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EP0507131A1 - Tropfenschlagerosionsgeschützte Turbinenschaufel und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Tropfenschlagerosionsgeschützte Turbinenschaufel und Verfahren zu ihrer Herstellung Download PDF

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Publication number
EP0507131A1
EP0507131A1 EP92104368A EP92104368A EP0507131A1 EP 0507131 A1 EP0507131 A1 EP 0507131A1 EP 92104368 A EP92104368 A EP 92104368A EP 92104368 A EP92104368 A EP 92104368A EP 0507131 A1 EP0507131 A1 EP 0507131A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hardening
blade
hardness
leading edge
erosion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP92104368A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0507131B1 (de
Inventor
Berndt Dr. Brenner
Wilfried Dr. Storch
Günter Dr.-Ing. Wiedemann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP0507131A1 publication Critical patent/EP0507131A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0507131B1 publication Critical patent/EP0507131B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/286—Particular treatment of blades, e.g. to increase durability or resistance against corrosion or erosion
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • 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 the surface hardening of machine components.
  • Objects for which their application is possible and expedient are all machine components made of martensitic chrome steels which are subject to dripping or cavitation and which are used at operating temperatures below 250 ° C.
  • the invention can be used particularly advantageously to protect end-stage rotor blades of steam turbines which are heavily erosively loaded by the impact of drops.
  • the blades of steam turbines are subject to a constant impact of water droplets during their operation, which leads to premature wear and thus destruction of the blades by drop impact erosion. It is generally known in the specialist field to increase the wear resistance of blades made of martensitic chromium steels by means of flame-hardened leading edges (lit. ). The lack of such hardened blades is that their wear resistance is too low. The reason for this results from the fact that the surface hardness is too low at 500 to 550 HV.
  • the flame hardening process is usually carried out at austenitizing temperatures of approx. 1000 to 1100 ° C. These austenitization temperatures only lead to a relatively low release of carbon from the (Fe, Cr) mixed carbides during the austenitization times that can be achieved in terms of process engineering. The lack of the method therefore consists in too little hardening on the surface.
  • the hardness has dropped to 500-530 HVo, 1 or 480-560 HV1 at a depth of, for example, 0.2 mm.
  • the disadvantageous effect of the drop in hardness results from the fact that, on the one hand, Drop impact load with the drop sizes and drop impact velocities occurring in the low-pressure part of steam turbines, the maximum of the reference stress lies at a fairly large depth of 0.05 mm to 0.2 mm and, on the other hand, the wear with intensive drop impact load only after a typical surface roughness with roughness depths of a few has developed 10 ⁇ m to a few 100 ⁇ m reaches a steady state.
  • the cause of the drop in hardness is that too little carbon is released from the (Fe, Cr) mixed carbides in the depths in question.
  • the lack of the process is therefore that only in the immediate vicinity of the surface sufficient carbon is released from the (Fe, Cr) mixed carbides, which is necessary to achieve high hardness.
  • the reason for this results from the fact that the temperature gradient of the indicated short-term curing is so steep that the peak temperature of the local temperature-time cycle is already too low at the depths in question.
  • the aim of the invention is to provide a turbine blade that is better protected against drop impact erosion and to propose a method for its production.
  • the invention has for its object to provide a hardening zone formation for the leading edges of turbine blades, in which there is a sufficiently high surface hardness for the typical conditions of the drop impact load in the output stages of steam turbines and in which, even after the surface roughening typical of the load has been formed, the maximum of the reference stress is still in one sufficiently hard area.
  • this object is achieved with a turbine blade made of martensitic chromium steel which is protected against drip erosion and has a briefly hardened leading edge, the erosion-protected zone of which has a constant surface hardness over the entire area of the blade back side which is at risk of erosion, as shown in claims 1 to 4.
  • the expedient embodiment of the invention described in claim 2 makes advantageous use of the fact that usually the strength and area of the drop impact load increases sharply towards the tip of the blade, while the cyclic load decreases, so that with sufficient wear resistance the decrease in the hardening zone width improves the residual stress state at the leading edge and the toughness reserves of the blade can be increased.
