EP2216112A1 - Nickel-Basis-Gussbauteil mit einem Ausgleichskörper und Verfahren zum Herstellen des Nickel-Basis-Gussbauteils - Google Patents

Nickel-Basis-Gussbauteil mit einem Ausgleichskörper und Verfahren zum Herstellen des Nickel-Basis-Gussbauteils Download PDF

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EP2216112A1
EP2216112A1 EP09001830A EP09001830A EP2216112A1 EP 2216112 A1 EP2216112 A1 EP 2216112A1 EP 09001830 A EP09001830 A EP 09001830A EP 09001830 A EP09001830 A EP 09001830A EP 2216112 A1 EP2216112 A1 EP 2216112A1
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compensating
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Heinz Dallinger
Torsten-Ulf Dr. Kern
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Siemens AG
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Definitions

  • the invention relates to a nickel-based cast component and a method for producing a nickel-based cast component, wherein the nickel-based cast component is in particular a steam turbine housing.
  • Steam turbines are used for example in steam power plants at live steam temperatures up to 620 ° C and up to a shaft power of 1000 MW. It is desirable to select the steam temperature as high as possible to increase the efficiency of the steam power plant, the steam temperature is sought up to 720 ° C. In particular, areas of the housing of the steam turbine are in direct contact with the live steam, so that the use of nickel-based materials for reasons of strength is necessary for this purpose. This affects in particular the high-pressure inner casing, the intermediate-pressure inner casing and valves of the steam turbine. In addition, the components of the steam turbine up to a power range of 1000 MW such a high weight that the limits of manufacturability and manageability can be at least partially exceeded.
  • the use of the nickel-based alloys for the components of the steam turbine leads to high production costs, wherein the production times of these components are long.
  • the machining of the components, such as milling, broaching or drilling, due to the material of the nickel-base alloys is complicated and expensive.
  • the object of the invention is to provide a nickel-base cast component which is easier to produce by a corresponding method for producing this nickel-base cast component.
  • the nickel-based cast component according to the invention has a compensation body, which is cast into the cast component and thereby covers a cavity formed in the nickel-based material, wherein the compensation body is compressed by the surrounding nickel-based material such that Cooling of the cast component during its production by casting the compensating body has given way to a shrinkage of the surrounding nickel-based material, whereby the formation of cracks in the nickel-based material caused by the shrinkage is prevented.
  • the compensation body is formed such that it is a hollow body before shrinking, which collapsed after shrinking in itself and is thereby destroyed. Further, it is preferred that the compensation body is formed as a solid body, the material of which prior to casting has at least such a high porosity that the pores in the material of the solid body are compressed by the shrinkage. It is preferred that the material of the compensation body is ceramic.
  • the compensating body is formed as a hollow body, which is slotted by a parting line, on which the hollow body overlaps after shrinking.
  • the compensating body is formed as a hollow body composed of at least two shell elements, the shell elements, after shrinking at their edges, overlapping each other.
  • the compensation body is formed with a lattice structure defining the outer surface of the compensation body which is closed. Preferred dimensions of the material of the compensating body is steel.
  • the compensating body is furthermore preferably coated with a separating layer, with which it is prevented that the compensating body is connected to the surrounding nickel-based material is.
  • the nickel-based material preferably comprises a solid solution hardening alloy.
  • the nickel-based cast component is a steam turbine casing.
  • the cavity is a channel provided in the nickel-base cast component and / or an undercut provided in the nickel-base cast component.
  • the method according to the invention for producing a nickel-base cast component comprises the steps of: casting the nickel-base cast component while inserting the compensation body; Cooling the nickel base cast component; Remove the balance body from the nickel base cast component.
  • the compensating body is removed during post-processing of the nickel-base cast component.
  • the compensation body is cast, whereby a cavity is defined by the compensation body.
  • the compensating body is deformed or destroyed by the shrinkage during solidification of the nickel-based material and can be easily removed thereby.
  • cracking in the nickel-base cast component is prevented during the shrinking process.
  • the compensating body is provided with a greater deformability than the nickel-based material in that the compensating body is provided with a targeted weakening of its structure.
  • the solid solution hardening alloy has the advantage that in the case of a subsequent heat treatment of the nickel-based cast component there are no structure-related or precipitation-related stresses at critical radii or cavities or transitions. As a result, cracking in the nickel-based cast component is prevented.
