WO2003046228A1 - Verfahren und einrichtung zur wärmebehandlung von bauteilen - Google Patents

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WO2003046228A1
WO2003046228A1 PCT/EP2002/012310 EP0212310W WO03046228A1 WO 2003046228 A1 WO2003046228 A1 WO 2003046228A1 EP 0212310 W EP0212310 W EP 0212310W WO 03046228 A1 WO03046228 A1 WO 03046228A1
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heat treatment
components
grate
component
cooling medium
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PCT/EP2002/012310
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Peter Janschek
Lothar Knippschild
Karl Schreiber
Original Assignee
Thyssenkrupp Turbinenkomponenten Gmbh
Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg
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    • C21D1/44—Methods of heating in heat-treatment baths
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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 a method for cooling at the end of the heat treatment of components, in particular rotationally symmetrical components, such as forgings, in particular in the form of turbine disks for aircraft gas turbines or stationary gas turbines.
  • Components e.g. disks in turbo machines are often subjected to heat treatment to produce and produce the desired workpiece properties.
  • the very high heat input of the components over 1000 ° C into the heat treatment bath usually requires a heat exchange of the cooling medium during the cooling process.
  • flows are generated in the cooling medium, which increase the cooling rate at the flow areas of the components and thus generate further asymmetries of the clamps in the component.
  • This residual stress profile is thus uncontrolled, due to the different component geometry (mass distribution), temperature and viscosity of the cooling medium, etc. Due to the aforementioned uncontrolled conditions, these residual stresses in the area of the outer disc ring of the turbine discs can fluctuate by several 100 MPa, which can be up to corresponds to 30% of their material strength, so that definitely only the statistically verified, minimal residual compressive stresses can be used as a service life approach.
  • US Pat. No. 4,155,780 shows a method for the heat treatment of individual turbine disks by placing them within a heat capsule for the insulation of their inner component regions. Each turbine disk is then heated evenly to 1200 ° F and then cooled to 200 ° F within a coolant. The heat capsule is then removed and the turbine disk is cooled evenly further.
  • This measure is relatively problematic to integrate into existing heat treatment facilities. It is through the surrounding The box is complicated to handle and leads to extraordinarily large voltage differences, which can lead to the component floor. Furthermore, the cooling rate in the center area of the turbine disk is so slow that the required cooling rates are not achieved with many materials.
  • the proposal described requires a single component treatment, which also contradicts normal heat treatment processes and thus adversely affects the overall operation.
  • the components are generally only cooled on one side, namely preferably on the underside, since cooling medium flows in as a result of the convection and tends to form vapor bubbles with increasing dwell time on the component surface.
  • the location and time of the gas bubble formation are also random and not reproducible.
  • very thick-walled components can no longer be cooled sufficiently quickly in the structure due to insufficient heat dissipation.
  • novel materials such as titanium aluminides or high-strength nickel-based materials, cannot be cooled sufficiently quickly, so that essential positive material properties given by the materials can only be used insufficiently.
  • the object of the invention is therefore to provide a method and a device with which an improvement of the radial residual stress profile and an equalization of the tangential residual stress profile of the components to be treated, in particular of high-quality materials such as titanium aluminides or nickel-based materials and high-strength steels, can be achieved.
  • This goal is achieved on the one hand by a method for cooling at the end of the heat treatment of components, in particular rotationally symmetrical components, such as forged parts, in particular in the form of turbine disks for aircraft gas turbines or stationary gas turbines, in the area of a heat treatment bath by positioning at least one component within the heat treatment bath and that Component and / or the cooling medium within the bath are set in alternating relative movement to one another in such a way that an essentially uniform and in particular axis-symmetrical flow around the component is brought about by the cooling medium.
  • components in particular rotationally symmetrical components, such as forged parts, in particular in the form of turbine disks for aircraft gas turbines or stationary gas turbines
  • a device for cooling within the heat treatment of components comprising at least one heat treatment grate provided within a heat treatment bath for receiving at least one component, an alternating relative movement between the heat treatment grate or the component and the surrounding cooling medium being able to be brought about.
  • the method according to the invention and also the device according to the invention provide that a controlled - with rotationally symmetrical components - axial and symmetrical flow around the respective component is made possible by generating selectively adjustable flow conditions within the heat treatment bath.
  • the generation of the flow conditions mentioned can be generated on the one hand by targeted up and down movement of the heat treatment grate accommodating the component or components or generation of a correspondingly directed flow movement by the defined swirling of the cooling medium within the heat treatment bath. Combined movements, both of the heat treatment grate and of the surrounding medium, are also conceivable.
