DE19756354B4

DE19756354B4 - Schaufel und Verfahren zur Herstellung der Schaufel

Info

Publication number: DE19756354B4
Application number: DE19756354A
Authority: DE
Inventors: Mohamed Dr. Nazmy; Markus Staubli
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 1997-12-18
Filing date: 1997-12-18
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2017-12-19
Also published as: DE19756354A1; US6521059B1; JPH11247614A

Abstract

Gegossene und heissiotatisch gepresste Schaufel (1) mit einer Oberflächenschicht (4) und einem Kern (5), umfassend ein Schaufelblatt (2) und einen Schaufelfuss (3), bestehend aus einer Legierung auf der Basis von dotierstoffhaltigem γ-Titanaluminid, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Oberflächenschicht (4) der Schaufel (1) eine feinkörnige Struktur und der Kern (5) eine grobkörnige Struktur aufweist, wobei die Duktilität der feinkörnigen Oberflächenschicht (4) gegenüber dem grobkörnigen Kern (5) erhöht ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Schaufel bestehend aus einer Legierung auf der Basis von dotierstoffhaltigem γ-Titanaluminid nach dem Oberbegriff des ersten Anspruches.
Die Erfindung geht ebenfalls aus von einem Verfahren zur Herstellung der Schaufel bestehend aus einer Legierung auf der Basis von dotierstoffhaltigem γ-Titanaluminid nach dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruches.

Aus der EP 0 513 407 B1 ist eine Schaufel aus einer Legierung auf der Basis von dotierstoffhaltigem γ-Titanaluminid bekannt geworden, bei der der Schaufelfuss eine feinkörnige Struktur und das Schaufelblatt eine grobkörnige Struktur aufweist. Das Schaufelblatt soll dadurch bei hohen Temperaturen eine gute Zeit- und Zugstandfestigkeit aufweisen, der Schaufelfuss soll eine hohe Duktilität aufweisen. Problematisch ist jedoch das Ermüdungsverhalten des Schaufelblattes bedingt durch ihre grobkörniger Struktur sowie die relativ aufwendige Herstellung der Schaufeln.

In EP 0 196 447 B1 wird ein Verfahren zur Erhöhung des Oxydations- und Korrosionswiderstandes eines Bauteils aus einer dispersionsgehärteten Superlegierung durch eine Oberflächenbehandlung beschrieben. Die Oberflächenbehandlung besteht aus einer Kaltverformung mit einem Kaltumformungsgrad, der so gewählt wird, dass bei einer nachfolgenden Wärmebehandlung die Superlegierung an der Oberfläche ein feinkörniges Gefüge und in der Kernzone eine grobkörnige Struktur aufweist.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaufel und einem Verfahren zur Herstellung der Schaufel der eingangs genannten Art das Ermüdungsverhalten und die Zeitstandfestigkeit zu verbessern.

Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale des ersten Anspruches erreicht.

Kern der Erfindung ist es also, dass zumindest ein Teil der Oberflächenschicht der Schaufel eine feinkörnige Struktur und der Kern eine grobkörnige Struktur aufweist, wobei die Duktilität der feinkörnigen Oberflächenschicht gegenüber dem grobkörnigen Kern erhöht ist.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass durch die Kombination von grobkörniger Struktur im Kern und feinkörniger Struktur auf der Oberfläche der Schaufel die Duktilität der Oberfläche erhöht wird und dass das Ermüdungsverhalten sowie die Zug- und Zeitstandfestigkeit gegenüber bisher bekannten Schaufeln verbessert wird. Da die Korngrösse in γ-Titanaluminiden die kritische Grösse für das Risswachstum darstellt, wird durch die Verringerung der Korngrösse auf der Oberfläche die Fehlertoleranz erhöht und damit die Lebensdauer der Schaufel verbessert. Weiter wird die thermomechanische Ermüdungsfestigkeit durch die feinkörnige Schicht auf der Oberfläche verbessert.

