DE4219469A1

DE4219469A1 - Hohen Temperaturen aussetzbares Bauteil, insbesondere Turbinenschaufel, und Verfahren zur Herstellung dieses Bauteils

Info

Publication number: DE4219469A1
Application number: DE4219469A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ernst; Manfred Dr Thumann; Christoph Toennes
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1992-06-13
Filing date: 1992-06-13
Publication date: 1993-12-16
Also published as: US5395699A; JPH06172816A; DE59308916D1; EP0574727B1; EP0574727A1

Description

Technisches Gebiet

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.

Stand der Technik

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.

Kurze Darstellung der Erfindung

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.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

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.

Wege zur Ausführung der Erfindung

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

Claims

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.