  • the inventively defined generation of the cavity in the nickel-based cast component by pouring the compensation body, taking into account the shrinkage behavior of the nickel-based material cracking in the nickel-base cast component can be prevented. If the compensating body is provided with the separating layer, then a connection of the compensating body to the nickel-based material is prevented, wherein the compensating body can be removed within the framework of a post-processing of the nickel-based cast component.
  • the nickel-based cast component according to the invention may advantageously have a complicated geometric shape, wherein the strength of the nickel-base cast component is not impaired thereby.
  • the processing time of the nickel-based cast component is reduced and its weight reduced by the provision of the cavity.
  • larger nickel-based cast components tend to be produced with the same material use as without cavity formation.
  • a steam turbine casing 1 has a cavity 2.
  • the cavity 2 is filled by a compensating body 3.
  • a ceramic body 4 which is formed as a solid body, the material prior to casting of the steam turbine housing 1 has at least such a high porosity that the pores of the ceramic body 4 are compressed by the shrinkage of the ceramic body 4 in the cavity 2.
  • the compensation body 3 is shown as a steel body 5, which is formed as a hollow body 6.
  • the outer surface of the hollow body 6 is provided with a separating layer 7, with which it is prevented that the hollow body 6 is connected in the cavity 2.
  • a first embodiment of the hollow body 6 is shown, wherein the hollow body 6 is formed as a cylinder.
  • the hollow body 6 is provided with a slot which extends in the longitudinal direction of the hollow body 6, wherein at the slot 8, the hollow body 6 has a first tab 9 and a second tab 10, wherein, when the hollow body 6 is compressed in the radial direction, the first Tab 9 and the second tab 10 are arranged overlapping each other.
  • a second embodiment of the hollow body 6 is shown, which is formed from two semi-cylindrical shell elements 11, 12.
  • the shell elements 11, 12 each have an edge 13, wherein the edges 13 of the shell elements 11, 12 are radially offset from each other so that the edges 13 of the second shell member 12 radially disposed within the edges 13 of the first shell member 11 are.
  • the edges 13 of the first shell element 11 slide against one another at the edges 13 of the second shell element 12 in the circumferential direction of the hollow body 6, whereby the radial extension of the hollow body 6 is reduced.

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Abstract

Ein Nickel-Basis-Gussbauteil weist einen Ausgleichskörper (3, 4, 5) auf, der in das Gussbauteil (1) eingegossen ist und dadurch einen in dem Nickel-Basis-Material (1) ausgebildeten Hohlraum (2) ausfüllt, wobei der Ausgleichskörper (3, 4, 5) von dem ihn umgebenden Nickel-Basis-Material derart komprimiert ist, dass nach Abkühlen des Gussbauteils (1) bei dessen Herstellung durch Gießen der Ausgleichskörper (3, 4, 5) einem Schrumpfen des ihn umgebenden Nickel-Basis-Materials nachgegeben hat, wodurch die Bildung von Rissen in dem Nickel-Basis-Material hervorgerufen, durch das Schrumpfen, unterbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Nickel-Basis-Gussbauteil und ein Verfahren zum Herstellen eines Nickel-Basis-Gussbauteils, wobei das Nickel-Basis-Gussbauteil insbesondere ein Dampfturbinengehäuse ist.
  • Dampfturbinen werden beispielsweise in Dampfkraftwerken bei Frischdampftemperaturen bis zu 620°C und bis zu einer Wellenleistung von 1000 MW eingesetzt. Es ist erstrebenswert zur Wirkungsgradsteigerung des Dampfkraftwerks die Frischdampftemperatur möglichst hoch zu wählen, wobei die Frischdampftemperatur bis zu 720°C angestrebt wird. Insbesondere Bereiche des Gehäuses der Dampfturbine sind mit dem Frischdampf in Berührkontakt, so dass hierfür der Einsatz von Nickel-Basis-Werkstoffen aus Festigkeitsgründen notwendig ist. Betroffen hiervon sind insbesondere das Hochdruckinnengehäuse, das Mitteldruckinnengehäuse und Ventile der Dampfturbine. Außerdem haben die Komponenten der Dampfturbine bis zu einem Leistungsbereich von 1000 MW ein derart hohes Gewicht, dass die Grenzen der Herstellbarkeit und der Handhabbarkeit zumindest teilweise überschritten sein können. Der Einsatz der Nickel-Basis-Legierungen für die Komponenten der Dampfturbine führt zu hohen Herstellungskosten, wobei die Herstellungszeiten dieser Komponenten lang sind. Außerdem ist die spanende Bearbeitung der Komponenten, wie beispielsweise Fräsen, Räumen oder Bohren, aufgrund des Materials aus den Nickel-Basis-Legierungen kompliziert und aufwendig.
