EP0060577B2 - Turbinenschaufelwerkstoff hoher Festigkeit gegen Korrosionsermüdung, Verfahren zu dessen Herstellung und seine Verwendung - Google Patents
Turbinenschaufelwerkstoff hoher Festigkeit gegen Korrosionsermüdung, Verfahren zu dessen Herstellung und seine Verwendung Download PDFInfo
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Definitions
- the invention is based on the use of a material for producing a turbine blade according to the preamble of claim 1.
- Blade materials for steam turbines are subject to increased demands, particularly in the medium and low temperature range, in the course of many years of operating experience. At the same time, they should have a high static strength, i.e. a high yield strength, a sufficient deformation reserve, i.e. have sufficiently high notched toughness and a high resistance to corrosion fatigue in the relevant temperature range in a possible aggressive atmosphere. In some cases, similar requirements are placed on the blade materials of turbo compressors in gas turbine plants.
- JP-A-54033216 describes a corrosion-resistant two-phase steel for centrifugal separators and valve seats which, apart from Cr, Ni, Mn and Mo, also contains N and optionally one or more elements selected from Nb, Ta Ti, B, Zr, V, Cu, Contains Co or AI.
- the mechanical properties of these steels yield strength less than 700 MPa; with regard to corrosion fatigue, because there is obviously no critical factor in the specified use, there is no indication) are not yet sufficient for turbine blades of the future. In the EPRI workshop (Allianz Center for Technology, Kunststoff) on 21/22.
- the corrosion-resistant steels can basically be divided into 3 groups: ferritic, ferritic-austenitic and austenitic.
- the first two generally have a maximum yield strength of 640 MPa, the latter a limit of only 400 MPa. There is therefore a need for blade materials that meet all three of the above conditions.
- the invention is based on the object of specifying a turbine blade material and a corresponding production method which ensure high strength against corrosion fatigue in the finished product with the simplest possible simplicity and avoidance of unusual, expensive starting materials with good ductility, high yield strength and notch toughness.
- the turbine blade material is a stainless steel with a ferritic-austenitic mixed structure, which in itself has good strength against corrosion fatigue is used, the otherwise inadequate mechanical properties such as yield strength and notch toughness being improved by a special choice of the alloy composition and by precipitation hardening. This is achieved through targeted heat treatment.
- the alloy was melted in a vacuum furnace and cast into a cast ingot.
- the ingot was rolled down to a thickness of 12 mm at a temperature of approximately 1,050 ° C., the decrease in cross-section being at least 50% and then quenched in water from the same temperature. Quenching the workpiece effectively suppresses the possible formation of the brittle intermetallic iron / chromium compound, the so-called ⁇ phase.
- Test bar blanks were machined out of the plate in question, the longitudinal axes of which were parallel to the rolling direction. The blanks were precipitation hardened by a heat treatment in the temperature range from 300 to 650 ° C. for 1 to 4 hours.
- the alloy was cast and the cast ingot produced in this way was further thermomechanically processed.
- a first step of hot forming the cross-section was reduced by 75%.
- the workpiece temperature was 1 250 ° C, at the end of it still 1 050 ° C.
- the second deformation step which was carried out isothermally at a temperature of 1,050 ° C.
- the cross section of the workpiece was totally reduced by a further 50%, based on the cross section after the first operation.
- the semi-finished product thus produced was then quenched in water at 1,050 ° C.
- test bar blanks were worked out in such a way that their longitudinal axes were parallel to the main direction of deformation of the workpiece.
- the precipitation hardening of the blanks was carried out for 1 to 4 hours in the temperature range from 300 to 650 ° C.
- Rods for tensile, notch impact and fatigue strength tests were produced, which were tested under exactly the same conditions as given in example I.
- the titanium alloy can only show a higher static strength (yield strength), but drops considerably compared to the proposed alloys I to IV in terms of dynamic values. In view of the cost and difficult processability of the titanium alloy, this is all the more important.
- the hot shaping after casting is carried out in the temperature range between 1000 ° C. and 1250 ° C.
- the cross-sectional decrease should be at least 50%.
