DE3905347A1

DE3905347A1 - Method for providing erosion protection for turbine blades

Info

Publication number: DE3905347A1
Application number: DE19893905347
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dr Ing Storch; Fritz Muehl; Klaus-Rainer Dr Schulze; Wolfgang Dr Rer Nat Loeschau
Original assignee: BERGMANN BORSIG VEB
Current assignee: BERGMANN BORSIG VEB
Priority date: 1987-05-11
Filing date: 1989-02-22
Publication date: 1990-08-23
Also published as: DD276210A3; CH677236A5; ATA42089A; AT390964B

Abstract

The invention relates to a method for providing erosion protection for turbine blades, especially the saturated-steam final stages of nuclear power station turbines. According to the invention, by means of a suitable device an electron or laser beam is guided across the surface of the turbine blade line by line, the heating depth and temperature being controllable, and a precisely proportioned, controlled structural transformation being achieved, by means of the subsequent rapid cooling, proceeding in parallel, of the treatment zones as far as the minus-temperature range, which structural transformation leads to the formation of a continuous, homogeneous martensite structure, free of carbides, at the turbine blade surface.

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Erosionsschutzes für Turbinenschaufeln, insbesondere den Sattdampf-Endstufen von Kernkraftwerksturbinen.The invention relates to a method for producing a Protection against erosion for turbine blades, in particular the Saturated steam output stages of nuclear power plant turbines.

Characteristic of the known prior art

Turbinenschaufeln der Endstufen von Sattdampfturbinen un terliegen auf Grund der im Niederdruckteil verstärkt aus kondensierenden Wassertropfen einer erhöhten Erosion. Der ständige Aufprall erfolgt, bedingt durch die hohe Dampfge schwindigkeit und Umfangsgeschwindigkeit der Laufschaufeln, mit großer Kraft und führt zur Zerstörung der polierten Schau felblattfläche sowie zu tiefrissigen Auswaschungen, wobei die stärksten Erosionsschäden an der Schaufelblatteintrittskante und der Druckseite zu verzeichnen sind. Infolge der ständig fortschreitenden Zerstörung des Schaufelblattes treten unter Einwirkung der weiteren Belastungen wie Fliehkraft, Zug- und Druckspannungen Schaufelbrüche auf, die größere Schäden und Maschinenausfälle nach sich ziehen.Turbine blades of the final stages of saturated steam turbines and Because of the low pressure part, condensing water drops an increased erosion. The constant impact occurs due to the high steam speed and peripheral speed of the blades, with great force and leads to the destruction of the polished show felblattfläche as well as to deeply cracked washes, whereby the severe erosion damage on the blade leading edge and the print page. As a result of constantly progressive destruction of the airfoil occur Influence of other loads such as centrifugal, tensile and Compressive stresses on blade breaks that cause greater damage and Result in machine failures.

Um diesen Mangel zu beseitigen, werden die Schaufelkanten ge mäß den Ausführungen der DE-AS 25 35 251 mit einem Kanten schutz aus einer Hartlegierung versehen, deren Dendritenstruk tur vorzugsweise so ausgerichtet ist, daß die Dendrite einheit lich quer zur Tropfenaufschlagsrichtung verlaufen. Die so er zielte verbesserte Erosionsbeständigkeit trägt jedoch den Nachteil einer speziellen, teuren und aufwendigen Fertigung der Stellitleiste selbst und der komplizierten Verbindung mit dem Schaufelblatt sowie notwendigen Anpaß- und Nacharbeit in sich. To remedy this deficiency, the blade edges are ge according to the designs of DE-AS 25 35 251 with an edge protection made of a hard alloy, the dendrite structure is preferably oriented so that the dendrite unit run perpendicular to the direction of the drop. The so he However, the aim of improved erosion resistance is Disadvantage of a special, expensive and complex production the stellite bar itself and the complicated connection with the airfoil as well as the necessary adjustment and reworking yourself.