  • the subject matter of the invention ensures that rotationally symmetrical flow around the components, which occurs preferably in the case of rotationally symmetrical components, such as in particular turbine disks for aircraft gas turbines or stationary gas turbines, is ensured.
  • This procedure offers the advantage that, due to the alternating relative movement of the components, the cooling medium is at rest, if necessary, regardless of the positioning accuracy of the components on the heat treatment grate and thus also in an industrial process environment each component on its own, which automatically adjusts the axially symmetrical flow around the top and bottom and thus also leads to robust and reproducible cooling even in an industrial working environment.
  • the bath movement for heat exchange of the cooling medium takes place below the heat treatment grate.
  • the largest part of the cooling medium is provided below the heat treatment grate at the upper stroke end of the heat treatment grate, so that a safe heat exchange of the cooling medium can take place without, however, adversely affecting the components located above by undesirable flows.
  • the lattice structure of the heat treatment grate is to be provided in such a way that the cooling medium can flow as freely as possible and soothes on the top of the heat treatment grate and exits in a laminar manner.
  • the heat treatment grate advantageously contains at least three spacer bolts for receiving one, in particular rotationally symmetrical, component, it being possible advantageously to provide a plurality of components on a heat treatment grate, aligned horizontally to one another.
  • a uniform axially symmetrical flow can also create around the respective component from the underside of the component.
  • flow plates can be provided in the area of the heat treatment grate and / or the components. Through a targeted arrangement at defined radial distances from the components, a defined influence on the flow rate and the heat transfer and thus the cooling rate can be achieved, since the cooling rate increases with increasing flow rate on the component surface.
  • the object of the invention has the following advantages over the prior art:
  • FIGS. 1 and 2 heat treatment baths, each containing a heat treatment grate once with and once without flow plates.
  • FIGS. 1 and 2 each show heat treatment baths 1 in which a cooling medium 2 formed in this example by oil is provided.
  • a heat treatment grate 3 is positioned within the heat treatment bath 1 and contains, for the purpose of receiving in this example turbine disks 4 made of a Ti-Al alloy for flying gas turbines, rotationally symmetrical components 4 bolt-shaped spacer elements 5. Only a single component 4 is shown, including a thinner outer region 4 ′ and a thicker inner region 4 ′′, the heat treatment grate 3 also being suitable for four or six components 4.
  • the tips of the spacer elements 5 are essentially on the outer edge of the outer region 4 ′. of the components 4.
  • the heat treatment grate 3 is provided such that it can be raised and lowered 3 'relative to the surrounding cooling medium 2, it also being possible, if necessary, to bring about a rotary rotation and / or pivoting movement 2' of the heat treatment grate 3 within the surrounding cooling medium
  • a substantially vertically directed flow component by means of which effects similar to those of alternating lifting and lowering 3 'of the heat treatment grate 3 can be produced a combination of said relative movements 2 ', 3', which the person skilled in the art will provide in a corresponding manner depending on the component 4 to be cooled.
  • flow plates 6 can be provided, if necessary, in the inner and outer area of the components 4, by means of which preferred flow conditions of the surrounding cooling medium can be generated, in particular in the thicker areas 4 ′′ of the component 4.
  • flow plates 6 can be provided, if necessary, in the inner and outer area of the components 4, by means of which preferred flow conditions of the surrounding cooling medium can be generated, in particular in the thicker areas 4 ′′ of the component 4.
  • Heat treatment grates 3 several components 4, aligned horizontally to one another, can be arranged next to one another, so that each individual component 4 can be flowed around symmetrically without complicated holding devices solely as a result of the cyclical lifting movement 3 'of the heat treatment grate 3.
  • the disadvantages described in the prior art are overcome by the subject matter of the invention, and in addition the cooling process proposed by the subject matter of the invention can be used to influence the radial residual stress profile. To achieve the desired mechanical material properties, significantly higher cooling rates than with conventional heat treatment systems can be achieved compared to the prior art.
  • the subject of the invention can also be used to prefer newer material classes, such as Titanium aluminides or nickel-based materials as well as high-strength steels must be taken into account accordingly.
  • Turbine disk consisting of (in atomic%) 45% AI, 8% Nb, 0.2%
  • the turbine disks are solution-annealed before cooling in the heat treatment bath at an ⁇ temperature of 1360 ° C. and, according to the invention, are to be rapidly cooled in the heat treatment bath containing oil as the cooling medium.
  • the turbine disks are positioned on the already mentioned heat treatment grate at a distance from the same.