- the precipitation hardening can be carried out in the temperature range between 300 ° C and 650 ° C for 1 to 8 hours.
- the turbine blade material can preferably be used continuously as a steam turbine blade in the low-pressure part or as a turbo compressor blade up to temperatures of 350 ° C.
- the turbine materials produced and proposed according to the invention combine high ductility and notch toughness with high static strength and high resistance to corrosion fatigue and thus ensure a long service life of the component.
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Description
- Die Erfindung geht aus von der Verwendung eines Werkstoffs zur Herstellung einer Turbinenschaufel nach der Gattung des Anspruchs 1.
- An Schaufelwerkstoffe für Dampfturbinen werden insbesondere im Bereich mittlerer und tieferer Temperaturen im Zuge langjähriger Betriebserfahrungen erhöhte Anforderungen gestellt. Sie sollen gleichzeitig eine hohe statische Festigkeit, d.h. eine hohe Streckgrenze, eine ausreichende Verformungsreserve, d.h. genügend hohe Kerbzähigkeit und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Korrosionsermüdung im betreffenden Temperaturbereich in möglicher agressiver Atmosphäre aufweisen. Zum Teil werden ähnliche Anforderungen an Schaufelwerkstoffe von Turbokompressoren in Gasturbinenanlagen gestellt.
- Es hat sich gezeigt, dass im Niederdruckteil von Dampfturbinen Schaufelschäden aufgetreten sind, welche einer ungenügenden Festigkeit gegen Korrosionsermüdung zugeschrieben werden (H.J. Bohnstedt, P.-H. Effertz, P. Forchhammer und L. Hagn, Der Maschinenschaden, 51, 73, 1978; K. Yaeger, EPRI Journal, p. 44, April 1980). Die hier üblicherweise verwendeten ferritischen bzw. martensitischen legierten Stähle (13 % Cr oder 12 % Cr/1 % Mo) weisen wohl hohe statische Festigkeitswerte (Streckgrenze, 0,2 %-Grenze) auf, ihr Verhalten gegenüber dynamischer Beanspruchung bei gleichzeitiger Anwesenheit agressiver Medien ist offensichtlich ungenügend. In allen Turbomaschinen, wo mit Wasserströpfchenbildung zufolge Kondensation und demzufolge mit einer Konzentration der in der Gasphase vorhandenen Verunreinigungen in der flüssigen Phase als Lösung gerechnet werden muss, stellt sich das Problem der Korrosionsermüdung.
- Man hat versucht, die Frage der Korrosionsermüdung auf zwei Wegen zu lösen. Einerseits ist es möglich, die dynamische Beanspruchung (Schwingungen) der Schaufel durch entsprechende konstruktive Gestaltung herabzusetzen. Andererseits müssen an den Reinheitsgrad der gasförmigen Medien höhere Anforderungen gestellt werden, um diese von Schadstoffen möglichst frei zu halten. Derartige Massnahmen erwiesen sich indessen als sehr aufwendig und teuer und zeitigten oft nicht den erhofften Erfolg. Insbeonsere vermag selbst eine noch so hoch getriebene Reinheit des Dampfes oder Gases eine lokale Anreicherung und somit Sättigung einer wässrigen Lösung nicht mit Sicherheit zu unterbinden. Es muss daher praktisch immer mit der Möglichkeit eines korrosiven Angriffs gerechnet werden.
- Ein anderer Weg, die obengenannten Schwierigkeiten zu beseitigen, bietet sich von der materialtechnischen Seite an. Es wurde schon versucht, gute chemische Beständigkeit mit genügend hoher mechanischen Festigkeit zu kombinieren (K. Detert, W. Bertram und H. Buhl, Werkstoffe und Korrosion, 31, S. 439-446,1980, insbesondere Tabelle 1 Werkstoff 8: XCrNiMoCu 255; GB-A-1 456 634). Bei diesen Werkstoffen handelt es sich grundsätzlich um ferritischaustenitische Stähle. Das gesteckte Ziel, einen Werkstoff hoher statischer Festigkeit, hoher Zähigkeit und hoher Ermüdungsfestigke in korrosiver Umgebung empfehlen zu können, wurde indessen nicht erreicht.
