DE4435321A1 - Turbinenschaufel - Google Patents

Turbinenschaufel

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DE4435321A1
DE4435321A1 DE19944435321 DE4435321A DE4435321A1 DE 4435321 A1 DE4435321 A1 DE 4435321A1 DE 19944435321 DE19944435321 DE 19944435321 DE 4435321 A DE4435321 A DE 4435321A DE 4435321 A1 DE4435321 A1 DE 4435321A1
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DE
Germany
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turbine blade
titanium
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alloy
aluminum alloy
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Withdrawn
Application number
DE19944435321
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English (en)
Inventor
Thomas Geier
Joachim Dr Roesler
Christoph Toennes
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ABB Research Ltd Switzerland
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C21/00Alloys based on aluminium
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/28Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288Protective coatings for blades

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung geht aus von einer Turbinenschaufel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Aus der Offenlegungsschrift DE 40 37 959 A1 sind Titan- Aluminium-Legierungen bekannt, die einen vergleichsweise hohen Niobgehalt aufweisen. Diese Titan-Aluminium-Legierun­ gen sind oxidationsfest, wenn sie mit höhere Temperaturen aufweisenden Gasen beaufschlagt werden. Für die Herstellung von thermisch und mechanisch hochbelasteten Turbinenschau­ feln sind diese Legierungen jedoch nur bedingt geeignet.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, eine Turbinenschaufel zu schaffen, die neben einer auf die vergleichsweise geringe Dichte bezogenen guten mechanischen Festigkeit eine beson­ ders hohe Oxidationsfestigkeit aufweist.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesent­ lichen darin zu sehen, daß als Grundmaterial für einen Turbinenschaufelrohling eine Titanaluminid-Legierung gewählt werden kann, obwohl diese wegen des vergleichsweise hohen Titananteils bei höheren Temperaturen zwangsläufig anfällig für Oxidationen ist. Dieser Turbinenschaufelrohling wird dann mittels eines Überzugs aus der modifizierten Titan- Aluminium-Legierung gegen Oxidationen geschützt, so daß die so entstandene Turbinenschaufel sowohl mechanisch hoch belastbar und als auch sehr oxidationsbeständig ist. Auf diese Art ist es möglich, die zulässige Betriebstemperatur der Turbine, in welcher diese erfindungsgemäßen Turbinen­ schaufeln eingesetzt werden, gegenüber konventionell beschaufelten Turbinen zu erhöhen. Diese Erhöhung der Betriebstemperatur bringt eine vorteilhafte Erhöhung des Turbinenwirkungsgrades mit sich.
Die weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung, ihre Weiterbildung und die damit erzielbaren Vorteile werden nachstehend näher erläutert.