  • the task is solved by a short-term hardening process for martensitic chromium-alloyed turbine blade steels, in which a peak temperature of the local temperature-time cycle is reached even at the required depth of 0.1 mm to approximately 0.9 mm, with which a complete temperature is achieved Carbide dissolution takes place without a property-deteriorating austenite grain coarsening already taking place on the surface.
  • the procedure according to the invention is as specified in claims 5 to 10.
  • the fact is advantageously taken into account that if the airfoil thickness falls below about 3 mm, the cooling rate already decreases in the temperature range in which austenite coarsening can take place due to poorer heat dissipation options.
  • the final stage blade of a 100 MW turbine which is subject to dripping impact, is to be provided with a wear-resistant leading edge.
  • the expected erosion zone width is 18 mm at the tip of the blade and decreases too little towards the blade root.
  • the hardening system used consists of a CO2 cross-current laser with a nominal power of 5 kW, a motion machine that is used to realize the relative movement between the laser beam and the leading edge and whose control allows simultaneous movement in at least 4 coordinates.
  • the area to be hardened is covered with an approximately 80 ⁇ m thick layer of black board paint or similar. provided that serves as an absorbent for the laser radiation.
  • a suitable set of irradiation parameters (laser power, beam defocusing, oscillation amplitude, feed rate) is determined based on nomograms, which leads to the formation of the hardening zone according to the invention at every point of the leading edge.
  • the contour control program is then created by scanning the blade leading edge.
  • the inclination of the area to be hardened relative to the laser beam is chosen so that, in cooperation with the set power density distribution of the laser beam across the feed direction, a constant temperature is established in the most wear-prone zone (the later very hard layer 2).
  • the power density distribution in the laser beam can be varied sufficiently by the choice of the ratio of the oscillation amplitude of the beam A to the radius of the beam r.
  • the turbine blade hardened with these parameters has a hardening zone at the leading edge 5 of the following geometrical dimensions, hardness and hardness distribution: Width of the entire hardening zone 1 on the blade back (for the position of the hardening zones see FIG. 1) at the blade tip: 20.2 mm; Width of hardening zone 1 at a distance of 150 mm from the tip of the blade: 18.7 mm; Total hardening depth 4: 1.17 mm to 2.9 mm depending on the distance to the leading edge, width of the entire hardening zone 1 on the blade belly side 7: 2.8 mm near the blade tip; Surface hardness in the very hard layer 2: 700 HV 0.05 ⁇ 35 HV 0.05 ; Depth of the very hard layer 2: 0.1 mm to 0.45 mm, decreasing with increasing distance from the leading edge, tapering at the leading edge approximately at the location of the greatest curvature of the airfoil profile.
  • the hardness gradient in the very hard layer 2 is ⁇ 30 HV / mm.
  • the width of the very hard layer 2 in the vicinity of the blade tip is approximately 19 mm.
  • the length of the entire hardening zone 1 amounts to 185 mm. It leaves the blade at an exit angle of 45 °.
  • the reproducibility of the desired hardness-depth curve according to the invention is very good.
  • both the depth of the very hard layer 2 and the total hardening depth 4 decrease with increasing distance from the leading edge.
  • the location of the reference stress maximum is less than a third of the depth of the very hard layer 2.
  • a property-worsening coarsening of the austenite grain size does not occur. Compared to the prior art, at least 100 to 150 HV higher surface hardness is achieved.
  • the difference in hardness is even greater at the depth of the reference stress maximum. This ensures considerably better wear resistance of the turbine blades hardened according to the invention.
