Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Bauteil für hohe Temperaturen, insbesondere einer Turbinenschaufel, nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines solches Bauteils.
Ein derartiges Bauteil und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils sind Stand der Technik und beispielsweise in US-A-4 825 522 beschrieben. Diesem Patentdokument ist ein hochtemperaturbeständiges Bauteil aus einer Nickelbasislegierung entnehmbar. Bestimmte Abschnitte dieses Bauteils werden durch Modifikation des Basiswerkstoffs mit unterschiedlichen Legierungszusätzen an unterschiedliche materialspezifische Anforderungen angepasst. Weiterer relevanter Stand der Technik ist auch FR-A-2 317 502, US-A-4 787 821 und US-A-4 529 452 zu entnehmen.
Ferner ist in FR-A1-2.136.170 eine Gasturbinenschaufel beschrieben. Diese Schaufel weist einen aus einer eutektischen Legierung gegossenen, Schaufelfuss und Schaufelblatt enthaltenden Schaufelkörper auf. Der Schaufelfuss ist von einem duktilen Gusskörper mit nichtgerichteter Struktur gebildet. Das Schaufelblatt besteht aus einer Matrix und aus parallel zueinander und in Längsrichtung der Schaufel ausgerichteten, faserförmigen Kristallen, welche in die Matrix eingebettet sind und welche durch gerichtetes Erstarren aus einer induktiv aufgeheizten Schmelze gebildet sind. Gegenüber dem Schaufelfuss zeichnet sich das Schaufelblatt bei erheblich verringerter Duktilität durch eine wesentlich grössere Kriechfestigkeit aus. Insbesondere bei der Herstellung eines grossen Schaufelblattes ist es jedoch schwierig, einen für eine gerichtete Erstarrung ausreichend grossen Temperaturgradienten und damit die erwünscht hohe Kriechfestigkeit im Schaufelblatt zu erreichen.
Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen 1 und 3 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil, insbesondere eine Turbinenschaufel, der eingangs genannten Art anzugeben, welches sich bei Einsatz in einer bei mittleren und hohen Temperaturen betriebenen Vorrichtung, wie insbesondere einer Turbine, durch eine hohe Lebensdauer auszeichnet, und gleichzeitig einen Weg zu weisen, der es ermöglicht, ein solches Bauteil in einfacher und für eine Massenfertigung geeigneten Weise herzustellen.
Das Bauteil nach der Erfindung zeichnet sich gegenüber vergleichbaren Bauteilen nach dem Stand der Technik durch eine hohe Lebensdauer aus. Dies ist durch die Wahl von gamma-Titanaluminid als Basiswerkstoff und von geeigneten Dotierstoffen, welche in vorgegebenen Mengen dem Basiswerkstoff zugesetzt sind, bestimmt. Beim ausgewählten Basiswerkstoff ist es in besonders einfacher Weise möglich, Legierungen zu definieren, welche an unterschiedlich beanspruchte Abschnitte des Bauteils angepasst sind. Da diese an die lokal unterschiedlich beanspruchten Bauteilabschnitte, wie etwa Turbinenschaufel oder Turbinenfuss, angepassten Legierungen einen gemeinsamen Basiswerkstoff enthalten, treten im Grenzbereich der Abschnitte keine chemische Reaktionsprodukte auf. Die Abschnitte gehen daher ohne scharfen Übergang ineinander über, so dass das Bauteil nach der Erfindung die bei Betrieb einer thermischen Maschine, wie insbesondere einer Gasturbine oder eines Verdichters, gradiert auftretenden hohen thermischen und mechanischen Belastungen völlig problemlos aufnehmen kann. Das zur Herstellung der erfindungsgemässen Bauteile verwendete Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass selbst grosse Bauteile mit hoher thermischer und mechanischer Belastbarkeit durch geläufige Verfahrensschritte, wie insbesondere durch heiss-isostatisches Pressen oder durch Sintern, in einfacher und für eine Massenfertigung geeigneten Weise hergestellt werden können.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
Die in den Figuren 1 und 2 dargestellten und jeweils als Turbinenschaufel 1 ausgeführten Bauteile enthalten jeweils ein langgestrecktes Schaufelblatt 2 und einen an einem Ende des Schaufelblattes 2 angeformten Schaufelfuss 3. Mit dem Bezugszeichen 4 ist eine Presskanne bezeichnet. Diese Presskanne umschliesst bei der Ausführungsform gemäss Fig.1 den Schaufelfuss 3 und weist eine vom Schaufelblatt 2 ausgefüllte Öffnung 5 auf, welche vorzugsweise durch Anschweissen oder Anlöten der Presskanne 4 an das Schaufelblatt 2 gasdicht abgeschlossen ist. Bei der Ausführungsform gemäss Fig.2 umschliesst die Presskanne 4 die gesamte Turbinenschaufel 1.
