DE2813892C3

DE2813892C3 - Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung einer Turbinenschaufel bzw. eines einteiligen Turbinenlaufrads sowie zur Pulvervorbehandlung

Info

Publication number: DE2813892C3
Application number: DE2813892A
Authority: DE
Inventors: Neville George Bolton Turner
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1977-04-01
Filing date: 1978-03-31
Publication date: 1982-01-07
Also published as: JPS5647241B2; BE865554A; DE2813892B2; DE2813892A1; IT7821806A0; CA1103070A; GB1582651A; SE7803485L; JPS53149805A; US4329175A; FR2385475A1; IT1094008B; FR2385475B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung einer Turbinenschaufel bzw. eines einteiligen Turbinenlaufrads nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2 bzw. der Ansprüche 3 und 4.

Bekanntermaßen sind die im Betrieb auftretenden Beanspruchungen von Schaufelblatt und Schaufelfuß bzw. bei einteilig ausgebildeten Turbinenlaufrädern von Schaufelblättern und Radscheibe stark unterschiedlich. Das Schaufelblatt ist den hohen Gastemperaturen ausgesetzt und sollte eine große Kriechfestigkeit und Zeitstandfestigkeit sowie eine gute Ermüdungsbeständigkeit bei hohen Temperaturen und bei im Schaufelblatt auftretenden Temperaturgradienten haben, während nur eine mäßig hohe Zugfestigkeit erforderlich ist. Im Gegensatz dazu erreicht der Schaufelfuß bzw. die Radscheibe im Betrieb keine so hohen Temperaturen Wie das Schaufelblatt, muß jedoch eine beträchlich höhere Zugfestigkeit aufweisen und ist in stärkerem Maß der Gefahr von mechanischen Ermüdungserscheinungen ausgesetzt.

Die Hochtemperatur-Festigkeitseigenschaften der für Turbinenschaufeln bzw, einteilige Turbinenlaufräder üblicherweise verwendeten Nickelsuperlegierungeri hängen bekanntermaßen Wesentlich Von deren Gefügestruktur ab. Eine optimale Hochtemperaturfestigkeit und Dauerstandfestigkeit erhält man durch eine vergleichsweise große Korngröße, weshalb im Schaufel* blatt ein verhältnismäßig grobkörniges Gefüge ange* strebt wird, während eine vergleichsweise feine Korngröße eine optimale Zugfestigkeit ergibt, weshalb im Schaufelfuß bzw. in der Radscheibe ein relativ feinkörniges Gefüge anzustreben ist.

Aus der DE-OS 26 28 582 ist es bekannt, ein einteiliges Turbinenlaufrad auf pulvermetallurgischem Wege dadurch herzustellen, daß zuvor fertiggestellte Schaufelelmente in den Umfang einer Radscheibenpreßform eingesetzt, sodann die Radscheibenpreßform mit einem durch Zerstäuben einer Schmelze gewonnenen Nickellegierungspulver gefüllt und nach Vorverdichtung des Pulvers das gesamte Laufrad isostatisch heißgepreßt wird Dabei können die Schaufelelemente ihrerseits auf pulvermetallurgischem Wege durch isostatisches Heißpressen hergestellt sein. Die Erzeugung des gewünschten, relativ grobkörnigen Gefüges in den Schaufelblättern erfolgt dabei durch eine entsprechende, vor dem Einsetzen der Schaufelelemente in die Radscheibenpreßform vorgenommene Wärmebehandlung, wonach die Schaufelelemente zur Stabilisierung ihres grobkörnigen Gefüges aufgekohlt werden. In der Radscheibe des anschließend in der obengenannten Weise hergestellten einteiligen Turbinenlaufrads beläßt man dagegen das feinfkörnige Gefüge, dessen Korngrö-

ße derjenigen des verwendeten Legierungspulvers entspricht.

Bei dem eben beschriebenen bekannten Verfahren werden die später in den Umfang der Radscheibenform

einzusetzenden SchauFelelemente jeweils ingesamt einer Wärmebehandlung zur Erzeugung eines grobkörnigen Gefüges unterzogen. Die Durchführung einer solchen Wärmebehandlung ist also in diesem Fall nicht problematisch.

