WO2011057661A1 - Bauteil mit bereichen unterschiedlicher duktilität und verfahren zur herstellung eines bauteils - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a component having alternately regions with higher and lower ductility in order to reduce the Entste ⁇ hung of voltages and a method for producing such a component.
  • Turbine components or nickel-based superalloy hot gas components often experience defects during operation at the transition between the airfoil and the platform or at other locations in the trailing edge. These defects are due to thermal stress between thin-walled and thick-walled device areas, which are caused by different rapid heating rates.
  • the object is achieved by a component according to claim 1 and a method according to claim 23.
  • FIG. 2 shows a turbine blade
  • FIG. 3 shows a gas turbine
  • FIG. 4 shows a combustion chamber
  • Figure 5 is a list of superalloys.
  • FIG. 1 shows a component 1, 120, 130, here preferably a turbine blade 120, 130 of a turbine 100, in particular a gas turbine.
  • the invention will be explained by way of example only with reference to a turbine blade 120, 130.
  • the turbine blade 120, 130 is preferably made of a nickel-base superalloy, preferably as shown in FIG.
  • the turbine blade 120, 130 is preferably hollow.
  • the local area 8 is also preferably strip-shaped.
  • a measure of the ductility is preferably the elongation at break in the
  • Tensile test This should be significantly increased compared with the starting state, preferably higher by at least the factor 2, very preferably at least by a factor of 3.
  • the trailing edge 412 has a region 8 with a
  • Thin-walled means preferably a wall thickness of 0.5 mm to 1.5 mm compared to 2.5 mm - 3.5 mm in the remaining area or generally a ratio 1: 5 to 1: 2 of the wall thicknesses.
  • the area 8 of the component 120, 130 is only locally on the surface of the component 120, 130 and does not extend over the entire component 120, 130. The same applies to other areas that do not extend together over the entire component 120, 130.
  • the strips 4 ', 7', 4 '', 1 '', ... preferably extend in the direction of flow 13.
  • the outlet edge 412 of the turbine blade 120, 130 is only an example of a thin-walled area adjacent to thick-walled areas (here 403).
  • the regions 4 ', 7', 4 ", 1" may extend along the entire length of the exit edge 412 (FIG. 1) or only partially along the exit edge 412.
  • the component 120, 130 at least in the Be ⁇ rich 4 ', 4'',7', 1 '' on the same alloy.
  • the component 1, 120, 130 is preferably produced as follows.
  • a portion 4 ', 4''to a temperature greater than the ⁇ '-solu- is sungstemperatur, but below the melting temperature of the material and then a cooling, to the ⁇ particular> 1000 K / min cooled, to a temperature less than the ⁇ 'solution temperature.
  • the resulting small size of the ⁇ 'phase leads to an increase in the
  • the ductility of the treated areas 4 ', 4' ', ... can be varied.
  • the ⁇ 'size and thus the ductility can be varied.
  • the ductility of the untreated areas 7 ', 7'', ... is preferably equal before ⁇ .
  • the ductility along the trailing edge 412 can decrease: At one end, the ductility of the region 4 'is reduced. higher than in the area 4 ', ... at the other end, but the ductility of the subsequent area 7', ... is always smaller than the surrounding areas 4 ', 4''. In other alloys a corresponding Heat Treatment ⁇ averaging is performed for locally increasing the ductility.
  • the width and length of the areas 4 ', 7', 4 '', 7 '', ... can be determined by the local energy density of the used
  • the width of the areas 4 ', 7', 4 '', 7 '', ... from, must be equal ⁇ time the number of areas 4 ', 7', 4 '', 7 '', ... preference ⁇ be increased, so that the total length of the area to be treated ⁇ 8 does not decrease.
  • the temperature of the component 120, 130 may not be so high that the ⁇ 'phase dissolves again.
  • a prior art member 120, 130 having a directionally solidified, columnar, or single crystalline structure may be treated to achieve such a structure having regions of different ductility.