- In der JP-A-54033216 wird ein korrosionsbeständiger Zweiphasenstahl für Zentrifugalseparatoren und Ventilsitze beschrieben, der ausser Cr, Ni, Mn und Mo noch N und gegebenenfalls noch ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus Nb, Ta Ti, B, Zr, V, Cu, Co oder AI enthält. Die mechanischen Eigenschaften dieser Stähle (Streckgrenze weniger als 700 MPa; bezüglich der Korrosionsermüdung, weil in der angegebenen Verwendung offenbar nicht kritisch, fehlt ein Hinweis) sind indessen für Turbinenschaufeln der Zukunft noch nicht genügend. Im EPRI Workshop (Allianz-Zentrum für Technik, München) wurde am 21./22. Juni 1979 ein Vortragszyklus "Corrosion fatigue of steam turbine blades" abgehalten, bei welcher Gelegenheit Werkstoffe vorgestellt wurden, die sich bezüglich ihres Korrosionsverhaltens und ihrer mechanischen Eigenschaften (inkl. Korrosionsermüdung) gut für Turbinenschaufeln eignen sollen. Es handelt sich unter anderem um ferritischaustentische Stähle mit hohem Cr-Gehalt neben niedrigem Mn- und mässigem Ni-Gehalt. Speziell erwähnt werden Legierungen mit den Handelsbezeichnungen "FA26", "Remanit" und "Ferralium". Ihre Streckgrenze bleibt mit 600 - 700 MPa indessen unter dem geforderten Mindestwert und auch ihre Korrosionsermüdung von im besten Fall 245 ± 215 MPa bei 4.107 Lastwechseln genügt nicht.
- Die korrosionsbeständigen Stähle können grundsätzlich in 3 Gruppen eingeteilt werden: ferritisch, ferritisch-austentisch und austentisch. Die ersten beiden erreichen im allgemeinen eine Streckgrenze von höchstens 640 MPa, die letzteren eine solche von nur 400 MPa. Es besteht daher ein Bedürfnis nach Schaufelwerkstoffen, welche alle drei oben angegebenen Bedingungen erfüllen.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Turbinenschaufelwerkstoff sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren anzugeben, die im Fertigerzeugnis bei möglichster Einfachheit und unter Vermeidung ausgefallener, teurer Ausgangsmaterialien bei guter Duktilität, hoher Streckgrenze und Kerbzähigkeit eine hohe Festigkeit gegen Korrosionsermüdung gewährleisten.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Ansprüche 1 und 4, gelöst.
- Der Kern der Erfindung besteht darin, dass als Turbinenschaufelwerkstoff ein rostfreier Stahl mit ferritischaustentischem Mischgefüge, welches an sich eine gute Festigkeit gegen Korrosionsermüdung aufweist, verwendet wird, wobei die sonst ungenügenden mechanischen Eigenschaften wie Streckgrenze und Kerbzähigkeit durch spezielle Wahl der Legierungszusammensetzung und durch Ausscheidungshärtung verbessert werden. Dies wird durch eine gezielte Wärmebehandlung erreicht.
- Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert :
- Ausgegangen wurde von einem rostfreien Stahl (Legierung I) der nachfolgenden Zusammensetzung :
- C = 0,04 Gew.-%
- Cr = 26 Gew.-%
- Mn = 6 Gew.-%
- Ni = 4 Gew.-%
- Mo = 2,5 Gew.-%
- Cu = 3 Gew.-%
- N = 0,4 Gew.-%
- Fe = Rest
- Die Legierung wurde im Vakuumofen geschmolzen und zu einem Gussbarren vergossen. Der Barren wurde bei einer Temperatur von ca. 1 050°C auf eine Dicke von 12 mm heruntergewalzt, wobei die Querschnittsabnahme mindestens 50 % betrug und dann von der gleichen Temperatur aus in Wasser abgeschreckt. Durch das Abschrecken des Werkstückes wird die ev. mögliche Bildung der spröden intermetallischen Eisen/Chrom-Verbindung, der sogenannten σ-Phase wirksam unterdrückt. Aus der betreffenden Platte wurden durch spanabhebende Bearbeitung Probestab-Rohlinge herausgearbeitet, deren Längsachsen parallel zur Walzrichtung verliefen. Die Rohlinge wurden durch eine 1 bis 4 h dauernde Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 300 bis 650 °C ausscheidungsgehärtet. Insgesamt wurden je mehrere Probestäbe für Zugproben, Kerbschlagproben nach Charpy und Dauerwechselfestigkeit-Versuche bei axialer Belastung (Zug/Druck) mit und ohne Vorlast sowohl in Luft wie in einer belüfteten 4 N NaCI-Lösung mit pH = 5 bei 80 °C untersucht. Alle Dauerwechselfestigkeitsbestimmungen wurden unter Anwendung einer sinusförmigen axialen Belastung vorgenommen. Der für die praktische Bewertung im Betrieb vor allem massgebende Spannungszustand wurde durch zusätzliches Aufbringen einer positiven statischen Vorlast (Zug) verwirklicht, welche einer Spannung (Mittelwert der Beanspruchung) von 250 MPa entsprach.
- Es wurde von einem rostfreien Stahl (Legierung 11) der nachfolgenden Zusammensetzung ausgegangen :
- C = 0,04 Gew.-%
- Cr = 26 Gew.-%
- Ni = 8 Gew.-%
- Mo = Gew.-%
- Ti = 1 Gew.-%
- Fe = Rest
- Nach dem Erschmelzen unter vakuum wurde die Legierung gegossen und derauf diese Weise hergestellte Gussbarren in zwei Stufen thermomechanisch weiterverarbeitet. In einem ersten Schritt der Warmverformung wurde eine Querschnittsverminderung von 75 % vorgenommen. Zu Beginn dieser Operation betrug die Werkstücktemperatur 1 250 °C, am Ende derselben noch 1 050 °C. Daraufhin erfolgte unmittelbar der zweite Verformungsschritt, welcher isotherm bei einer Temperatur von 1 050 °C durchgeführt wurde. Während dieses Schrittes wurde der Querschnitt des Werkstücks total um weitere 50 %, bezogen auf den Querschnitt nach der ersten Operation, reduziert. Nun wurde das auf diese Weise hergestellte Halbzeug von 1 050 °C in Wasser abgeschreckt. Die Herausarbeitung von Probestab-Rohlingen erfolgte derart, dass ihre Längsachsen parallel zur Hauptverformungsrichtung des Werkstücks lagen. Die Ausscheidungshärtung der Rohlinge erfolgte während 1 bis 4 h im Temperaturbereich von 300 bis 650 °C. Es wurden Stäbe für Zug-, Kerbschlag- und Dauerwechselfestigkeitsproben hergestellt, welche unter genau den gleichen Bedingungen wie unter Beispiel I angegeben, geprüft wurden.
- Ausgegangen wurde von einem rostfreien Stahl (Legierung 111) der nachfolgenden Zusammensetzung :
- C = 0,04 Gew.-%
- Cr = 25 Gew.-%
- Ni = 8 Gew.-%
- Mo = 2,5 Gew.-%
- Ti = 0,5 Gew.-%
- AI = 0,5 Gew.-%
- Fe = Rest
- Die Herstellung, Weiterverformung, Wärmebehandlung und Prüfung dieses Turbinenschaufelwerkstoffes erfolgte genau gleich wie unter Beispiel II angegeben.
- Ausgegangen wurde von einem rostfreien Stahl (Legierung IV) der nachfolgenden Zusammensetzung :
- C = 0,04 Gew.-%
- Cr = 22 Gew.-%
- Ni = 10 Gew.-%
- Mo = 2,5 Gew.-%
- Ti = 0,7 Gew.-%
- AI = 0,5 Gew.-%
- Fe = Rest
- Die Herstellung, Behandlung und Prüfungdieses Materials wurde genau gemäss Ausführungsbeispiel II durchgeführt.