  • Aufgabe der Erfindung ist es ein Nickel-Basis-Gussbauteil zu schaffen, das einfacher herstellbar durch ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen dieses Nickel-Basis-Gussbauteils.
  • Das erfindungsgemäße Nickel-Basis-Gussbauteil weist einen Ausgleichskörper auf, der in das Gussbauteil eingegossen ist und dadurch einen in dem Nickel-Basis-Material ausgebildeten Hohlraum aushüllt, wobei der Ausgleichskörper von dem ihn umgebenden Nickel-Basis-Material derart komprimiert ist, dass nach Abkühlen des Gussbauteils bei dessen Herstellung durch Gießen der Ausgleichskörper einem Schrumpfen des ihn umgebenden Nickel-Basis-Materials nachgegeben hat, wodurch die Bildung von Rissen in dem Nickel-Basis-Material, hervorgerufen durch das Schrumpfen, unterbunden ist.
  • Bevorzugt ist der Ausgleichskörper derart gebildet, dass er vor dem Schrumpfen ein Hohlkörper ist, der nach dem Schrumpfen in sich zusammengefallen und dadurch zerstört ist. Ferner ist es bevorzugt, dass der Ausgleichskörper als ein Vollkörper ausgebildet ist, dessen Material vor dem Gießen eine mindestens derart hohe Porosität hat, dass durch das Schrumpfen die Poren in dem Material des Vollkörpers zusammengedrückt sind. Bevorzugt ist es, dass das Material des Ausgleichskörpers Keramik ist.
  • Alternativ ist es bevorzugt, dass der Ausgleichskörper als ein Hohlkörper ausgebildet ist, der von einer Teilfuge geschlitzt ist, an der der Hohlkörper nach dem Schrumpfen sich überlappt. Außerdem ist es als eine Alternative bevorzugt, dass der Ausgleichskörper als ein Hohlkörper gebildet ist, der von mindestens zwei Schalenelementen zusammengesetzt ist, wobei die Schalenelemente nach dem Schrumpfen an ihren Rändern sich überlappend aneinander liegen. Ferner alternativ ist es bevorzugt, dass der Ausgleichskörper mit einer Gitterstruktur gebildet ist, die die Außenoberfläche des Ausgleichskörpers definiert, die geschlossen ist. Bevorzugtermaßen ist das Material des Ausgleichskörpers hierbei Stahl.
  • Der Ausgleichskörper ist ferner bevorzugt mit einer Trennschicht überzogen, mit der es unterbunden ist, dass der Ausgleichskörper an das ihn umgebende Nickel-Basis-Material angebunden ist. Das Nickel-Basis-Material weist bevorzugt eine Mischkristall härtende Legierung auf.
  • Bevorzugtermaßen ist das Nickel-Basis-Gussbauteil ein Dampfturbinengehäuse. Dabei ist es bevorzugt, dass der Hohlraum ein in dem Nickel-Basis-Gussbauteil vorgesehener Kanal und/oder eine in dem Nickel-Basis-Gussbauteil vorgesehene Hinterschneidung ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Nickel-Basis-Gussbauteils weist die Schritte auf: Gießen des Nickel-Basis-Gussbauteils unter Einlegen des Ausgleichskörpers; Abkühlen des Nickel-Basis-Gussbauteils; Entfernen des Ausgleichskörpers aus dem Nickel-Basis-Gussbauteil. Bevorzugt wird der Ausgleichskörper bei einer Nachbearbeitung des Nickel-Basis-Gussbauteils aus diesem entfernt.
  • Somit wird in dem Nickel-Basis-Gussbauteil der Ausgleichskörper eingegossen, wodurch von dem Ausgleichskörper ein Hohlraum definiert ist. Der Ausgleichskörper wird durch den Schrumpfvorgang beim Erstarren des Nickel-Basis-Materials verformt oder zerstört und kann dadurch leicht entfernt werden. Somit ist beim Schrumpfvorgang eine Rissbildung im Nickel-Basis-Gussbauteil unterbunden. Erfindungsgemäß ist der Ausgleichskörper mit einer stärkeren Verformbarkeit ausgestattet wie das Nickel-Basis-Material, indem der Ausgleichskörper mit einer gezielten Schwächung seiner Struktur versehen ist. Dadurch, dass mit dem Ausgleichskörper der Hohlraum in dem Nickel-Basis-Gussbauteil geschaffen wird, ist das Schmelzengewicht für das Nickel-Basis-Gussbauteil vorteilhaft reduziert. Ferner können mit dem Nickel-Basis-Gussbauteil komplizierte konstruktive Ausführungen realisiert werden, die über eine Bearbeitung eines Vollgussstücks nicht umsetzbar wären. Die Mischkristall härtende Legierung hat den Vorteil, dass bei einer nachträglichen Wärmebehandlung des Nickel-Basis-Gussbauteils sich keine gefügebedingten oder ausscheidungsbedingten Spannungen an kritischen Radien, Hohlräumen oder Übergängen einstellen. Dadurch ist eine Rissbildung in dem Nickel-Basis-Gussbauteil unterbunden.