  • FIG. 2 shows a perspective view of a rotor blade 120 or guide vane show ⁇ 130 of a turbomachine, which extends along a longitudinal axis of the 121st
  • the turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for power generation, a steam turbine or a compressor.
  • the blade 120, 130 has along the longitudinal axis 121 to each other, a securing region 400, an adjoining blade or vane platform 403 and a blade 406 and a blade tip 415.
  • As a guide vane 130, the vane 130 having at its blade tip 415 have a further platform (not Darge ⁇ asserted).
  • a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
  • the blade root 183 is, for example, as a hammerhead out staltet ⁇ . Other designs as fir tree or Schissebwschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has for a medium which flows past the scene ⁇ felblatt 406 on a leading edge 409 and a trailing edge 412th
  • conventional blades 120, 130 in all regions 400, 403, 406 of the blade 120, 130, for example, massive metallic materials, in particular superalloys, are used.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949.
  • the blade 120, 130 can hereby be manufactured by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
  • Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
  • Such monocrystalline workpieces takes place e.g. by directed solidification from the melt.
  • These are casting processes in which the liquid metallic alloy is transformed into a monocrystalline structure, i. to the single-crystal workpiece, or directionally solidified.
  • dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, ie grains over the entire length run the workpiece and here, the general usage, referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, ie the entire workpiece be ⁇ is made of a single crystal.
  • a columnar grain structure columnar, ie grains over the entire length run the workpiece and here, the general usage, referred to as directionally solidified
  • a monocrystalline structure ie the entire workpiece be ⁇ is made of a single crystal.
  • Structures are also called directionally solidified structures.
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. B. (MCrAlX, M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co),
  • Nickel (Ni) is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • the density is preferably 95% of the theoretical
  • the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8A1-0, 6Y-0, 7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y.
  • nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al are also preferably used. 0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-IIAl-O, 4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10A1-0, 4Y-1, 5Re.
  • thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of Zr0 2 , Y2Ü3-Zr02, ie it is not, partially ⁇ or fully stabilized by yttria
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the heat insulating layer can comprise porous, micro- or macro-cracked compatible grains for better thermal shock resistance.
  • the thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the
  • 120, 130 may have to be freed from protective layers after use (eg by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. Thereafter, a ⁇ As the coating of the component 120, 130, after which the component 120, the 130th
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and also has, if necessary, film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.
  • FIG. 3 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 100 has a rotatably mounted about a rotational axis 102 ⁇ rotor 103 having a shaft 101, which is also referred to as the turbine rotor.
  • a compressor 105 for example, a torus-like
  • Combustion chamber 110 in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example.
  • annular annular hot gas channel 111 for example.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings . As seen in the direction of flow of a working medium 113, in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115, a series 125 formed of rotor blades 120 follows.
  • the guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example.
  • Coupled to the rotor 103 is a generator or work machine (not shown).
  • air 135 is sucked by the compressor 105 through the intake housing and ver ⁇ seals.
  • the 105 ⁇ be compressed air provided at the turbine end of the compressor is ge ⁇ leads to the burners 107, where it is mixed with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110.
  • the working medium 113 flows along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the rotor blades 120.
  • the working medium 113 expands in a pulse-transmitting manner so that the rotor blades 120 drive the rotor 103 and drive the machine coupled to it.
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the flow direction of the working medium 113, are subjected to the greatest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110.
  • substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • the components in particular for the turbine blade ⁇ 120, 130 and components of the combustion chamber 110, for example, iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or US Pat
  • the blades 120, 130 may be anti-corrosion coatings (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium.
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, and consists for example of Zr02, Y203-Zr02, ie it is not, partially or completely stabilized by Ytt ⁇ riumoxid and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the guide blade 130 has a guide blade foot facing the inner housing 138 of the turbine 108 (not shown here). ) and a vane head opposite the vane root.