Ein weiterer Nachteil entsteht durch das Fügen des Schau felblattes aus zwei verschiedenartigen Werkstoffen. Dabei werden zwangsläufig Spannungspotentiale aufgebaut, die zu Rissen, Ablösungserscheinungen bzw. Verkrümmungen des dünn wandigen Schaufelblattes führen. Der hohe Kobaltanteil der Stellite macht zudem einen Einsatz in Kernkraftwerken frag lich, da bereits geringe Strahlungsaufnahmen, z. B. durch Leckagen oder Havarien hervorgerufen, zerstörend wirken. Auch ein partieller Einsatz an dem räumlich mehrfach ge krümmten Schaufelblatt ist wegen der Dünnwandigkeit und dem damit verbundenen Festigkeitsabfall nicht realisierbar. Neben der Anwendung von Stellitleisten sind gleichfalls teil- oder ganzflächige Beschichtungen mittels erosions resistenteren, dem Schaufelwerkstoff fremden Wirkstoffen be kannt. Dazu werden verschleißfeste Kobalt- oder Wolframkar bide in die Schaufeloberfläche eingelagert bzw. - wie in der DE-OS 31 51 413 ausgeführt - als vollständiger Überzug er stellt. Diese Überzüge, speziell an dickwandigen Keramik schaufeln in Hochtemperaturgasturbinen eingesetzt, mindern den Abtrag der Schaufelblattfläche und wirken gleichzeitig als Korrosionsschutz und Thermobarriere.Another disadvantage arises from joining the show felblattes from two different kinds of materials. Here potentials of tension are inevitably built up Cracks, signs of detachment or warping of the thin lead to the walled airfoil. The high cobalt content of the Stellite also makes use in nuclear power plants fragile Lich, since even low radiation, z. B. by Leakages or accidents caused, have a destructive effect. Also a partial use of the ge multiple times curved airfoil is because of the thin walls and the associated drop in strength not realizable. In addition to the use of stellite strips are also partial or full surface coatings by means of erosion more resistant active substances that are foreign to the blade material knows. To do this, wear-resistant cobalt or tungsten carcasses both embedded in the blade surface or - as in the DE-OS 31 51 413 executed - as a complete coating he poses. These coatings, especially on thick-walled ceramics blades used in high-temperature gas turbines, reduce the removal of the airfoil surface and act simultaneously as corrosion protection and thermal barrier.

Den erosiven Auswaschungen der Wassertropfen, deren Angriffs punkt im weicheren Einbettungswerkstoff zwischen den harten Karbiden bzw. Nitriden liegt, können jedoch auch diese Ver fahren nicht genügend widerstehen, zumal sie auf Grund der erhöhten Schwingungsbelastung für große dünnwandige Endstu fenschaufeln ungeeignet sind.The erosive leaching of the water drops, their attack point in the softer embedding material between the hard ones Carbides or nitrides is, however, this Ver do not resist enough, especially as they are due to the increased vibration load for large thin-walled end stage blades are unsuitable.

Dieser grundlegende Ablauf der erosiven Zerstörung erfolgt auch bei Schaufeln, deren Verschleißzone mittels herkömm licher Härteverfahren, wie Flamm- oder Induktionshärtung (s. DE-AS 22 11 830) mit einer harten Martensitschicht be deckt werden. Die dabei im makroskopischen Bereich liegen den Korngrößen des harten Martensit bilden jedoch keine durchgängig geschlossene Oberfläche auf dem Schaufelblatt. This basic process of erosive destruction takes place also for blades, the wear zone of which by means of conventional hardening processes, such as flame or induction hardening (see DE-AS 22 11 830) with a hard martensite layer be covered. Which are in the macroscopic range however, the grain sizes of hard martensite do not form consistently closed surface on the airfoil.

Der relativ großflächig zwischen den Martensitkörnern frei liegende Einbettungswerkstoff ist wiederum die Ursache der Erosionsanfälligkeit, wie sie bei der Oberflächenhärtung dünnwandiger Werkstücke nach dem Verfahren der Flammhärtung auftritt. Ein mit Durchhärteverfahren erzieltes dichtes, feinkörniges und erosionsresistentes, martensitisches Gefüge macht das Schaufelblatt hingegen unelastisch und erhöht in unvertretbarem Maße die Bruchgefahr.The relatively large area between the martensite grains free lying embedding material is in turn the cause of the Susceptibility to erosion, as is the case with surface hardening thin-walled workpieces using the flame hardening process occurs. A dense, fine-grained and erosion-resistant, martensitic structure makes the airfoil inelastic and increases in unacceptably high the risk of breakage.

