DE1752430A1 - Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln Die Entwicklung im Turbinenbau neigt in den letzten Jahren zu immer größeren Baueinheiten. Das erforderliche Volumen der gasförmigen Antriebsmittel wird daher besonders in den Endstufen immer größer und im gleichen Maße sind größere Schaufelflächen notwendig. Die Zunahme der Abmessungen von Endstufenschaufeln betrifft nicht nur die Länge, sondern in noch größerem Ausmaß die Blattbreite, sodaß vielfach neue Schaufelformen entwickelt werden müssen. Die ebenfalls stark vergrößerten Randdurchmesser, sehr hohe Drehzahlen und daher Um:°angsgeschwindigkeiten bis etwa 2 P:iach in den Iliederdruckendstufen beanspruchen die Schaufeln durch starke Fliehkräfte und Schwingungen. Insbesondere bei den Dampfturbinen tritt infolge der bei Druckerniedrigung entstehenden Kondensation starke Erosion und Korrosion hauptsächlich in Bereich der Einströmkanten in sehr großem 1.Iaße auf. Die Auswahl von Merkstoffen, die ausreichende Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Oberflächenhärte bei oft sehr hohen Betriebstemperaturen aufweisen sollen,Qinerseits, wie auch die Konstruktion strömungstechnisch und-festigkeitstheoretisch richtiger Schaufelformen andererseits machen die betriebsmäßige Fertigung von Schaufeln zu einem schwer lösbaren Problem. Die Erfindung befaßt sich daher mit einem Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln, die allen durch diese neue technische Entwicklung bedingten Ansprüchen gerecht werden.
• E s ist üblich, die Schaufeln aus einem z.B. durch Walzen oder Schmieden hergestellten Rohling mittels spanabhebender oder apanloser Bearbeitung zu erzeugen oder sie schon mit den Endabmessungen bzw. mit sehr geringen Übermaßen nach einem Wacheausschmelz-, Formmasken- oder sonstigen Verfahren zu gießen. Dabei müssen VTerkstoffe verwendet werden; die nachstehende Eigenschaften aufweisen: 1.) Ausreichende mechanische Festigkeit gegen Beanspruchung der Schaufeln auf Zug durch sehr große Fliehkräfte und auf Biegung durch den Druck des Antriebsmittels, der häufig vibrierend wirkt (Biegewechselfestigkeit). 2.) Dauerstandfestigkeit bei Betriebstemperaturen von 650°C und darüber.
• 3:) Korrosionsbeständigkeit gegen Angriffe der Antriebsmittel,, insbesondere Spannungskorrosion und Schwingungsbeanspruchung unter korrosiven Mitteln. 4.) Widerstandsfähigkeit der Oberfläche gegen Erosion und Kavitation durch die Antriebsmittel. 5.) Bearbeitbarkeit durch spanabhebende Verfahren bei Formung des Schaufelfußes. Bisher versuchte man allen diesen Forderungen durch Verwendung von Stählen mit Gehalten von 13 % Chrom und o,25 % Kohlenstoff gerecht zu werden, die im vergüteten Zustand ein martensitisches Gefüge mit Ferritanteilen aufweisen. Für die modernen Hochleistungs.turbinen genügten aber weder die Festigkeitswerte, noch das Verhalten bei'Vechselbeanspruchung, noch die Zähigkeit dieser Stähle. IIan hat daher versucht, bessere Eigenschaften durch Erhöhung des C-Gehaltes zu erzielen. Dabei dachte man besonders auch daran, die am stärksten beanspruchten Einströmkanten durch eine örtliche Oberflächenhärtung mittels Plamm- oder Induktionserwärmung gegen Erosion widerstandsfähig zu machen. Die im Hinblick auf die partielle Oberflächenhärtung an den Schaufelkanten höhergekohlten 13 %igen Chromstähle sind weniger korrosionsbeständig, wenn sie im Bereich von 500 bis 650°C angelassen werden, und weisen außerdem, Trenn man unkontrollierbaren Anlaßvorgängen beim Oberflächenhärten vorbeugen will und die Anlaßtemperatur über 650 bis 700°C steigert, keine wesentlich besseren Festigkeitswerte gegenüber den niedriggekohlten Sorten auf. Auch Versuche mit anderen Negierungen, insbesondere mit höheren Chromgehalten, und komplex legierten Or-Ni-T;1o-V-Nb-Stählen schlugen fehl, weil die Zähigkeitswerte durch Karbid- und Hitridausscheidungen bei gewissen Anlaßtemperaturen zu gefährlichen Versprödungen führen. Auch die Spannungsrißkorrosion hat nach Anlaßbehandlungen in den kritischen Temperaturbereichen ebenso wie die Schwingungsfestigkeit bei gleichzeitigem korrosiven Angriff sehr ungleichmäßige Werte ergeben.