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
  • FIG. 4 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine.
  • the combustion chamber 110 is configured, for example, as so-called an annular combustion chamber, in which are arranged a plurality of in the circumferential direction about an axis of rotation 102
  • Burners 107 open into a common combustion chamber space 154, the flames 156 produce.
  • the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around.
  • the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 ° C to 1600 ° C.
  • the combustion chamber wall 153 is provided on its side facing the working medium M facing side with a formed from heat shield elements 155. liner.
  • Each heat shield element 155 made of an alloy is equipped on the working fluid side with a particularly heat-resistant protective layer (MCrAlX layer and / or ceramic coating) or is made of high-temperature-resistant material (solid ceramic blocks).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf).
  • MCrAlX means: M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • a ceramic Wär ⁇ medämm harsh be present and consists for example of ZrÜ2, Y203-ZrÜ2, ie it is not, partially or fully ⁇ dig stabilized by yttrium and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the heat insulation layer may have ⁇ porous, micro- or macro-cracked compatible grains for better thermal shock resistance.
  • Refurbishment means that heat shield elements 155 may be replaced after use by heat shielding elements 155
  • Protective layers must be freed (for example by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. If necessary, cracks in the heat shield element 155 are also repaired.
  • the heat shield elements 155 are then, for example, hollow and possibly still have cooling holes (not shown) which open into the combustion chamber space 154.

Abstract

Zur Verringerung der thermischen Spannung zwischen dünnwandigen und dickwandigen Bereichen eines Bauteils werden aufeinander abfolgende Bereiche mit unterschiedlicher Duktilität in einem Bauteil eingestellt.

Description

Bauteil mit Bereichen unterschiedlicher Duktilität und
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils
Die Erfindung betrifft ein Bauteil, das abwechselnd Bereiche mit höherer und geringer Duktilität aufweist, um die Entste¬ hung von Spannungen zu verringern sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils. Turbinenbauteile oder Heißgasbauteile aus Superlegierungen auf Nickelbasis erleiden häufig Defekte während des Betriebs am Übergang zwischen Schaufelblatt und Plattform bzw. an anderen Stellen in der Austrittskante. Diese Defekte sind auf thermische Spannung zwischen dünnwandigen und dickwandigen Bauteilbereichen zurückzuführen, die durch unterschiedlich schnelle Aufheizgeschwindigkeiten bedingt sind.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen .
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 23.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön¬ nen, um weitere vorteile zu erzielen.
Es zeigen Figur 1 ein Bauteil mit einem Bereich in unterschiedlicher
Duktilität,
Figur 2 eine Turbinenschaufel,
Figur 3 eine Gasturbine,
Figur 4 eine Brennkammer,
Figur 5 eine Liste von Superlegierungen.
Die Beschreibung und die Figuren stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Figur 1 zeigt ein Bauteil 1, 120, 130, hier vorzugsweise eine Turbinenschaufel 120, 130 einer Turbine 100, insbesondere einer Gasturbine. Die Erfindung wird nur beispielhaft anhand einer Turbinenschaufel 120, 130 erläutert.
Die Turbinenschaufel 120, 130 ist vorzugsweise aus einer Nickelbasissuperlegierung vorzugsweise gemäß Figur 5 hergestellt .
Die Turbinenschaufel 120, 130 ist vorzugsweise hohl.
An der Abströmkante 412 der Turbinenschaufel 120, 130 er¬ streckt sich quer zu einer Umströmungsrichtung 13 des Schaufelblattes 406 ein lokales Gebiet 8 der Oberfläche des
Bauteils 120, 130 mit Bereichen 4', 4'' und 7', 7'', die eine unterschiedliche Duktilität aufweisen. Das lokale Gebiet 8 ist auch vorzugsweise streifenförmig ausgebildet. Ein Maß für die Duktilität ist vorzugsweise die Bruchdehnung im
Zugversuch. Diese sollte gegenüber dem Ausgangszustand deutlich erhöht sein, vorzugsweise um mindestens den Faktor 2, ganz vorzugsweise um mindestens den Faktor 3 höher sein.