Wesentlich schwieriger ist es jedoch, bei einer einteilig auf pulvermetallurgischem Wege hergestellten Turbinenschaufel mit Schaufelblatt und Schaufelfluß oder bei einem in einem Arbeitsgang auf pulvermetallurgischem Wege hergestellten einteiligen Turbinenlaufrad mit Schaufelblättern und Radscheibe die im Schaufelblatt der Turbinenschaufel bzw. in den Schaufelblättern des einteiligen Turbinenlaufrads gewünschte grobkörnige Gefügestruktur durch eine selektive Wärmebehandlung nur des Schaufelblattes der Turbinenschaufel bzw. nur der Schaufelblätter des Turbinenlaufrads herbeizuführen, da sich hierbei eine ungewollte Ausdehnung der Wärmebehandlung auch auf den Schaufeifuß bzw. auf die Radscheibe und folglich auch dort ein mindestens teilweises ungewolltes Kornwachstum kaum vermeiden läßt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu finr'sn, das auf einfache Weise die pulvermetallurgische Herstellung von Turbinenschaufeln bzw. einteiligen Turbinenlaufrädern mit der gewünschten, im Schaufelblattbereich und Schaufelfuß- bzw Radscheibenbereich unterschiedlichen Gefügestrukturen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Maßnahme nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 3 oder alternativ dazu durch die Maßnahme gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 2 bzw. des Anspruchs 4 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren finden also für die beiden hinsichtlich ihrer Korngröße verschiedenen Bereiche des Werkstücks zwei Pulverarten Verwendung, die sich dadurch voneinander unterscheiden, daß das eine, für den Schaufelblattbereich eingesetzte Pulver durch mechanische Kaltverformung in dem für eine Sekundärrekristallisation kritischen Bereich, d h. im Bereich von 0% bis 8% der ursprünglichen Pulverteilchengröße liegt, während das andere, im Schaufelfuß bzw. Radscheibenhereich verwendete Pulver unbehandelt oder aber stark über den kritischen Bereich hinaus, nämlich um mindestens 40% bis vorzugsweise 60% der ursprünglichen Pulverteilchengrößt kaltverformt ist. Damit wird erreicht, daß iich beim isostatischen Heißpressen in dem im kritischen Bereich kaltverformen Pulver ein aperes, nämlich ein grobkörnigeres Gefüge als bei dem unbehandelten oder stai k über den kritischen Bereich hinaus kaltverformten Pulver einstellt. Wird im Schaufelfuß- bzw. Radscneibenbereich anstelle unbehandelten Pulvers stark über den kritischen Bereich hinaus kaltverformtes Pulver verwendet, so entsteht dort ein noch feinkörnigeres Gefüge als bei der Verwendung unbehandelten Pulvers.

Damit wird erreicht, daß bereits beim isostatischen Heißpreßvorgang die gewünschten unterschiedlichen Gefügestrukturen in den beiden verschieden beanspruchten Werkstückbereichen entstehen, so daß auch eine nachfolgende Wärmebehandlung des heißgepreß^ ten Werkstücks verzichtet werden kann, obwohl eine anschließende Wärmebehandlung gewünschtenfalls natürlich trotzdem möglich ist.

Eine zweckmäßige Methode zur mechanischen Vorbehandlung des für den Schaufelblattbereich eingesetzten, im kritischen Bü/eich kaltverformten Pulvers ist Gegenstand des Anspruchs 5. Durch das Klassieren des Pulvers und die anschließende fraktionierte Kaltverformung wird sichergestellt, daß die Kaltverformung des Pulvers tdtsächlich innerhalb der Grenzen der krUisehen Kaltverformung liegt, die kleiner als der Teilchengrößenbereich des üblicherweise verwendeten Pulvers ist

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen beispielsweise mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigt

F i g. 1 eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Turbinenschaufel,

Fig.2 eine Form zur Herstellung der in Fig. 1 gezeigten Turbinenschaufel,

Fig. 3 ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes einteiliges Turbinenlaufrad,

F i g. 4 eine Form zur Herstellung des in F i g. 3 gezeigten Turbinenlaufrads, und

F i g. 5 eine Vorrichtung zum Füllen der in F i g. 4 gezeigten Form.

