PL168950B1

PL168950B1 - Sposób wytwarzania lopatki turbiny PL PL

Info

Publication number: PL168950B1
Application number: PL92294502A
Authority: PL
Inventors: Mohamed Nazmy; Markus Staubli
Original assignee: Asea Brown Boveri
Priority date: 1991-05-13
Filing date: 1992-05-11
Publication date: 1996-05-31
Also published as: PL294502A1; CN1066706A; EP0513407B1; CN1025358C; EP0513407A1; CA2068504A1; JPH07166802A; KR920021236A; US5299353A; RU2066253C1; DE59106047D1

Abstract

1. Sposób wytwarzania lopatki turbiny zawierajacej pióro lopatki, stope lopatki i korpus odlewany ze stopu na bazie glinku tytanu-gamma zawierajacego material domiesz- kowy, posiadajacej korzystnie tasme wienca lopatkowego, znamienny tym, ze po wytopieniu stopu wlewa sie ciekly metal do formy odlewniczej w ksztalcie lopatki turbiny, nastepnie prasuje sie odlew korpusu izostatycznie na goraco, po czym jedno lub wielokrotnie formuje sie izotermicznie na goraco czesci odpowiadajace stopie lopatki (2) i/lub tasmie wienca lopatkowego (3), tworzac material o strukturze drob- noziarnistej, i o zwiekszonej gestosci wzgledem materialu znajdujacego sie w piórze (1) lopatki, obrabia sie nastepnie cieplnie przynajmniej czesci odpowiadajacej pióru lopatki (1) prasowanego izostatycznie na goraco odlewu korpusu przed lub po izotermicznym formowaniu na goraco, tworzac mate- rial o gruboziarnistej strukturze i budowie prowadzacej do wysokiej wytrzymalosci na rozciaganie i wytrzymalosci cza- sowej, po czym prowadzi sie obróbke redukujaca material sprasowanego izostatycznie na goraco, uformowanego na goraco i obrobionego cieplnie odlewu korpusu lopatki turbi- ny. PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania łopatki turbiny, zawierającej pióro łopatki, stopę łopatki i korpus odlewany ze stopu na bazie glinku tytanu-gamma zawierającego materiał domieszkowy, posiadającej korzystnie taśmę wieńca łopatkowego.

Glinki tytanu-gamma mają właściwości, które czynią je przydatnymi do stosowania jako materiał na łopatki turbin przeznaczonych do pracy w wysokich temperaturach. Do nich należy między innymi ich mała gęstość, w porównaniu z ogólnie stosowanymi nadstopami, która na przykład w nadstopach niklu (Ni) jest więcej niż dwukrotnie większa.

Z publikacji G. Sauthoff Fazy międzymetaliczne, materiały między metalem i ceramiką, magazyn Nowe materiały 1/89, s. 15-19 znana jest łopatka turbiny wymienionego na wstępie rodzaju. Materiał tej łopatki turbiny charakteryzuje się stosunkowo wysoką wytrzymałością cieplną, jednak gęstość tego materiału w temperaturze otoczenia jest tak niska, że na poddawanych zginaniu częściach łopatki turbiny nie można zagwarantować wykluczenia uszkodzeń.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu, który umożliwi produkowanie łopatek turbin prostą i nadającą się do produkcji masowej metodą.

Sposób wytwarzania łopatki turbiny według wynalazku polega na tym, że po wytopieniu stopu wlewa się ciekły metal do korpusu odlewniczego w kształcie łopatki turbiny, następnie prasuje się odlew korpusu izostatycznie na gorąco, po czym jedno lub wielokrotnie formuje się izotermicznie na gorąco części odpowiadające stopie łopatki i/lub taśmie wieńca łopatkowego, tworząc materiał o strukturze drobnoziarnistej, i o zwiększonej gęstości względem materiału znajdującego się w piórze łopatki, obrabia się następnie cieplnie przynajmniej części odpowiadające pióru łopatki prasowanego izostatycznie na gorąco odlewu korpusu przed lub po izotermicznym formowaniu na gorąco tworząc materiał o gruboziarnistej strukturze, i budowie prowadzącej do wysokiej wytrzymałości na rozciąganie i wytrzymałości czasowej, po czym prowadzi się obróbkę redukującą materiał sprasowanego izostatycznie na gorąco, uformowanego na gorąco i obrobionego cieplnie odlewu korpusu łopatki turbiny.

Korzystnie stop odlewu korpusu zawiera jako materiał domieszkowy co najmniej jeden z następujących pierwiastków B, Co, Cr, Ge, Hf, Mn, Mo, Nb, Pd, Si, Ta, V, Y, W jak również Zr.

