CZ300494B6

CZ300494B6 - Vysoce legovaná navarovací slitina a opravená soucástka turbíny

Info

Publication number: CZ300494B6
Application number: CZ20003642A
Authority: CZ
Inventors: Gitahi Mukira@Charles; Robert Jackson@Melvin; Todd Frost@Aaron; Maurice Beltran@Adrian
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 1999-10-04
Filing date: 2000-10-03
Publication date: 2009-06-03
Also published as: CZ20003642A3; DE60028150D1; KR100757549B1; EP1090710B1; KR20010039978A; US6302649B1; DE60028150T2; EP1090710A1; JP2001158929A

Abstract

Vysoce legovaná navarovací slitina, zpevnená tuhým roztokem, sestává v podstate z: až 10 hmotn.% Co, od 18 do 22 hmotn.% Cr, od 0,2 do 0,7 hmotn.% Al, od 15 do 28 hmotn.% úhrnného obsahu žárovzdorných prvku, až 0,09 hmotn.% C, až 0,06 hmotn.% Zr, až 0,015 hmotn.% B, od 0,4 do 1,2 hmotn.% Mn, od 0,2 do 0,45 hmotn.% Si a zbytek niklu a typických necistot. Rešení se dále týká opravené soucástky turbíny, obsahující nedotcenou cást a opravenou cást, pricemž opravená cást v podstate sestává z výše uvedené slitiny.

Description

Vysoce legovaná navařovací slitina a opravená součástka turbíny

Oblast techniky

Vynález se týká součástek turbín. Zejména se týká vysoce legované navařovací slitiny a opravené součástky turbíny, používající vysoce legovanou navařovací slitinu.

Dosavadní stav techniky

Účinnost plynových turbín závisí zčásti na míře úniku spalin netěsnostmi mezi lopatkami a přilehlou věncovou nebo bandážovou částí turbíny na statoru. Pro minimalizování mezery jsou konce lopatek zpravidla podrobovány přesnému obrábění. Vzhledem k tolerancím obrábění, rozdí15 lům mezi součástkami vyplývajícím z tepelné roztažnosti a dynamickým účinkům, dochází v typickém případě k určitému tření mezi konci lopatek a věncovou nebo bandážovou částí turbíny na statoru.

Vzhledem k třecímu dotyku, jako po prodloužené době provozu, je základní materiál lopatky obnažován, což zpravidla vede ke korozi a/nebo oxidaci lopatky. Prodloužená koroze a oxidace vede ke zvýšeným netěsnostem mezi lopatkou a přilehlou věncovou nebo bandážovou částí turbíny na statoru a k výsledné ztrátě účinnosti. Stalo se běžnou praxí opotřebované součástky opravovat, a to jako nákladově efektivní alternativa vůči výměně, s ohledem na relativně vysoké náklady částí turbíny, jako jsou lopatky. Při běžných způsobech oprav se používá v rekonstrukč25 ním procesu obnovy lopatky do jejího geometrického tvaru, odpovídající původnímu tvaru nebo tvaru blízkého původnímu tvaru, navařovací drát vytvořený ze svařitelné vysoce legované slitiny. Například je možné použít navařovacího drátu z vysoce legované slitiny na bázi niklu v obloukovém navařovacím procesu s wolframovou elektrodou, a to násobnými průchody po oblasti konce lopatky z vysoce legované slitiny na bázi niklu. Po navařování se oblast konce obrábí.

I když existuje řada průmyslově dostupných navařovacích slitin pro opravy, existuje nadále poptávka po dalších zdokonalených navařovacích slitinách, zejména slitinách na bázi niklu pro součástky z vysoce legovaných slitin na bázi niklu. Z tohoto hlediska autoři zjistili potřebu vysoce legované slitiny na bázi niklu, která by měla zvýšenou tažnost za studená pro umožňování sváření při teplotě místnosti (tj. bez předehřívání opravované součástky), dobrou odolnost proti oxidaci a potřebnou vysokou pevnost v tahu při vysokých teplotách a odolnost proti tečení.

