Bauteil mit Bereichen unterschiedlicher Duktilität und

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils

Die Erfindung betrifft ein Bauteil, das abwechselnd Bereiche mit höherer und geringer Duktilität aufweist, um die Entste ^¬ hung von Spannungen zu verringern sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils. Turbinenbauteile oder Heißgasbauteile aus Superlegierungen auf Nickelbasis erleiden häufig Defekte während des Betriebs am Übergang zwischen Schaufelblatt und Plattform bzw. an anderen Stellen in der Austrittskante. Diese Defekte sind auf thermische Spannung zwischen dünnwandigen und dickwandigen Bauteilbereichen zurückzuführen, die durch unterschiedlich schnelle Aufheizgeschwindigkeiten bedingt sind.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen .

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 23.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön ^¬ nen, um weitere vorteile zu erzielen.

Es zeigen Figur 1 ein Bauteil mit einem Bereich in unterschiedlicher

Duktilität,

Figur 2 eine Turbinenschaufel,

Figur 3 eine Gasturbine,

Figur 4 eine Brennkammer,

Figur 5 eine Liste von Superlegierungen.

Die Beschreibung und die Figuren stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Figur 1 zeigt ein Bauteil 1, 120, 130, hier vorzugsweise eine Turbinenschaufel 120, 130 einer Turbine 100, insbesondere einer Gasturbine. Die Erfindung wird nur beispielhaft anhand einer Turbinenschaufel 120, 130 erläutert.

Die Turbinenschaufel 120, 130 ist vorzugsweise aus einer Nickelbasissuperlegierung vorzugsweise gemäß Figur 5 hergestellt .

Die Turbinenschaufel 120, 130 ist vorzugsweise hohl.

An der Abströmkante 412 der Turbinenschaufel 120, 130 er ^¬ streckt sich quer zu einer Umströmungsrichtung 13 des Schaufelblattes 406 ein lokales Gebiet 8 der Oberfläche des

Bauteils 120, 130 mit Bereichen 4', 4'' und 7', 7'', die eine unterschiedliche Duktilität aufweisen. Das lokale Gebiet 8 ist auch vorzugsweise streifenförmig ausgebildet. Ein Maß für die Duktilität ist vorzugsweise die Bruchdehnung im

Zugversuch. Diese sollte gegenüber dem Ausgangszustand deutlich erhöht sein, vorzugsweise um mindestens den Faktor 2, ganz vorzugsweise um mindestens den Faktor 3 höher sein.

Die Abströmkante 412 weist ein Gebiet 8 mit einem

dünnwandigeren Bereich des Bauteils 120, 130 auf. Dünnwandig bedeutet vorzugsweise eine Wandstärke von 0,5mm bis 1,5mm gegenüber 2,5mm - 3,5mm im restlichen Bereich oder allgemein ein Verhältnis 1:5 bis 1:2 der Wandstärken.

Das Gebiet 8 des Bauteils 120, 130 ist nur lokal auf der Oberfläche des Bauteils 120, 130 und erstreckt sich nicht über das gesamte Bauteil 120, 130. Entsprechendes gilt für andere Gebiete, die sich zusammen nicht über das gesamte Bauteil 120, 130 erstrecken.

Durch diese sich abwechselnden, vorzugsweise streifenförmig ausgebildeten Bereiche 4', 7', 4'', 1' ' mit unterschiedlicher Duktilität wird eine globale Erhöhung der Duktilität der Aus ^¬ trittskante 412 erreicht mit der Folge, dass eine Rissbildung an dem kritischen Übergang an den Plattformen 403 vermieden wird, ohne dabei allerdings die Integrität des restlichen Bauteils 120, 130 zu stören.

Die Streifen 4', 7', 4'', 1 ' ' , ... erstrecken sich vorzugsweise in Umströmungsrichtung 13.

Die Austrittkante 412 der Turbinenschaufel 120, 130 steht nur beispielhaft für einen dünnwandigen Bereich, der an dickwandige Bereiche (hier 403) angrenzt. Die Bereiche 4', 7', 4'', 1' ' können sich entlang der gesamten Länge der Austrittkante 412 (Fig. 1) oder auch nur teilweise entlang der Austrittskante 412 erstrecken.

Vorzugsweise weist das Bauteil 120, 130, zumindest in den Be ^¬ reichen 4', 4'', 7', 1' ' die gleiche Legierung auf.

Das Bauteil 1, 120, 130 wird vorzugsweise wie folgt herge- stellt.

Mittels einer hochenergetischen Strahlquelle, also vorzugs ^¬ weise durch einen Elektronenstrahl- oder Laserstrahl, wird ein Bereich 4', 4'' auf eine Temperatur größer der γ'-Lö- sungstemperatur, jedoch unterhalb der Schmelztemperatur des Materials erhitzt und anschließend eine Abkühlrate, ins ^¬ besondere > 1000 K/min abgekühlt, bis zu einer Temperatur kleiner der γ ' -Lösungstemperatur . Die dadurch resultierende kleine Größe der γ' -Phase führt zu einer Erhöhung der

Duktilität in diesen Bereichen 4', 4'', bei einer gleichzei- tigen Verringerung der Festigkeit, die vorzugsweise gleich hoch ist.

