DE4435321A1 - Turbinenschaufel - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Turbinenschaufel gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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.
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.
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.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE19944435321 DE4435321A1 (de) | 1994-10-01 | 1994-10-01 | Turbinenschaufel |
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| DE4435321A1 true DE4435321A1 (de) | 1996-04-04 |
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| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE4435321A1 (de) |
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1994
- 1994-10-01 DE DE19944435321 patent/DE4435321A1/de not_active Withdrawn
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