Podstata vynálezu

Vynález přináší vysoce legovanou navařovací slitinu, zpevněnou tuhým roztokem (solid-solution střengthened), obsahující až 10 hmotn. % Co, od 18 do 22 hmotn. % Cr, od 0,2 do 0,7 hmotn. % Al, od 15 do 28 hmotn. % úhrnného obsahu žárovzdomých prvků, až 0,09 hmotn. % C, až 0,06 hmotn. % Zr, až 0,015 hmotn. % B, od 0,4 do 1,2 hmotn. % Mn, od 0,2 do 0,45 hmotn. % Si, zbytek Ni a typické nečistoty.

S výhodou žárovzdorné prvky zahrnují Ta, Mo a W.

- 1 CZ 300494 B6

Podle dalšího provedení slitiny podle vynálezu žárovzdorné prvky obsahují W, přítomný v množství od 16 do 19 hmotn. %. Uhlík je s výhodou přítomný v podílu na menším než 0,02 hmotn. %, zirkonium je přítomné v množství ne menším než 0,01 hmotn. % a bor je přítomen v množství ne menším než 0,005 hmotn.%. Slitina podle výhodného provedení sestává v podstatě z přibližně 21 hmotn. % Cr, přibližně 0,4 hmotn. % Al, přibližně 18 hmotn. % W, přibližně 0,07 hmotn. % C, io přibližně 0,03 hmotn. % Zr, až přibližně 0,01 hmotn. % B, přibližně 0,7 hmotn. % Mn, přibližně 0,35 hmotn. % Si, zbytek Ni a typických nečistot.

Vynález dále přináší opravenou součástku turbíny, obsahující nedotčenou část a opravenou část, přičemž opravená část v podstatě sestává z od 0 do 10 hmotn. % Co, od 18 do 22 hmotn. % Cr, od 0,2 do 0,7 hmotn. % Al, od 15 do 28 hmot. % úhrnného obsahu žárovzdomých prvků, až 0,09 hmotn. % C, až 0,06 hmotn. % Zr, až 0,015 hmotn. % B, od 0,4 do 1,2 hmotn. % Mn, od 0,2 do 0,45 hmotn. % Si, zbytek Ni a typické nečistoty.

Například je součástkou lopatka, a opravená část je koncová část lopatky. Lopatkou může být lopatka s prostorově zakřiveným tvarem, pro turbínu zařízení na vyvíjení výkonu. Dále může být lopatkou lopatka turbínového leteckého motoru. Součástkou také může být dýza nebo statorová lopatka turbíny. Opravená část může být s výhodou umístěna podél náběžné okrajové části dýzy nebo statorové lopatky.

Vynález tedy navrhuje opravovanou součást turbíny a navařovací slitinu pro opravování takových součástek. Součástka turbíny je v typickém případě tvořena vysoce legovanou slitinou, známou odolností při vysokých teplotách v podobě například vysoké pevnosti v tahu, odolnosti proti tečení, odolnosti proti oxidaci a odolnosti proti korozi. Součástka z vysoce legované slitiny je v typickém případě tvořena slitinou na bázi niklu, přičemž nikl je jediný prvek ve vysoce lego40 vane slitině, který má výrazně nejvyšší hmotnostní podíl. Příkladné vysoce legované slitiny na bázi niklu obsahují nejméně 40 hmotn. % Ni a nejméně jednu složku ze skupiny sestávající z kobaltu, chrómu, hliníku, wolframu, molybdenu, titanu a železa. Příklady vysoce legovaných slitin na bázi niklu jsou označovány obchodními označeními Inconer^R, Nimonic\ Rene^R (např. Rene^R80~, Rcne^R95, Rene^R142 a Rene^RN5), a Udimet^R, a zahrnují směrově ztuhlé a jedno45 krystalové vysoce legované slitiny.

