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TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft allgemein Gussteile für Gasturbinentriebwerke und Verfahren zu ihrer Herstellung. Insbesondere wird in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Schaufelsegment mit mehreren Flügelprofilen als Einkristallgussstück aus einer rheniumhaltigen, gerichtet erstarrenden (DS) Legierung erzeugt. Obwohl die Erfindung für Gasturbinentriebwerkskomponenten entwickelt wurde, können bestimmte Anwendungen außerhalb dieses Gebiets liegen.
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Die Leistung einer Gasturbine steigt im allgemeinen mit zunehmender Betriebstemperatur eines Hochtemperaturarbeitsmediums, das aus einer Brennkammer ausströmt. Ein Faktor, der von Gasturbinentriebwerkskonstrukteuren als Begrenzung für die zulässige Temperatur des Arbeitsmediums erkannt wurde, ist die Fähigkeit der Triebwerkskomponenten, sich unter Einwirkung des Hochtemperaturarbeitsmediums nicht zu zersetzen. Die Flügelprofile, wie z. B. Rotorblätter und Schaufeln, innerhalb des Triebwerks gehören zu den Komponenten, die während des Triebwerkbetriebs einer erheblichen thermischen und kinetischen Belastung ausgesetzt sind.
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Viele Gasturbinentriebwerke nutzen Gußbauteile, die aus einer Nickel- oder Cobaltlegierung geformt werden. Die Komponenten können als polykristalline, gerichtet erstarrende oder einkristalline Struktur gegossen werden. Im allgemeinen sind die günstigsten Materialeigenschaften mit der Einkristallstruktur verbunden. Die Geometrie bestimmter Komponenten, wie z. B. des Schaufelsegments mit mehreren Flügelprofilen, verursacht jedoch Probleme während des Gießverfahrens, weitgehend in Verbindung mit Korn- oder Kristallfehlern. Einkristallegierungen sind gegen diese Fehlerarten nicht tolerant, und daher sind Gußstücke, welche diese Fehler aufweisen, im allgemeinen nicht für den Gebrauch im Triebwerk geeignet. Daher sind die Gießausbeuten niedriger, und infolgedessen steigen die Herstellungskosten der Komponente.
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Beispiele für Komponenten, die aus derartigen Einkristallegierungen hergestellt sind, werden in der französischen Patentschrift
FR-A-2 724 857 und in
US-A-4 804 211 offenbart.
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Eine gerichtet erstarrende Komponente weist Materialeigenschaften zwischen einkristallinen und polykristallinen Eigenschaften auf und ist leichter herzustellen als einkristalline Komponenten. Gerichtet erstarrende Komponenten sind generell als polykristalline Struktur mit säulenförmigen Kristallkörnern definiert und werden im allgemeinen aus einer gerichtet erstarrenden Legierung gegossen, die Korngrenzenverstärker enthält. Die gerichtet erstarrende Komponente eignet sich am besten für Konstruktionen, wo das Spannungsfeld in Richtung der säulenförmigen Körner orientiert und das Spannungsfeld quer zu der säulenförmigen Körnung minimiert ist. In einer Komponente wie z. B. einem Schaufelsegment mit mehreren Flügelprofilen sind jedoch die Spannungsfelder entlang den Flügelprofilen und in einer Querrichtung erhöht, die zu den inneren und äußeren Deckscheiben gehört, welche die Flügelprofile miteinander verbinden.
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Ein Beispiel für die Verwendung einer polykristallinen, gerichtet erstarrenden Legierung bei der Herstellung einer Gasturbinentriebwerkschaufel wird in
US-A-5 611 670 offenbart. Dort wird eine Turbinentriebwerkschaufel mit einem herkömmlichen einkristallinen Schaufelabschnitt beschrieben, wobei aber der Rest der Schaufel eine gerichtet erstarrende säulenförmige Kornstruktur aufweist.