  • Another advantage over flame-hardened and, in a reduced form, also over induction-hardened blades is the more reproducible and more stress-resistant design of the hardening zone geometry along the leading edge. Among other things, it also leads to a much better reproducibility of the setting of a compressive residual stress state close to the leading edge along the leading edge over the entire hardened blade length.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Oberflächenhärtung von Maschinenbauteilen. Das Ziel der Erfindung, eine vor Tropfenschlagerosion besser geschützte Turbinenschaufel anzugeben und herzustellen, wird erfindungsgemäß u.a. dadurch gelöst, daß bei der Turbinenschaufel, die in der Zeichnung dargestellt ist, die konstante Oberflächenhärte einer sehr harten Schicht (2) der Maximalhärte des jeweiligen Stahles entspricht, die Tiefe dieser sehr harten Schicht (2) 0,1 bis 0,9 mm beträgt, die Gesamteinhärtungstiefe 0,7 bis 3,5 mm beträgt und die sehr harte Schicht (2) mindestens bis an den Ort (5) in der Nähe der Eintrittskante reicht, an dem die Auftreffrichtung (6) der schädlichsten Tropfengrößenfraktion parallel zur Tangente an die Oberfläche liegt. Diese Turbinenschaufel wird erfindungsgemäß mittels eines hochenergetischen Oberflächenhärteverfahrens hergestellt. Eine hauptsächliche Verwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Lösung ist bei stark tropfenschlagbelasteten Endstufenlaufschaufeln von Dampfturbinen gegeben. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf die Oberflächenhärtung von Maschinenbauteilen. Objekte, bei denen ihre Anwendung möglich und zweckmäßig ist, sind alle tropfenschlag- oder kavitativ belasteten Maschinenbauteile aus martensitischen Chromstählen, die bei Einsatztemperaturen unterhalb von 250° C eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung zum Schutz stark durch Tropfenschlag erosiv belasteter Endstufenlaufschaufeln von Dampfturbinen anwendbar.
  • Die Laufschaufeln von Dampfturbinen unterliegen während ihres Betriebes einem ständigen Aufprall von Wassertröpfchen, die zu einem vorzeitigen Verschleiß und damit zur Zerstörung der Schaufeln durch Tropfenschlagerosion führen.
    In der Fachwelt ist allgemein bekannt, den Verschleißwiderstand von Schaufeln aus martensitischen Chromstählen durch flammengehärtete Eintrittskanten zu erhöhen (Lit. z.B. W. Küntscher, H. Kilger, H. Biegler "Technische Baustähle", Knapp-Verlag Halle 1952, S. 288 - 290).
    Der Mangel solcherart gehärteten Schaufeln besteht darin, daß ihr Verschleißwiderstand zu gering ist. Die Ursache dafür resultiert daraus, daß die Oberflächenhärte mit 500 bis 550 HV zu niedrig ist.
    Das Verfahren des Flammenhärtens wird üblicherweise bei Austenitisierungstemperaturen von ca. 1000 bis 1100° C durchgeführt. Diese Austenitisierungstemperaturen führen bei den verfahrenstechnisch realisierbaren Austenitisierungszeiten nur zu einer relativ geringen Freisetzung von Kohlenstoff aus den (Fe, Cr)-Mischkarbiden. Der Mangel des Verfahrens besteht demzufolge in einer zu geringen Aufhärtung an der Oberfläche.
  • Höhere Austenitisierungstemperaturen verbieten sich wegen der bei den erreichbaren Austenitisierungszeiten noch während der Karbidauflösung einsetzenden Kornvergröberung sowie der mit der Spitzentemperatur rasch zunehmenden Durchhärtung der Schaufeleintrittskante, die zu einem Zähigkeitsverlust der Schaufel und einer Verschlechterung des Eigenspannungszustandes an der Eintrittskante führt. Die Ursache des Mangels besteht deshalb in der zu geringen eintragbaren Leistungsdichte.
    Nach CH-PS-564089 ist eine Turbinenschaufel mit induktiv gehärteter Eintrittskante bekannt. Entsprechend der mit dem Induktionshärten möglichen höheren Leistungsdichte sind ohne schädliche Folgen höhere Austenitisierungstemperaturen, jedoch noch im γ-Phasengebiet liegend, möglich. Solcherart gehärtete Eintrittskanten weisen dementsprechend höhere Oberflächenhärten auf. Nachteilig wirkt sich jedoch aus, daß diese höheren Härten von etwa 550 bis 670 HV nicht über die gesamte erosionsgefährdete Zone hinweg erzieltwerden können. Der Mangel des Verfahrens besteht darin, daß die eingetragene Leistungsdichte nicht den lokal unterschiedlichen Wärmeableitungsbedingungen angepaßt werden kann, wodurch die lokale Härtetemperatur nicht über die gesamte Breite der erosionsgefährdeten Zone im erforderlichen Maße konstant gehalten werden kann.
    Die Ursache dafür besteht darin, daß der Induktor nur für jeweils eine Kontur der eintrittskantennahen Zonen optimal gestaltet werden kann, die Kontur sich jedoch über die Schaufelblattlänge stark ändert.