Tvar součástky turbíny může být různý a může se jednat o obložení spalovacích komor, klenby spalovacích komor, bandáže nebo věncové části, rotorové lopatky včetně prostorově zakřivených lžičko vitých lopatek pro turbíny, dýzy nebo statorové lopatky. Termíny lopatky a prostorově zakřivené lopatky se zde používají zaměnitelně. V typickém případě je lopatka otáčivá lopatka leteckého turbínového motoru a prostorově zakřivená lopatka je otáčivá lopatka lžícovitého tvaru pro pozemní turbínu na vyvíjení výkonu. V případě rotorové lopatky je opravovanou části v typickém případě koncová část, která se opotřebovává v důsledku třecího dotyku s okolní bandážovou nebo věncovou částí na statoru. V případě dýzy nebo statorové lopatky je opravo55 vanou oblastí v typickém případě náběžný (přední) okraj, který je vystaven opotřebení v důsledku

-2CZ 300494 B6 vystavení plynům o vysoké teplotě, proudících velkou rychlostí. Navařovací slitina pro opravy může být použita samotná, jako přídavný (výplňový) materiál, nebo v kombinaci s vložkou, jako je obiysově tvarovaná deska nebo deskovitý útvar, která je navařena na místo určení podél náběžné hrany dýzy nebo lopatky.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je blíže vysvětlen v následujícím popisu na příkladech provedení s odvoláním na připojené výkresy, ve kterých znázorňuje obr. 1 perspektivní pohled na opravenou turbínovou lopatku vysokotlakého stupně turbíny, obr. 2 diagram znázorňující izotermní oxidaci různých slitin podle vynálezu a na trhu dostupné slitiny, při teplotě 1038 °C (1900 °F) a obr. 3 diagram znázorňující izotermní oxidací různých slitin podle vynálezu a na trhu dostupné slitiny, pří teplotě 1093 °C (2000 °F).

Příklady provedení vynálezu

Obr. I znázorňuje příklad opravované lopatky, zejména rotorové lopatky 10 s prostorově zakřiveným tvarem na vyvíjení výkonu. Lopatka obsahuje aerodynamickou profilovou 12 a nožkovou část 14 závěsu. Aerodynamická profilová část Y2 má nedotčenou část 16 a opravovanou část J_8. Před opravou se rotorová lopatka z turbíny vyjme a vyčistí se běžným způsobem pro odstranění nanesených cizích materiálů, jakož i jakýchkoli produktů oxidace a koroze. Z oblasti blízké konci lopatky se sejme čištěný povlak, a konec lopatky se do blízkosti dutiny konce lopatky obrousí, a poté se provede oprava navarovacím postupem. V typickém případě se použije obloukového navařování s ochranou inertním plynem a s wolframovou elektrodou (TIG/WIG), i když mohou být použity i jiné navařovací postupy, jako obloukové navařování kovovou elektrodou s plynovou ochranou, odporové navařování, navařování elektronovým svazkem, navařování plazmatem a laserové svařování. Při svařování TIG/WIG se vyvíjí teplo mezi zpracovávaným předmětem, tj. koncem lopatky 10 v daném příkladě, a wolframovou elektrodou. Navařovací drát ze slitiny bázi niklu, mající výše uvedené složení, se použije jako výplňový (přídavný) kov. Provede se více průchodů okolo obvodu konce lopatky, čímž se konec lopatky rekonstruuje do přibližně původní geometrie. Opravovací proces se dokončí přídavným obráběním, jakož i jakýmikoli povlakovacími procesy (např. povlaky ve formě nenesené vrstvy překrývající podklad, difuzním povlakováním, povlaky vytvářející tepelnou bariéru, atd.) pro další ochranu lopatky.