Die Abströmkante 412 weist ein Gebiet 8 mit einem
dünnwandigeren Bereich des Bauteils 120, 130 auf. Dünnwandig bedeutet vorzugsweise eine Wandstärke von 0,5mm bis 1,5mm gegenüber 2,5mm - 3,5mm im restlichen Bereich oder allgemein ein Verhältnis 1:5 bis 1:2 der Wandstärken.
Das Gebiet 8 des Bauteils 120, 130 ist nur lokal auf der Oberfläche des Bauteils 120, 130 und erstreckt sich nicht über das gesamte Bauteil 120, 130. Entsprechendes gilt für andere Gebiete, die sich zusammen nicht über das gesamte Bauteil 120, 130 erstrecken.
Durch diese sich abwechselnden, vorzugsweise streifenförmig ausgebildeten Bereiche 4', 7', 4'', 1' ' mit unterschiedlicher Duktilität wird eine globale Erhöhung der Duktilität der Aus¬ trittskante 412 erreicht mit der Folge, dass eine Rissbildung an dem kritischen Übergang an den Plattformen 403 vermieden wird, ohne dabei allerdings die Integrität des restlichen Bauteils 120, 130 zu stören.
Die Streifen 4', 7', 4'', 1 ' ' , ... erstrecken sich vorzugsweise in Umströmungsrichtung 13.
Die Austrittkante 412 der Turbinenschaufel 120, 130 steht nur beispielhaft für einen dünnwandigen Bereich, der an dickwandige Bereiche (hier 403) angrenzt. Die Bereiche 4', 7', 4'', 1' ' können sich entlang der gesamten Länge der Austrittkante 412 (Fig. 1) oder auch nur teilweise entlang der Austrittskante 412 erstrecken.
Vorzugsweise weist das Bauteil 120, 130, zumindest in den Be¬ reichen 4', 4'', 7', 1' ' die gleiche Legierung auf.
Das Bauteil 1, 120, 130 wird vorzugsweise wie folgt herge- stellt.
Mittels einer hochenergetischen Strahlquelle, also vorzugs¬ weise durch einen Elektronenstrahl- oder Laserstrahl, wird ein Bereich 4', 4'' auf eine Temperatur größer der γ'-Lö- sungstemperatur, jedoch unterhalb der Schmelztemperatur des Materials erhitzt und anschließend eine Abkühlrate, ins¬ besondere > 1000 K/min abgekühlt, bis zu einer Temperatur kleiner der γ ' -Lösungstemperatur . Die dadurch resultierende kleine Größe der γ' -Phase führt zu einer Erhöhung der
Duktilität in diesen Bereichen 4', 4'', bei einer gleichzei- tigen Verringerung der Festigkeit, die vorzugsweise gleich hoch ist.
Ebenso kann die Duktilität der behandelten Bereiche 4', 4'', ... variiert werden.
Durch eine Variation der Abkühlkante kann die γ' -Größe und damit die Duktilität variiert werden.
Die Duktilität der unbehandelten Bereiche 7', 7'', ... ist vor¬ zugsweise gleich.
Ebenso ist es aber möglich, alle Bereiche 4', 7', 4'', 7'', ... zu behandeln, wobei aber durch die Behandlungsparameter unterschiedliche Duktilitäten eingestellt werden.
Ebenso kann die Duktilität entlang der Austrittskante 412 ab¬ nehmen: An einem Ende ist die Duktilität des Bereichs 4' höher als im Bereich 4', ... am anderen Ende, wobei aber die Duktilität des nachfolgenden Bereichs 7', ... immer kleiner ist als die ihn umgebenden Bereiche 4', 4''. Bei anderen Legierungen wird eine entsprechende Wärmebehand¬ lung zur lokalen Erhöhung der Duktilität durchgeführt.