  • the heat treatment grate is then introduced into the oil with alternating lifting and lowering movements, the flow conditions already mentioned being generated on the individual turbine disks.
  • the spread of the tangential residual stresses could be improved by 150 MPa or 75% compared to the prior art. If, in the case of components, not only is the uniformity of the tangential residual stress profiles to be improved, but also the cooling rate is to be increased, the person skilled in the art will select a stroke frequency and / or stroke movement that is increased as required.
  • the heat transfer in the laminar flow area of the turbine disks 4 to the cooling medium 2 increases approximately with the exponent 0.5 to the flow rate, so that the heat transfer and thus the cooling rate can be variably adjusted by the amplitude and frequency of the heat treatment grate 3.
  • the cooling rate can be advantageously influenced locally on component 4.
  • Arrows 2 ′ shown in FIGS. 1 and 2 show the flow conditions that can be generated within the heat treatment bath 1, the passage of the surrounding cooling medium 2 in the vertical direction being able to be generated through the recesses 7 of the heat treatment grate 3.
  • rotationally symmetrical forgings such as turbine disks for aircraft gas turbines or stationary gas turbines
  • rotationally symmetrical forgings can be improved and improved with regard to their radial internal stress profiles with regard to their tangential residual stress profiles are made more uniform, namely by the already described vertical alternating relative movement of the components 4 to the surrounding cooling medium 2 in the axial component direction.
  • the components 4 evenly achsensymmetris' ch flows around and with appropriate design of the heat treatment gratings 3 (7), the components 4 can be laminar flow in the axial direction are rotationally symmetrical.

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Abstract

Verfahren zur Abkühlung am Ende der Wärmebehandlung von Bauteilen, insbesondere rotationssymmetrischen Bauteilen, wie Schmiedeteilen, insbesondere in Form von Turbinenscheiben für Fluggasturbinen oder stationäre Gasturbinen, im Bereich eines Wärmebehandlungsbades, indem mindestens ein Bauteil innerhalb des Wärmebehandlungsbades positioniert und das Bauteil und/oder das Kühlmedium, z.B. Öl oder Wasser, innerhalb des Bades dergestalt in alternierende Relativbewegung zueinander versetzt werden, dass eine im wesentlichen gleichmässige und insbesondere achsensymmetrische Umströmung des Bauteiles durch das Kühlmedium herbeigeführt wird.

Description

Verfahren und Einrichtung zur Wärmebehandlung von Bauteilen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abkühlung am Ende der Wärmebehandlung von Bauteilen, insbesondere rotationssymmetrischen Bauteilen, wie Schmiedeteilen, insbesondere in Form von Turbinenscheiben für Fluggasturbinen oder stationäre Gasturbinen.
Zur Herstellung und zur Erzeugung gewünschter Werkstückeigenschaften werden Bauteile (z.B. Scheiben in Turbomaschinen) vielfach einer Wärmebehandlung unterzogen.
Am Ende dieser Wärmebehandlung werden diese Bauteile zum Teil rasch abgekühlt, um die gewünschten Gefügeeigenschaften einzustellen. Dies geschieht üblicherweise in Wärmebehandlungsbädern, z.B. Öl- oder Wasserbädern. Gasblasenbildungen und Konvektion führen zu zum Teil unterschiedlichen, nicht kontrollierten Abkühlbedingungen, die zwangsläufig eine ebenso unkontrollierte Eigenspannungsverteilung innerhalb des Bauteiles nach sich ziehen. Die betriebsrelevanten Gebrauchseigenschaften der Bauteile hängen jedoch stark von den Abkühleigenschaften ab, so daß eine bessere Kontrolle und insbesondere Reproduzierbarkeit erstrebenswert erscheint.
Turbinenscheiben unterliegen, bedingt durch ihre im Betriebszustand hohen Drehzahlen, sehr hohen tangentialen Zugspannungen, welche die maximale Leistung dieser Bauteile begrenzen. Infolge der Abkühlung werden im äußeren Scheibenkreisbereich dieser Bauteile hohe tagentiale Druckeigenspannungen erzeugt, welche im zyklischen Belastungsfall die maximalen Zugspannungen deutlich herabsetzen (Absenkung der Mittelspannung) und damit die Lebensdauer erheblich verlängern. Diese Druckeigenspannungen stellen sich dadurch ungesteuert oder auch zufällig ein, daß die Bauteilwandstärken im genannten Bereich typischerweise geringer, als im inneren Bereich der Turbinenscheiben sind und damit einer höheren Abkühlgeschwindigkeit unterliegen.