    Weiterhin ist bekannt, Laser- oder Elektronenstrahlen zur Härtung der Eintrittskanten einzusetzen (z.B.: V. Bedogni; M. Cantello; W. Cerri; D. Cruciani; R. Festa; G. Mor; F. Nenci; F.P. Vivoli: "Laser and Electron Beam Surface Hardening of Turbine Blades", in: Proceedings of the International Conference. "Laser Advanced Materials Processing 87"; Osaka, May 1987, pp. 567 - 572). Obwohl über die gesamte Schaufelrückenseite konstante Härtewerte erzielbar sind, ist nachteilig, daß auch hiermit keine höheren Härten als 500 - 580 HVo,1 an Proben (Material X22 CrMoV 12.1. vgl.: M. Roth; M. Cantello: "Laser Hardening of a 12 ./. Cr-Steel", Proceedings of 2nd Int. Conference "Laser in Manufacturing" (ed by M.F. Kimmit) 26. - 28.3.1985, S. 119 - 128) bzw. 500 - 580 HV1 an Schaufeleintrittskanten (Material AISI 403) erreicht werden.
    Besonders nachteilig wirkt sich jedoch aus, daß die Härte in einer Tiefe von z.B. 0,2 mm schon auf 500 - 530 HVo,1 bzw. 480 - 560 HV1 abgefallen ist. Die nachteilige Wirkung des Härteabfalles resultiert daraus, daß einerseits bei einer Tropfenschlagbelastung mit den im Niederdruckteil von Dampfturbinen auftretenden Tropfengrößen und Tropfenaufprall-Geschwindigkeiten das Maximum der Vergleichsspannung in einer recht großen Tiefe von 0,05 mm bis 0,2 mm liegt und andererseits der Verschleiß bei intensiver Tropfenschlagbelastung erst nach Ausbildung einer belastungstypischen Oberflächenrauhheit mit Rauhtiefen von einigen 10 µm bis einigen 100 µm einen stationären Endzustand erreicht. Ein zu steiler und zudem schon an der Oberfläche beginnender relativ großer Härtegradient verhindert deshalb selbst bei ausreichender Oberflächenhärte einen stationären Verschleißzustand.
    Die Ursache des Härteabfalles besteht darin, daß in den in Frage kommenden Tiefen zu wenig Kohlenstoff aus den (Fe, Cr)-Mischkarbiden freigesetzt ist.
    Der Mangel des Verfahrens besteht demzufolge darin, daß nur in unmittelbarer Oberflächennähe genügend Kohlenstoff aus den (Fe, Cr)-Mischkarbiden freigesetzt wird, der zum Erreichen hoher Härten notwendig ist. Die Ursache dafür resultiert daraus, daß der Temperaturgradient der angegebenen Kurzzeithärtung so steil ist, daß die Peak-Temperatur des lokalen Temperatur-Zeit-Zyklus in den in Frage kommenden Tiefen schon zu niedrig ist.
  • Das Ziel der Erfindung ist es, eine vor Tropfenschlagerosion besser geschützte Turbinenschaufel anzugeben sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung vorzuschlagen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Härtungszonenausbildung für die Eintrittskanten von Turbinenschaufeln anzugeben, bei der eine für die typischen Bedingungen der Tropfenschlagbelastung in Endstufen von Dampfturbinen ausreichend hohe Oberflächenhärte vorhanden ist und bei der auch nach Ausbildung der belastungstypischen Oberflächenaufrauhung das Maximum der Vergleichsspannung noch in einem ausreichend harten Bereich liegt.
    Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer tropfenschlagerosionsgeschützten Turbinenschaufel aus martensitischem Chromstahl mit einer kurzzeitgehärteten Eintrittskante, deren erosionsgeschützte Zone über den gesamten stark erosionsgefährdeten Bereich der Schaufelrückenseite eine konstante Oberflächenhärte aufweist, wie in den Ansprüchen 1 bis 4 dargestellt, gelöst.
