Presskanne (4) befindlichen Ende des Körpers in Berührung gebracht wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, 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.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Heissverdichten bei Verwendung einer auf Titan basierenden erster Legierung bei Temperaturen zwischen 900 und 980°C durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Heissverdichten bei Verwendung einer auf Nickel basierenden ersten Legierung bei Temperaturen zwischen 1100 und 1250°C durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der durch Heissverdichten entstandene Verbundwerkstoff bei Temperaturen zwischen 700 und 800°C wärmebehandelt wird.
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