Die Breite und Länge der Bereiche 4', 7', 4'', 7'', ... kann dabei durch die lokale Energiedichte des verwendeten
hochenergetischen Strahls flexibel gesteuert werden. Nimmt die Breite der Bereiche 4', 7', 4'', 7'', ... ab, muss gleich¬ zeitig die Anzahl der Bereiche 4', 7', 4'', 7'', ... vorzugs¬ weise erhöht werden, damit sich die Gesamtlänge des zu behan¬ delnden Gebiets 8 nicht verringert.
Bei einer folgenden Wärmebehandlung darf die Temperatur des Bauteils 120, 130 nicht so hoch sein, dass die γ'-Phase sich wieder auflöst. Ebenso kann ein Bauteil 120, 130 nach dem Stand der Technik, das eine gerichtet erstarrte Struktur, mit kolumnaren Körnern oder einkristallin aufweist, behandelt werden, um eine solche Struktur mit Bereichen unterschiedlicher Duktilität zu erreichen .
Die Figur 2 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschau¬ fel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein. Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 auf¬ einander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf. Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufel¬ spitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht darge¬ stellt) . Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) .
Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausge¬ staltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwal- benschwanzfuß sind möglich.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schau¬ felblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Ab¬ strömkante 412 auf. Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise mas¬ sive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet .
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 AI, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus ge- fertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastun- gen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.
Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück be¬ steht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbil¬ den, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.
Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korn- grenzen aufweisen. Bei diesen zweit genannten kristallinen
Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures) .
Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 AI bekannt.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) ,
Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) ) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 AI.
Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen
Dichte.
Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) . Vorzugsweise weist die SchichtZusammensetzung Co-30Ni-28Cr- 8A1-0, 6Y-0, 7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al- 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0, 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 10A1-0, 4Y-1, 5Re .
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zr02, Y2Ü3-Zr02, d.h. sie ist nicht, teil¬ weise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid
und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht .
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärme- dämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör¬ ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die
MCrAlX-Schicht . Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dass Bauteile
120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidations- schichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wie¬ derbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeu¬ tet) auf.
Die Figur 3 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt . Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotations¬ achse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.
Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige
Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.
Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufel¬ ringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) . Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und ver¬ dichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be¬ reitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 ge¬ führt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine. Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet .
Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.
Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin ( SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur) .
Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinen¬ schaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Super- legierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 AI, WO 99/67435 oder
WO 00/44949 bekannt.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 AI.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus Zr02, Y203-Zr02, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Ytt¬ riumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht darge- stellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt .
Die Figur 4 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine.
Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ring¬ brennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Um- fangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten
Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1000°C bis 1600°C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebspa- rametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermög¬ lichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsme¬ dium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeits- mediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt.
Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 AI. Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wär¬ medämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrÜ2, Y203-ZrÜ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollstän¬ dig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphäri- sches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärme¬ dämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör¬ ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dass Hitze- schildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von
Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in dem Hitzeschildelement 155 repariert.
Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Hitzeschildele¬ mente 155 und ein erneuter Einsatz der Hitzeschildelemente 155.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.

Claims

Patentansprüche
1. Bauteil (1, 120, 130),
das in einem lokalen Gebiet (8),
einem Teilbereich der Oberfläche des Bauteils (1, 120, 130) Bereiche (4', 7', 4'', 7'', ...) aufweist,
die (4', Ί ' , 4'', 7'', ...) unterschiedliche Duktilitäten aufweisen .
2. Bauteil nach Anspruch 1,
bei dem die Bereiche (4', 7', 4'', 7'', ...) streifenförmig ausgebildet sind.
3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem die Bereiche (4', 7', 4'', 7'', ...) verschiedener Duktilität nebeneinander abwechselnd angeordnet sind.