F i g. 1 zeigt eine nach dem prfindungsgemäßen Verfahren pulvermetallurgisch hergestellte Turbinenschaufel 10 mit einem Schaufelblatt 11, einem Schaufelfuß 12 und einer Fußplatte 13.

Fig.2 zeigt eine Form 14 zur Herstellung der in F i g. 1 dargestellten Turbinenschaufel. Diese Form 14 ist eine nach dem Investmentverfahren hergestellte Keramikform oder spritzgegossene Glasform, oder sie besteht aus zwei Hälften aus Flußstahl oder gepreßtem Metallblech. Sie ist mi ι einem Füllstutzen 15 versehen, der zum Einfüllen von Legierungspulver und zum Evakuieren nach dem Füllen und während des Verdichtens dient.

Zunächst wird der dem Schaufelfuß 12 der Turbinenschaufel entsprechende Teil 17 der Form 14 durch den Füllstutzen 15 hindurch mit durch Zerstäuben einer Schmelze gewonnenem Nickellegierungspulver gefüllt. Dieses Pulver wird sodann durch Vibration vorverdichtet, bis es den Teil 17 der Form bei einer Dirhte von

■»ο etwa 70% der theoretischen Dichte gleichförmig ausfüllt. Der dem Schaufelblatt der Turbinenschaufel einsprechende Teil 18 der Form wird sodann mit zuvor in später noch erläuterter Weise mechanisch kaltverformtem Nickellegierungspulver gefüllt. Die Form wird sodann nochmals vibriert, um auch das in den Teil 18 der Form eingefüllte Legierungspulver vor^uverdichten.

Nach dem Füllen und Vorverdichten wird der Füllstutzen 15 an eine Vakuumpumpe angeschlossen und die Luft wird aus der Form 14 abgesaugt, bis nur noch ein niedriger Druck von etwa 0,1 χ 10~⁶ bar vorhanden ist. Sodann wird der Füllstutzen 15 der Form verschlossen, beispielsweise durch Einzementieren eines (nicht gezeigten) Keramikstopfens oder, falls die Form aus Glas oder Stahl besteht, durch Erhitzen und Zuquetschen des Füllstutzens und Verschmelzen des Glases bzw. Verschweißen des Stahls. Sodann wird die Form für das isostatische Heißpressen in einen Autoklav gebracht.

Das Nickellegierungspulver wird normalerweise >n der durch Zers.auben einer Schmelze gewonnenen normalen Form angeliefert, so daß das Pulver hauptsächlich kugelförmige Teilchen mit sehr feinem Gußgefüge Und Durchmessern im Berdch Von bis zu 250 μίτί aufweist. Dieses zerstäubte Pulver wird mechanisch derart kaltverformt, daß jedes Pulverteilchen eine bleibend Druckverformung im Bereich von 0% bis 8% seines ursprünglichen Durchmessers aufweist.

Diese hinsichtlich ihrer Größe kritische Formänderung wird durch hindurchführen des Pulvers zwischen einem Drückwalzenpaar herbeigeführt. Die Pulverteilchen haben dann die Form abgeplatteter Kügelchen.

Da das übliche Pulver eine innerhalb eines gewissen Durchmesserbereiches liegende Teilchengröße aufweist, müssen die Pulverteilchen beispielsweise durch Sieben in gesonderte Fraktionen mit jeweils kleinerem Teilchengrößenbereich klassiert werden, und jede einzelne Pulverfraktion muß gesondert durch das Walzenpaar hindurchgeführt werden, wobei der Walz* spalt jeweils zwecks Erzeugung der erforderlichen Druckverformung entsprechend der jeweiligen Teilchengröße eingestellt ist.