- Die Resultate der Prüfungen sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt. Dabei entsprechen die Legierungen 1 bis IV denjenigen in den Ausführungsbeispielen. Vergleichsweise sind die Eigenschaften eines für Turbinenschaufeln häufig verwendeten härtbaren ferritischen Cr-Mo-Stahles der Norm X20 Cr Mo V 12 I folgender Zusammensetzung dargestellt :
- C = 0,20 Gew.-%
- Cr = 12 Gew.-%
- Mo = 1,0 Gew.-%
- Ni = 0,7 Gew.-%
- V = 0,3 Gew.-%
- Fe = Rest
- Ausserdem ist die bekannte Titanlegierung Ti 6 AI4V der nachfolgenden Zusammensetzung als Vergleich herangezogen :
- AI = 6 Gew.-%
- V = 4 Gew.-%
- Ti = Rest
- Aus der Tabelle geht eindeutig hervor, dass die erfindungsgemässen Turbinenschaufelwerkstoffe unter korrosivem Medium den beiden Vergleichsmaterialien deutlich überlegen sind. Dies gilt vor allem gegenüber dem Cr-Mo-Stahl, derausserdem eine ungenügende Zähigkeit aufweist. Die Titanlegierung kann sich lediglich über eine höhere statische Festigkeit (Streckgrenze) ausweisen, fällt jedoch gegenüber den vorgeschlagenen Legierungen I bis IV bezüglich dynamischer Werte beträchtlich ab. In Anbetracht der Kostspieligkeit und schwierigen Verarbeitbarkeit der Titanlegierung fällt dies umsomehr ins Gewicht.
- Es soll noch nachgetragen werden, dass die Bruchdehnung der Legierungen I bis IV bezogen auf einen Probestab mit einem Längen : Durchmesserverhältnis von 4,4 durchweg über 15 % betrug, was für die hervorragende Duktilität dieses Materials spricht. Die Werte der Dauefestigkeit unter 4N NaCI-Lösung bei pH = 5 und 80 °C ohne statische Vorlast lagen in allen Fällen über 350 MPa.
- Bevorzugt sind die nachfolgenden Mn-freien Legierungen :
- 1)wobei Ti, AI einzeln je ≧ 0,2 Gew.-%.
- Fe = Rest
- 2)
- 3)Eine weitere Auswahl bevorzugter Legierungen, welche sowohl Ni wie Mn enthalten, ist nachfolgend aufgeführt:
- 4)wobei Cu, Ti, Al einzeln je ≧ 0,2 Gew.-%
- Fe = Rest
- 5) Zusammensetzung wie 4)., jedoch zusätzlich
- 6)
- Nach dem erfindungsgemässe Verfahren wird die Warmverformung nach dem Giessen im Temperaturbereich zwischen 1 000 °C und 1250 °C durchgeführt, wobei die Querschnittsabnahme mindestens 50 % betragen soll. Die Ausscheidungshärtung kann je nach Legierung und Werkstückgrösse im Temperaturbereich zwischen 300 °C und 650 °C während 1 bis 8 h durchgeführt werden.
- Der Turbinenschaufelwerkstoff kann vorzugsweise als Dampfturbinenschaufel im Niederdruckteil oder als Turbokompressorschaufel bis zu Temperaturen von 350 °C dauernd eingesetzt werden.
- Die erfindungsgemäss hergestellten und vorgeschlagenen Turbinenwerkstoffe verbinden hohe Duktilität und Kerbzähigkeit mit hoher statischer Festigkeit und grossem Widerstand gegen Korrosionsermüdung und gewährleisten somit eine lange Lebensdauer des Bauteils.