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Obwohl nach den bekannten Verfahren einkristalline Schaufelsegmente mit mehreren Flügelprofilen hergestellt werden können, besteht nach wie vor ein Bedarf für ein verbessertes einkristallines Schaufelsegment mit mehreren Flügelprofilen und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Die vorliegende Erfindung entspricht diesem und anderen Bedürfnissen auf eine neuartige und offensichtliche Weise.
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Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Schaufelsegmentkomponente bereitgestellt, die eine gegossene Einkristall-Gußstruktur umfasst, die aus einem gerichtet erstarrenden Legierungsmaterial geformt wird, wobei die Einkristallstruktur eine Vielzahl von Flügelprofilen aufweist, die einstückig zwischen einem ersten Stirnwandelement und einem zweiten Stirnwandelement verbunden sind, wobei die Einkristall-Gußstruktur ihre <001>-Kristallrichtung im Wesentlichen parallel zu einer Tangente zu einem der Stirnwandelemente hat und ihre <010>-Kristallrichtung im Wesentlichen parallel zu einer mittleren Flügelprofilstapelachse hat.
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Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Gasturbinentriebwerkskomponente bereitgestellt, die ein in einem Stück gegossenes Einkristallschaufelsegment mit mehreren Schaufeln umfasst, wobei jede der mehreren Schaufeln eine Vorderkante und eine Hinterkante sowie ein erstes Ende und ein zweites Ende enthält, wobei das Schaufelsegment ein erstes Stirnwandelement, das mit jedem der ersten Enden einstückig verbunden ist, und ein zweites Stirnwandelement aufweist, das mit jedem der zweiten Enden einstückig verbunden ist, wobei das Schaufelsegment aus einem gerichtet erstarrenden Legierungsmaterial geformt wird und seine <001>-Kristallrichtung im Wesentlichen parallel zu einer Tangente zu einem der Stirnwandelemente hat und ihre <010>-Kristallrichtung im Wesentlichen parallel zu einer mittleren Flügelprofilstapelachse hat.
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Nach einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristall-Schaufelsegments bereitgestellt, das aufweist:
Bereitstellen eines gerichtet erstarrenden Legierungsmaterials;
Schmelzen des gerichtet erstarrenden Legierungsmaterials;
Gießen des gerichtet erstarrenden Legierungsmaterials in eine Gießform, wobei die Gießform einen stirnwandformenden Hohlraum und einen schaufelformenden Hohlraum, der eine Vielzahl von Schaufeln definiert, aufweist, die in Fluidverbindung stehen;
Ausrichten eines Starterkeimmaterials, so dass seine <001>-Kristallrichtung im Wesentlichen parallel zu einer Tangente zum Schaufelsegment ist und die <010>-Kristallrichtung des Starterkeimmaterials im Wesentlichen parallel zu einer mittleren Flügelprofilstapelachse ist;
Füllen des stirnwandformenden Hohlraums und des schaufelformenden Hohlraums mit dem geschmolzenen gerichtet erstarrenden Legierungsmaterial;
Schmelzen eines Abschnitts des Starterkeimmaterials, das sich mit dem geschmolzenen gerichtet erstarrenden Legierungsmaterial in die Gießform erstreckt; und
Erstarrenlassen des gerichtet erstarrenden Legierungsmaterials, um ein in einem Stück gegossenes Schaufelsegment mit einer Struktur herzustellen, die mit einem Einkristallgußstück übereinstimmt, dessen <001>-Kristallrichtung im Wesentlichen parallel zu einer Tangente zu einem der Stirnwandelemente ist und dessen <010>-Kristallrichtung im Wesentlichen parallel zu einer mittleren Flügelprofilstapelachse ist.
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Verwandte Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine typische Ansicht eines Gasturbinentriebwerks.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Schaufelsegments mit mehreren Flügelprofilen, das einen Abschnitt des Gasturbinentriebwerks gemäß 1 bildet.
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3 zeigt ein Larson-Miller-Diagramm zum Vergleich von drei Legierungen.
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4 zeigt eine typische Ansicht einer Gießform zum Formen eines Schaufelsegments.