Ein zusätzlicher Nachteil besteht darin, daß schmelztech nisch bedingte Karbide vom Typ C_nCr_m im hochlegierten Schau felwerkstoff eingelagert sind und die Homogenität der Härte struktur unterbrechen. An der Oberfläche liegend bilden sie erosive Schwachstellen, und insgesamt gesehen stellen sie zu dem die Keimzelle für eine Versprödung des Werkstoffes bei nuklearer Bestrahlung dar.An additional disadvantage is that melting-technically conditioned carbides of the type C _n Cr _m are embedded in the high-alloy blade material and interrupt the homogeneity of the hardness structure. Lying on the surface, they form erosive weak points, and overall, they also represent the nucleus for embrittlement of the material when exposed to nuclear radiation.

Deshalb ist es notwendig, auch die Karbide, wie z. B. die Chromkarbide des Schaufelwerkstoffes X20Cr13, im Gefüge wei testgehend zu beseitigen.Therefore, it is necessary to also use the carbides, e.g. B. the Chrome carbide of blade material X20Cr13, white structure to eliminate as soon as possible.

Aim of the invention

Die Erfindung hat zum Ziel, den starken Verschleiß der End stufenschaufeln in Sattdampfturbinen durch erosive Abtragung zu verhindern.The aim of the invention is the heavy wear of the end stage blades in saturated steam turbines through erosive removal to prevent.

State the nature of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schaufelblatt oberfläche ohne Verwendung werkstofffremder Bestandteile teilweise oder vollständig als geschlossene, harte, ver schleißfeste Fläche auszubilden und die Anwendbarkeit der Lösung als Reparaturtechnologie sowie den Einsatz der Schau feln in Turbinen mit nuklearem Dampfbetrieb zu ermöglichen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem die mit einem Erosionsschutz zu versehende Schaufelblattoberfläche mittels eines zeilenweise im Vorschub geführten Laser- oder Elektro nenstrahl kurzzeitig auf eine vorbestimmte Tiefe und Temperatur erwärmt wird und eine sofort nachfolgende schnel le Abkühlung die Bildung eines homogenen, an der Oberfläche geschlossenen feinkörnigen martensitischen Gefüges bewirkt. Die Abkühlung erfolgt bis in den Minustemperaturbereich und entgegen den bei üblicher Laserhärtung bestehenden Verfahrens bedingungen durch eine zeitgleich ablaufende Fremdkühlung. Dabei werden die mit dem hochenergetischen Laserstrahl im Schmelzprozeß aufgebrochenen Karbide infolge der hohen Wär meeintragsgeschwindigkeit gelöst und mit der folgenden Ab schreckung eine Neubildung von Karbiden im entstehenden marten sitischen Gefüge verhindert.The invention has for its object the blade surface without the use of non-material components partially or completely as a closed, hard, ver train wear-resistant surface and the applicability of Solution as repair technology and the use of the show enable in turbines with nuclear steam operation. According to the invention the object is achieved by using a Blade surface to be provided with erosion protection of a laser or electric guided line by line in the feed momentarily to a predetermined depth and Temperature is warmed up and an immediate subsequent quick le cooling the formation of a homogeneous, on the surface closed fine-grained martensitic structure. The cooling takes place in the minus temperature range and contrary to the existing process with conventional laser hardening conditions through simultaneous external cooling. The high-energy laser beam in the Melting process broken carbides due to the high heat Entry speed solved and with the following Ab a new formation of carbides in the emerging marten prevents sitic structure.

Der Prozeß der Gefügeumwandlung an dünnwandigen Bauteilen mit komplizierter, räumlich mehrfach gekrümmter Kontur kann somit gesteuert und zielgerichtet beeinflußt werden.The process of structural transformation on thin-walled components with complicated, spatially multiple curved contour can thus controlled and influenced in a targeted manner.

Das schnelle Abkühlen, mit dem die obere kritische Abkühlge schwindigkeit überschritten wird, ist durch Unterkühlung der erwärmten Schaufelzonen zu realisieren.The rapid cooling with which the upper critical cooling speed is exceeded is due to hypothermia to realize heated bucket zones.

Für Reparaturzwecke bzw. der Regenerierung von Schaufeln ist das Fehlvolumen der bereits durch Erosion zerstörten Schau feloberfläche mittels Auftragsschweißung mit einer dem Schau felgrundwerkstoff entsprechenden Legierung vor der Durchfüh rung des Verfahrens auszugleichen. Zusätzlich kann eine den Martensitbildungsprozeß verbessernde Einschmelzung von Koh lenstoff erfolgen.For repair purposes or the regeneration of blades the shortage of the show already destroyed by erosion surface of the surface by means of weld-on with a look corresponding base alloy before carrying out compensation of the procedure. In addition, a Melting process improving melting of Koh lenstoff done.