Korzystnie stop zawiera co najmniej 0,5 i co najwyżej 8% atomowych materiału domieszkowego.

Korzystnie prasowany izostatycznie na gorąco odlew korpusu przed izotermicznym formowaniem na gorąco obrabia się cieplnie tworząc materiał o gruboziarnistej strukturze.

Korzystnie otaczającą pióro łopatki część prasowanego izostatycznie na gorąco odlewu korpusu po izotermicznym formowaniu na gorąco obrabia się cieplnie tworząc materiał o gruboziarnistej strukturze.

Korzystnie obróbkę cieplną prowadzi się za pomocą cewki indukcyjnej. Korzystnie obróbkę cieplną prowadzi się pomiędzy 1200 i 1400°C. Korzystnie przeprowadza się następnie dalszą obróbkę cieplną pomiędzy 800 i 1000°C.

Korzystnie formowanie na gorąco prowadzi się pomiędzy 1050 i 1200°C z prędkością mieszczącą się pomiędzy 5 · 10'⁵ s’¹ i 10‘² s'¹, aż do odkształcenia ε = 1,6, przy czym ho o

ε = ln gdzie:

h0 = początkowa wysokość części obrabianej h = wysokość części obrabianej po obróbce plastycznej.

168 950

Korzystnie formowanie na gorąco prowadzi się w prasie kuźniczej.

Korzystnie formowaną w prasie kuźniczej na gorąco część najpierw zgniata się przez spęczanie przynajmniej w dwóch poprzecznych do osi wzdłużnej łopatki turbiny kierunkach, a następnie formuje się na gotowo do kształtu ostatecznego.

Korzystnie prasowany izostatycznie na gorąco odlew korpusu przed izotermicznym formowaniem na gorąco, chłodzi się do temperatury otoczenia, a potem ogrzewa się z prędkością pomiędzy 10 i 50°C/min do temperatury ustalonej dla formowania na gorąco.

Korzystnie odlew korpusu przed formowaniem na gorąco i obróbką cieplną, homogenizuje się w temperaturze pomiędzy 1000 i 1100°C.

Korzystnie prasowanie izostatyczne na gorąco prowadzi się w temperaturze pomiędzy 1200 i 1300°C i pod ciśnieniem pomiędzy 100 i 150 MPa.

Łopatka turbiny wykonana sposobem według wynalazku odznacza się względem porównywalnych łopatek turbiny, znanych ze stanu techniki, długą żywotnością przy wysokich obciążeniach zwłaszcza na zginanie. Jest to możliwe dzięki temu, że różnie naprężone części łopatki turbiny mają różne specyficzne modyfikacje stosowanego jako materiał glinku tytanugamma. Przy tym szczególną zaletą okazało się w technicznej produkcji to, że łopatka turbiny jest uformowana tylko z jednego elementu, przy korzystnym ekonomicznie procesie wytwarzania. Ponadto proces ten może być prowadzony za pomocą powszechnie stosowanych środków takich jak formy odlewnicze, piece, prasy oraz mechaniczne i elektrochemiczne urządzenia obróbcze, w prosty sposób nadające się do masowej produkcji.

Wynalazek zostanie bliżej przedstawiony w przykładzie wykonania pokazanym na rysunku, którego figura ukazuje odlew korpusu łopatki turbiny.

Przedstawiony na figurze wyżarzony, sprasowany izostatycznie na gorąco, uformowany na gorąco i obrobiony cieplnie odlewany korpus ma główne właściwości materiału i kształtu łopatki turbiny według wynalazku. Zawiera on wyciągnięte wzdłużnie piórko łopatki 1, uformowaną na końcu pióra łopatki 1 stopę łopatki 2, jak również uformowaną na przeciwległym końcu pióra łopatki 1 taśmę wieńca łopatkowego 3. Z tego odlanego korpusu poprzez niewielką obróbkę redukującą materiał można wykonać łopatkę turbiny. Obróbka redukująca materiał składa się w zasadzie z dopasowania wymiarów korpusu odlewanego do wymaganych wymiarów łopatki turbiny. W przypadku stopy łopatki 2 i taśmy wieńca łopatkowego 3 osiąga się to z powodzeniem przez szlifowanie i polerowanie. Mogą przy tym być równocześnie wykonywane również, przedstawione na figurze linią przerywaną, umieszczone w stopie łopatki 2 żłobki wpustowe 4, w postaci jodełki. Pióro łopatki 1 może być dopasowane do żądanej postaci korzystnie przez obróbkę elektrochemiczną.