    Die in Anspruch 2 beschriebene zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung macht von der Tatsache vorteilhaft Gebrauch, daß gewöhnlich die Stärke und Fläche der Tropfenschlagbelastung zur Schaufelspitze hin stark zunimmt, während die zyklische Belastung abnimmt, so daß bei ausreichender Verschleißbeständigkeit durch die Abnahme der Härtungszonenbreite der Eigenspannungszustand an der Eintrittskante verbessert und die Zähigkeitsreserven der Schaufel vergrößert werden können.
  • Außerdem wird die Aufgabe durch ein Kurzzeithärtungsverfahren für martensitische chromlegierte Turbinenschaufelstähle gelöst, bei dem auch in der erforderlichen Tiefe von 0,1 mm bis etwa 0,9 mm eine Peak-Temperatur des lokalen Temperatur-Zeit-Zyklus erreicht wird, bei der noch eine vollständige Karbidauflösung stattfindet, ohne daß an der Oberfläche schon eine eigenschaftsverschlechternde Austenit-Kornvergröberung stattfindet.
    Erfindungsgemäß wird dabei wie in den Ansprüchen 5 bis 10 angegeben verfahren.
    Bei der Verfahrensausgestaltung gemäß Anspruch 6 wird dabei vorteilhafterweise die Tatsache berücksichtigt, daß bei Unterschreitung einer Schaufelblattdicke von etwa 3 mm sich die Abkühlgeschwindigkeit schon in dem Temperaturgebiet, in dem noch eine Austenit-Kornvergröberung ablaufen kann, aufgrund schlechterer Wärmeableitungsmöglichkeiten verringert.
  • Vorteilhaft bei der Verfahrensausgestaltung gemäß Anspruch 7 ist, daß damit eine Anpassung der optimalen Strahleinwirkungsdauer τs an die notwendige Härtungszonenbreite erreicht wird.
    Der Vorteil der Verfahrensausgestaltung gemäß Anspruch 8 besteht darin, daß dieses ungewöhnlich kleine Amplitudenverhältnis die Einstellung einer nahezu konstanten Oberflächentemperatur Ts quer zur Laserspur innerhalb der sehr harten Zone auch unter den Bedingungen einer sehr asymmetrischen Wärmeableitung an der Schaufeleintrittskante erlaubt.
    Die Erfindung ist am nachfolgenden Ausführungsbeispiel näher erläutert.
    In der dazugehörigen Zeichnung (Figur 1) ist eine schematische Darstellung der Lage und des Aufbaues des erfindungsgemäßen Kantenschutzes dargestellt.
    • Beispiel 1:
  • Die tropfenschlagbelastete Endstufenlaufschaufel einer 100 MW-Turbine soll mit einer verschleißbeständigen Eintrittskante versehen werden. Die erwartete Erosionszonenbreite beträgt an der Schaufelspitze 18 mm und nimmt zum Schaufelfuß zu geringfügig ab.
  • Die eingesetzte Härteanlage besteht aus einem CO₂-Querstromlaser mit einer Nominalleistung von 5 kW, einer Bewegungsmaschine, die zur Realisierung der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Eintrittskante dient und deren Steuerung die gleichzeitige Bewegung in mindestens 4 Koordinaten zuläßt. Das Strahlformungssystem besteht aus einem off-axis-Parabolspiegel mit einer Brennweite von f = 300 mm sowie einem sich im teilfokussierten Strahl befindlichen Resonanzscanner, der den Strahl mit einer Frequenz von 210 Hz senkrecht zur Strahlvorschubrichtung oszillieren läßt.
    Das zu härtende Gebiet wird mit einer etwa 80 µm dicken Schicht schwarzer Schultafelfarbe o.ä. versehen, die als Absorptionsmittel für die Laserstrahlung dient.
    Anhand von Nomogrammen wird ausgehend von der vorab gemessenen Dicke des Schaufelblattprofiles - in Abhängigkeit vom Abstand zur Schaufelspitze - ein geeigneter Satz von Bestrahlungsparametern (Laserleistung, Strahldefokussierung, Oszillationsamplitude, Vorschubgeschwindigkeit) festgelegt, der an jeder Stelle der Eintrittskante zur erfindungsgemäßen Ausbildung der Härtungszone führt.
