DE4219469A1 - Hohen Temperaturen aussetzbares Bauteil, insbesondere Turbinenschaufel, und Verfahren zur Herstellung dieses Bauteils - Google Patents
Hohen Temperaturen aussetzbares Bauteil, insbesondere Turbinenschaufel, und Verfahren zur Herstellung dieses BauteilsInfo
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Description
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Bauteil für
hohe Temperaturen, insbesondere von einer Turbinenschaufel,
mit einem zumindest einen ersten und einen zweiten Abschnitt
enthaltenden Bauteilkörper, bei dem der erste Abschnitt von
einem duktilen Werkstoff gebildet ist und der zweite
Abschnitt einen gegenüber dem duktilen Werkstoff spröden
Werkstoff aufweist. Die Erfindung geht ferner aus von einem
Verfahren, um ein solches Bauteil herzustellen.
Ein solches Bauteil und ein Verfahren zur Herstellung eines
solchen Bauteils ist in FR-A1-2.136.170 beschrieben. Das
beschriebene Bauteil ist als Turbinenschaufel ausgebildet
und ist zur Verwendung in einer Gasturbine vorgesehen. Es
weist einen aus einer eutektischen Legierung gegossenen,
Schaufelfuß und Schaufelblatt enthaltenden Schaufelkörper
auf. Der Schaufelfuß ist von einem duktilen Gußkörper mit
nichtgerichteter Struktur gebildet. Das Schaufelblatt
besteht aus einer Matrix und aus parallel zueinander und in
Längsrichtung der Schaufel ausgerichteten, faserförmigen
Kristallen, welche in die Matrix eingebettet sind und welche
durch gerichtetes Erstarren aus einer induktiv aufgeheizten
Schmelze gebildet sind. Gegenüber dem Schaufelfuß zeichnet
sich das Schaufelblatt bei erheblich verringerter Duktilität
durch eine wesentlich größere Kriechfestigkeit aus.
Insbesondere bei der Herstellung eines großen
Schaufelblattes ist es jedoch schwierig, einen für eine
gerichtete Erstarrung ausreichend großen
Temperaturgradienten und damit die erwünscht hohe
Kriechfestigkeit im Schaufelblatt zu erreichen.
Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen 1 und 8
angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil,
insbesondere eine Turbinenschaufel, der eingangs genannten
Art anzugeben, weiche sich bei Einsatz in einer bei hohen
Temperaturen betriebenen Vorrichtung, wie insbesondere einer
Turbine, durch eine hohe Lebensdauer auszeichnet, und
gleichzeitig einen Weg zu weisen, der es ermöglicht, ein
solches Bauteil in einfacher und für eine Massenfertigung
geeigneten Weise herzustellen.
Das Bauteil nach der Erfindung zeichnet sich gegenüber
vergleichbaren Bauteilen nach dem Stand der Technik durch
eine hohe Lebensdauer aus. Dies ist zum einen dadurch
bedingt, daß die unterschiedlich beanspruchten Teile des
Bauteils aus unterschiedlich spezifizierten und an die
unterschiedlichen Anforderungen angepaßten Legierungen
bestehen. Zum anderen sind diese unterschiedlich
beanspruchten Teile in geeigneter Weise zu einem
bimetallischen Verbundwerkstoff verdichtet, welcher
problemlos die bei Betrieb einer Gasturbine oder eines
Verdichters auftretenden hohen thermischen und mechanischen
Belastungen aufnehmen kann. Das zur Herstellung der
erfindungsgemäßen Bauteile verwendete Verfahren zeichnet
sich dadurch aus, daß selbst große Bauteile mit hoher
thermischer und mechanischer Belastbarkeit durch geläufige
Verfahrensschritte, wie insbesondere durch heiß-isostatisches
Pressen oder durch Sintern, in einfacher und
für eine Massenfertigung geeigneten Weise hergestellt werden
können.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit
erzielbaren Vorteile werden nachfolgend anhand von
Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
Fig. 1 eine Aufsicht auf einen in Längsrichtung geführten
Schnitt durch eine erste Variante eines als
Turbinenschaufel ausgeführten erfindungsgemäßen
Bauteils nach Beendigung eines beim
Herstellverfahren ausgeführten heiß-isostatischen
Preßvorganges,
Fig. 2 eine Aufsicht auf einen in Längsrichtung geführten
Schnitt durch eine zweite Variante eines als
Turbinenschaufel ausgeführten erfindungsgemäßen
Bauteils nach Beendigung eines beim Herstellen
ausgeführten heiß-isostatischen Preßvorganges,
und
Fig. 3 ein Schliffbild des umrandet angegebenen Bereichs
der zweiten Variante des erfindungsgemäßen
Bauteils.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten und jeweils als
Turbinenschaufel 1 ausgebildeten Bauteile enthalten jeweils
ein langgestrecktes Schaufelblatt 2 und einen an einem Ende
des Schaufelblattes 2 angeformten Schaufelfuß 3. Mit dem
Bezugszeichen 4 ist eine Preßkanne bezeichnet. Diese
Preßkanne umschließt bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1
den Schaufelfuß 3 und weist eine vom Schaufelblatt 2
ausgefüllte Öffnung 5 auf, welche vorzugsweise durch
Anschweißen oder Anlöten der Preßkanne 4 an das
Schaufelblatt 2 gasdicht abgeschlossen ist. Bei der
Ausführungsform gemäß Fig. 2 umschließt die Preßkanne 4
die gesamte Turbinenschaufel 1.