Podle prvního provedení vynálezu obsahuje vysoce legovaná navařovací slitina, zpevněná tuhým roztokem, od 10 do 15 hmotn. %, Co, od 18 do 22 hmotn. % Cr, od 0,5 do 1,5 hmotn. % Al, od

3.5 do 4,5 hmotn. % Ta, od 1 do 2 hmotn. % Mo, od 13,5 do 17,0 hmotn. % W, až 0,08 hmotn. % C, až 0,06 hmotn. % Zr, až 0,015 hmotn. % B, od 0,4 do 1,2 hmotn. % Mn, od 0,1 do 0,3 hmotn. % Si a zbytek niklu. V případě konkrétní slitiny je uhlík přítomný v množství ne menším než 0,02 hmotn. %, zirkonium je přítomné v množství ne menším než 0,01 hmotn. % a bor je přítomný v množství ne menším než 0,005 hmotn. %. V přednostním provedení slitina obsahuje

13.5 hmotn. % Co, 20 hmotn. % Cr, 0,8 hmotn. % Al, 4 hmotn. % Ta, 1,5 hmotn. % Mo,

15.5 hmotn. % W, 0,05 hmotn. % C, 0,03 hmotn. % Zr, až 0,01 hmotn. % B, 0,7 hmotn. % Mn, 0,2 hmotn. % Si a zbytek Ni. Slitina může obsahovat typické nečistoty.

Podle druhého provedení vynálezu obsahuje vysoce legovaná navařovací slitina, zpevněná tuhým roztokem až 10 hmotn. % Co, od 18 do 22 hmotn. % Cr, od 0,2 do 0,7 hmotn. % Al, od 15 do 28 hmotn. % souhrnu žárovzdomých prvků, až 0,09 hmotn. % C, až 0,06 hmotn. % Zr, až 0,015 hmotn. % B, od 0,4 do 1,2 hmotn. % Mn, od 0,2 do 0,45 hmotn. % Si, a zbytek Ni. Žárovzdomé prvky se zpravidla volí ze skupiny Ta, Mo a W. V jednom příkladě zahrnují žárovzdorné prvky Mo a W, přičemž souhrn Mo a W je v rozmezí 16 až 20 hmotn. %. V přednostním provedení jsou žáro vzdorné prvky tvořeny jen wolframem, přítomným v množství 17 až 19 hmotn. %. Podobně jako u prvního provedení obsahuje jeden konkrétní příklad druhého provedení uhlík v množství ne menším než 0,02 hmotn. %, zirkonium v množství ne menším než

-3 CZ 300494 B6

0,01 hmotn. % a bor v množství ne menším než 0,005 hmotn. %. Slitina může obsahovat typické nečistoty.

V konkrétním případě druhého provedení slitina obsahuje 21 hmotn. % Cr, 0,4 hmotn. % Al, 18 hmotn. % W, 0,07 hmotn. % C, 0,03 hmotn. % Zr, až 0,01 hmotn. % B, 0,7 hmotn. % Mn,

0,35 hmotn. % Si a zbytek Ni. Druhé provedení zpravidla neobsahuje žádný lanthan, neboť tento prvek byl shledán jako ovlivňující nežádoucím způsobem vlastnosti slitiny. Slitiny podle druhého provedení tak zpravidla sestávající z výše uvedených složek, a jsou bez lanthanu.

Porovnání slitiny (A) podle prvního provedení vynálezu, několika slitin (B-H a J-M) podle io druhého provedení vynálezu, a na trhu dostupné slitiny IN (625(X), je uvedeno v následující tabulce. Slitiny J-M se liší od slitin B-H dalšími obměnami obsahu Co a Mn.

TABULKA

Vzorek	Ni	Co	Cr Al	Ti	Ta	Nb
A	43,89	13,55	19,68 0,83		4,16
B	57,51	0,00	20,75 0,41		6,67
D	59,06	0,00	21,05 0,41		0,00
E	52,73	0,00	19,98 0,41		6,42
F	57,40	0,00	20,82 0,42		3,34
G	54,37	0,00	20,13 0,41		6,47
H	55,76	0,00	20,59 0,41		6,61
X	62,95		21,50 0,20	0,20		3,60
J	51,09	9,34	21,60 0,42
K	60,42	0,00	21,61 0,42
L	51,43	9,34	21,60 0,42
M	60,75	0,00	21,61 0,42
Vzorek	Mo	W	Fe C Zr	B	Mn	Si
A	1,47	15,50	0,05 0,03	0,01	0,67	0,17
B	0,00	13,55	0,06 0,03	0,01	0,67	0,35
D	0,00	18,33	0,07 0,03	0,01	0,70	0,35
E	1,98	17,39	0,06 0,03	0,01	0,65	0,35
F	1,03	15,85	0,06 0,03	0,01	0,70	0,35
G	0,00	17,52	0,06 0,03	0,01	0,66	0,35
H	2,05	13,44	0,06 0,03	0,01	0,70	0,35
X	9,00		2,50 0,05
J		16,03	0,07 0,03	0,01	1,05	0,36
K		16,04	0,07 0,03	0,01	1,05	0,36
L		16,03	0,07 0,03	0,01	0,72	0,36
M		16,03	0,07 0,03	0,01	0,72	0,36