Während des isostatischen Heißpressens bewirkt die Formänderung der mechanisch vorbehandelten Pulverteilchen in Kombination mit den herrschenden Temperaturen ein kritisches Kornwachstum, das entweder während der Ve

stigt«"™ oder

genden Wärmebehandlung eine verhältnismäßig große Korngröße ergibt.

Im Autoklav v/ird die Form 14 auf einer Temperatur im Bereich von 930⁰C bis 128O⁰C bei einem äußeren isostatischen Gasdruck im Bereich von 490 bis 2100 bar gehalten, wobei der Druck auf die gesamte Außenfläche der Form einwirkt und das Legierungspulver auf einen Dichtewert von 100% der theoretischen Dichte verdichtet wird.

Die beim isostatischen Heißpressen der Form 14 zur Verfestigung des Legierungspulvers zu einer Turbinenschaufel erhaltene Korngröße im Schaufelblattbereich 11 entspricht daher dem gewünschten, verhältnismäßig grobkörnigen Gefüge, während die sich im Schaufelfußbereich ergebende Korngröße dem dort gewünschten, verhältnismäßig feinkörnigen Gefüge entspricht.

F i g. 3 zeigt ein einteilig ausgebildetes beschaufeltes Turbinenlaufrad 20, bei welchem eine Vielzahl von Turbinenschaufeln 21 einteilig mit dem Rand einer Laufradscheibe 22 ausgebildet sind. Dabei ist es wünschenswert, daß die Schaufeln 21 ebenso wie das Schaufelblatt der oben beschriebenen gesonderten Turbinenlaufschaufel ein verhältnismäßig grobkörniges Gefüge und die Radscheibe ebenso wie der Schaufelfuß der oben beschriebenen gesonderten Schaufel ein verhältnismäßig feinkörniges Gefüge aufweisen.

Diese Gefügeverteilung erhält man dadurch, daß die in Fig.4 und 5 gezeigte Form ähnlich wie die Form nach Fig.2 entweder als Keramikform nach dem Investmentverfahren oder als Glas- oder Metallblechform hergestellt wird. Die den Turbinenschaufeln 21 entsprechenden Teile 24 der Form werden mit mechanisch kaltverformtem Nickellegierungspulver gefüllt, während anschließend der der Radscheibe 22 entsprechende Teil 25 der Form mit unbehandeltem Pulver gefüllt wird. Die Form ist mit einem mittigen Füllstutzen 20 versehen und auf einem drehbaren Tisch 27 (F i g. 5) angeordnet. Beim Einflüllen des mechanisch vorbehandelten Pulvers ist die Formteile 24 wird der Tisch 27 gedreht, um das Pulver in die äußeren Formteile 27 zu schleudern, bevor der Teil 25 der Form

ίο mit dem unbehandelten Pulver gefüllt wird. Zur Verdichtung des Pulvers im Formteil 25 kann der Tisch 27 vibriert (durch Pfeil 28 angedeutet) werden. Die Form wird sodann ebenso wie die Form für die oben beschriebene einzelne Turbinenschaufel evakuiert und verschlossen und sodann zum isostatischen Heißpressen in einen Autoklav eingebracht.

Während bei den oben beschriebenen Maschinenteilen (einzelne Turbinenschaufeln oder einteiliges beschaufeltes Turbinenlaufrad) für alle Werkstückbereiche Werkstoff der gleichenWerkstoff der gleichen mechanischen Zusammensetzung verwendet wird, ist es auch möglich, beispielsweise insbesondere im Falle eines einteiligen beschaufelten Turbinenlaufrads, die Schaufeln und die Radscheibe aus Pulver verschiedener Legierungen herzustellen, um Turbinenschaufeln mit guter Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen und eine Laufradscheibe zu erhalten, die eine höhere Zugfestigkeit und eine größere Ermüdungsbeständigkeit aufweist.