Die in Fig. 1 dargestellte Turbinenschaufel 1 wird wie folgt
hergestellt:
Ein als Schaufelblatt 2 ausgeführter Gußkörper wird mit
seinem einen Ende durch die Öffnung 5 in die Preßkanne 4
geführt. Die vorzugsweise aus Stahl bestehende Preßkanne 4
wird im Bereich der Öffnung 5 gasdicht an den Gußkörper
angelötet oder angeschweißt. Durch eine nicht dargestellte
weitere Öffnung der Preßkanne 4 wird ein den Schaufelfuß
der Turbinenschaufel 1 aufnehmender Hohlraum der Preßkanne
mit Legierungspulver aufgefüllt. Die Preßkanne 4 wird
sodann evakuiert und gasdicht verschlossen.
Als Werkstoffe für den Gußkörper und das Pulver werden
bevorzugt Legierungen auf der Basis von Titan und Aluminium
verwendet. Die den Gußkörper bildende Legierung ist mit
Vorteil ein gamma-Titanaluminid mit einen Anteil von
mindestens 0,5 und höchstens 8 Atomprozent an Dotierstoff,
wie beispielsweise eines oder mehrere der Elemente B, C, Co,
Cr, Ge, Hf, Mn, Mo, Nb, Pd, Si, Ta, V, Y, W sowie Zr. Eine
typische Legierung ist beispielsweise eine solche, die 48
Atomprozent Al, 2 bis 4 Atomprozent Chrom und als Rest neben
nicht zu vermeidenden Verunreinigungen Ti aufweist.
Besonders bewährt hat sich eine Legierung mit der
nachfolgend angegebene Zusammensetzung in Gewichtsprozent:
33,2 Al - 3,9 Cr - Verunreinigungen kleiner 0,5 - Rest Ti.
Das Pulver enthält neben Al überwiegend Ti und mit Vorteil
zusätzlich einen Anteil an bis zu 20 Atomprozent eines oder
mehrerer Dotierelemente, wie insbesondere V und Nb. Typische
Legierungen enthalten neben nicht zu vermeidenden Verun
reinigungen und Ti entweder 6 Atomprozent Al und 4 Atom
prozent V oder 24 Atomprozent Al und 11 Atomprozent Nb. Die
Größe der Pulverteilchen ist typischerweise kleiner 500 µm.
Die durch gasdichtes Verschließen der Preßkanne 4
fertiggestellte Probe wird in eine Preßvorrichtung gebracht
und bei Temperaturen zwischen 900 und 1200°C heiß-isostatisch
verdichtet. Ein typischer Preßvorgang bei ca.
950°C dauerte bei einem Druck von ca. 200 MPa ca. 3 Stunden.
Hierbei wurden die beiden Legierungen unter Bildung einer
Grenzschicht 6 porenfrei zu einem bimetallischen
Verbundwerkstoff verdichtet.
Dieser bereits die Form der Turbinenschaufel aufweisende
Verbundwerkstoff wurde nach Entfernen der deformierten
Preßkanne 4 sodann bei Temperaturen oberhalb 700°C
typischerweise ca. 4 Stunden lang wärmebehandelt.
Nachfolgend wurde durch geringfügige materialabhebende
Bearbeitung, wie Schleifen, Polieren und/oder
elektrochemisches Behandeln, die Turbinenschaufel nach der
Erfindung fertiggestellt.
Bei der Herstellung der aus Fig. 2 ersichtlichen
Turbinenschaufel 1 wurde eine in Längsrichtung erweiterte
und die gesamte Turbinenschaufel 1 aufnehmende Preßkanne 4
verwendet. In diese Preßkanne 4 wurde zunächst der das
Schaufelblatt 2 bildende Gußkörper eingegeben und
nachfolgend entsprechend dem zuvor beschriebenen
Ausführungsbeispiel das Legierungspulver eingefüllt. Die
Preßkanne 4 wurde sodann evakuiert und gasdicht
verschlossen. Der so hergestellte Probekörper wurde
entsprechend dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel
behandelt. Die verwendeten Legierungen wiesen die gleiche
Zusammensetzung auf wie beim zuvor beschriebenen
Ausführungsbeispiel.