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Als Grundmaterial wird für die Turbinenschaufel beispiels­ weise eine Titanaluminid-Legierung Ti₄₇Al₄₆Cr₃Nb₂Ta₂ ver­ wendet. Diese Legierung wird in diesem Fall pulvermetallur­ gisch verarbeitet. Der aus dieser Legierung hergestellte Turbinenschaufelrohling ist mechanisch vergleichsweise hoch belastbar, er wäre jedoch bei einer Beaufschlagung mit heißen Gasen einer vergleichsweise starken Oxidation unterwor­ fen. Der Turbinenschaufelrohling wird deshalb mit einer ihn gegen die Oxidation schützenden Beschichtung überzogen. Die gesamte Oberfläche der so entstandenen Turbinenschaufel ist damit wirksam gegen Oxidation geschützt. Als besonders geeignetes Material für diese Beschichtung wurde in diesem Fall eine im angestrebten Temperaturbereich bis etwa 850°C oxidationsbeständige niobmodifizierte Titan-Aluminium-Legie­ rung, deren wesentliche Bestandteile Titan, Aluminium und Niob sind, eingesetzt. Das Atomverhältnis der Bestandteile dieser Titan-Aluminium-Legierung ist Ti₂₅Nb₁₃Al₆₂. Diese spaltfreie Beschichtung stellt sicher, daß das die Turbinenschaufel beaufschlagende Heißgas nicht oxidierend auf das Grundmaterial der Turbinenschaufel einwirken kann.
Der Wärmedehnungskoeffizient dieser Titan-Aluminium-Legie­ rung ist in etwa dem Wärmedehnungskoeffizient des Grundmate­ rials angeglichen. Bei der obigen Materialpaarung beträgt der Unterschied der linearen Wärmedehnungskoeffizienten maximal 6%. Zudem weist diese Titan-Aluminium-Legierung eine ausreichende Duktilität auf.
Die Titanaluminid-Legierung Ti₄₇Al₄₆Cr₃Nb₂Ta₂ als Grundmate­ rial und die für die Beschichtung eingesetzte niobmodifi­ zierte Titan-Aluminium-Legierung Ti₂₅Nb₁₃Al₆₂ stellen eine der optimalen Materialpaarungen dar, die für die Herstellung von für besonders hohe Betriebstemperaturen geeigneten Turbinenschaufeln eingesetzt werden können. Außer dieser angegebenen sind noch weitere Materialpaarungen möglich. Als Grundmaterial sind verschiedene Titanaluminid-Legierungen, wie insbesondere Gamma-Titanaluminide, die an die jeweils zu erwartenden Betriebsbedingungen angepaßt sind, einsetzbar. Diese Titanaluminid-Legierungen können entweder mit vergleichsweise wenig Aufwand vergießbare oder auch pulver­ metallurgisch verarbeitbare Legierungen sein. Jede dieser Titanaluminid-Legierungen weist einen spezifischen Wärmedeh­ nungskoeffizienten auf. Wenn darauf geachtet wird, daß der Unterschied der Wärmedehnungskoeffizienten des Grundmateri­ als und der Beschichtung im Bereich um 6% liegt, so ist damit gewährleistet, daß es zwischen der jeweiligen Beschichtung und dem jeweiligen Grundmaterial nicht zu Ablö­ sungen oder Rissbildungen kommt, wenn Temperaturschwankungen auf die Turbinenschaufel einwirken. Ferner muß die niob­ modifizierte Titan-Aluminium-Legierung eine ausreichende Duktilität aufweisen.
Die niobmodifizierte Titan-Aluminium-Legierung kann ein Atomverhältnis etwa in den Bereichen Ti18-30Nb8-21Al50-75 aufweisen. Es gibt demnach eine Vielzahl von Möglichkeiten um durch Variation der Zusammensetzung der niobmodifizierten Titan-Aluminium-Legierung eine dem jeweiligen Grundmaterial genügend angepaßte Titan-Aluminium-Legierung zu schaffen, die sowohl bezüglich Wärmedehnungskoeffizient als auch bezüglich der metallischen Verbindung zwischen Schutzschicht und Grundmaterial und bezüglich der Duktilität voll befrie­ digt. Als besonders günstig erweist sich ein Atomverhältnis der niobmodifizierten Titan-Aluminium-Legierung im Bereich Ti22-27Nb11-15Al58-65.