Besonders vorteilhaft ist es, nur das Schaufelblatt mit einer feinkörnigen Oberflächenschicht zu versehen, da diese besonders anfällig auf thermomechanische Ermüdungsbelastungen ist. Dadurch kann die Lebensdauer des Schaufelblattes erhöht werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch anhand einer Schaufel dargestellt.
Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Schaufel;
2 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Schaufel.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
Weg zur Ausführung der Erfindung
In 1 und 2 ist eine erfindungsgemäss hergestellte Schaufel 1 mit einem Schaufelblatt 2 und einem Schaufelfuss 3 dargestellt. Eine feinkörnige Zone 4 auf der Oberfläche der Schaufel 1 umgibt eine grobkörnige Zone 5 im Kern der Schaufel, deren Struktur im wesentlichen durch den Herstellungsprozess der Schaufel gegeben ist.
Feinkörnig bedeutet, dass die Korngrösse etwa im Bereich von 10 bis 100μm oder kleiner liegt, gobkörnig bedeutet, dass die Korngrösse etwa im Bereich von 200 bis 600μm liegt.
Der in den Figuren dargestellte Gusskörper besteht im wesentlichen aus einer Legierung auf der Basis eines dotierstoffhaltigen γ-Titanaluminids, wie er beispielsweise aus der EP 0 455 005 A1 bekannt ist. Die grobkörnige Struktur 5 führt zu einem Gefüge mit einer hohen Zug- und Zeitstandfestigkeit. Die feinkörnige Struktur 4 weist eine höhere Duktilität, eine grössere Fehlertoleranz und ein besseres Ermüdungsverhalten auf als die grobkörnige Struktur 5. Hierdurch wird eine hohe Lebensdauer der Schaufel erreicht.
Die Turbinenschaufel nach der Erfindung lässt sich mit Vorteil bei mittleren und hohen Temperaturen, d. h. bei Temperaturen zwischen 200 und 1000°C, insbesondere in Gasturbinen und in Verdichtern, einsetzen. Je nach Ausführungsform der Gasturbine oder des Verdichters kann hierbei zusätzlich ein nicht dargestelltes Schaufeldeckblatt vorhanden sein.
Die Schaufel 1 gemäss den Figuren wird wie folgt hergestellt: Unter Schutzgas, wie etwa Argon, oder unter Vakuum wird in einem Induktionsofen folgende Legierung auf der Basis eines γ-Titanaluminids mit Chrom als Dotierstoff erschmolzen:
Al = 48 At.-%
Cr = 3 At.-%
Ti = Rest.
Andere geeignete Legierungen sind gamma-Titanaluminide, wie sie in der EP 0 455 005 A1 beschrieben werden, in denen als Dotierstoff mindestens eines oder mehrere der Elemente B, Co, Cr, Ge, Hf, Mn, Mo, Nb, Pd, Si, Ta, V, Y, W sowie Zr enthalten sind. Die Menge an zugesetztem Dotierstoff beträgt vorzugsweise 0,5 bis 8 Atomprozent.
Die Schmelze wird in einer der herzustellenden Turbinenschaufel entsprechenden Gussform abgegossen. Vom Gusskörper werden sodann Gusshaut und Zunderschicht entfernt, indem beispielsweise eine Oberflächenschicht von ca. 1 mm Dicke auf mechanischem oder chemischem Wege abgetragen wird. Der entzunderte Gusskörper wird in eine passende Kapsel aus weichem Kohlenstoffstahl eingeschoben und letztere gasdicht verschweisst. Der eingekapselte Gusskörper wird nun bei einer Temperatur von 1260°C während 3 h unter einem Druck von ungefähr 172 MPa heiss-isostatisch gepresst (HIP) und abgekühlt.
Das heissisostatische Pressen sollte je nach Zusammensetzung der Legierung mit Vorteil bei Temperaturen zwischen 1200 und 1300°C und einem Druck zwischen 150 und 190 MPa mindestens eine und höchstens fünf Stunden lang durchgeführt werden.
Der gebildete Gusskörper kann um die Duktilität der heissisostatisch gepressten Schaufel zu erhöhen bei ca. 1270°C bis 1330, insbesondere bei 1300°C während beispielsweise 1 bis 10 Stunden in Argonatmosphäre geglüht und dann auf Raumtemperatur abgekühlt werden.
Die heissisostatisch gepressten Schaufeln werden danach kugelgestrahlt. Der Druck kann dabei 2 bis 4 bar betragen, als Kugelstrahlmittel können Glaskugeln mit einem Durchmesser von ca. 1 mm verwendet werden und die Kugelstrahlzeit kann einige Minuten, insbesondere 2 bis 3 Minuten betragen.
Der Verformungsgrad bei Raumtemperatur liegt bei etwa minimal 1%.
Durch die Parameter des Kugelstrahlens und derjenigen der nachfolgend beschriebenen Wärmebehandlung kann die Dicke und die Korngrösse der feinkörnigen Schicht 4 eingestellt werden. Eine bevorzugte Schichtdicke beträgt 0.1 bis 0.5 mm.
Die dem Kugelstrahlen nachgeschaltete Wärmebehandlung ist ein Rekristallisationsglühen der durch das Kugelstrahlen verformten Oberflächenschicht. Dieses Rekristallisationsglühen erfolgt zwischen 1000°C und 1400°C während 0.5 bis 10 Stunden. Danach wurden die Schaufeln im Ofen unter Zugabe von Argongas auf Raumtemperatur RT abgekühlt.
Durch ein längeres Halten der Schaufeln bei einer bestimmten Temperatur kann die Grösse der Körner der Oberflächenschicht eingestellt werden, d.h. dass bei längerem Halten der Schaufeln die Grösse der Körner in der Oberflächenschicht zunimmt.
Besonders bevorzugte Wärmebehandlungen sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt.
Die entsprechend der obigen Tabelle hergestellten Schaufeln A bis D zeigten eine feinkörnige, duktile Oberflächenschicht mit einer Schichtdicke zwischen 0.1 bis 0.5 mm.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Es können beliebig andere Verformungsverfahren als Kugelstrahlen zur Verformung der Oberfläche verwendet werden. Natürlich kann auch nur das Schaufelblatt mit einer feinkörnigen Oberflächenschicht versehen werden.

