Turbinenschaufelwerkstoff hoher Festigkeit gegen Korrosionsermüdung, Verfahren zu dessen Herstellung und seine Verwendung

Beschreibung

[0001] Die Erfindung geht aus von einem Turbinenschaufelwerkstoff nach der Gattung des Anspruchs 1 und von einem Verfahren zu dessen Herstellung nach der Gattung des Anspruchs 7.

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] 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 Ermüdungsfestigkeit in korrosiver Umgebung empfehlen zu können, wurde indessen nicht erreicht.

[0006] Die korrosionsbeständigen Stähle können grundsätzlich in 3 Gruppen eingeteilt werden : ferritisch, ferritischaustenitisch und austenitisch. 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.

[0007] 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.

[0008] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der Ansprüche 1, 4, 7 gelöst.

[0009] Der Kern der Erfindung besteht darin, dass als Turbinenschaufelwerkstoff ein rostfreier Stahl mit ferritischaustenitischem 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.

[0010] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert :

Ausführungsbeispiel 1 :

[0011] Ausgegangen wurde von einem rostfreien Stahl (Legierung I) der nachfolgenden Zusammensetzung :

[0012] 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.

Ausführungsbeispiel 11 :

[0013] Es wurde von einem rostfreien Stahl (Legierung II) der nachfolgenden Zusammensetzung ausgegangen :

[0014] Nach dem Erschmelzen unter Vakuum wurde die Legierung gegossen und der auf 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 1 angegeben, geprüft wurden.

Ausführungsbeispiel III:

[0015] Ausgegangen wurde von einem rostfreien Stahl (Legierung 111) der nachfolgenden Zusammensetzung :

[0016] Die Herstellung, Weiterverformung, Wärmebehandlung und Prüfung dieses Turbinenschaufelwerkstoffes erfolgte genau gleich wie unter Beispiel II angegeben.

Ausführungsbeispiel IV :

[0017] Ausgegangen wurde von einem rostfreien Stahl (Legierung IV) der nachfolgenden Zusammensetzung :

[0018] Die Herstellung, Behandlung und Prüfungdieses Materials wurde genau gemäss Ausführungsbeispiel 11 durchgeführt.

Prüfresultate :

[0019] Die Resultate der Prüfungen sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt. Dabei entsprechen die Legierungen I 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 :

[0020] Ausserdem ist die bekannte Titanlegierung Ti 6 AI4V der nachfolgenden Zusammensetzung als Vergleich herangezogen:

[0021] 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, der ausserdem 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.

[0022] 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 p_H = 5 und 80 °C ohne statische Vorlast lagen in allen Fällen über 350 MPa.

[0023] Insbesondere eignen sich als Turbinenschaufelwerkstoffe Stähle mit zweiphasigem, aus Ferrit oder Martensit einerseits und Austenit andererseits bestehenden Mischgefüge folgender allgemeinen Zusammensetzung :

+ mindestens ein Ausscheidungshärtungs-Element für Fe-Legierungen

[0024] Unter den Elementen zur Ausscheidungshärtung kann vorzugsweise mindestens eines der Elemente

herangezogen werden, wobei deren totaler Gehalt mindestens 0,5 Gew.-%, der Gehalt jedes einzelnen Elementes aber mindestens 0,2 Gew.-% betragen soll.

[0025] In die engere Wahl kommen bevorzugt die nachfolgenden Mn-freien Legierungen :

wobei Ti, AI einzeln je ≥ 0,2 Gew.-%.

[0026] Fe = Rest

[0027] Eine weitere Auswahl bevorzugter Legierungen, welche sowohl Ni wie Mn enthalten, ist nachfolgend aufgeführt :

wobei Cu, Ti, AI einzeln je ≥ 0,2 Gew.-%

[0028] Fe = Rest

5) Zusammensetzung wie 4)., jedoch zusätzlich

[0029] Nach dem erfindungsgemässe Verfahren wird die Warmverformung nach dem Giessen kann im Temperaturbereich zwischen 1 000 °C und 1 250⁰C durchgeführt werden, 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.