Die beschriebenen niobmodifizierten Titan-Aluminium-Legie­ rungen lassen sich mittels Flammspritzen oder mittels Plas­ maspritzen auf das Grundmaterial auftragen, so daß eine gasdichte, schützende Beschichtung korrosiv und oxidierend wirkende Heißgase von dem Grundmaterial fernhält. Die beschriebenen niobmodifizierten Titan-Aluminium-Legierungen können auch in Folienform auf den Turbinenschaufelrohling aufgebracht werden und danach mittels Heiß-Isostatischem Pressen mit dem Grundmaterial innig verbunden werden. Die Dicke der schützenden Beschichtung liegt vorteilhaft im Bereich von 30 µm bis 300 µm. Es sind durchaus noch andere Applikationsmethoden denkbar, insbesondere auch Kombinatio­ nen der beschriebenen Auftragsmöglichkeiten.
Weitere Versuche wurden auch mit der niobmodifizierten Titan-Aluminium-Legierung Ti₁₈Nb₂₁Al₆₁ in Verbindung mit der Titanaluminid-Legierung Ti₄₇Al₄₆Cr₃Nb₂Ta₂ als Grundmaterial gemacht. Diese Verbindung wies im Bereich innerhalb der Schutzschicht, wenn eine auf 800°C aufgeheizte Probe mittels Umgebungsluft abgekühlt wurde, entlang der Grenzschicht wenige feine Risse parallel zu dieser auf, wenn eine weitere auf 800°C aufgeheizte Probe mittels Pressluft intensiv abge­ schreckt wurde, traten in der Schutzschicht etwas mehr dieser Risse auf, ein Abplatzen der Schutzschicht kam jedoch nicht vor.
Ferner wurden Versuche mit der niobmodifizierten Titan- Aluminium-Legierung Ti₂₁Nb₂₁Al₅₈ in Verbindung mit der Titanaluminid-Legierung Ti₄₇Al₄₆Cr₃Nb₂Ta₂ als Grundmaterial gemacht. Diese Verbindung wies im Bereich der Schutzschicht, wenn eine auf 800°C aufgeheizte Probe mittels Umgebungsluft abgekühlt wurde, keine Risse auf, wenn eine weitere eben­ falls auf 800°C aufgeheizte Probe mittels Pressluft intensiv abgeschreckt wurde, traten in der Schutzschicht viele ver­ zweigte Risse auf, ein Abplatzen der Schutzschicht kam jedoch auch hier nicht vor.
Bei Versuchen mit der niobmodifizierten Titan-Aluminium- Legierung Ti₂₅Nb₁₃Al₆₂ in Verbindung mit der Titanaluminid- Legierung Ti₄₇Al₄₆Cr₃Nb₂Ta₂ als Grundmaterial traten bei entsprechendem Abschrecken keinerlei Risse auf.
Diese hier angewandte, ein Abschrecken der Probe benutzende Prüfmethode kann nur bedingt mit den im tatsächlichen Betrieb der Turbine auftretenden Temperaturbedingungen ver­ glichen werden. Es bedarf demnach noch weiterer Abklärungen, um zu einem aussagekräftigen Prüfzyklus zu gelangen.
Die niobmodifizierte Titan-Aluminium-Legierung Ti₂₅Nb₁₃Al₆₂ in Verbindung mit der Titanaluminid-Legierung Ti₄₇Al₄₆Cr₃Nb₂Ta₂ als Grundmaterial ist auch bei gegenüber der tatsächlich zu erwartenden thermischen Belastung wesent­ lich härteren Prüfbedingungen unbeschadet aus der Prüfung hervorgegangen. Daraus ist zu folgern, daß der Unterschied der Wärmedehnungskoeffizienten, der hier maximal 6% aus­ macht, zulässig ist für diese Materialpaarung, und daß fer­ ner auch die Duktilität dieser niobmodifizierten Titan- Aluminium-Legierung einen hinreichenden Wert aufweist.
Weitere Versuche mit niobhaltigen Titan-Aluminium-Legierun­ gen wie beispielsweise Ti₁₈Nb₂₁Al₆₁ und Ti₂₁Nb₂₁Al₅₈ zeigten unbefriedigende Resultate. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei der Titan-Aluminium-Legierung Ti₁₈Nb₂₁Al₆₁ der Wärmedehnungskoeffizient maximal 10,4% von dem des Grundma­ terials Ti₄₇Al₄₆Cr₃Nb₂Ta₂ abweicht und bei der Titan-Alumi­ nium-Legierung Ti₂₁Nb₂₁AI₅₈ beträgt diese Abweichung maximal 14%. Diese Abweichungen werden als zu groß angesehen, was durch die festgestellte starke Rissbildung bestätigt wird.