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5 zeigt eine typische Ansicht eines von der Gießform gemäß 4 geformten Schaufelsegments mit mehreren Flügelprofilen.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Um ein Verständnis der Grundgedanken der Erfindung zu fördern, wird nachstehend auf eine in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform Bezug genommen, und zu ihrer Beschreibung wird eine spezifische Sprache benutzt. Nichtsdestoweniger versteht es sich, daß damit keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, wobei Änderungen und weitere Modifikationen an der dargestellten Vorrichtung und darin erläuterte weitere Anwendungen der Grundgedanken der Erfindung in Betracht gezogen werden, wie sie normalerweise einem Fachmann auf dem Gebiet in den Sinn kommen, auf das sich die Erfindung bezieht.
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In 1 ist ein Gasturbinentriebwerk 20 dargestellt, das einen Gebläseabschnitt 21, einen Kompressorabschnitt 22, einen Brennkammerabschnitt 23 und einen Turbinenabschnitt 24 aufweist, die zu einem Flugzeugtriebwerk integriert sind. Dieser Typ des Gasturbinentriebwerks wird im allgemeinen als Bypasstriebwerk bzw. Zweistrom-Turbinenstrahltriebwerk bezeichnet. Eine alternative Form eines Gasturbinentriebwerks enthält einen Kompressor, eine Brennkammer und eine Turbine, die zu einem Flugzeugtriebwerk ohne den Gebläseabschnitt integriert sind. Der Begriff Flugzeug ist eine Sammelbezeichnung und schließt Hubschrauber, Flugzeuge, Raketen, unbemannte Raumflugkörper und beliebige andere, im wesentlichen ähnliche Geräte ein. Wichtig ist, zu erkennen, daß es eine Vielzahl von Möglichkeiten gibt, die Gasturbinentriebwerkskomponenten miteinander zu verbinden. Weitere Kompressoren und Turbinen könnten hinzugefügt werden, wobei Zwischenkühler zwischen den Kompressoren angeschlossen und Zwischenüberhitzungsbrennkammern zwischen den Turbinen eingefügt werden könnten.
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Ein Gasturbinentriebwerk eignet sich ebenso gut für den Einsatz in einer industriellen Anwendung. Historisch wurden industrielle Gasturbinenmotoren weitverbreitet eingesetzt, beispielsweise als Pumpaggregate für Gas- und Ölfernleitungen, zur Stromerzeugung und als Schiffsantrieb.
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Der Kompressorabschnitt 22 weist einen Rotor 25 mit mehreren damit gekoppelten Kompressorblättern bzw. -schaufeln 26 auf. Der Rotor 25 ist an einer Welle 27 befestigt, die innerhalb des Gasturbinentriebwerks 20 drehbar ist. Innerhalb des Kompressorabschnitts 22 sind mehrere Kompressorleitschaufeln 28 angeordnet, um den Fluidstrom bezüglich der Blätter bzw. Laufradschaufeln 26 zu lenken. Der Turbinenabschnitt 24 enthält mehrere Turbinenblätter bzw. -schaufeln 30, die mit einem Laufrad 31 gekoppelt sind. Das Laufrad 31 ist an der Welle 27 befestigt, die innerhalb des Gasturbinentriebwerks 20 drehbar ist. Energie, die im Turbinenabschnitt 24 dem aus dem Brennkammerabschnitt 23 austretenden heißen Gas entzogen wird, wird durch die Welle 27 übertragen, um den Kompressorabschnitt 22 anzutreiben. Ferner sind innerhalb des Turbinenabschnitts 24 mehrere Turbinenleitschaufeln 32 angeordnet, um den aus dem Brennkammerabschnitt 23 austretenden heißen Gasstrom zu lenken.
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Der Turbinenabschnitt 24 liefert Energie an eine Gebläsewelle 33, die den Gebläseabschnitt 21 antreibt. Der Gebläseabschnitt 21 weist ein Gebläse 34 mit mehreren Gebläseflügeln 35 auf. Luft tritt in Richtung der Pfeile A in das Gasturbinentriebwerk 20 ein und gelangt durch den Gebläseabschnitt 21 in den Kompressorabschnitt 22 und einen Umgehungskanal 36. Weitere Details zu den Prinzipien und Komponenten eines herkömmlichen Gasturbinentriebwerks werden hierin nicht beschrieben, da sie als dem Durchschnittsfachmann bekannt angesehen werden.
