DE3145941C2

DE3145941C2 - Verfahren zur Steigerung der Zuverlässigkeit von bereits kriechbeanspruchten beschichteten Bauteilen von Turbomaschinen

Info

Publication number: DE3145941C2
Application number: DE19813145941
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr.-Ing. 8061 Esterhofen Wortmann
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1981-11-20
Filing date: 1981-11-20
Publication date: 1983-12-01
Also published as: GB2111889A; FR2516943B3; FR2516943A1; DE3145941A1; GB2111889B

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steigerung der Zuverlässigkeit eines Satzes bereits kriechbeanspruchter, insbesondere beschichteter Bauteile, vorzugsweise Turbomaschinen-, besonders Turbinenschaufeln. Aufgabe ist es, die Zuverlässigkeit eines solchen Bauteilsatzes bzw. Schaufelsatzes oder -kranzes zu steigern. Die Erfindung besteht darin, daß die bereits kriechbeanspruchten Bauteile einer Heißiso statpressung unterworfen werden. Insbesondere werden durch die Heißisostatpressung Kriechporen und Risse geschlossen. Insbesondere wird ferner durch die Heißisostatpressung das Lösungsverhalten von Legierungselementen zur Homogenisierung und zu einer Verfeinerung von Ausscheidungen geändert. Insbesondere wird weiterhin durch die Heißisostatpressung bei Nichtschließen äußerer Grundwerkstoffrisse dort die Beschichtung zur Rißfindung für eine Bauteil-Aussonderung eingerissen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Durch die Seite 245 des Berichts von W. Hansen und P. Esslinger »Werkstofftechnische Probleme bei Gasturbinentriebwerken«, Werkstofftechnische Verlagsgesellschaft m. b. H, 1978, ist bekannt, daß zeitstandgeschädigte Werkstoffe annähernd in ihren Ausgangszustand zurückversetzt werden können. Es handelt sich um ein Verfahren, bei dem durch Einwirkung von Temperatur und gegebenenfalls Druck Poren zusintern, vergröberte /-Ausscheidungen sich auflösen und schädliche Karbide sich umwandeln. Ferner wird dort gewünscht, daß für Schaufelsätze ein Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung zur Verfügung stünde, mit dessen Hilfe zu stark geschädigte Schaufeln ausgesondert werden können.

Es ist ferner durch die US-PS 37 58 347 und die DE-OS 21 57 752 bekannt, eine gegossene, noch nicht im Einsatz gewesene, also nicht bereits kriechbenaspruchte Turbinenlaufschaufel aus einer Nickelbasis-Legierung und mit Rissen und Poren im Inneren, die mit der Oberfläche dieser Schaufel verbunden sind und ausreichend genug sind, um die Schaufel als Ausschuß zu verwerfen, durch folgendes zu verbessern: Die Schaufel wird an dieser Oberfläche mit einer Nickelschicht versehen, um ein Eindringen eines Gases, mittels dessen im folgenden ein Druck von außen auf diese Schicht ausgeübt wird, in diese Risse und Poren zu verhindern, und dann werden durch Einwirkung von Temperatur ~ und dieses Drucks die Wände der Risse und Poren zusammengepreßt und durch Diffusion miteinander verbunden.

Beim anfangs genannten Verfahren jedoch geht es um Turbomaschinenbauteile, die aus anderem Grund beschichtet sind und als solche schon im Einsatz waren und dabei kriechbeansprucht wurden. Bereits kriechbeanspruchte beschichtete Turbomaschinenbauteile, im allgemeinen aus Metall, erfahren im Einsatz Werkstoffänderungen. Dabei handelt es sich insbesondere um Bildung von Ausscheidungen, Vergröberung von Ausscheidungen, Umbildung von Ausscheidungen entsprechend den thermodynamischen Gleichgewichten, b5 Kriechporenbildung und Rißbildung. Eine Überlagerung dieser Effekte führt in der Regel zum Versagen des Bauteils durch Zeitstandsbruch.