  • Durch die erfindungsgemäß definierte Erzeugung von dem Hohlraum in dem Nickel-Basis-Gussbauteil durch Eingießen des Ausgleichskörpers unter Berücksichtigung des Schrumpfverhaltens des Nickel-Basis-Materials kann die Rissbildung in dem Nickel-Basis-Gussbauteil unterbunden werden. Ist der Ausgleichskörper mit der Trennschicht versehen, so ist eine Anbindung des Ausgleichskörpers an das Nickel-Basis-Material unterbunden, wobei der Ausgleichskörper im Rahmen einer Nachbearbeitung des Nickel-Basis-Gussbauteils entfernt werden kann.
  • Das erfindungsgemäße Nickel-Basis-Gussbauteil kann vorteilhaft eine komplizierte geometrische Form haben, wobei die Festigkeit des Nickel-Basis-Gussbauteils dadurch nicht beeinträchtigt ist. Außerdem ist die Bearbeitungszeit des Nickel-Basis-Gussbauteils verringert und dessen Gewicht durch das Vorsehen des Hohlraums reduziert. Dadurch sind tendenziell größere Nickel-Basis-Gussbauteile bei gleichem Materialeinsatz wie ohne Hohlraumausbildung herstellbar.
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Nickel-Basis-Gussbauteils anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen Querschnitt durch einen Ausschnitt eines Dampfturbinengehäuses, und
    Fig. 2 bis 5
    Querschnitte von Ausgleichskörpern.
  • Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, weist ein Dampfturbinengehäuse 1 einen Hohlraum 2 auf. Der Hohlraum 2 wird von einem Ausgleichskörper 3 ausgefüllt. Gemäß Fig. 2 ist der Ausgleichskörper 3 ein Keramikkörper 4, der als ein Vollkörper ausgebildet ist, dessen Material vor dem Gießen des Dampfturbinengehäuses 1 mindestens eine derart hohe Porosität hat, dass durch das Schrumpfen des Keramikkörpers 4 in dem Hohlraum 2 die Poren des Keramikkörpers 4 zusammengedrückt sind. In Fig. 3 ist der Ausgleichskörper 3 als ein Stahlkörper 5 gezeigt, der als ein Hohlkörper 6 ausgebildet ist. Die Außenoberfläche des Hohlkörpers 6 ist mit einer Trennschicht 7 versehen, mit der es unterbunden ist, dass der Hohlkörper 6 in dem Hohlraum 2 angebunden ist.
  • In Fig. 4 ist eine erste Ausführungsform des Hohlkörpers 6 gezeigt, wobei der Hohlkörper 6 als ein Zylinder ausgebildet ist. Der Hohlkörper 6 ist mit einem Schlitz versehen, der in Längsrichtung des Hohlkörpers 6 sich erstreckt, wobei an dem Schlitz 8 der Hohlkörper 6 eine erste Lasche 9 und eine zweite Lasche 10 aufweist, wobei, wenn der Hohlkörper 6 in Radialrichtung zusammengedrückt ist, die erste Lasche 9 und die zweite Lasche 10 einander überlappend angeordnet sind. In Fig. 5 ist eine zweite Ausführungsform des Hohlkörpers 6 gezeigt, der aus zwei halbzylindrischen Schalenelementen 11, 12 gebildet ist. In Längsrichtung des Hohlkörpers 6 weisen die Schalenelemente 11, 12 jeweils einen Rand 13 auf, wobei die Ränder 13 der Schalenelemente 11, 12 radial zueinander so versetzt sind, dass die Ränder 13 des zweiten Schalenelements 12 radial innerhalb der Ränder 13 des ersten Schalenelements 11 angeordnet sind. Beim radialen Zusammendrücken des Hohlkörpers 6 gleiten die Ränder 13 des ersten Schalenelements 11 an den Rändern 13 des zweiten Schalenelements 12 in Umfangsrichtung des Hohlkörpers 6 aneinander, wodurch die radiale Erstreckung des Hohlkörpers 6 reduziert wird.