Der sehr hohe Wärmeeintrag der über 1000°C warmen Bauteile in das Wärmebehandlungsbad macht üblicherweise einen Wärmeaustausch des Kühlmediums während des Abkühlvorgangs erforderlich. Dadurch werden Strömungen im Kühlmedium erzeugt, die die Abkühlrate an den angeströmten Bereichen der Bauteile erhöhen und damit weitere Asymmetrien der Einspannungen im Bauteil erzeugen. Dieses Eigenspannungsprofil stellt sich somit unkontrolliert ein, und zwar bedingt durch die unterschiedliche Bauteilgeometrie (Massenverteilung), Temperatur und Viskosität des Kühlmediums usw. Aufgrund der vorab genannten unkontrollierten Bedingungen können diese Eigenspannungen im Bereich des äußeren Scheibenkranzes der Turbinenscheiben um mehrere 100 MPa schwanken, was bis zu 30 % ihrer Werkstof f estig keit entspricht, so daß definitiv nur die statistisch abgesicherten, minimalen Druckeigenspannungen als Lebensdaueransatz nutzbar sind.
Der US-A 4,155,780 ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung einzelner Turbinenscheiben zu entnehmen, indem selbige innerhalb einer Wärmekapsel zur Isolierung ihrer inneren Bauteilbereiche plaziert werden. Die jeweilige Turbinenscheibe wird anschließend gleichmäßig auf 1 200°F erhitzt und anschließend innerhalb eines Kühlmittels auf 200 °F abgekühlt. Anschließend wird die Wärmekapsel entfernt und die Turbinenscheibe gleichmäßig weiter abgekühlt. Diese Maßnahme ist relativ problematisch in bestehende Wärmebehandlungseinrichtungen zu integrieren. Sie ist durch den umgebenden Kasten kompliziert handbar und führt zu außerordentlichen großen Spannungsunterschieden, die bis zum Bauteilboden führen können. Ferner ist die Abkühlgeschwindigkeit im Mittenbereich der Turbinenscheibe so gering, daß bei vielen Werkstoffen die erforderlichen Abkühlgeschwindigkeiten nicht erreicht werden. Der beschriebene Vorschlag erfordert eine Einzelbauteilbehandlung, was ebenfalls üblichen Abläufen bei der Wärmebehandlung widerspricht und damit den Gesamtablauf des Betriebes ungünstig beeinflußt.
Vorhandenes Festigkeitspotential von Werkstoffen kann nur teilweise genutzt werden, da durch unkontrollierte Eigenspannungsprofile Spannungsspitzen induziert werden, die die Bauteilbelastbarkeit herabsetzen. Radiale Eigenspannungsprofile stellen sich nach dem Stand der Technik ein, beeinflußt im wesentlichen durch die Bauteilgeometrie und deren Massenverteilung. Auch bei Bauteilen, deren Anforderungsprofil keine Bereiche ausgeprägter Eigenspannungen erfordert, stellen sich unkontrolliert Eigenspannungszustände durch die im Anschluß an die Wärmebehandlung vorzunehmende Abkühlung ein - auch hier hervorgerufen durch unkontrollierte Konvektion und Gasblasenbildung durch Verdampfen des Kühlmediums. Radiale Eigenspannungsprofile bilden sich somit nicht den tatsächlich gewünschten Erfordernissen aus, vielmehr durch zufällige Konvektion und Bahnströmungen, die sich aus der Wärmeabfuhr aus dem Wärmebehandlungsbad ergeben.
Durch die bereits angesprochene Konvektion werden die Bauteile in der Regel nur einseitig, nämlich an der Unterseite bevorzugt abgekühlt, da infolge der Konvektion Kühlmedium nachströmt und mit zunehmender Verweildauer auf der Bauteiloberfläche zur Dampfblasenbildung neigt. Ebenfalls zufällig und nicht reproduzierbar sind Ort und Zeitpunkt der Gasblasenbildung. Insbesondere sehr dickwandige Bauteile sind im Gefüge mangels ausreichender Wärmeabfuhr nicht mehr ausreichend schnell abzukühlen. Mit konventionellen Methoden sind neuartige Werkstoffe, wie z.B. Titanaluminide oder hochfeste Nickelbasiswerkstoffenicht ausreichend rasch abkühlbar, so daß wesentliche durch die Werkstoffe an sich vorgegebene positive Materialeigenschaften nur unzureichend genutzt werden können.