    Anschließend wird durch Abtasten der Schaufeleintrittskante das Kontursteuerprogramm erstellt. Die Neigung des zu härtenden Gebietes relativ zum Laserstrahl wird so gewählt, daß sich im Zusammenwirken mit der eingestellten Leistungsdichteverteilung des Laserstrahles quer zur Vorschubrichtung eine konstante Temperatur in der am stärksten verschleißbelasteten Zone (der späteren sehr harten Schicht 2) einstellt. Die Leistungsdichteverteilung im Laserstrahl läßt sich durch die Wahl des Verhältnisses Schwingamplitude des Strahles A zu Radius des Strahles r in ausreichendem Maße variieren.
  • Die Laserstrahlhärtung wird unter folgenden Parametern durchgeführt: An der Turbinenschaufel auftreffende Laserleistung PL = 2,60 kW; von der Turbinenschaufel absorbierte Laserleistung Pa = 2,08 kW; Laserstrahldurchmesser auf der Schaufeloberfläche 2.r = 9,6 mm; Schwingamplitude des Laserstrahles A = 8,9 mm, Amplitudenverhältnis A/r = 1,85; Anfangsgeschwindigkeit des Laserstrahles an der Schaufelspitze VBO = 242 mm/min, Strahlformstreckung (d ⊥ V)/(d ∥ V) = 2,85.
    Figure imgb0001
  • Die Laserstrahlhärtung mit diesen Parametern führt in der Nähe der Eintrittskante 5 zu folgenden Werten des Temperaturfeldes: Maximaltemperatur des Temperatur-Zeit-Zyklus auf dem Schaufelrücken über eine Breite von 16 mm: Tsmax ≈ 1400 - 1440°C, Laserstrahleinwirkungsdauer: τs T = 2,38s.
  • Die mit diesen Parametern gehärtete Turbinenschaufel weist an der Eintrittskante 5 eine Härtungszone folgender geometrischer Abmessungen, Härte und Härteverteilung auf: Breite der gesamten Härtungszone 1 auf dem Schaufelrücken (Lage der Härtungszonen siehe Figur 1) an der Schaufelspitze: 20,2 mm; Breite der Härtungszone 1 in 150 mm Abstand von der Schaufelspitze: 18,7 mm; Gesamteinhärtungstiefe 4 : 1,17 mm bis 2,9 mm in Abhängigkeit vom Abstand zur Eintrittskante, Breite der gesamten Härtungszone 1 auf der Schaufelbauchseite 7 : 2,8 mm in der Nähe der Schaufelspitze; Oberflächenhärte in der sehr harten Schicht 2:700 HV0,05 ± 35 HV0,05; Tiefe der sehr harten Schicht 2:0,1 mm bis 0,45 mm, abnehmend mit zunehmendem Abstand zur Eintrittskante, an der Eintrittskante auslaufend etwa am Ort der stärksten Krümmung des Schaufelblattprofiles. Der Härtegradient in der sehr harten Schicht 2 beträgt ≲ 30 HV/mm. Die Breite der sehr harten Schicht 2 beträgt in der Nähe der Schaufelspitze etwa 19 mm. Die Länge der gesamten Härtungszone 1 beläuft sich auf 185 mm. Sie verläßt die Schaufel unter einem Austrittswinkel von 45°.
    Die Reproduzierbarkeit des angestrebten erfindungsgemäßen Härte-Tiefen-Verlaufes ist sehr gut. Entsprechend der abnehmenden Verschleißintensität nimmt sowohl die Tiefe der sehr harten Schicht 2 wie auch die Gesamteinhärtungstiefe 4 mit zunehmendem Abstand zur Eintrittskante ab. Die Lage des Vergleichsspannungsmaximums befindet sich bei weniger als einem Drittel der Tiefe der sehr harten Schicht 2. Eine eigenschaftsverschlechternde Vergröberung der Austenitkorngröße tritt nicht auf.
    Gegenüber dem Stand der Technik werden mindestens 100 bis 150 HV höhere Oberflächenhärten erzielt. In der Tiefe des Vergleichsspannungsmaximums ist die Härtedifferenz noch größer.
    Damit sind erheblich bessere Verschleißbeständigkeiten der erfindungsgemäß gehärteten Turbinenschaufeln gesichert.