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In 2 ist ein Schaufelsegment 50 dargestellt, das einen Teil einer Turbinendüse bildet. Herkömmlicherweise werden mehrere Schaufelsegmente 50 zusammengefügt, um gemeinsam die vollständige 360°-Turbinendüse zu bilden. Jedes der Schaufelsegmente 50 schließt mehrere Schaufeln 32 ein, die mit Stirnwandelementen 51 und 52 gekoppelt sind. Die in 2 dargestellte Ausführungsform des Schaufelsegments 50 weist vier damit verbundene Schaufeln auf, jedoch wird hierin in Betracht gezogen, daß ein Schaufelsegment eine oder mehrere Schaufeln pro Schaufelsegment aufweisen kann und nicht auf ein Schaufelsegment mit vier Schaufeln beschränkt ist. In einer bevorzugten Form der vorliegenden Erfindung enthält die Turbinendüse elf Schaufelsegmente mit je vier Schaufeln. Hierin werden jedoch auch eine Turbinendüse, die aus anderen Mengen von Schaufelsegmenten geformt wird, und Schaufelsegmente mit anderen Schaufelzahlen in Betracht gezogen.
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Die Schaufel 32 weist eine Vorderkante 32a und eine Hinterkante 32b und eine sich dazwischen erstreckende Außenfläche auf. Zur Bezeichnung einer Orientierung zwischen dem ersten Stirnwandelement 51 und dem zweiten Stirnwandelement 52 wird hierin der Begriff ”in Spannweitenrichtung” benutzt. Ferner wird hierin der Begriff ”in Stromrichtung” benutzt, um eine Orientierung zwischen der Vorderkante 32a und der Hinterkante 32b zu bezeichnen. Jede Schaufel 32 definiert ein Flügelprofil mit der Außenfläche 53, die sich zwischen der Vorderkante 32a und der Hinterkante 32b erstreckt. Die Vorder- und Hinterkanten der Schaufel erstrecken sich zwischen einem ersten Ende 32c und einem zweiten, gegenüberliegenden anderen Ende 32d. Die Außenfläche 53 der Schaufel 32 weist eine konvexe Saugseite (nicht dargestellt) und eine konkave Druckseite 55 auf.
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In einer Ausführungsform ist die Gasturbinentriebwerkschaufel
32 eine hohle, in einem Stück gegossene Einkristallstruktur, die durch Einkristallgießverfahren unter Verwendung einer gerichtet erstarrenden Legierungszusammensetzung erzeugt wird. In einer anderen Ausführungsform ist die Gasturbinentriebwerkschaufel eine massive, in einem Stück gegossene Einkristallstruktur, die durch Einkristallgießverfahren unter Verwendung einer gerichtet erstarrenden Legierungszusammensetzung erzeugt wird. Ferner werden bei der vorliegenden Erfindung Gasturbinentriebwerkschaufeln mit inneren Kühlungskanälen und Öffnungen für den Durchfluß eines Kühlmittels in Betracht gezogen. Es wird angenommen, daß Gießverfahren zum Gießen von Einkristallen dem Durchschnittsfachmann bekannt sind. Ein Verfahren zur Herstellung einer gegossenen Einkristallstruktur wird in der
US-Patentschrift US-A-5 295 530 von O'Connor dargestellt, die hiermit durch Verweis einbezogen wird.