Ziel des Erfindungsgegenstandes ist es daher, ein Verfahren und eine Einrichtung bereitzustellen, mit welchen eine Verbesserung des radialen Eigenspannungsprofiles und eine Vergleichmäßigung des tangentialen Eigenspannungsprofiles der zu behandelnden Bauteile, insbesondere aus hochwertigen Werkstoffen, wie Titanaluminiden oder Nickelbasiswerkstoffen sowie hochfeste Stähle herbeiführbar ist.
Dieses Ziel wird einerseits erreicht durch ein Verfahren zur Abkühlung am Ende der Wärmebehandlung von Bauteilen, insbesondere rotationssymmetrischen Bauteilen, wie Schmiedeteilen, insbesondere in Form von Turbinenscheiben für Fluggasturbinen oder stationäre Gasturbinen, im Bereich eines Warmebehandlungsbades, indem mindestens ein Bauteil innerhalb des Warmebehandlungsbades positioniert und das Bauteil und/oder das Kühlmedium innerhalb des Bades dergestalt in alternierende Relativbewegung zueinander versetzt werden, daß eine im wesentlichen gleichmäßige und insbesondere achsensymmetrische Umströmung des Bauteiles durch das Kühlmedium herbeigeführt wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den zugehörigen verfahrensgemäßen Unteransprüchen zu entnehmen.
Dieses Ziel wird ebenfalls gelöst durch eine Einrichtung zur Abkühlung innerhalb der Wärmebehandlung von Bauteilen, insbesondere rotationssymmetrischen Bauteilen, wie Schmiedeteilen, insbesondere in Form von Turbinenscheiben für Fluggasturbinen oder stationäre Gasturbinen, beinhaltend mindestens einen innerhalb eines Warmebehandlungsbades vorgesehenen Wärmebehandlungsrost zur Aufnahme mindestens eines Bauteiles, wobei eine alternierende Relativbewegung zwischen dem Wärmebehandlungsrost, respektive dem Bauteil, und dem umgebenden Kühlmedium herbeiführbar ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind den zugehörigen gegenständlichen Unteransprüchen zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die ebenfalls erfindungsgemäße Einrichtung sehen vor, daß durch Erzeugung gezielt einstellbarer Strömungsverhältnisse innerhalb des Warmebehandlungsbades eine kontrollierte - bei rotationssymmetrischen Bauteilen - axiale und symmetrische Umströmung des jeweiligen Bauteiles ermöglicht wird. Die Erzeugung der genannten Strömungsverhältnisse kann einerseits durch gezielte Auf- und Abbewegung des das bzw. die Bauteile aufnehmenden Wärmebehandlungsrostes bzw. Erzeugung einer entsprechend gerichteten Strömungsbewegung durch die definierte Verwirbelung des Kühlmediums innerhalb des Warmebehandlungsbades erzeugt werden. Darüber hinaus denkbar sind kombinierte Bewegungen, sowohl des Wärmebehandlungsrostes als auch des umgebenden Mediums. Durch den Erfindungsgegenstand wird eine bevorzugt bei rotationssymmetrischen Bauteilen auftretende, ebenfalls rotationssymmetrische Umströmung der Bauteile, wie insbesondere Turbinenscheiben für Fluggasturbinen oder stationäre Gasturbinen sichergestellt. Diese Vorgehensweise bietet den Vorteil, daß infolge der alternierenden Relativbewegung der Bauteile zum bedarfsweise ruhenden Kühlmedium, unabhängig von Positioniergenauigkeit der Bauteile auf dem Wärmebehandlungsrost und damit auch in industrieller Prozeßumgebung, bei jedem Bauteil für sich, die axialsymmetrische Umströmung von Ober- und Unterseite von selbst einstellt und damit auch in industrieller Arbeitsumgebung dieser Ablauf zu einer robusten und gut reproduzierbaren Abkühlung führt.
Die Badbewegung zum Wärmeaustausch des Kühlmediums findet unterhalb des Wärmebehandlungsrostes statt. Jeweils am oberen Hubende des Wärmebehandlungsrostes ist der größte Teil des Kühlmediums unterhalb des Wärmebehandlungsrostes vorgesehen, so daß ein sicherer Wärmeaustausch des Kühlmediums stattfinden kann, ohne jedoch die oben liegenden Bauteile durch unerwünschte Strömungen negativ zu beeinflussen. Die Gitterstruktur des Wärmebehandlungsrostes ist so vorzusehen, daß das Kühlmedium möglichst frei durchströmen kann und auf der Oberseite des Wärmebehandlungsrostes beruhigt und laminar austritt.