Die in Fig.1 dargestellte Turbinenschaufel 1 wird wie folgt hergestellt:
Ein als Schaufelblatt 2 ausgeführter Gusskörper wird mit seinem einen Ende durch die Öffnung 5 in die Presskanne 4 geführt. Die vorzugsweise aus Stahl bestehende Presskanne 4 wird im Bereich der Öffnung 5 gasdicht an den Gusskörper angelötet oder angeschweisst. Durch eine nicht dargestellte weitere Öffnung der Presskanne 4 wird ein den Schaufelfuss der Turbinenschaufel 1 aufnehmender Hohlraum der Presskanne 4 mit Legierungspulver aufgefüllt. Die Presskanne 4 wird sodann evakuiert und gasdicht verschlossen.
Die Werkstoffe für den Gusskörper und das Pulver enthalten jeweils eine von zwei auf einem gemeinsamen Basiswerkstoff beruhende Legierungen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzungen, welche sich voneinander durch das Vorhandensein und/oder die Menge mindestens eines dem Basiswerkstoff zulegierten Dotierstoffes unterscheiden. Vorzugsweise wird als Basiswerkstoff eine intermetallische Phase, wie insbesondere ein gamma-Titanaluminid, verwendet. Mindestens eine der beiden gamma-Titanaluminid enthaltenden Legierungen weist einen Anteil von mindestens 0,2 und höchstens 8 Atomprozent an Dotierstoff, wie beispielsweise eines oder mehrere der Elemente B, C, Co, Cr, Ge, Hf, Mn, Mo, Nb, Pd, Si, Ta, V, Y, W sowie Zr auf.
Eine typische Legierung für das Schaufelblatt 2 weist beispielsweise folgende Zusammensetzung auf:
Eine typische Legierung für den Schaufelfuss 3 weist beispielsweise folgende Zusammensetzung auf:
Die durch gasdichtes Verschliessen der Presskanne 4 fertiggestellte Probe wird in eine Pressvorrichtung gebracht und bei Temperaturen zwischen 900 und 1200°C heissisostatisch verdichtet. Ein typischer Pressvorgang bei ca. 1070°C dauerte bei einem Druck von ca. 250 MPa ca. 3 Stunden. Hierbei wurden die beiden Legierungen, ohne dass im Grenzbereich chemische Reaktionsprodukte gebildet wurden, porenfrei mit einem graduellen Übergang vom Schaufelblatt 2 zum Schaufelfuss 3 verdichtet.
Dieser bereits die Form der Turbinenschaufel aufweisende Verbundwerkstoff wurde nach Entfernen der deformierten presskanne 4 sodann bei Temperaturen oberhalb 700°C typischerweise ca. 4 Stunden lang wärmebehandelt. Nachfolgend wurde durch geringfügige materialabhebende Bearbeitung, wie Schleifen, Polieren und/oder elektrochemisches Behandeln, die Turbinenschaufel nach der Erfindung fertiggestellt.
Bei der Herstellung der aus Fig.2 ersichtlichen Turbinenschaufel 1 wurde eine in Längsrichtung erweiterte und die gesamte Turbinenschaufel 1 aufnehmende Presskanne 4 verwendet. In diese Presskanne 4 wurde zunächst der das Schaufelblatt 2 bildende Gusskörper eingegeben und nachfolgend entsprechend dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel das Legierungspulver eingefüllt. Die Presskanne 4 wurde sodann evakuiert und gasdicht verschlossen. Der so hergestellte Probekörper wurde entsprechend dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel behandelt. Die verwendeten Legierungen wiesen die gleiche Zusammensetzung auf wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Anstelle eines das Schaufelblatt 2 bildenden Gusskörpers kann in die Presskanne 4 auch ein Körper aus einem heiss-isostatisch verdichteten Pulver eingeführt werden. In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung wurde das zur Bildung des schaufelblattes verwendete Legierungspulver mit 48 Atomprozent Al, 3 Atomprozent Cr, Rest Ti und geringen Mengen an Verunreinigungen bei einer Temperatur von ca. 1070°C und einem Druck von ca. 250 MPa während ca. 3 Stunden heiss-isostatisch verdichtet. Der resultierende Körper wurde sodann in die in Fig.2 dargestellte Presskanne 4 gebracht und bei den dort beschriebenen Bedingungen zusammen mit dem den Schaufelfuss 3 bildenden Legierungspulver mit 48 Atomprozent Al, 2 Atomprozent Cr, 2 Atomprozent Nb, Rest Ti und geringen Mengen an Verunreinigungen heiss-isostatisch verdichtet. Der verdichtete Körper wurde sodann noch entsprechend dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wärmebehandelt und nachbearbeitet.