    Ein weiterer Vorteil gegenüber flammengehärteten und in abgeminderter Form auch gegenüber induktionsgehärteten Schaufeln besteht in der reproduzierbareren und beanspruchungsgerechteren Ausbildung der Härtungszonengeometrie längs der Eintrittskante. Sie führt u.a. auch zu einer viel besseren Reproduzierbarkeit der Einstellung eines eintrittskantennahen Druckeigenspannungszustandes längs der Eintrittskante über die gesamte gehärtete Schaufellänge.
    • Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen und Begriffe
    • 1
    gesamte Härtungszone
    2
    sehr harte Schicht
    3
    an 2 anschließende Schicht
    4
    Gesamteinhärtungstiefe
    5
    Eintrittskante
    6
    Auftreffrichtung der schädlichsten Tröpfchengrößenfraktion
    7
    Ort an der Schaufelbauchseite
    8
    Tangente an die Oberfläche am Ort 7
    9
    minimales Biegemoment des Schaufelquerschnittes
    10
    Schaufelquerschnitt
    QL
    Querschnitt der gesamten Härtungszone 1
    Qs
    Querschnitt des gehärteten Schaufelprofilabschnittes

Claims (10)

  1. Tropfenschlagerosionsgeschützte Turbinenschaufel aus martensitischem Chromstahl mit einer kurzzeitgehärteten Eintrittskante, deren erosionsgeschützte Zone über den gesamten stark erosionsgefährdeten Bereich der Schaufelrückenseite eine konstante Oberflächenhärte aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    - diese konstante Oberflächenhärte der Maximalhärte entspricht, die bei dem jeweiligen Stahl mit optimalen Parametern des Kurzzeithärtezyklus erreichbar ist,
    - diese Härte je nach Kohlenstoffgehalt und mit diesem zunehmend bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,1 - 0,13 % C eine Härte von 580 - 620 HV0,05 und bei 0,18 - 0,24% C eine Härte von 600 - 750 HV0,05 erreicht,
    - die gesamte Härtungszone (1) aus einer sehr harten Schicht (2) mit einem ersten Härteplateau, das diese Maximalhärten erreicht und mit einer nach der Verschleißintensität und der Tiefenlage des Vergleichsspannungsmaximums gewählten Tiefe von 0,1 mm bis 0,9 mm besteht, in der der Härtegradient um 0 bis 100 HV/mm beträgt und an deren unterer Berandung je nach Kohlenstoffgehalt von 0,1 bis 0,13 % C mindestens noch Härten von 550 - 600 HV0,05 und bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,18 bis 0,24 % noch Härten von 580 bis 680 HV0,05 aufweist
    - sowie einer daran anschließenden Schicht (3) besteht, die eine Dicke von 0,4 mm bis 2,0 mm erreicht und bei einem in Oberflächennähe deutlich größeren Härtegradienten und zumindest andeutungsweise ein zweites Härteplateau bei einer Härte von 350 - 540 HV0,05 aufweist,
    - die Gesamteinhärtungstiefe (4) in Abhängigkeit von der Verschleißintensität 0,7 mm bis 3,5 mm beträgt,
    - die sehr harte Schicht (2) mindestens bis an den Ort (5) in der Nähe der Eintrittskante reicht, an dem die Auftreffrichtung (6) der schädlichsten Tröpfchengrößenfraktion parallel zur Tangente an die Oberfläche liegt,
    - die Härtungszone (1) sich von der Schaufelblattspitze in Richtung Schaufelfuß über die gesamte erosionsgefährdete Länge der Eintrittskante (5) hinweg bis zu einer Stelle minimaler oder zumindest nicht kritischer zyklischer Belastung der Schaufel erstreckt und dort die Schaufel unter einem Austrittswinkel zur Eintrittskante von 30 bis 65° verläßt.
  2. Tropfenschlagerosionsgeschützte Turbinenschaufel nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Härtungszone (1) nach der sich längs der Eintrittskante ändernden Breite der Erosionszone eingestellt wird.
  3. Tropfenschlagerosionsgeschützte Turbinenschaufel nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamthärtungstiefe (4) bei stark zyklisch oder spannungsriß-korrosionsbelasteten Schaufeln mindestens bis an den Ort (7) an der Schaufelbauchseite heranreicht, an dem die Tangente (8) an die Oberfläche senkrecht zur Richtung des minimalen Biegemomentes (9) des Schaufelquerschnittes (10) steht.