Vorteilhafterweise beinhaltet der Wärmebehandlungsrost mindestens drei Distanzbolzen zur Aufnahme jeweils eines, insbesondere rotationssymmetrischen Bauteiles, wobei vorteilhafterweise mehrere Bauteile auf einem Wärmebehandlungsrost, horizontal zueinander ausgerichtet, vorgesehen werden können. Infolge eines vorgebbaren Abstandes des jeweiligen Bauteiles vom Wärmebehandlungsrost von mindestens 2mm kann sich auch von der Bauteilunterseite her eine gleichmäßige axialsymmetrische Strömung um das jeweilige Bauteil herum anlegen.
Bedarfsweise können im Bereich des Wärmebehandlungsrostes und/oder der Bauteile Strömungsbleche vorgesehen werden. Durch gezielte Anordnung in definierten radialen Abständen zu den Bauteilen kann eine definierte Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit sowie des Wärmeüberganges und damit der Abkühlgeschwindigkeit realisiert werden, da bei steigender Strömungsgeschwindigkeit auf der Bauteiloberfläche auch die Abkühlgeschwindigkeit steigt. Mit dem Erfindungsgegenstand werden gegenüber dem Stand der Technik folgende Vorteile erzielt:
Erhöhte Zuverlässigkeit durch Prozeßreproduzierbarkeit, insbesondere für sogenannte kritische Bauteile, wie Turbinenscheiben für Fluggasturbinen oder stationäre Gasturbinen, insbesondere aus Titanaluminiden oder Nickelbasis Werkstoffen sowie hochfesten Stählen.
Gewichtsreduzierung der Bauteile, da eine bessere Ausnutzung des vorhandenen Festigkeitspotentials gegeben ist.
Kostengünstiger infolge der höheren Lebensdauer, Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Bauteile, insbesondere Turbinenscheiben für Fluggasturbinen oder stationäre Gasturbinen.
Höhere Temperaturen im Bereich des äußeren Scheibenkranzes, insbesondere von Turbinenscheiben für Fluggasturbinen oder stationäre Gasturbinen, da Spannungen optimiert in kühlere Bereich der Scheiben geleitet werden können.
Verbessertes Gefüge durch erhöhte Abkühlgeschwindigkeit.
Gute Integrierbarkeit in bereits bestehende Wärmebehandlungsanlagen.
Der Erfindungsgegenstand ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung dargestellt und wird wie folgt beschrieben. Es zeigen:
Figuren 1 und 2 Wärmebehandlungsbäder, beinhaltend jeweils einen Wärmebehandlungsrost einmal mit und einmal ohne Strömungsbleche. Die Figuren 1 und 2 zeigen jeweils Wärmebehandlungsbäder 1 , in denen ein in diesem Beispiel durch Öl gebildetes Kühlmedium 2 vorgesehen ist. Innerhalb des Warmebehandlungsbades 1 ist ein Wärmebehandlungsrost 3 positioniert, der zur Aufnahme von in diesem Beispiel als Turbinenscheiben 4 aus einer Ti- Al-Legierung für fliegende Gasturbinen ausgebildeten rotationssymmetrischen Bauteilen 4 bolzenartig ausgebildete Abstandselemente 5 beinhaltet. Dargestellt ist lediglich ein einzelnes Bauteil 4, beinhaltend einen dünneren Außenbereich 4' sowie einen dickeren Innenbereich 4", wobei der Wärmebehandlungsrost 3 auch für vier oder sechs Bauteile 4 geeignet ist. Die Spitzen der Abstandselemente 5 sind im wesentlichen am äußeren Rand des Außenbereiches 4' der Bauteile 4 angeordnet. Erfindungsgemäß ist der Wärmebehandlungsrost 3 relativ zum umgebenden Kühlmedium 2 heb- und senkbar 3' vorgesehen, wobei bedarfsweise auch eine rotatorische Dreh- und/oder Schwenkbewegung 2' des Wärmebehandlungsrostes 3 innerhalb des umgebenden Kühlmediums herbeigeführt werden kann. Ebenfalls denkbar ist, ergänzend, oder für sich gesehen, dem umgebenden Kühlmedium, beispielsweise durch Bedüsung oder Leitelemente 6 eine im wesentlichen vertikal gerichtete Strömungskomponente aufzuzwingen, durch welche ähnliche Effekte, wie beim alternierenden Heben und Senken 3' des Wärmebehandlungsrostes 3, erzeugt werden können. Ebenfalls denkbar ist eine Kombination der genannten Relativbewegungen 2', 3', was der Fachmann in Abhängigkeit vom jeweiligen abzukühlenden Bauteil 4 in entsprechender Weise vorsehen wird.