Navařovací slitiny podle provedení vynálezu jsou buď odlévány, s podrobením směrovému tuhnutí (DS-dírectionally solidified), do obdélníkových ingotů o velikosti 15 cm x 3 cm x 1 cm,

-4CZ 300494 B6 nebo ze protlačují za tepla na tyče o průměru okolo 2 cm. Poté se vytvoří elektrojiskrovým obráběním (EDM-electro discharge mach in ing) oxidační tmy a podrobí se izotermním oxidačním zpracováním. Výsledky pro vybrané slitiny jsou uvedeny na obr. 2 a 3. Osa y, na níž je vynesena změna hmotnosti, představuje míru oxidace. Hmotnosti vzorků byly pravidelně měřeny v průběhu zpracování (přibližně jednou denně). Jak je zřetelně patrné z grafů, vykazují slitiny podle provedení dle vynálezu ve srovnání s běžně dostupnou slitinou X zřetelně vyšší odolnost proti oxidaci. Při vystavení teplotě 1038 °C (1900 °F) pro dobu 600 hodin ztrácejí slitiny A a D méně než 40 mg/cm², konkrétněji méně než 30 mg/cm² v důsledku oxidace. Konkrétně ztrácí slitina D méně než 10 mg/cm² při stejných podmínkách.

io

Navařovací slitiny byly testovány na životnost do lomu u směrové ztuhlých vzorků. Směrové ztuhnutí bylo provedeno u některých slitin pro eliminaci účinku odlišných struktur zrn. Jiné byly deformovány za tepla pro vytvoření zdravých jemnozmných stejnoosých struktur. Slitina A vykazovala přibližně trojnásobek zlepšení životnosti do lomu při teplotě 1093 °C (2000 °F),

20,68 MPa (3 ksi). Slitina D vykazovala větší než Čtyřnásobné zlepšení v životnosti do lomu vůči slitině X. Podobné výsledky byly vykazovány také u dalších slitin podle provedení vynálezu.

Některé navařovací slitiny podle provedení vynálezu byly také podrobeny zkoušce tuhých svarů. V tomto případě byly slitiny použity jako přídavný materiál při svařování TÍG/W1G mezi dvěma deskami z vysoce legované slitiny na bázi niklu. Srovnávací zkoušky ukázaly, že slitina A vykazovala přibližně 30% zvýšení životnosti do lomu vůči běžně dostupné slitině IN 617, při teplotě 1093 °C (2000 °F) a 20,68 MPa (3 ksi), a 35% zvýšení životnosti do lomu vůči slitině IN 617 při teplotě 1038 °C (1900 °F) a 34,47 MPa (5 ksi). Výše uvedené výsledky demonstrují, že slitiny mají dostatečné vlastnosti z hlediska odolnosti proti tečení pro potřeby oprav konců lopatek.

Dále prokazují zkoušky pevnosti vtahu při teplotě místnosti, že slitiny mají dostatečnou mez kluzu, mez pevnosti v tahu a dostatečné vlastnosti z hlediska tažnosti, takže jsou snadno svařitelné při teplotě místnosti. To znamená, že slitiny vykazují potřebnou tažnost při teplotě místnosti. Slitiny mají zpravidla mez kluzu nejméně okolo 275,8 MPa (40ksi) a mez pevnosti vtahu nejméně okolo 517,11 MPa (75 ksi), v typickém případě nejméně 551,58 MPa při vysokých teplotách, že slitiny maj í dostatečnou pevnost v tahu pro účely použití pro opravu konců lopatek, přičemž slitiny vykazují pevnost vtahu 137,90 až 172,37 MPa (20 až 25 ksi) při 982,2 °C (1800 °F).