Przedstawiony na figurze odlew korpusu wykonany jest w zasadzie ze stopu na bazie glinku tytanu-gamma zawierającego materiały domieszkowe. Przynajmniej w części pióra łopatki 1 stop ten ma postać materiału o gruboziarnistej strukturze i budowę prowadzącą do wysokiej wytrzymałości na rozciąganie i wytrzymałości czasowej. Natomiast przynajmniej w części stopy łopatki 2 i taśmy wieńca łopatkowego 3 stop ten ma materiał w postaci struktury drobnoziarnistej o podwyższonej gęstości względem materiału znajdującego się w piórze łopatki 1. Dzięki temu może być osiągnięta wysoka żywotność łopatki turbiny. Uwarunkowane jest to po pierwsze tym, że łopatka turbiny przebywająca podczas pracy turbiny w wysokiej temperaturze charakteryzuje się dobrą wytrzymałością na rozciąganie i wytrzymałością czasową dzięki swojej gruboziarnistej strukturze i swojej budowie, podczas gdy jej istniejąca w niskich temperaturach mała gęstość nie maznaczenia. Po drugie jest to również uwarunkowane tym, że podczas pracy turbiny stopa łopatki i taśma wieńca łopatkowego znajduje się w porównywalnie niskich temperaturach i w związku ze swoją drobnoziarnistą strukturą i budową mają w porównaniu z materiałem przewidzianym na pióro łopatki wysoką gęstość. Stopa łopatki i taśma wieńca łopatkowego mogą w długim przedziale czasowym przenosić stosunkowo duże siły skręcające i gnące, bez powstawania pęknięć z powodu naprężeń.

Możliwe jest stosowanie z powodzeniem łopatki turbiny wykonanej sposobem według wynalazku, w średnich i wysokich temperaturach, to znaczy w temperaturach między 200 i 1000°C, zwłaszcza w turbinach gazowych i sprężarkach. Każda z postaci wykonania turbiny gazowej lub sprężarki może mieć taśmę wieńca łopatkowego lub nie.

168 950

Odlewany korpus łopatki jest wytwarzany następująco: w atmosferze ochronnej, na przykład argonu lub w próżni, wytapia się w piecu indukcyjnym następujący stop na bazie glinku tytanu-gamma z chromem jako materiałem domieszkowym: AL = 48% atom; Cr = 3% atom; Ti = reszta.

Innymi odpowiednimi do stosowania stopami są glinki tytanu-gamma, w których zawarte są jako domieszki jeden lub więcej z następujących pierwiastków B, Co, Cr, Ge, Hf, Mn, Mo, Nb, Pd, Si, Ta, V, Y, W, jak również Zr. Ilość dodawanych materiałów domieszek wynosi korzystnie 0,5 do 8% atomowych.

Ciekły metal wlewa się do formy odlewniczej odpowiedniej do wytworzenia łopatki turbiny. Utworzony odlew korpusu jest chłodzony przy tym w celu jego homogenizacji przy ok. 1100°C, na przykład podczas wyżarzania przez 10 godzin w atmosferze argonu i schłodzenie do temperatury otoczenia. Usuwa się wtedy naskórek odlewu i zgorzelinę, podczas gdy na przykład warstwa powierzchniowa o grubości ok. 1 mm jest zdejmowana na drodze mechanicznej lub chemicznej. Odlew korpusu po usunięciu zgorzeliny wkłada się do odpowiedniej kapsuły z miękkiej stali węglowej którą spawa się gazoszczelnie. Zamknięty w kapsule odlew korpusu w temperaturze od 1260°C poddaje się teraz przez 3 godziny prasowaniu izostatycznemu na gorąco pod ciśnieniem 120 MPa i schładza.

Wyżarzanie stopu powinno być przeprowadzone każdorazowo zależnie od składu w temperaturach między 1θ00 i 1100°C w czasie co najmniej pół i co najwyżej trzydziestu godzin. To samo dotyczy prasowaniu izostatycznego na gorąco, które z powodzeniem powinno być prowadzone w temperaturach między 1200°Ci 1300°C, pod ciśnieniem pomiędzy 100 i 150 MPa co najmniej przez godzinę a co najwyżej przez pięć godzin.

Potem następuje jedno lub wielokrotne izotermiczne formowanie na gorąco części odpowiadających stopie łopatki 2 i/lub taśmie wieńca łopatkowego 3 wyżarzonego i prasowanego izostatycznie na gorąco odlewu korpusu do utworzenia materiału o drobnoziarnistej strukturze i obróbkę cieplną przynajmniej części odpowiadających pióru łopatki 1 wyżarzonego i prasowanego izostatycznie na gorąco odlewu korpusu przed lub po izotermicznym formowaniu na gorąco przez utworzenie materiału o gruboziarnistej strukturze.