Claims (6)
1. Verwendung eines Werkstoffs mit zweiphasigem Mischgefüge aus Austenit und Ferrit oder aus Austenit und Martensit bestehend aus
mindestens einem der Elemente Kupfer, Titan, Aluminium, wobei der Gehalt jedes einzelnen dieser Elemente mindestens 0,2 Gew.-% und der Gesamtgehalt an Kupfer, Titan, Aluminium 0,5 bis 4 Gew.-% beträgt,
wahlweise zusätzlich 0,2 bis 1,5 Gew.-% Stickstoff, Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen, welcher Werkstoff bei seiner Herstellung folgende Verfahrensschritte durchlaufen hat:
Schmelzen und Giessen seiner Komponenten zu einem Gussbarren,
Warmverformen des Gussbarrens in einem Temperaturbereich zwischen 1000°C und 1250°C mit einer Querschnittsabnahme von mindestens 50% zu einem Werkstück,
Abschrecken des auf diese Weise erzeugten Werkstückes von besagter Temperatur direkt in Wasser, spanabhebendes Bearbeiten des abgeschreckten Werkstückes bis zur endgültigen Form, und Wärmebehandeln des spanabhebend bearbeiteten Werkstückes in einem Temperaturbereich zwischen 300°C und 650°C während 1 bis 8 Stunden zwecks Ausscheidungshärtung,
und welcher Werkstoff nach dem Durchlaufen der Verfahrensschritte
eine Streckgrenze von mindestens 800 MPa,
eine Bruchdehnung von mindestens 15% für ein Verhältnis Probenlänge zu Probendurchmesser = 4,4 und
eine Dauerwechselfestigkeit bezogen auf Zug/Druck unter einer belüfteten 4 N NaCI-Lösung mit pH = 5 bei 80°C, von mindestens 350 MPa ohne statische Vorlast und von mindestens ± 250 MPa unter einer statischen Vorlast von +250 MPa bezogen auf 108 Lastwechsel sowie
eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 50 J pro cm2 aufweist
zur Herstellung einer Turbinenschaufel hoher Festigkeit gegen Korrosionsermüdung.
2. Verwendung des Werkstoffs nach Anspruch 1 bestehend aus
Rest Eisen sowie Verunreinigungen.
3. Verwendung des Werkstoffes nach Anspruch 1 bestehend aus
Rest Eisen sowie Verunreinigungen.
4. Verwendung eines Werkstoffs mit zweiphasigem Mischgefüge aus Austenit und Ferrit oder aus Austenit und Martensit bestehend aus
wobei der Gehalt jedes einzelnen dieser Elemente mindestens 0,2 Gew.-% beträgt,
Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen,
welcher Werkstoff bei seiner Herstellung folgende Verfahrensschritte durchlaufen hat:
Schmelzen und Giessen seiner Komponenten zu einem Gussbarren,
Warmverformen des Gussbarrens in einem Temperaturbereich zwischen 1000°C und 1250°C mit einer Querschnittsabnahme von mindestens 50% zu einem Werkstück,
Abschrecken des auf diese Weise erzeugten Werkstückes von besagter Temperatur direkt in Wasser, spanabhebendes Bearbeiten des abgeschreckten Werkstückes bis zur endgültigen Form, und
Wärmebehandeln des spanabhebend bearbeiteten Werkstückes in einem Temperaturbereich zwischen 300°C und 650°C während 1 bis 8 Stunden zwecks Ausscheidungshärtung,
und welcher Werkstoff nach dem Durchlaufen der Verfahrensschritte
eine Streckgrenze von mindestens 800 MPa,
eine Bruchdehnung von mindestens 15% für ein Verhältnis Probenlänge zu Probendurchmesser = 4,4 und
eine Dauerwechselfestigkeit bezogen auf Zug/Druck unter einer belüfteten 4 N NaCI-Lösung mit pH = 5 bei 80°C, von mindestens 350 MPa ohne statische Vorlast und von mindestens ± 250 MPa unter einer statischen Vorlast von +250 MPa bezogen auf 108 Lastwechsel sowie
eine Kerbschlagzähigkeit von mindestens 50 J pro cm2 aufweist
zur Herstellung einer Turbinenschaufel hoher Festigkeit gegen Korrosionsermüdung.
5. Verwendung des Werkstoffs nach Anspruch 4 bestehend aus
Rest Eisen sowie unvermeidliche Verunreinigungen.
6. Verwendung des Werkstoffs nach Anspruch 4 bestehend aus
Rest Eisen sowie unvermeidliche Verunreinigungen.
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