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Bei der vorliegenden Erfindung ist das zur Herstellung der gegossenen Einkristallstruktur eingesetzte Material eine gerichtet erstarrende Legierung, die oft als DS-Legierung bezeichnet wird. Stärker bevorzugt ist die Legierung eine gerichtet erstarrende Superlegierung der zweiten Generation. Gerichtet erstarrende Superlegierungen der zweiten Generation weisen bei bis zu 1000 Grad Celsius ähnliche Zeitstandfestigkeiten wie einkristalline Superlegierungen der ersten Generation auf, wie zum Beispiel CMSX-2® und CMSX-3®. Zum Beispiel ist in 3 ein Larson-Miller-Diagramm dargestellt, das die Festigkeit von CM186LC im Vergleich zu CMSX2/3 und CM247LC zeigt. Beispiele von Superlegierungen der zweiten Generation schließen ein, sollen aber nicht beschränkt sein auf: PWA 1426 (ein Erzeugnis von Pratt & Whitney); René 142 (ein Erzeugnis von General Electric) und CM186LC (ein Erzeugnis von Cannon-Muskegon). Zur Verwendung bei der Herstellung einer gegossenen Einristallstruktur werden hierin weitere gerichtet erstarrende Legierungen in Betracht gezogen.
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Jede der gerichtet erstarrenden Legierungen enthält Korngrenzenverstärker, die so gestaltet sind, daß sie die Festigkeit der Korngrenzen erhöhen. Die Legierungen PWA 1426, René 142 und CM 186 LC enthalten jeweils Bor, Kohlenstoff, Hafnium und Zirconium als ihre Korngrenzenverstärker. Hierin werden weitere gerichtet erstarrende Legierungen in Betracht gezogen, die Korngrenzenverstärker enthalten. Eine Korngrenze ist allgemein als ein Bereich in dem Gußteil von nichtorientierter Struktur mit einer Breite von nur wenigen Atomdurchmessern definiert, der dazu dient, die kristallographische Orientierungsdifferenz oder -abweichung zwischen benachbarten Körnern aufzunehmen. Fachleute werden erkennen, daß in einem theoretischen ”Einkristall” weder Kleinwinkel-Korngrenzen noch Großwinkel-Korngrenzen vorhanden sein werden. Man wird jedoch ferner erkennen, daß handelsübliche Einkristallstrukturen noch als Einkristallstrukturen charakterisiert werden, obwohl in ihnen eine oder mehrere Korngrenzen vorhanden sein können. Ferner sind Fertigungsverfahren, die gegen diese Kristallanomalien toleranter sind, von Natur aus weniger kostspielig.
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Die chemischen Soll- bzw. Nennzusammensetzungen für die rheniumhaltigen Legierungen PWA 1426, René 142 und CM186LC werden in Tabelle I offenbart. Nennzusammensetzung, Gew.-%
TABELLE I
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In 4 ist eine Gießform 200 mit einem Metallschmelzenaufnahmehohlraum dargestellt, um darin geschmolzenes Metall aufzunehmen und das Schaufelsegment mit mehreren Flügelprofilen zu formen. In 5 sind das Schaufelsegment mit mehreren Flügelprofilen 50 und ein metallisches Starterkeimmaterial 62 dargestellt, wobei zur Unterstützung des Lesers die Wände einer Gießform 200 entfernt wurden. Ein Teil des metallischen Starterkeimmaterials reicht in den Metallschmelzenaufnahmehohlraum der Form hinein. Die geschmolzene, gerichtet erstarrende Legierung kommt mit dem Starterkeimmaterial 62 in Kontakt und verursacht ein teilweises Rückschmelzen des Materials. In einer bevorzugten Form des Verfahrens zur Herstellung des gegossenen Schaufelsegments mit mehreren Flügelprofilen befindet sich das Starterkeimmaterial 62 nicht im Kontakt mit einer Abschreckplatte 65. Stärker bevorzugt ist zwischen dem Starterkeimmaterial 62 und der Abschreckplatte 65 ein Isolator 90 angeordnet. Der Isolator 90 funktioniert so, daß er das Starterkeimmaterial 62 gegen die Abschreckplatte 65 wärmeisoliert und daher das Schmelzen eines Teils des Starterkeimmaterials fördert.