• Vtenn man daher die Steigerung der wesentlichen Eigenschaften durch metallurgische lr:aßnahmen, insbesondere den Einsatz der komplex legierten Stähle ausnützen will, verbietet sich von selbst die Anwendung jener Verfahren zur Verstärkung der Einsirömkanten, die in Übergangszonen zu qualitätsvernindernden Anlaßerscheinungen fuhren können. Die Erfindung schlägt nun zur Überwindung der dargestellten Schwierigkeiten ein neues Herstellungsverfahren für Turbinenschaufeln vor, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß ein üblicherweise hergestellter Schaufelrohling im Bereich der Einströmkante mit einer gegebenenfalls in einer vorbereiteten Ausnehmung aufgeschweißten Panzerung, z.B. aus einer Hartlegierung, aus Hartmetall, aus Schnellarbeitsstahl oder dergleichen, versehen wird und daß anschließend nach Glättung der Unebenheiten der Aufschweißung diese im Ges enk gemeinsam mit dem Schaufelkörper auf Endmaß verformt und schließlich einer '.armbehandlung unterworfen wird. Dieses erfindungsgemäße Verfahren erbringt gegenüber allen bisher vorgeschlagenen wesentliche Vorteile. Sowohl die im Anschluß an die Aufpanzerung erfolgende Verformung wie auch die nachträgliche Wärmebehandlung verhindern die Bildung schroffer Übergänge von einer Gefügeform zu einer anderen und verni..ndern dadurch die Entstehung kritischer Verschlechterungen der örtlichen Festigkeitseigenschaften. Durch diese Methode ist es möglich, die Schutzkanten aus Hartlegierungen wirklich jedem gew".inschten Schaufelprofil im höchstmöglichen Grade und ohne störende Lötfuge anzupassen. Das Schaufelprofil verläuft am Übergang zur -Einströmkante völlig glatt. Vergleichsversuche mit den nach herkömmlichen Verfahren hergestellten Turbinenschaufeln haben gzeigt, daß die erfindungsgemäß hergestellten eine wesentlich längere Standzeit aufweisen und da:; außerdem bei der Endkontrolle ein erheblich geringerer Ausschußanteil entsteht. Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. So zeigen: Fig. 1 den beispielsweise durch Schmieden oder spanabhebende Bearbeitung hergestellten Schaufelrohling im Querschnitt, Fig. 2 den Rohling mit der aufgeschweißten Panzerung und rig. 3 die nach dem maßgenauen Gesenkschmieden und der nachfolgenden Warmbehandlung erhaltene Turbinenschaufel, ebenfalls im Querschnitt. Aus einem in üblicher Gleise vorgewalzten Knüppel wird ein entsprechender Abschnitt so vorgeschmiedet, daß er annähernd in das Vorgesenk ohne allzugroßen Materialfluß mit möglichst wenigen Schlägen eingeschlagen werden kann. Dieser Rohling wird in gebräuchlicher ;'eise unter der Abrratpresse in der Schmiedehitze von dem Grat befreit, der sich aus dem überschüssigen Material zwischen den beiden Gesenkhälften rund um die Kontur des Rohlings gebildet hat. Anschließend erfolgt die Vorbereitung für die Aufpanzerung, indem eine aus Fig.1 ersichtliche Nut 1 parallel zur Längsausdehnung des Schaufelrohlings ausgenommen wird. Wenn diese Nut nicht bereits beim Gesenkschmieden vorgesehen ist, kann sie durch andersartige Materialabtragung, beispielsweise spanabhebende oder elektroerosive Bearbeitung hergestellt werden. Es ist darauf zu achten, daß die Nut und die angrenzenden Teile des Rohlings sorgfältig entzundert sind, so daß eine gute oxydeinschlußfreie metallische Verbindung mit der aufzutragenden Hartlegierung entsteht. Vor dem Schweißvorgang erfolgt je nach der zu ber'Ieksichtigenden Materialeigenschaft des Grundwerkstoffes und der Auftragslegierung, insbesondere auch der ;":armrißempfindlichkeit, eine sorgfältige Vorwärmung, wobei auch Widerstands- oder Induktionserhitzung auf elektrischem Wege in Betracht kommt. Die Auftragung des Schweißgutes erfolgt mittels eines der bekannten