1st iine zerstörungsfreie Prüfung solcher im Einsatz gewesener Bauteile nicht möglich, behilft man sieh in der Regel mit Gefügeuntersuchungen an einer repräsentativen Stichprobe. Dieses Vorgehen ist jedoch mit einigen Unsicherheitsfaktoren behaftet, die im wesentlichen durch die Stichprobenentnahme bedingt sind. Insbesondere für die Restiebensdauerabschätzung von Turbinenschaufeln ist dieses Vorgehen nicht zufriedenstellend, da wegen der großen Schaufelzahl eines Schaufelkranzes die Wahrscheinlichkeit für durch die Stichprobe nicht erfaßte zu starke Schädigungen oder Werkstofiänderungen aufgrund ökonomischer Zwänge nicht beliebig klein gehalten werden kann. Sehr nachteilig ist auch, daß Risse und Kriechporen im Grundwerkstoff des beschichteten Bauteils, die bis zur Beschichtung des Bauteils reichen und also nicht durch die Beschichtung hindurchgetreten sind, nicht oder nur mit größerem Aufwand aufgefunden werden können, weil solche Risse und Kriechporen durch diese Beschichtung verdeckt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein recht einfaches Verfahren anfangs genannter Art zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung darin, daß gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 vorgegangen wird.

Bei dem Verfahren mit diesen Merkmalen ergibt sich die überraschende Wirkung, daß sowohl regenerierbare beschichtete Turbomaschinenbauteile verbessert werden können, als auch beschichtete Turbomaschinenbauteile, die bereits durch Risse und Kriechporen im Grundwerkstoff, die nicht durch die Beschichtung hindurchgetreten sind, geschädigt sind, auf die einfache Weise aussortiert werden können. Beides wird durch ein und dasselbe Mittel, nämlich das Kennzeichen des Anspruchs 1, erreicht.

Im einzelnen geht folgendes vor sich: Es werden genannte Werkstoffänderungen, die die kriechbeanspruchten Bauteile erfahren haben, bis zu einem großen Teil behoben. Unter anderem werden im Grundwerkstoff die nicht bis zur Beschichtung reichenden Risse und Kriechporen geschlossen, aber darüber hinaus öfter auch noch die bis zur Beschichtung reichenden, und zwar weil die Beschichtung vorhanden ist; die Nickelschicht im letztgenannten bekannten Fall dagegen wird dafür erst besonders erzeugt. Es werden aber im wesentlichen nur die kleineren der bis zur Beschichtung reichenden Grundwerkstoff-Risse und -Kriechporen geschlossen. Die größeren der bis zur Beschichtung reichenden Grundwerkstoff-Risse- und -Kriechporen werden bei dem Verfahren mit den erfindungsgemäßen Merkmalen nicht geschlossen, sondern durch die Beschichtung hindurch geöffnet. Durch die Merkmale der Erfindung wird einerseits die Regeneration, andererseits dieses öffnen erzielt. Es reißen die Beschichtungen der Bauteile auf, die wegen zu großer bis zur Beschichtung reichender Grundwerkstoff-Risse und -Kriechporen nicht mehr regnerierbar sind, während die anderen Bauteile regeneriert sind. Dieses Öffnen, d. h. das Ein- oder Aufreißen der Beschichtung außerhalb der größeren bis zur Beschichtung reichenden Grundwerkstoff-Risse und Kriechporen, stellt eine Vorbereitung einer leicht durchzuführenden Prüfung dar. So können jetzt leicht z. B. mit einem Mikroskop diese Risse und Kriechporen sichtbar gemacht werden. Die Beurteilung derselben führt dann je nach Nichtzulässigkeit oder Zulässigkeit der Rißgröße und Kriechporengröße zu einer Aussonderung oder Weiterverwendung dieses Bauteils. Ein weiterer Einsatz

oder ein Wiedereinbau unzulässig stark geschädigter Bauteile, z. B. Turbomaschinen-, besonders Gasturbinenschaufeln, wird also vermieden.