Claims (9)

1. Turbinenschaufel, welche aus einem Grundmaterial gefertigt ist, und deren gesamte Oberfläche mit einer Beschichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß für die Beschichtung eine niobmodifizierte Titan- Aluminium-Legierung, deren wesentliche Bestandteile Titan, Aluminium und Niob sind, verwendet wird,
  • - daß das Atomverhältnis der Bestandteile dieser Titan- Aluminium-Legierung etwa in den Bereichen Ti18-30Nb8-21Al50-75 liegt, und
  • - daß der Wärmedehnungskoeffizient dieser Titan-Alumi­ nium-Legierung in etwa dem Wärmedehnungskoeffizient des Grundmaterials angeglichen ist.
2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß das Atomverhältnis der Bestandteile der Titan- Aluminium-Legierung etwa in den Bereichen Ti22-27Nb11-15Al58-65 liegt.
3. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß das Atomverhältnis der Bestandteile der Titan- Aluminium-Legierung Ti₂₅Nb₁₃Al₆₂ beträgt.
4. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß als Grundmaterial eine Titanaluminid-Legierung vorgesehen ist.
5. Turbinenschaufel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß als Grundmaterial eine vergießbare oder eine pulvermetallurgisch verarbeitbare Titanaluminid-Legierung vorgesehen ist.
6. Turbinenschaufel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß als pulvermetallurgisch verarbeitbare Titan­ aluminid-Legierung die Legierung Ti₄₇Al₄₆Cr₃Nb₂Ta₂ vorge­ sehen ist.
7. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Beschichtung mittels Flammspritzen oder mittels Plasmaspritzen oder mittels Heiß-Isostatischem- Pressen auf das Grundmaterial aufgebracht worden ist.
8. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der Unterschied der linearen Wärmedehnungskoeffi­ zienten des Grundmaterials und der Beschichtung im Bereich um 6% liegt.
9. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der Unterschied der linearen Wärmedehnungskoeffi­ zienten des Grundmaterials und der Beschichtung maximal bei 6% liegt.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19756354A1 (de) * 1997-12-18 1999-06-24 Asea Brown Boveri Schaufel und Verfahren zur Herstellung der Schaufel
EP3333281A1 (de) * 2016-12-08 2018-06-13 MTU Aero Engines GmbH Hochtemperaturschutzschicht für titanaluminid - legierungen

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2840994A1 (de) * 1977-09-22 1979-04-05 Johnson Matthey Co Ltd Werkstoff zum beschichten bzw. umhuellen metallischer substrate
US5149497A (en) * 1991-06-12 1992-09-22 General Electric Company Oxidation resistant coatings of gamma titanium aluminum alloys modified by chromium and tantalum
DE4222210C1 (en) * 1992-07-07 1993-08-19 Mtu Muenchen Gmbh Protective coating for titanium@ or titanium@ alloy jet engine component - comprises top layer of titanium@ intermetallic cpd. with vanadium@ chromium@, manganese@, niobium, molybdenum@, tantalum or tungsten@, and interlayer

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2840994A1 (de) * 1977-09-22 1979-04-05 Johnson Matthey Co Ltd Werkstoff zum beschichten bzw. umhuellen metallischer substrate
US5149497A (en) * 1991-06-12 1992-09-22 General Electric Company Oxidation resistant coatings of gamma titanium aluminum alloys modified by chromium and tantalum
DE4222210C1 (en) * 1992-07-07 1993-08-19 Mtu Muenchen Gmbh Protective coating for titanium@ or titanium@ alloy jet engine component - comprises top layer of titanium@ intermetallic cpd. with vanadium@ chromium@, manganese@, niobium, molybdenum@, tantalum or tungsten@, and interlayer

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JP 56-54903 A., In: Patents Abstracts of Japan, M-79,July 21,1981,Vol. 5,No.112 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19756354A1 (de) * 1997-12-18 1999-06-24 Asea Brown Boveri Schaufel und Verfahren zur Herstellung der Schaufel
US6521059B1 (en) 1997-12-18 2003-02-18 Alstom Blade and method for producing the blade
DE19756354B4 (de) * 1997-12-18 2007-03-01 Alstom Schaufel und Verfahren zur Herstellung der Schaufel
EP3333281A1 (de) * 2016-12-08 2018-06-13 MTU Aero Engines GmbH Hochtemperaturschutzschicht für titanaluminid - legierungen
US10590527B2 (en) 2016-12-08 2020-03-17 MTU Aero Engines AG High-temperature protective layer for titanium aluminide alloys

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