4. Bauteil nach Anspruch 2 oder 3,
bei dem die Breite der Streifen (4', 7', 4'', 7'', ...) gleich groß ist.
5. Bauteil nach Anspruch 2 oder 3,
bei dem die Breite der Streifen (4', 7', 4'', 7'', ...) unterschiedlich ist.
6. Bauteil nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5,
bei dem die Bereiche (4', 4'', ...) unterschiedlich breit sind zu den Bereichen (7', 7'', ...) .
7. Bauteil nach Anspruch 2, 3, 4, 5 oder 6,
bei dem die Streifen (4', 4'', ...) mit höherer Duktilität die gleiche Breite aufweisen.
8. Bauteil nach Anspruch 2, 3, 4, 5, 6 oder 7,
bei dem die Streifen (7', 7'', ...) mit niedrigerer Duktili¬ tät die gleiche Breite aufweisen.
9. Bauteil nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8,
bei dem ein Substrat des Bauteils (1, 120, 130,) oder das Bauteil (1, 120, 130) metallisch ist,
insbesondere nur aus Metall ist.
10. Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüchen,
bei dem sich die Bereiche (4', 7', 4'', Ί ' ' , ...) oder das Gebiet (8) an einer Längskante (412) des Bauteils (1, 120, 130, 155),
insbesondere längs in einer Umströmungsrichtung (13) des Bauteils (1, 120, 130, 155) angeordnet sind.
11. Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüchen,
bei dem mindestens zwei Bereiche (4', 4'') mit höherer Duk tilität und mindestens zwei Bereiche (7', Ί ' ' ) mit niedri¬ gerer Duktilität vorhanden sind.
12. Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüchen,
bei dem das Bauteil (120, 130) in den Bereichen (4', 7',
4'', Ί ' ' , ...) die gleiche Legierung aufweist.
13. Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprü chen,
das in den Bereichen (7', 7'', ...) gegenüber den Bereichen (4', 4'', ...) einen höheren γ' -Anteil einer Nickelbasis¬ superlegierung aufweist,
insbesondere von mindestens 10%,
ganz insbesondere um 20%.
14. Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüchen,
bei dem die Bereiche (4', 7', 4'', 7'', ...) γ' -Phasen einer NickeIbasissuperlegierung aufweisen,
die unterschiedlich groß sind.
15. Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprü che,
das ein Turbinenbauteil,
insbesondere eine Turbinenschaufel (120, 130) darstellt.
16. Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Bereiche (4', 7', 4'', 7'', ...) in einem dünn¬ wandigeren Bereich des Bauteils (120, 130) angeordnet sind
17. Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden An sprüche,
bei dem die Bereiche (4', 4'', ...) die gleiche Duktilität aufweisen .
18. Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Bereiche (7', 7'', ...) die gleiche Duktilität aufweist .
19. Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Bereiche (7', 7'', ...) unterschiedliche Duktili täten aufweisen.
20. Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprü chen,
bei dem das Bauteil (120, 130) hohl ist.
21. Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
bei dem die Duktilität in zumindest zwei Bereichen (4', 4'', 7'', ...) um mindestens 20%,
insbesondere um mindestens 50% größer ist.
22. Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
bei dem das Gebiet (8) streifenförmig ausgebildet ist.
23. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils,
insbesondere nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 22,
bei dem ein Bauteil (120, 130) aus einer Legierung, insbesondere einer Nickelbasissuperlegierung,
in zumindest einem Bereich (7', 7'', ...) auf eine Temperatur erhitzt wird,
insbesondere größer der γ ' -Lösungstemperatur ,
danach schnell,
insbesondere mit einer Abkühlrate von 1000K/min,
auf eine Temperatur,
insbesondere kleiner der γ ' -Lösungstemperatur abgekühlt wird,
wodurch in den erhitzten und abgekühlten Bereichen duktilere Bereiche (7', Ί ' ' ) entstehen.
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