Schmelzschweißverfahren, wobei gegebenenfalls auch die Schweißung unter Schutzgas oder unter Schlacke mit oder ohne Zuführung von Flußmitteln aus der Ummantelung der Elektrode oder durch ein Schweißpulver vorgesehen werden, können, wenn dies die verwendeten Legierungen erfordern. Nach vorsichtiger Abkühlung der auf gesch;-:eißten Rohlinge und allenfalls Einschaltung einer Ausgleichsglühung zur Vermeidung von Spannungsrissen im Grundmaterial oder insbesondere an der Oberfläche der Hrtlegierung werden die von den Sch@-:eißraupen herrührender. Unebenheiten z.B. durch Schleifen geglättet, der Rohling sodann neuerlich langsam und durchgreifend erwärmt und in einem maßgenauen Fertiggesenk auf Endabmessungen verformt. Der hierbei entstehende geringfügige Schmiedegrat wird durch ein mechanisches Verfahren, beispielsweise Schleifen, entfernt und dann die Schaufel nach neuerlichem Erwärmen gehärtet. Nach tiiedererwärmung unterhalb der Anlaßterperatur erfolgt, gegebenenfalls nach Zwischenschaltung eines Planierschlages im Fertiggesenk,ein Richtvorgang zur Beseitigung des durch die Härtung allenfalls auftretenden Verzuges. Für empfindliche Werkstoffe empfiehlt sich die Anwendung einer besonderen Quette zum Richten. Geringfügige Abweichungen von der Maßtoleranz, die sich nach dem Abschleifen von oberflächlichen Materialanhäufungen noch ergeben, werden durch Nachrichten im kalten Zustand beseitigt. Gegenüber den bisher üblichen Verfahren erweist sich die erfindungsgemäße Vorgangsweise schon deshalb als überlegen, weil durch die 1I'ärmebehandlung nach der Auftragsschweißung ein einheitliches und rißfreies Gefüge erzielt wird. Auch besteht keine Gefahr, daß sich LIaterialspannungen im Betrieb dadurch störend auswirken, daß sie bei der Erwärmung der fertigen Schaufeln auf Betriebstemperatur zu nachträglichen Formveränderungen führend. Die erfindungsgemäß aufgeschweißten und durch das Nachschmieden gemeinsam mit dem Grundkörper verformten Einströmkanten besitzen bei richtiger Verkst@offauswahl eine hervorragende, rißfreie, korrosionsfeste und gegen die erosiven Beanspruchungen durch das Antriebsmedium außerordentlich widerstandsfähige Oberfläche. Stoßfugen oder Materialtrennungen zwischen dem Grundwerkstoff und der aufgeschweißten Hartlegierung sind ausgeschlossen, so daß auch an dieser Stelle Unterwaschungen nicht mehr auftreten können, die sich bei den nach anderen, insbesondere durch Auflöten hergestellten Kanten störend auswirkten. Besonders überraschend ist es, daß entgegen allen dem Fachwissen entsprechenden Erwartungen ohne Schwierigkeiten ein maßgenaues Ausschmieden dieser mit einer aufgeschweißten Panzerung versehenen Rohlinge auch dann möglich ist, wenn beispielsweise Schnellarbeitsstähle oder Iis.rtlegierungen der Co-Cr-W-Type verwendet werden, die an sich nicht als schmiedbar angesehen werden. Ein weiterer technischer Vorteil, der sich insbesondere auch auf die Vereinfachung und Verbilligung des Herstellverfahrens auswirkt, liegt in der Vermeidung einer spanabhebenden Bearbeitung der Kanten aus Hartlegierung, die auch durch Schleifen nur unter Schwierigkeiten und mit besonderen Vorrichtungen möglich ist. .

Claims (1)

1. P a t e n t a n s p r u c h Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein üblicherweise hergestellter Schaufelrohling im Bereich der Einströmkante mit einer gegebenenfalls in-einer vorbereiteten Ausnehmung aufgeschweißten Panzerung, z.B. aus einer Hartlegierung, aus Hartmetall, aus Schnellarbeitsstahl oder dergleichen, versehen wird und daß anschließend nach Glättung der Unebenheiten der Aufschweißung diese im Gesenk gemeinsam mit dem Schaufelkörper auf Endmaß verformt und schließlich einer Warmbehandlung unterworfen wird.