[0030] Der Turbinenschaufelwerkstoff kann vorzugsweise als Dampfturbinenschaufel im Niederdruckteil oder als Turbokompressorschaufel bis zu Temperaturen von 350 °C dauernd eingesetzt werden.

[0031] 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.

Ansprüche

1. Turbinenschaufelwerkstoff hoher Festigkeit gegen Korrosionsermüdung mit zweiphasigem Mischgefüge aus Austenit und Ferrit oder Austenit und Martensit, bestehend aus

mindestens einem der Elemente Kupfer, Titan, Aluminium, wobei der Gehalt jedes einzelnen Elementes mindestens 0,2 Gew.-% und der Gesamtgehalt an Kupfer, Titan, Aluminium 0,5 bis 4 Gew.-% beträgt, wahlweise 0,2 bis 1,5 Gew.-% Stickstoff, Rest Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen, wobei dieser Werkstoff eine Streckgrenze von mindestens 800 MPa, eine Bruchdehnung von mindestens 15 % für ein Verhältnis Probenlänge : 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.

2. Turbinenschaufelwerkstoff nach Anspruch 1 bestehend aus

Eisen Rest sowie Verunreinigungen.

3. Turbinenschaufelwerkstoff nach Anspruch 1 bestehend aus

Eisen Rest sowie Verunreinigungen.

4. turbinenschaufelwerkstoff hoher Festigkeit gegen Korrosionsermüdung mit zweiphasigem Mischgefüge aus Austenit und Ferrit oder Austenit und Martensit bestehend aus :

Eisen Rest sowie unvermeidliche Verunreinigungen, wobei dieser Werkstoff eine Streckgrenze von mindestens 800 MPa, eine Bruchdehnung von mindestens 15 % für ein Verhältnis Probenlänge : 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.

5. Turbinenschaufelwerkstoff nach Anspruch 4, bestehend aus

Eisen Rest sowie Verunreinigungen.

6. Turbinenschaufelwerkstoff nach Anspruch 4 bestehend aus

Eisen Rest sowie Verunreinigungen.

7. Verfahren zur Herstellung eines Turbinenschaufelwerkstoffes nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten unter Vakuum geschmolzen und gegossen werden, dass der auf diese Weise erzeugte Gussbarren in einem Temperaturbereich zwischen 1 000 °C und 1 250 °C einer Warmverformung mit einer Querschnittsabnahme von mindestens 50 % unterworfen wird und das auf diese Weise erzeugte Werkstück von besagter Temperatur direkt in Wasser abgeschreckt, spanabhebend bis zur endgültigen Form bearbeitet und anschliessend im Temperaturbereich zwischen 300 °C und 650 °C während 1 bis 8 h zwecks Ausscheidungshärtung wärmebehandelt wird.

Claims

1. Turbine blade material of high corrosionfatigue strength with a two-phased mixed structure of austenite and ferrite or austenite and martensite, consisting of

at least one of the elements copper, titanium and aluminium, the content of each individual element being at least 0.2 % by weight and the total content of copper, titanium and aluminium being 0.5 to 4 % by weight, and optionally 0.2 to 1.5 % by weight of nitrogen, the remainder being iron and unavoidable impurities, this material having a yield stress of at least 800 MPa, and elongation at break of at least 15 % for a specimen length : specimen diameter ratio = 4.4 and a fatigue strength relative to alternating tensile/compressive stresses, under aerated 4N NaCI solution of pH = 5 at 80 °C, of at least 350 MPa without a static preload and of at least ± 250 MPa under a static preload of + 250 MPa relative to 10⁸ load changes, and a notched impact strength of at least 50 J per cm².

2. Turbine blade material according to Claim 1, consisting of

the remainder being iron and impurities.

3. Turbine blade material according to Claim 1, consisting of

the remainder being iron and impurities.

4. Turbine blade material of high corrosionfatigue strength with a two-phase mixed structure of austenite and ferrite or austenite and martensite, consisting of :

the remainder being iron and unavoidable impurities, this material having a yield stress of at least 800 MPa, an elongation at break of at least 15 % for a specimen length : specimen diameter ratio = 4.4 and a fatigue strength relative to alternating tensile/compressive stresses, under an aerated 4 N NaCI solution of pH ₌ 5 at 80 °C of at least 350 Mpa without static preload and of at least ± 250 MPa under a static preload of + 250 MPa relative to 10⁸ load changes, and a notched impact strength of at least 50 J per cm².