Ebenso kann die Duktilität der behandelten Bereiche 4', 4'', ... variiert werden.

Durch eine Variation der Abkühlkante kann die γ' -Größe und damit die Duktilität variiert werden.

Die Duktilität der unbehandelten Bereiche 7', 7'', ... ist vor ^¬ zugsweise gleich.

Ebenso ist es aber möglich, alle Bereiche 4', 7', 4'', 7'', ... zu behandeln, wobei aber durch die Behandlungsparameter unterschiedliche Duktilitäten eingestellt werden.

Ebenso kann die Duktilität entlang der Austrittskante 412 ab ^¬ nehmen: An einem Ende ist die Duktilität des Bereichs 4' höher als im Bereich 4', ... am anderen Ende, wobei aber die Duktilität des nachfolgenden Bereichs 7', ... immer kleiner ist als die ihn umgebenden Bereiche 4', 4''. Bei anderen Legierungen wird eine entsprechende Wärmebehand ^¬ lung zur lokalen Erhöhung der Duktilität durchgeführt.

Die Breite und Länge der Bereiche 4', 7', 4'', 7'', ... kann dabei durch die lokale Energiedichte des verwendeten

hochenergetischen Strahls flexibel gesteuert werden. Nimmt die Breite der Bereiche 4', 7', 4'', 7'', ... ab, muss gleich ^¬ zeitig die Anzahl der Bereiche 4', 7', 4'', 7'', ... vorzugs ^¬ weise erhöht werden, damit sich die Gesamtlänge des zu behan ^¬ delnden Gebiets 8 nicht verringert.

Bei einer folgenden Wärmebehandlung darf die Temperatur des Bauteils 120, 130 nicht so hoch sein, dass die γ'-Phase sich wieder auflöst. Ebenso kann ein Bauteil 120, 130 nach dem Stand der Technik, das eine gerichtet erstarrte Struktur, mit kolumnaren Körnern oder einkristallin aufweist, behandelt werden, um eine solche Struktur mit Bereichen unterschiedlicher Duktilität zu erreichen .

Die Figur 2 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschau ^¬ fel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.

Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein. Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 auf ^¬ einander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf. Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufel ^¬ spitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht darge ^¬ stellt) . Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) .

Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausge ^¬ staltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwal- benschwanzfuß sind möglich.

Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schau ^¬ felblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Ab ^¬ strömkante 412 auf. Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise mas ^¬ sive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet .

Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 AI, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.

Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus ge- fertigt sein.

Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastun- gen ausgesetzt sind.

Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.

Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück be ^¬ steht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbil ^¬ den, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.

Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korn- grenzen aufweisen. Bei diesen zweit genannten kristallinen

Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures) .

Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 AI bekannt.

Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) ,

Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) ) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 AI.

Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen

Dichte.

Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) . Vorzugsweise weist die SchichtZusammensetzung Co-30Ni-28Cr- 8A1-0, 6Y-0, 7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al- 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0, 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 10A1-0, 4Y-1, 5Re .

Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zr0 ₂ , Y2Ü3-Zr02, d.h. sie ist nicht, teil ^¬ weise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid

und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.

Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht .

Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.

Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärme- dämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör ^¬ ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die

MCrAlX-Schicht . Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dass Bauteile

120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidations- schichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wie ^¬ derbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.

Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeu ^¬ tet) auf.

Die Figur 3 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt . Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotations ^¬ achse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.

Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige

Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.

Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.

Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufel ^¬ ringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.

Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.

An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) . Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und ver ^¬ dichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be ^¬ reitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 ge ^¬ führt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine. Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet .

Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.

Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin ( SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur) .

Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinen ^¬ schaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Super- legierungen verwendet.

Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 AI, WO 99/67435 oder

WO 00/44949 bekannt.

Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 AI.

Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus Zr02, Y203-Zr02, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Ytt ^¬ riumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.

Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.

Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht darge- stellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt .

Die Figur 4 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine.

Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ring ^¬ brennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Um- fangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten

Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.

Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1000°C bis 1600°C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebspa- rametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermög ^¬ lichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsme ^¬ dium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.

Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeits- mediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt.

Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 AI. Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wär ^¬ medämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrÜ2, Y203-ZrÜ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollstän ^¬ dig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.

Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.

Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphäri- sches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärme ^¬ dämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör ^¬ ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.

Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dass Hitze- schildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von

Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in dem Hitzeschildelement 155 repariert.

Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Hitzeschildele ^¬ mente 155 und ein erneuter Einsatz der Hitzeschildelemente 155.

Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.