Vynález tak přináší slitiny, zpevněné tuhým roztokem, které mají potřebnou svařitelnost při teplotě místnosti, pevnost při vysokých teplotách, dobré vlastnosti z hlediska lomu při tečení při vysokých teplotách a odolnost proti oxidaci při vysokých teplotách. I když byla popsána konkrétní provedení vynálezu, rozumí se, že odborníci v oboru mohou provést jejich obměny, které stále spadají do rozsahu připojených patentových nároků.

Claims

45 1. Vysoce legovaná navařovací slitina, zpevněná tuhým roztokem, sestávající v podstatě z až 10 hmotn. % Co, od 18 do 22 hmotn. % Cr, od 0,2 do 0,7 hmotn. % Al, od 15 do 28 hmotn. % úhrnného obsahu žárovzdomých prvků,

50 až 0,09 hmotn. % C, až 0,06 hmotn. % Zr, až 0,015 hmotn. % B, od 0,4 do 1,2 hmotn. % Mn, od 0,2 do 0,45 hmotn. % Si,

-5 CZ 300494 B6 zbytek Ni a typické nečistoty.
2. Slitina podle nároku 1, vyznačená tím, že jako žárovzdomé prvky obsahuje Ta, Moa W.
3. Slitina podle nároku 1, vyznačená tím, že jako žárovzdomé prvky obsahuje Mo a W, přičemž úhrn Mo a W je v rozmezí od 16 do 20 hmotn. %.
4. Slitina podle nároku 1, vyznačená tím, že jako žárovzdomé prvky obsahuje W, io přítomný v množství od 16 do 19 hmotn. %.
5. Slitina podle nároku 4, vyznačená tím, že uhlík je přítomný v podílu ne menším než 0,02 hmotn. %, zirkonium je přítomné v množství ne menším než 0,01 hmotn. %, a bor je přítomen v množství ne menším než 0,005 hmotn. %.
6. Slitina podle nároku 5, vyznačená tím, že sestává v podstatě z 21 hmotn. % Cr,

0,4 hmotn. % Al,

18 hmotn. % W,

20 0,07 hmotn. % C,

0,03 hmotn. % Zr, až 0,01 hmotn. % B,

0,7 hmotn. % Mn,

0,35 hmotn. % Si,

25 zbytek Ni a typické nečistoty.
7. Opravená součástka turbíny, obsahující nedotčenou část a opravenou část, přičemž opravená část v podstatě sestává z od 0 do 10 hmotn. % Co,

30 od 18 do 22 hmotn. % Cr, od 0,2 do 0,7 hmotn. % Al, od 15 do 28 hmotn. % úhrnného obsahu žárovzdomých prvků, až 0,09 hmotn. % C, až 0,06 hmotn. % Zr,

35 až 0,015 hmotn. % B, od 0,4 do 1,2 hmotn. % Mn, od 0,2 do 0,45 hmotn. % Si, zbytek Ni a typické nečistoty.

40
8. Součástka podle nároku 7, vyznačená tím, že součástka je lopatka, a opravená část je koncová část lopatky.
9. Součástka podle nároku 8, vyznačená tím, že lopatkou je lopatka sprostorově zakřiveným tvarem pro turbínu zařízení na vyvíjení výkonu.
10. Součástka podle nároku 8, vyznačená tím, že lopatkou je lopatka turbínového leteckého motoru.
11. Součástka podle nároku 7, vyznačená tím, že součástkou je dýza nebo statorová

50 lopatka turbíny.
12. Součástka podle nároku 7, vyznačená tím, že opravená část je umístěna podél náběžné okrajové části dýzy nebo statorové lopatky.