Aus dem Schliffbild gemäß Fig. 3 sind der Aufbau und die
Gefügestruktur eines in Fig. 2 umrandet angegebenen Teils der
Turbinenschaufel nach der Erfindung zu entnehmen. Hieraus
ist ersichtlich, daß die das Schaufelblatt 2 bildende
Legierung eine grobkörnige und die den Schaufelfuß 3
bildende Legierung eine feinkörnige Mikrostruktur aufweist,
und daß die die beiden Legierungen miteinander verbindende
Grenzschicht 6 nahezu unstrukturiert ist und gemäß
chemischer Analyse im wesentlichen von einer binären TiAl-
Legierung mit einem Anteil von ca. 25 Atomprozent Al
gebildet ist.
Werkstoffuntersuchungen haben für den der erfindungsgemäßen
Turbinenschaufel 1 zugrundeliegenden bimetallischen
Verbundwerkstoff folgende Eigenschaften ergeben:
Die das Schaufelblatt 2 bildende Legierung weist bei
Raumtemperatur eine Duktilität von ca. 0,5 bis 1%, die den
Schaufelfuß 3 bildende Legierung hingegen eine solche von
18 bis 20% auf. Bei einer Temperatur von ca. 700°C besitzt
das Schaufelblatt 2 eine Kriechfestigkeit, welche erheblich
über der Kriechfestigkeit der üblicherweise in diesem
Temperaturbereich verwendeten Nickelbasis-Superlegierungen
liegt. Die Turbinenschaufel 1 zeigt eine dem Werkstoff des
Schaufelblattes 2 entsprechende Duktilität von 0,5 bis 1%,
was bedeutet, daß durch die Grenzschicht 6 die Duktilität
der Schaufel nicht negativ beeinflußt wird. Die
Turbinenschaufel 1 nach der Erfindung zeichnet sich demnach
durch einen Schaufelfuß 3 mit hoher Duktilität und ein bei
Raumtemperatur zwar sprödes, bei hohen Temperaturen jedoch
eine große Kriechfestigkeit aufweisendes Schaufelblatt 2
aus. Die Festigkeit der Grenzschicht 6 reicht aus, um einen
sicheren Betrieb der Turbinenschaufel 1 bei hohen
Temperaturen zu gewährleisten.
Eine erhöhte Festigkeit der Grenzschicht 6 kann dadurch
erreicht werden, daß die beiden Legierungen - wie in Fig. 2
dargestellt - im Bereich der Grenzschicht 6 zumindest
teilweise oder aber vollständig ineinander verzahnt sind.
Dies kann vor dem Einbringen des Gußkörpers in die
Preßkanne 4 in einfacher Weise durch Schleifen oder
Sandstrahlen des Gußkörpers an seinem den Schaufelfuß 3
aufnehmenden Ende bis zu einer Rauhtiefe von bis zu 0,1 mm
bewirkt werden.
Anstelle eines das Schaufelblatt 2 bildenden Gußkörpers
kann in die Preßkanne 4 auch ein Körper aus einem heiß-isostatisch
verdichteten Pulver eingeführt werden. In einer
weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung wurden
ca. 100 g eines Legierungspulvers mit 48 Atomprozent Al, 3
Atomprozent Cr, Rest Ti und geringe Mengen an
Verunreinigungen bei einer Temperatur von ca. 1070°C und
einem Druck von ca. 250 MPa während ca. 3 Stunden heiß-isostatisch
verdichtet. Der resultierende Körper wurde
sodann in die in Fig. 2 dargestellte Preßkanne 4 gebracht
und bei den dort beschriebenen Bedingungen zusammen mit dem
den Schaufelfuß 3 bildenden Pulver heiß-isostatisch
verdichtet. Die nach entsprechender Wärmebehandlung und
entsprechender Nachbearbeitung resultierende
Turbinenschaufel wies gegenüber der Turbinenschaufel gemäß
Fig. 2 bei gleichbleibend guter Kriechfestigkeit eine um ca.
50% erhöhte Duktilität des Schaufelblattes 2 bei
Raumtemperatur auf.
In weiteren Varianten der Erfindung wurden anstelle des
Gußkörpers bzw. des aus heißverdichtetem Pulver gebildeten
Körpers jeweils ein das Schaufelblatt 2 bildendes
Legierungspulver, etwa der Zusammensetzungen 48 Atomprozent
Al, 3 Atomprozent Cr, Rest neben den üblichen
Verunreinigungen Ti oder 48 Atomprozent Al, 2 Atomprozent
Niob, 2 Atomprozent Cr, Rest neben den üblichen
Verunreinigungen Ti, in die Preßkanne 4 eingefüllt. Danach
wurde ein den Schaufelfuß 3 bildendes Legierungspulver mit
der bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen
angegebenen Zusammensetzung hinterfüllt. Die Preßkanne 4
wurde sodann, ohne zu schütteln und ohne die eingefüllten
Pulver miteinander zu vermischen, evakuiert und gasdicht
verschlossen. Durch heiß-isostatisches Pressen während ca.