Was die Regeneration beim erfindungsgemäßen Verfahren betrifft, so treten durch die relativ niedrige Glühtemperatur der heißisostatischen Pressung keine unzulässigen Versprödungs- und Diffusionseffekte in der Beschichtung und/oder im Grundwerkstoff auf; ein Entfernen der Beschichtung erübrigt sich. Ferner wird durch das Schließen der Risse und Kriechporen die Gesamtlebensdauer des Bauteils oft bis mindestens 50% gesteigert, z. B. bei einer Nickelbasis-Knetlegierung, die in Gewichtsprozenten im wesentlichen aus jeweils etwa 14% Chrom, 1,2% Titan, 5% Aluminium, 20% Kobalt, 5% Molybdän, 1% Silizium, 1% Mangan, 2% Eisen, 0,2% Kohlenstoff und ungefähr 50% Nickel besteht

Der Regeneration dient ferner insbesondere ein Druck größer als 1250 bar, wodurch das Lösungsverhalten von Legierungselementen zur Homogenisierung und zu einer Verfeinerung von Ausscheidungen geändert wird. Dadurch erhöhen sich, insbesondere bei Nickelbasis-Knetlegierungen, Zeitstandfestigkeit, Zugfestigkeit, Duktilität (Dehnbarkeit) und Schwingungsfestigkeit. Zum Beispiel ergibt sich bei der mit den Prozentangaben genannten Nickelbasis-Knetlegierung eine Steigerung der Verformungsarbeit im Kerbschlagversuch um 400% bei erhöhter Zugfestigkeit.

Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist im Anspruch 2 angegeben. Mit den dortigen Merkmalen werden bei einer Nickelbasis-Knetlegierung als Grundwerkstoff die Regeneration und das der Aussortierung dienende Einreißen gut brauchbar im Fall einer Diffusionsschicht oder einer Auflageschicht.

Bei der mit den Prozentangaben genannten Nickelbasis-Knetlegierung und einer AJuminiumdiffusionsschicht beträgt die Temperatur insbesondere etwa 1050" C, der isostatische Druck insbesondere etwa 1300 bar und die Preßzeit insbesondere etwa 1,5 Stunden.

Bei den anfangs genannten Bauteilen von Turbomaschinen handelt es sich vorzugsweise um Turbomaschinen-, insbesondere Turbinenschaufeln und dabei in erster Linie um Laufschaufeln, besonders einer Gasturbine. Diese Bauteile von Turbomaschinen können aber auch z. B. Rohrkrümmer oder -bögen sein.

Der Grundwerkstoff der anfangs genannten Bauteile von Turbomaschinen ist im allgemeinen ein Metall oder eine Metallegierung, insbesondere eine Nickelbasis-Legierung. Die anfangs genannten Bauteile von Turbomaschinen können z. B. aus einem ausscheidungsgehärteten Grundwerkstoff bestehen; insbesondere bestehen die genannten Turbinenschaufeln daraus. Dabei handelt

ι es sich z. B. um Nickelbasis-Werkstoffe.

Das Turbomaschinenbauteil kann z. B. eine Schicht oder zwei oder mehr aufeinanderliegende Schichten aufweisen. Die Beschichtung des Bauteils kann eine Diffusionsschicht, z. B. eine Aluminium- oder Chromdiffusionsichicht, eine Auflageschicht, wie z. B. eine Kobalt-Chrom-AIuminium-Yttrium-Schicht, eine Wärmedämmschicht, z. B. eine Zirkoniumoxid (Z^O)-Schicht, oder die Summe mindestens zweier dieser Schichten, die dann aufeinanderliegen, sein. Insbesondere weisen die geannten Turbinenschaufeln eine Beschichtung dieser Art auf.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Steigerung der Zuverlässigkeit von bereits kriechbeanspruchten beschichteten Bauteilen von Turbomaschinen durch Regeneration und Aussortierung, mit Hilfe heißisostatischer Pressung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Glühtemperatur gewählt wird, die unterhalb der Glühtemperatur, bei der die Beschichtungselemente in den Grundwerkstoff merklich diffundieren, und unterhalb der Lösungsglühtemperatur des Grundwerkstoffs liegt, und der isostatische Druck zwischen 950 bar und 2000 bar und die Preßzeit zwischen einer und vier Stunden gewählt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Bauteile mit einem Grundwerkstoff aus einer Nickelbasis-Knetlegierung bei mindestens 950°C mit einem Druck von 1200 bar bis 1400 bar eine bis zwei Stunden geglüht werden.

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