Claims (14)

  1. Nickel-Basis-Gussbauteil mit einem Ausgleichskörper (3, 4, 5), der in das Gussbauteil (1) eingegossen ist und dadurch einen in dem Nickel-Basis-Material (1) ausgebildeten Hohlraum (2) ausfüllt,
    wobei der Ausgleichskörper (3, 4, 5) von dem ihn umgebenden Nickel-Basis-Material derart komprimiert ist, dass nach Abkühlen des Gussbauteils (1) bei dessen Herstellung durch Gießen der Ausgleichskörper (3, 4, 5) einem Schrumpfen des ihn umgebenden Nickel-Basis-Materials nachgegeben hat, wodurch die Bildung von Rissen in dem Nickel-Basis-Material hervorgerufen, durch das Schrumpfen, unterbunden ist.
  2. Nickel-Basis-Gussbauteil gemäß Anspruch 1,
    wobei der Ausgleichskörper (3) derart gebildet ist, dass er vor dem Schrumpfen ein Hohlkörper ist, der nach dem Schrumpfen in sich zusammengefallen und dadurch zerstört ist.
  3. Nickel-Basis-Gussbauteil gemäß Anspruch 1 oder 2,
    wobei der Ausgleichskörper (3) als ein Vollkörper ausgebildet ist, dessen Material vor dem Gießen eine mindestens derart hohe Porosität hat, dass durch das Schrumpfen die Poren in dem Material des Vollkörpers zusammengedrückt sind.
  4. Nickel-Basis-Gussbauteil gemäß Anspruch 2 oder 3,
    wobei das Material des Ausgleichskörpers (4) Keramik ist.
  5. Nickel-Basis-Gussbauteil gemäß Anspruch 1,
    wobei der Ausgleichskörper (3) als ein Hohlkörper (6) gebildet ist, der von einer Teilfuge (8) geschlitzt ist, an der der Hohlkörper (6) nach dem Schrumpfen sich überlappt.
  6. Nickel-Basis-Gussbauteil gemäß Anspruch 1,
    wobei der Ausgleichskörper (3) als ein Hohlkörper (6) gebildet ist, der von mindestens zwei Schalenelementen (11, 12) zusammen gesetzt ist,
    wobei die Schalenelemente (11, 12) nach dem Schrumpfen an ihren Rädern (13) sich überlappend aneinander liegen.
  7. Nickel-Basis-Gussbauteil gemäß Anspruch 1,
    wobei der Ausgleichskörper (3) mit einer Gitterstruktur gebildet ist, die die Außenoberfläche des Ausgleichskörpers (3) definiert, die geschlossen ist.
  8. Nickel-Basis-Gussbauteil gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7,
    wobei das Material des Ausgleichskörpers (5) Stahl ist.
  9. Nickel-Basis-Gussbauteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8,
    wobei der Ausgleichskörper (3, 4, 5) mit einer Trennschicht (7) überzogen ist, mit der es unterbunden ist, dass der Ausgleichskörper (3, 4, 5) an das ihn umgebende Nickel-Basis-Material angebunden ist.
  10. Nickel-Basis-Gussbauteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9,
    wobei das Nickel-Basis-Material eine Mischkristall härtende Legierung aufweist.
  11. Nickel-Basis-Gussbauteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10,
    wobei das Nickel-Basis-Gussbauteil ein Dampfturbinengehäuse (1) ist.
  12. Nickel-Basis-Gussbauteil gemäß Anspruch 11,
    wobei der Hohlraum (2) ein in dem Nickel-Basis-Gussbauteil (1) vorgesehener Kanal und/oder eine in dem Nickel-Basis-Gussbauteil (1) vorgesehene Hinterschneidung ist.
  13. Verfahren zum Herstellen eines Nickel-Basis-Gussbauteils,
    mit den Schritten:
    Gießen des Nickel-Basis-Gussbauteils (1) unter Einlegen eines Ausgleichskörpers (3, 4, 5) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12;
    Abkühlen des Nickel-Basis-Gussbauteils (1);
    Entfernen des Ausgleichskörpers (3, 4, 5) aus dem Nickel-Basis-Gussbauteil (1).
  14. Verfahren gemäß Anspruch 13,
    wobei der Ausgleichskörpers (3, 4, 5) bei einer Nachbearbeitung des Nickel-Basis-Gussbauteils (1) aus diesem entfernt wird.
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