3 Stunden bei ca. 1070°C und einem Druck von ca. 250 MPa
wurde ein porenfreier bimetallischer Verbundwerkstoff
hergestellt, aus dem nach Entfernen der Preßkanne 4, nach
Wärmebehandlung bei ca. 700°C und materialentfernender
Nachbearbeitung eine Turbinenschaufel nach der Erfindung
hergestellt wurde.
In einer weiteren Variante der Erfindung ist es möglich, an
Stelle einer Preßkanne 4 als Form zur Aufnahme der
Legierungen eine Sinterform zu verwenden, und das Verdichten
zur Turbinenschaufel in einem Sinterverfahren zu erreichen.
Die Erfindung ist nicht auf Turbinenschaufeln beschränkt.
Sie bezieht sich auch auf andere bei hohen Temperaturen
mechanisch stark belastete Bauteile, wie etwa einstückig
ausgebildete Turbinenräder von Turboladern.
Bezugszeichenliste
1 Turbinenschaufel
2 Schaufelblatt
3 Schaufelfuß
4 Preßkanne
5 Öffnung
6 Grenzschicht
2 Schaufelblatt
3 Schaufelfuß
4 Preßkanne
5 Öffnung
6 Grenzschicht
Claims (13)
1. Hohen Temperaturen aussetzbares Bauteil, insbesondere
Turbinenschaufel (1), mit einem zumindest einen ersten
(Schaufelfuß 3) und einen zweiten Abschnitt
(Schaufelblatt) enthaltenden Bauteilkörper, bei dem der
erste Abschnitt (3) von einem duktilen Werkstoff
gebildet ist und der zweite Abschnitt (2) einen
gegenüber dem duktilen Werkstoff spröden Werkstoff
aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden
Werkstoffe jeweils eine von zwei Legierungen
unterschiedlicher chemischer Zusammensetzungen enthält,
und daß diese beiden Legierungen unter Bildung einer
den ersten (3) und den zweiten Abschnitt (2)
verbindenden Grenzschicht (6) zu einem bimetallischen
Verbundwerkstoff heißverdichtet sind.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der erste und der zweite Abschnitt im Bereich der
Grenzschicht (6) ineinander verzahnt sind.
3. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß beide Legierungen jeweils
zumindest Titan und Aluminium enthalten.
4. Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
eine den zweiten Abschnitt bildende zweite der beiden
Legierungen ein gamma-Titanaluminid ist und einen
Anteil von mindestens 0,5 und höchstens 8 Atomprozent
an Dotierstoff aufweist.
5. Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
als Dotierstoff mindestens eines oder mehrere der
Elemente B, C, Co, Cr, Ge, Hf, Mn, Mo, Nb, Pd, Si, Ta,
V, Y, W sowie Zr enthalten sind.
6. Bauteil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß eine den ersten Abschnitt bildende
erste der beiden Legierungen überwiegend Ti enthält.
7. Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Legierung zusätzlich einen Anteil an bis zu
20 Atomprozent eines oder mehrerer der Elemente V oder
Nb enthält.
8. Verfahren zur Herstellung des Bauteils nach
Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem
Heißverdichten eine den ersten Abschnitt bildende
erste der beiden Legierungen als Pulver in eine Form
eingefüllt wird.
9. Verfahren nach Patentanspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die den zweiten Abschnitt bildende
zweite der beiden Legierungen in Form eines Gußkörpers
oder eines aus heißverdichtetem Pulver gebildeten
Körpers verwendet wird, und daß dieser Gußkörper oder
der aus dem heißverdichteten Pulver gebildete Körper
zumindest mit einem Ende in die als Preßkanne (4)
ausgebildete Form geführt und in der Preßkanne (4) mit
dem Pulver in Berührung gebracht wird.
10. Verfahren nach Patentanspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Preßkanne (4) eine vom
eingeführten Körper ausgefüllte Öffnung (5) aufweist,
welche vorzugsweise durch Anschweißen oder Anlöten der
Preßkanne (4) an den Körper abgeschlossen wird.
11. Verfahren nach Patentanspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß vor dem Heißverdichten eine den
zweiten Abschnitt bildende zweite der beiden
Legierungen als Pulver in die Form eingefüllt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß das Heißverdichten bei
Temperaturen zwischen 900 und 1200°C durchgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß der durch Heißverdichten
entstandene Verbundwerkstoff bei Temperaturen größer als
700°C wärmebehandelt wird.
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