5. Turbine blade material according to Claim 4, consisting of

the remainder being iron and impurities.

6. Turbine blade material according to Claim 4, consisting of

the remainder being iron and impurities.

7. Process for the manufacture of a turbine blade material according to Claims 1 and 4, characterised in that the components are melted and cast under vacuum, that the cast ingot produced in this way is subjected to hot-forming in a temperature range between 1 000 °C and 1 250 °C with a reduction in cross- section of at least 50 % and the workpiece produced in this way is quenched from the said temperature directly in water, is machined to the final form and then heat-treated in the temperature range between 300 °C and 650 °C for 1 to 8 hours for the purpose of precipitation hardening.

Revendications

1. Matériau pour aubes de turbine présentant une résistance élevée à la fatigue sous corrosion, avec une structure mixte à deux phases constituée d'austénite et de ferrite ou d'austénite et de martensite, composé de

d'au moins un des éléments cuivre, titane, aluminium, la teneur de chacun de ces éléments étant d'au moins 0,2 % poids et la teneur totale en cuivre, titane et aluminium s'élevant à 0,5 à 4 % poids, éventuellement 0,2 à 1,5 % poids d'azote, le reste étant du fer et des impuretés inévitables, ce matériau présentant une limite d'élasticité d'au moins 800 MPa, un allongement à la rupture d'au moins 15 % pour un rapport longueur/diamètre de l'éprouvette de 4,4 et une endurance aux sollicitations alternées, rapportée à une traction/compression en présence d'une solution aérée de NaCI 4N avec un pH = 5 à 80 °C, d'au moins 350 MPa sans précontrainte statique et d'au moins ± 250 MPa sous une précontrainte statique de + 250 MPa rapportée à 10⁸ cycles de charge, ainsi qu'une résilience d'au moins 50 J/cm².

2. Matériau pour aubes de turbine suivant la revendication 1, composé

le reste étant du fer et des impuretés inévitables.

3. Matériau pour aubes de turbine suivant la revendication 1, composé de

le reste étant du fer et des impuretés inévitables.

4. Matériau pour aubes de turbine présentant une résistance élevée à la fatigue sous corrosion, avec une structure mixte à deux phases constituée d'austénite et de ferrite ou d'austénite et de martensite, composé de

le reste étant du fer et des impuretés inévitables, ce matériau présentant une limite d'élasticité d'au moins 800 MPa, un allongement à la rupture d'au moins 15 % pour un rapport longueur/diamètre de l'éprouvette de 4,4 et une endurance aux sollicitations alternées, rapportée à une traction/compression en présence d'une solution aérée de NaCI 4N avec un pH ₌ 5 à 80 °C, d'au moins 350 MPa sans précontrainte statique et d'au moins ± 250 MPa sous une précontrainte statique de + 250 MPa rapportée à 10⁸ cycles de charge, ainsi qu'une résilience d'au moins 50 J/cm^2.

5. Matériau pour aubes de turbine suivant la revendication 4, composé de

le reste étant du fer et des impuretés inévitables.

6. Matériau pour aubes de turbine suivant la revendication 4, composé de

le reste étant du fer et des impuretés inévitables.

7. Procédé pour fabriquer un matériau pour aubes de turbine suivant les revendications 1 et 4, caractérisé en ce que les constituants sont fondus sous vide et coulés, en ce que le barreau ainsi obtenu est soumis, dans un domaine de température compris entre 1 000 °C et 1 250 °C, à une déformation à chaud avec une réduction de section d'au moins 50 % et en ce que la pièce ainsi obtenue est trempée directement dans l'eau à partir de la dite température, usinée par enlèvement de copeaux jusqu'à sa forme finale et ensuite soumise à un traitement thermique pendant 1 à 8 h dans un domaine de température compris entre 300 °C et 650 °C afin de provoquer son durcissement par précipitation.