In weiteren Varianten der Erfindung wurden anstelle des Gusskörpers bzw. des aus heissverdichtetem Pulver gebildeten Körpers jeweils ein das Schaufelblatt 2 bildendes Legierungspulver der zuvor angegebenen chemischen Zusammensetzung in die Presskanne 4 eingefüllt. Danach wurde ein den Schaufelfuss 3 bildendes Legierungspulver mit der bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen angegebenen Zusammensetzung hinterfüllt. Die Presskanne 4 wurde sodann, ohne zu schütteln und ohne die eingefüllten Pulver miteinander zu vermischen, evakuiert und gasdicht verschlossen. Durch heiss-isostatisches Pressen während ca. 3 Stunden bei ca. 1070°C und einem Druck von ca. 250 MPa wurde ein porenfreier Werkstoff hergestellt, aus dem nach Entfernen der Presskanne 4, nach zweistündiger Wärmebehandlung bei ca. 1350°C und materialentfernender Nachbearbeitung eine Turbinenschaufel nach der Erfindung hergestellt wurde. Eine derartig ausgeführte Turbinenschaufel ist entsprechend den zuvor erwähnten Ausführungsvarianten ebenfalls Fig.2 entnehmbar.
Aus dem Schliffbild gemäss Fig.3 sind der Aufbau und die Gefügestruktur eines in Fig.2 umrandet angegebenen Teils einer - wie zuvor beschrieben - ausschliesslich aus Legierungspulvern hergestellten Turbinenschaufel nach der Erfindung zu entnehmen. Hieraus ist ersichtlich, dass die das Schaufelblatt 2 bildende Legierung eine grobkörnige und die den Schaufelfuss 3 bildende Legierung eine feinkörnige Mikrostruktur aufweist, und dass an der Übergangszone zwischen beiden Legierungen keine unerwünschte Reaktionszone mit chemischen Reaktionsprodukten oder mit Ausscheidungen auftritt. Beide Legierungen gehen unter Verzahnung grober und feiner Kristallite graduell ineinander über.
Werkstoffuntersuchungen haben für den der erfindungsgemässen Turbinenschaufel 1 zugrundeliegenden Werkstoff folgende Eigenschaften ergeben:
Die das Schaufelblatt 2 bildende Legierung weist bei Raumtemperatur eine Duktilität von ca. 0,5% auf, die den Schaufelfuss 3 bildende Legierung hingegen eine solche von 2,1 %. Bei einer Temperatur von ca. 700°C besitzt das Schaufelblatt 2 eine Kriechfestigkeit, welche dichtekorrigiert erheblich über der Kriechfestigkeit der üblicherweise in diesem Temperaturbereich verwendeten Nickelbasis-Superlegierungen liegt. Die gesamte Turbinenschaufel 1 zeigt eine dem Werkstoff des Schaufelblattes 2 entsprechende Duktilität von 0.5%. Ihre mechanischen und thermischen Eigenschaften sind durch die Übergangszone zwischen beiden Legierungen nicht beeinträchtigt. Die Turbinenschaufel 1 nach der Erfindung zeichnet sich demnach durch einen Schaufelfuss 3 mit hoher Duktilität und ein bei Raumtemperatur zwar sprödes, bei hohen Temperaturen jedoch eine grosse Kriechfestigkeit aufweisendes Schaufelblatt 2 aus. Die Festigkeit im Übergangsbereich ist wegen des beiden Legierungen gemeinsamen Basiswerkstoffs und des Fehlens spröder Reaktionsprodukte ausreichend gross, um einen sicheren Betrieb der Turbinenschaufel 1 bei hohen Temperaturen zu gewährleisten.
In einer weiteren Variante der Erfindung ist es möglich, an Stelle einer Presskanne 4 als Form zur Aufnahme der Legierungen eine Sinterform zu verwenden, und das Verdichten zur Turbinenschaufel in einem Sinterverfahren zu erreichen.
Die Erfindung ist nicht auf Turbinenschaufeln beschränkt. Sie bezieht sich auch auf andere bei hohen Temperaturen mechanisch stark belastete Bauteile, wie etwa einstückig ausgebildete Turbinenräder von Turboladern.