  4. Tropfenschlagerosionsgeschützte Turbinenschaufel nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die schaufelrückenseitige Berandung der Härtungszone (1) um ein Dämpferdrahtloch mit dem Radius RD einen Kreisbogen mit dem Radius RS beschreibt, wobei gilt:

    R D + 3 mm ≲ R S ≲ R D + 10 mm
    Figure imgb0002
  5. Verfahren zur Herstellung der tropfenschlagerosionsgeschützten Turbinenschaufel von Anspruch 1 bis 4 mittels eines hochenergetischen Oberflächenhärteverfahrens
    dadurch gekennzeichnet, daß
    - der Temperatur-Zeit-Zyklus des Kurzzeithärtens so geführt wird, daß am Ende einer Energieeinwirkungsdauer τs von 0,3 s ≲ τs ≲ 3 s eine Oberflächentemperatur Tsmax beträchtlich oberhalb des γ-Gebietes von 1380° C ≲ Ts max < 1430° C erreicht wird, über eine entsprechende Kombination von Leistungsdichte, Vorschubgeschwindigkeit und Strahlabmessung in Vorschubrichtung der oberflächennahe Temperaturgradient so eingestellt wird, daß in einer Tiefe t von 0,1 mm ≲ t ≲ 0,9 mm noch eine Maximaltemperatur des lokalen Temperatur-Zeit-Zyklus TL von TL ≈ Ts max - (B.60 K + C.τs.36 K/s) herrscht, wobei die Konstanten B und C etwa den Wert 1 erreichen, der genaue Wert jedoch nach der chemischen Zusammensetzung und dem Ausgangsgefüge des Stahles gewählt wird,
    - und daß die Leistungsdichteverteilung quer zur Strahlvorschubrichtung so eingestellt wird, daß die lokale Oberflächentemperatur Ts an keiner Stelle der Oberfläche der sehr harten Schicht (2) den Wert Ts max um mehr als 50 K unterschreitet.
  6. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß zum Härten von Schaufelblattpartien, deren mittlere Dicke 3 mm unterschreitet, bei konstanter Oberflächentemperatur Ts max die maximal mögliche Energieeinwirkungsdauer τs max entsprechend dem Verhältnis des erwünschten Querschnitts QL der Härtungszone (1) zum Querschnitt QS des Schaufelprofilabschnittes nach τs max = 3 s. L - KQL/Qs reduziert wird, wobei K und L vom gewählten Stahl abhängende Konstanten mit einem Wert nahe 1 sind.
  7. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung eines Laserstrahl- oder Elektronenstrahlhärteverfahrens eine Strahlformung dergestalt vorgenommen wird, daß das Verhältnis der Ausdehnung des Strahles senkrecht zur Strahlvorschubrichtung d ⊥v zur Ausdehnung des Strahles in Strahlvorschubrichtung d ∥v im Bereich 2 ≲ (d ⊥v)/(d ∥v) ≲ 8 gewählt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 5 und 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlformung durch die schnelle Oszillation des Laserstrahles oder Elektronenstrahles quer zur Vorschubrichtung erzeugt wird, wobei im Falle des Laserstrahles bei sinusförmigem Bewegungsgesetz in Abhängigkeit von der Leistungsdichteverteilung des nichtumgeformten Laserstrahles ein Verhältnis von Schwingamplitude des Strahles A zum Radius r des Strahlesvon

    1,3 ≲ A/r ≲ 2,1 gewählt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 5,7 und 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis A/r der Schwingungsamplitude zum Strahlradius r während des Oberflächenhärtens entsprechend der Änderung des eintrittskantennahen Schaufelblattprofiles stetig verändert wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 5 und 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlformung durch die schnelle Oszillation des Laserstrahles oder Elektronenstrahles quer zur Vorschubrichtung erzeugt wird, wobei in beiden Fällen die momentane Strahlleistung oder das Bewegungsgesetz der Strahloszillation nach der Neigung der Strahlachse zur lokalen Oberflächennormalen und den Wärmeableitungsbedingungen des eintrittskantennahen Schaufelblattprofiles gewählt und entsprechend der Änderung der Oberflächennormalen und den Wärmeableitungsbedingungen entlang der Eintrittskante während des Kurzzeithärtens verändert wird.
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