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Die gerichtet erstarrende Legierung wird durch ein Temperaturgefälle, das sich vertikal durch die Gießform bewegt, zum Erstarren gebracht. Genauer gesagt, die gerichtet erstarrende Legierung erstarrt epitaxial von dem nicht geschmolzenen Teil des Starterkeimmaterials 62 aus und bildet ein einkristallines Produkt. In einer Form wird das Temperaturgefälle zum Erstarren der gerichtet erstarrenden Legierung durch eine Kombination aus Erhitzen der Form und Abkühlen der Form erzeugt. Ein System, um das Temperaturgefälle in der Form herbeizuführen, weist einen Formheizkörper, einen Formkühlkegel, eine Abschreckplatte und die Entnahme der gegossenen Struktur auf. Weitere Details im Zusammenhang mit der Züchtung von einkristallinen Legierungsstrukturen werden als dem Durchschnittsfachmann bekannt vorausgesetzt und sind daher nicht angegeben worden. Das gegossene einkristalline Legierungsprodukt ist im Hinblick auf ein Schaufelsegment beschrieben worden, jedoch werden hierin auch andere Einkristallproduktkonfigurationen in Betracht gezogen, die aus einer gerichtet erstarrenden Legierung geformt werden, wie zum Beispiel Rotorblattdichtungen, Deckscheiben, Blattführungen, Düsenverkleidungen und andere Komponenten, die hoher Temperatur und Spannung ausgesetzt sind.
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In einer Form der vorliegenden Erfindung wird das Starterkeimmaterial 62 so geformt und/oder orientiert, daß die <001>-Kristallrichtung der Keime (primäre Orientierung) im wesentlichen parallel zu einer Tangente A liegt und die <010>-Kristallrichtung der Keime (sekundäre Orientierung) im wesentlichen parallel zur mittleren Flügelprofilstapelachse B liegt. Die mittlere Flügelprofilstapelachse B ist allgemein durch den Mittelwert jeder Flügelprofilstapelachse B1, B2, B3 und B4 definiert. Die Darstellung von 5 soll hierbei nicht die Erstarrungsrichtung auf die in den Zeichnungen dargestellte beschränken. In einer alternativen Ausführungsform ist die Erstarrungsrichtung im wesentlichen parallel zur mittleren Flügelprofilstapelachse B. Ferner werden hierin weitere Erstarrungsrichtungen in Betracht gezogen. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Verwendung eines Starterkeimmaterials beschränkt, um dem gezüchteten Kristall die Kristallstruktur zu verleihen. Einkristalle können durch Verfahren gezüchtet werden, die einem Durchschnittsfachmann im allgemeinen bekannt sind, wie zum Beispiel die Nutzung der thermischen Keimbildung und die Auswahl eines Kristallkorns zum weiteren Züchten mit einer Anschlußstück-Sortierstruktur.
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In einer Form kann das gegossene Einkristallschaufelsegment ohne die langen Homogenisierungs-Wärmebehandlungszyklen verwendet werden, die gewöhnlich angewandt werden, um Eigenschaften der gegossenen Einkristallgegenstände zu maximieren. In einer anderen Form der vorliegenden Erfindung, die sich gut für Gegenstände wie z. B. Turbinenblätter eignet, kann der Gegenstand in voll wärmebehandeltem Zustand verwendet werden. Der voll wärmebehandelte Gegenstand maximiert die Zeitstandfestigkeit und minimiert die Bildung von schädlichen topologisch dichtgepackten (TCP-)Phasen, wie z. B. Sigma-Phasen, bei langdauernder Einwirkung von hoher Temperatur und Spannung auf den Gegenstand. Die Dauer der Langzeitexponierung beträgt mehr als tausend Stunden.
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Die Erfindung ist zwar in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung ausführlich dargestellt und beschrieben worden, die aber ihrer Natur nach als erläuternd und nicht als einschränkend anzusehen sind, wobei es sich versteht, daß nur die bevorzugte Ausführungsform dargestellt und beschrieben worden ist und daß alle Änderungen und Modifikationen, die innerhalb des Grundgedankens der Erfindung liegen, geschützt werden sollen.