Wie in Figur 2 angedeutet, können bedarfsweise Strömungsbleche 6 im inneren sowie äußeren Bereich der Bauteile 4 vorgesehen werden, durch welche insbesondere in den dicker ausgebildeten Bereichen 4" des Bauteiles 4 bevorzugte Strömungsverhältnisse des umgebenden Kühlmediums erzeugt werden können. In diesen Beispielen ist - wie bereits angesprochen - lediglich ein einzelnes Bauteil 4 dargestellt, wobei jedoch auf gebräuchlichen
Wärmebehandlungsrosten 3 mehrere Bauteile 4, horizontal zueinander ausgerichtet, nebeneinander angeordnet werden können, so daß jedes einzelne Bauteil 4 ohne komplizierte Haltevorrichtungen allein infolge der zyklischen Hubbewegung 3' des Wärmebehandlungsrostes 3 symmetrisch umströmt werden kann. Die im Stand der Technik beschriebenen Nachteile werden durch den Erfindungsgegenstand überwunden, wobei zusätzlich durch den mit dem Erfindungsgegenstand vorgeschlagenen Abkühlprozeß eine Einflußnahme auf das radiale Eigenspannungsprofil genommen werden kann. Zur Erlangung der gewünschten mechanischen Werkstoffeigenschaften können gegenüber dem Stand der Technik wesentlich höhere Abkühlraten als mit herkömmlichen Wärmebehandlungsanlagen erreicht werden. Bevorzugt können durch den Erfindungsgegenstand auch neuere Werkstoffklassen, wie z.B. Titanaluminiden bzw. Nickelbasiswerkstoffen sowie hochfesten Stählen, entsprechend Rechnung getragen werden.
In den aufgezeigten Beispielen sollen folgende Annahmen getroffen werden:
Turbinenscheibe bestehend aus (in Atom-%) 45 % AI, 8 % Nb, 0,2 %
C, Rest Ti
Wärmebehandlungstemperatur vor der Abkühlung 1 360°C
Hubweg des Wärmebehandlungsrostes 1000 mm
Hubfrequenz 0,5 Hz
Abstand Turbinenscheibe /Wärmebehandlungsrost 60 mm
Kühlmedium Öl
30 % erhöhte Abkühlgeschwindigkeit gegenüber ungesteuerter
Abkühlung Die Turbinenscheiben werden vor der Abkühlung im Wärmebehandlungsbad bei einer α-Temperatur von 1360°C lösungsgeglüht und sollen erfindungsgemäß im Öl als Kühlmedium enthaltenden Wärmebehandlungsbad rasch abkühlt werden. Die Turbinenscheiben werden hierbei auf dem bereits angesprochenen Wärmebehandlungsrost mit Abstand zu selbigem positioniert. Der Wärmebehandlungsrost wird anschließend unter alternierender Hub- und Senkbewegung in das Öl eingebracht, wobei die bereits angesprochenen Anströmverhältnisse an den einzelnen Turbinenscheiben erzeugt werden.
Die Streuung der tangentialen Eigenspannungen konnte gegenüber dem Stand der Technik um 150 MPa oder 75 % verbessert werden. Soll bei Bauteilen nicht nur die Gleichmäßigkeit der tangentialen Eigenspannungsprofile verbessert sondern auch die Abkühlrate erhöht werden, so wird der Fachmann eine bedarfsweise erhöhte Hubfrequenz und/oder Hubbewegung auswählen.
Der Wärmeübergang im laminaren Strömungsbereich der Turbinenscheiben 4 zum Kühlmedium 2 steigt hierbei näherungsweise mit dem Exponenten 0,5 zur Strömungsgeschwindigkeit, so daß der Wärmeübergang und damit die Abkühlrate durch Amplitude und Frequenz des Wärmebehandlungsrostes 3 variabel einstellbar ist. Durch Anordnung möglicher Strömungsbleche 6 kann die Abkühlrate örtlich definiert am Bauteil 4 vorteilhaft beeinflußt werden.
Durch die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Pfeile 2' sind die erzeugbaren Strömungsverhältnisse innerhalb des Warmebehandlungsbades 1 dargestellt, wobei der Durchtritt des umgebenden Kühlmediums 2 in vertikaler Richtung durch die Ausnehmungen 7 des Wärmebehandlungsrostes 3 erzeugbar ist.