Embodiment

Die mechanisch auf ihre Endkontur vorbereiteten Turbinen schaufeln, deren Werkstoff den zur Martensitbildung not wendigen Gehalt an Kohlenstoff aufweist, werden mit geeig neten Vorrichtungen so positioniert, daß die zeilenweise Führung eines Laser- oder Elektronenstrahles über die durch Umwandlungshärtung auszubildenden Erosionsschutzzonen mög lich ist. The turbines mechanically prepared for their final contour shovel, the material of which is necessary for the formation of martensite maneuverable content of carbon Neten devices positioned so that the rows Guide a laser or electron beam through the Conversion hardening in erosion protection zones possible is.

Als variable Parameter zur Ausbildung der Erosionsschutz zone gelten die verfahrensspezifischen Energieeinträge, die Abkühlgeschwindigkeit der erhitzten Bereiche mittels sofor tiger Unterkühlung und die Legierungszusammensetzung des Schaufelwerkstoffes. Die gute Regulierbarkeit des Laser- oder Elektronenstrahls gestattet es, im Gegensatz zum Flamm härten die Aufheiztiefe sowie die Temperatur an der Schaufel oberfläche optimal zu gestalten und die Gefügeumwandlung im Zusammenhang mit einer zeitgleichen schnellen Abkühlung bis in den Minustemperaturbereich über die kritische Abkühlge schwindigkeit hinaus zielgerichtet zu steuern. Damit wird es möglich, in der Oberfläche der räumlich mehrfach gekrümmten dünnwandigen Schaufelblätter der Endstufenschaufeln von Satt dampfturbinen ein qualitativ neuartiges, karbidfreies, homo genes, martensitisches Gefüge mit feinkörniger Struktur aus zubilden. Die Begrenzung der Schutzzonen auf einige Teilbe reiche des Schaufelblattes, wie sie einigen bisherigen Ver fahren anhaftete, ist damit aufgehoben.As a variable parameter for training erosion control the process-specific energy inputs apply Cooling rate of the heated areas immediately tiger hypothermia and the alloy composition of the Blade material. The good controllability of the laser or electron beam allows it, unlike the flame harden the heating depth and the temperature at the blade to optimally design the surface and the structural transformation in the Connection with a simultaneous rapid cooling up in the minus temperature range above the critical cooling to control speed in a targeted manner. So it will possible in the surface of the spatially multiple curved thin-walled blades of Satt's power stage blades steam turbines a qualitatively new, carbide-free, homo genes, martensitic structure with fine-grained structure to build. The limitation of the protection zones to some parts range of the airfoil, as some previous ver drive clinging is canceled.

Auf Grund der fremdlegierungsfreien Martensitschicht und der fehlenden Karbide ist auch die Verfahrensunbedenklich keit zum Einsatz der Schaufeln in nukleardampfbeaufschlag ten Turbinen gegeben.Due to the non-alloy martensite layer and the lack of carbides also makes the process harmless Ability to use the blades in the application of nuclear steam given turbines.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann gleichfalls zur Rege nerierung von Schaufeln angewendet werden, sofern das Schau felvolumen mittels Auftragsschweißung einer dem Schaufel werkstoff eigenen Legierung aufgefüllt und die Schaufelkon tur entsprechend nachgearbeitet ist.The method according to the invention can also be used as a rule Blade generation can be applied provided that the show Volume of the rock by means of build-up welding on the blade own alloy and the blade cone is reworked accordingly.

Claims

1. A method for producing an erosion protection for turbine blades made of high-alloy materials with embedded carbides, in which the airfoil surface completely or partially receives a martensitic structure, characterized in that an intense surface heating generated briefly with laser or electron beams at the same time by rapid parallel supercooling is superimposed in the minus temperature range and leads to a fully martensitic, carbide-free structure.

2. The method according to claim 1, characterized in that for the regeneration of a scoop the shortage of the be Blade surface destroyed by erosion Cladding with a blade base material corresponding alloy is balanced and after the mechanical adjustment work the further processing according Claim 1 takes place.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that that the controllable structural transformation by a zonal, Meltdown improving the martensite formation process is influenced by carbon.