W tym wypadku istnieją dwie skuteczne drogi postępowania. Postępując pierwszą drogą można wyżarzony i prasowany izostatycznie na gorąco odlew korpusu obrabiać cieplnie poprzez tworzenie materiału o gruboziarnistej strukturze przed izotermicznym formowaniem na gorąco, podczas gdy postępując drugą drogą, w której obrabia się cieplnie część obejmującą pióro łopatki wyżarzonego i prasowanego izostatycznie na gorąco odlewu korpusu, po izotermicznej obróbce cieplnej, przez tworzenie materiału o gruboziarnistej strukturze. Celowym okazało się nagrzewanie wyżarzonego i prasowanego izostatycznie na gorąco odlewu korpusu przed izotermicznym formowaniem na gorąco z prędkością pomiędzy 10 i 50°C/min w temperaturze koniecznej do formowania na gorąco.

Przy postępowaniu pierwszą drogą nagrzewa sie odlew korpusu w temperaturze od 1200 do 1400°C i obrabia cieplnie odpowiednio do temperatury nagrzewania i składu stopu poprzez 0,5 do 25 godzin. Podczas chłodzenia może być prowadzona dalsza trwająca 1 do 5 godz. obróbka cieplna. Po obróbce cieplnej odlew korpusu posiada gruboziarnistą strukturę i wysoką wytrzymałość na rozciąganie i wytrzymałość czasową. Obrobiony cieplnie odlew korpusu ogrzewa się do temperatury 1100°C i utrzymuje w tej temperaturze. Wtedy wykuwa się izotermicznie stopę łopatki 2 i/lub taśmę wieńca łopatki 3 przy 1100°C.

Stosowanym narzędziem jest korzystnie prasa kuźnicza, wykonana zwłaszcza ze stopu molibdenu o nazwie handlowej TZM o następującym składzie: Ti = 0,5% wag., Zr = 0,1% wag., C = 0,02% wag., Mo = reszta.

Granica płynięcia kutego materiału wynosi około 260 MPa przy 1100°C. Obróbka plastyczna jest prowadzona poprzez zgniot do osiągnięcia odkształcenia ε = 1,3, przy czym gdzie:

h0 = pierwotna wysokość materiału h = wysokość materiału po obróbce plastycznej

168 950 prowadzone przy temperaturach pomiędzy dzy 510'⁵ s'1 a 10’² s’1 Kształtowanie na

Liniowa prędkość odkształcenia (prędkość stempla prasy kuźniczej) wynosi na początku procesu kucia 0,1 mm/sek. Ciśnienie początkowe prasy kuźniczej osiąga około 300 MPa.

W zależności od składu stopu, formowanie na gorąco do odkształcenia ε = 1,6 może być 1050 i 1200°C z prędkością odkształcania leżącą pomięgorąco części, jak stopa łopatki 2 i w danym wypadku również taśma wieńca łopatki 3 mogą być w prasie kuźniczej skutecznie zgniatane początkowo co najmniej w dwóch, przebiegających poprzecznie do osi wdłużnej łopatki turbiny kierunkach, a potem prasowane na gotowo do postaci ostatecznej. Sprasowane na gotowo części mają drobnoziarnistą strukturę przy podwyższonej gęstości materiału znajdującego się naprzeciw pióra łopatki. W łopatce turbiny, wykonanej jak opisano powyżej, wytrzymałość na rozciąganie względnie gęstość materiału wynoszą dla pióra łopatki 1 około 390 MPa wzgl. około 0,3% i dla stopy łopatki 2 jak również dla taśmy wieńca łopatki 3 w przybliżeniu 370 MPa wzgl. 1,3%.

Przy postępowaniu drugą drogą ogrzewa się odlew korpusu na przykład z prędkością nagrzewania od 10 do 50°C/min do 1100°C i utrzymuje w tej temperaturze. Wtedy stopa łopatki 2 i/lub taśma wieńca łopatki 3 mogą być kute izotermicznie przy 1100°C odpowiednio do wcześniej opisanego sposobu. Wykute na gotowo części mają drobnoziarnistą strukturę jak również podwyższoną gęstość materiału znajdującego się naprzeciwko pióra łopatki 1.