1: Schaufel
2: Schaufelblatt
3: Schaufelfuss
4: feinkörnige Zone
5: grobkörnige Zone

Claims

Gegossene und heissiotatisch gepresste Schaufel (1) mit einer Oberflächenschicht (4) und einem Kern (5), umfassend ein Schaufelblatt (2) und einen Schaufelfuss (3), bestehend aus einer Legierung auf der Basis von dotierstoffhaltigem γ-Titanaluminid, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Oberflächenschicht (4) der Schaufel (1) eine feinkörnige Struktur und der Kern (5) eine grobkörnige Struktur aufweist, wobei die Duktilität der feinkörnigen Oberflächenschicht (4) gegenüber dem grobkörnigen Kern (5) erhöht ist.
Schaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil der Oberflächenschicht (4) der Schaufel (1) mit einer feinkörnigen Struktur die Oberflächenschicht (4) des Schaufelblattes (2) umfasst.
Schaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (4) eine Dicke von 0.1 bis 0.5mm aufweist.
Verfahren zur Herstellung der Schaufel nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Giessen und dem heissisostatisch Pressen der Schaufel (1) die Oberfläche verformt wird und dass die verformte Oberflächenschicht (4) einem Rekristallisationsglühen unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel vorgängig der Verformung der Oberfläche eine Wärmebehandlung zur Erhöhung der Duktilität der Schaufel unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rekristallisationsglühen zwischen 1000°C und 1400°C während 0.5 bis 10 Stunden erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung vorgängig der Verformung der Oberfläche zwischen 1270°C bis 1330 während 1 bis 10 Stunden erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche durch Kugelstrahlen verformt wird.