Mit dem Erfindungsgegenstand können insbesondere rotationssymmetrische Schmiedeteile, wie Turbinenscheiben für Fluggasturbinen oder stationäre Gasturbinen im Hinblick auf ihre radialen Eigenspannungsprofile verbessert und im Hinblick auf ihre tangentialen Eigenspannungsprofile vergleichmäßigt werden, und zwar durch die bereits beschriebene vertikale alternierende Relativbewegung der Bauteile 4 zum umgebenden Kühlmedium 2 in axialer Bauteilrichtung. Durch diese Maßnahme werden die rotationssymmetrisch ausgebildeten Bauteile 4 gleichmäßig achsensymmetris'ch umströmt und bei entsprechender Ausbildung der Wärmebehandlungsgitterroste 3 (7) können die Bauteile 4 in Achsrichtung laminar angeströmt werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1 . Verfahren zur Abkühlung am Ende der Wärmebehandlung von Bauteilen, insbesondere rotationssymmetrischen Bauteilen (4), wie Schmiedeteilen, insbesondere in Form von Turbinenscheiben für Fluggasturbinen oder stationäre Gasturbinen, im Bereich eines Warmebehandlungsbades (1 ), indem mindestens ein Bauteil (4) innerhalb des Warmebehandlungsbades (1 ) positioniert und das Bauteil (4) und/oder das Kühlmedium (2) innerhalb des Bades (1 ) dergestalt in alternierende Relativbewegung (2', 3') zueinander versetzt werden, daß eine im wesentlichen gleichmäßige und insbesondere achsensymmetrische Umströmung des Bauteiles (4) durch das Kühlmedium (2) herbeigeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß einzelne oder mehrere der innerhalb des Warmebehandlungsbades (1 ) positionierten Bauteile (4) durch axiale alternierende Vertikalbewegung (3') der Bauteile (4) zum umgebenden Kühlmedium (2) im wesentlichen gleichmäßig und insbesondere achsensymmetrisch vom Kühlmedium (2) umströmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile (4) auf einem Wärmebehandlungsrost (3) positioniert werden, der mit vorgebbarer Hubfrequenz, insbesondere zwischen 0,25 und 1 ,5 Hz axial alternierend innerhalb des umgebenden Kühlmediums (2) bewegbar ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Warmebehandlungsbades (1) und/oder im Bereich des Wärmebehandlungsrostes (3) Leitelemente (6) zur Strömungsumlenkung des die Bauteile (4) bzw. den Wärmebehandlungsrost (3) umgebenden Kühlmediums (2) vorgesehen werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Wärmebehandlungsrost (3) dergestalt ausgebildet bzw. innerhalb des Warmebehandlungsbades (1 ) angeordnet wird, daß eine in ihrer Achsrichtung laminare Anströmung der Bauteile (4) durch das Kühlmedium (2) herbeigeführt wird.
6. Einrichtung zur Abkühlung innerhalb der Wärmebehandlung von Bauteilen, insbesondere rotationssymmetrischen Bauteilen (4), wie Schmiedeteilen, insbesondere in Form von Turbinenscheiben für Fluggasturbinen oder stationäre Gasturbinen, beinhaltend mindestens einen innerhalb eines Warmebehandlungsbades (1 ) vorgesehenen Wärmebehandlungsrost (3) zur Aufnahme mindestens eines Bauteiles (4), wobei eine alternierende Relativbewegung (2', 3') zwischen dem Wärmebehandlungsrost (3), respektive dem Bauteil (4) und dem umgebenden Kühlmedium (2) herbeiführbar ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmebehandlungsrost (3) relativ zum umgebenden Kühlmedium (2) alternierend heb- und senkbar (3') ausgebildet ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmebehandlungsrost (3) zur Positionierung des oder der Bauteile (4) Aufnahmeelemente (5) beinhaltet, deren Länge so zu wählen ist, dass der Abstand zwischen Wärmebehandlungsrost (3) und dem Bauteil (4) mindestens 2 mm beträgt, so daß das Kühlmedium ungehindert durch den Wärmebehandlungsrost strömen kann.
. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubbewegung des Wärmebehandlungsrostes (3) in Amplitude und Frequenz den jeweils vorgebbaren Anforderungen, wie Gefügeeigenschaften oder dergleichen, des Bauteiles (4) anpaßbar sind.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Wärmebehandlungsrostes (3) und/oder des bzw. der Bauteile (4) Strömungselemente (6) vorgesehen sind.
1 1 . Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, gekennzeichnet durch einen einzelnen Wärmebehandlungsrost (3) zur gleichzeitigen horizontal zueinander ausgerichteten Aufnahme mehrerer rotationssymmetrischer Bauteile (4).
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