Es ist natürlich auch möglich, das für den Schaufelfußteil verwendete unbehandelte Pulver durch ebenso wie das für das Schaufelblatt verwendete Pulver kaltverformtes Pulver zu ersetzen, wobei dann für das im Schaufelfußteil einzusetzende Pulver eine stärkere Verformung erforderlich ist, typischerweise im Bereich von mindestens 40% und vorzugsweise 60% des ursprünglichen Teilchendurchmesserrs, damit die gewünschte feine Kornstruktur im Schaufelfußteil entsteht.

Ein Vorteil der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren liegt darin, daß eine gewisse Vermischung der beiden Pulverarten an der Grenzfläche zwischen den beiden entsprechenden Werkstückteilen entsteht. Diese Vermischung stellt sicher, daß beim

fertigen Werkstück anstatt eines abrupten Obergangs eine allmähliche Änderung der Werkstoffeigenschaften auftritt. Diese Wirkung kann durch geeignete Mischung der verschiedenen Pulver noch verbessert werden, um die allmähliche Änderung der Eigenschaften über einen größeren Bereich hinweg wirksam werden zu lassen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung einer Turbinenschaufel mit im Schaufelblatt grobkörnigem Gefüge und im Schaufelfuß feinkörnigem Gefüge, indem durch Zerstäuben einer Schmelze gewonnenes Nickellegierungspulver in eine Form gefüllt, vorverdichtet und anschließend isostatisch heißgepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Schaufelfuß entsprechende Teil der Preßform mit unbehandekem Legierungspulver und der dem Schaufelblatt entsprechende Teil der Preßform mit vor dem Einfüllen im für eine Sekundärrekristallisation kritischen Bereich kaltverformtem Pulver gefüllt wird.

2. Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung einer Turbinenschaufel mit im Schaufelblatt grobkörnigem Gefüge und im Schaufelfuß feinkörnigem Gefüge, indem durch Zerstäuben einer Schmelze gewönne .-es Nickellegierungspulver in eine Form gefüllt, vorverdichtet und anschließend isostatisch heißgepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Schaufelblatt entsprechende Teil der Preßform mit vor dem Einfüllen im für eine Sekundärrekristallisation kritischen Bereich kaltverformtem Pulver und der dem Schaufelfuß entsprechende Teil der Preßform mit wesentlich über den für eine Sekundärrekristallisation kritischen Bereich hinaus kaltverformtem Pulver gefüllt wird.

3. Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung eines e^;nteiligen Turbinenlaufrads mit in den Schaufelblättern grobkörnigem Gefüge und in der Radscheibe feinkörnigem Cefüge, indem durch Zerstäuben einer Schmelze gewonnenes Nickellegierungspulver in eine Form g-füllt, vorverdichtet und anschließend isostatisch heißgepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere, den Schaufelblättern entsprechende Teil der Preßform mit vor dem Einfüllen im für eine Sekundärrekristallisation kritischen Bereich kaltverformtem Legierungspulver und der innere, der Radscheibe id entsprechende Teil der Preßform mit unb^handeltem Legierungspulver gefüllt wird.

4. Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung eines einteiligen Turbinenlaufrads mit in den Schaufelblättern grobkörnigem Gefüge und in der Radscheibe feinkörnigem Gefüge, indem durch Zerstäuben einer Schmelze gewonnenes Nickellegierungspulver in eine Form gefüllt, vorverdichtet und anschließend isostatisch heißgepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere, den Schaufelblättern entsprechende Teil der Preßform mit vor dem Einfüllen im für eine Sekundärrekristallisation kritischen Bereich kaltverformtem Legierungspulver und der innere, der Radscheibe entsprechende Tei! der Preßform mit wesentlich über den für eine Sekundärrekristallisation kritischen Bereich hinaus kaltverformtem Legierungspulver gefüllt wird.

5. Verfahren >ur Vorbehandlung des nach den Ansprüchen 1 bis 4 für das grobkörnige Schaufelblattgefüge eingesetzten Legierungspulvers, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungspulver zunächst klassiert wird und die einzelnen Pulverfraktionen anschließend im Walzspalt eines Druckwalzenpaares kaltverformt werden, dessen Spaltweite jeweils kleiner als die Teilchengröße der betreffenden Pulverfraktion ist.