Za pomocą otaczającej pióro łopatki 1 cewki indukcyjnej nagrzewa sie potem pióro łopatki do temperatury od 1200 do 1400°C i zależnie od temperatury nagrzewania i składu stopu obrabia cieplnie w czasie 0,5 do 25 godzin. Podczas chłodzenia może być prowadzona dalsza trwająca 1 do 5 godzin obróbka cieplna. Po obróbce cieplnej pióro łopatki posiada w przeważającej części strukturę gruboziarnistą i budowę nadającą wysoką wytrzymałość na rozciąganie i wytrzymałość stabilną w czasie. Wytworzona takim sposobem łopatka turbiny charakteryzuje się wytrzymałością na rozciąganie i gęstością materiału w piórze łopatki 1 względnie w stopie łopatki 2 jak również w taśmie wieńca łopatki 3 o prawie takiej samej wartości jak dla łopatki turbiny wykonanej wcześniej opisanym sposobem.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 1,50 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania łopatki turbiny zawierającej pióro łopatki, stopę łopatki i korpus odlewany ze stopu na bazie glinku tytanu-gamma zawierającego materiał domieszkowy, posiadającej korzystnie taśmę wieńca łopatkowego, znamienny tym, że po wytopieniu stopu wlewa się ciekły metal do formy odlewniczej w kształcie łopatki turbiny, następnie prasuje się odlew korpusu izostatycznie na gorąco, po czym jedno lub wielokrotnie formuje się izotermicznie na gorąco części odpowiadające stopie łopatki (2) i/lub taśmie wieńca łopatkowego (3), tworząc materiał o strukturze drobnoziarnistej, i o zwiększonej gęstości względem materiału znajdującego się w piórze (1) łopatki, obrabia się następnie cieplnie przynajmniej części odpowiadającej pióru łopatki (1) prasowanego izostatycznie na gorąco odlewu korpusu przed lub po izotermicznym formowaniu na gorąco, tworząc materiał o gruboziarnistej strukturze i budowie prowadzącej do wysokiej wytrzymałości na rozciąganie i wytrzymałości czasowej, po czym prowadzi się obróbkę redukującą materiał sprasowanego izostatycznie na gorąco, uformowanego na gorąco i obrobionego cieplnie odlewu korpusu łopatki turbiny.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako materiał domieszkowy stosuje się co najmniej jeden z następujących pierwiastków B, Co, Cr, Ge, Hf, Mn, Mo, Nb, Pd, Si, Ta, V, Y, W jak również Zr.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stop zawiera co najmniej 0,5 i co najwyżej 8% atomowych materiału domieszkowego.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że prasowany izostatycznie na gorąco odlew korpusu przed izotermicznym formowaniem na gorąco obrabia się cieplnie tworząc materiał o gruboziarnistej strukturze.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że otaczającą pióro łopatki (1) część prasowanego izostatycznie na gorąco odlewu korpusu po izotermicznym formowaniu na gorąco obrabia się cieplnie tworząc materiał o gruboziarnistej strukturze.
6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że obróbkę cieplną prowadzi się za pomocą cewki indukcyjnej.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że obróbkę cieplną prowadzi się pomiędzy 1200 i 1400°C.
8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że przeprowadza się następnie dalszą obróbkę cieplną pomiędzy 800 i 1000°C.
9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że formowanie na gorąco prowadzi się pomiędzy 1050 i 1200°C z prędkością mieszczącą się pomiędzy 5· 10'¹ s’¹ i 10'“ s’1 aż do odkształcenia ε = 1,6, przy czym gdzie:

h0 = początkowa wysokość części obrabianej h = wysokość części obrabianej po obróbce plastycznej
10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że formowanie na gorąco prowadzi się w prasie kuźniczej.
11. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że formowaną w prasie kuźniczej na gorąco część najpierw zgniata się przez spęczanie przynajmniej w dwóch poprzecznych do osi wzdłużnej łopatki turbiny kierunkach, a następnie formuje się na gotowo do kształtu ostatecznego.
12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że prasowany izostatycznie na gorąco odlew korpusu przed izotermicznym formowaniem na gorąco, chłodzi się do temperatury otoczenia, a potem ogrzewa się z prędkością pomiędzy 10 i 50°C/min do temperatury ustalonej dla formowania na gorąco.

168 950
13. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że odlew korpusu przed formowaniem na gorąco i obróbką cieplną, homogenizuje się w temperaturze pomiędzy 1000 i 1100°C.
14. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że prasowanie izostatyczne na gorąco prowadzi się w temperaturze pomiędzy 1200 i 1300°C i pod ciśnieniem pomiędzy 100 i 150 MPa.