Verfahren zum Herstellen von Turbinenwellen für Energiemaschinen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Turbinenwellen aus Stahl und Nickelbasislegierung oder Cobaltba- sislegierung für Energiemaschinen für Gas- und Dampfkraftwerke.

Im Bereich des Energiemaschinenbaus können für bestimmte Bauteile lediglich Werkstoffe zum Einsatz kommen, die eine entsprechende Warmfestigkeit aufweisen. Fig. 1 gibt einen überblick über diese Werkstoffe sowie deren Einsatzmöglichkeiten bei höheren Temperaturen. Es zeigt sich, dass in der Regel für Schmiedestücke im Energiemaschinen- bzw. Kraftwerksbau ferritische Stähle, ferritisch-martensitische Stähle, auste- nitische Stähle, Nickelbasislegierungen und Cobaltbasislegie- rungen in Frage kommen. Unter bestimmten Umständen kann man auf keramische Werkstoffe zurückgreifen. Leichtmetallegierungen scheiden dagegen wegen fehlender Warmfestigkeit aus. Gegossene Produkte aus Gusseisen, vorzugsweise mit Kugelgraphit, lassen sich aufgrund mangelnder Prüfbarkeit mit Ultraschall sowie der geringen mechanischen Belastbarkeit im Turbinenbau lediglich für Gehäuse einsetzen.

In Gas- und Dampfkraftwerken treten in den verschiedenen Bereichen der Energiemaschinen unterschiedliche Beanspruchungen auf. Dieser Tatsache wird heute durch ein Zusammensetzen der Turbinenläufer aus Teilen aus unterschiedlichen Stählen, z. B. durch Verbolzen, Schweißen oder Verspannen durch Zuganker, oder durch den Einsatz von Werkstoffen, die einen Kompromiß über die verschiedenen Beanspruchungssituationen dar-

stellen, Rechnung getragen. Für die Weiterentwicklung und Effizienzsteigerung der Kraftwerkstechnologie wird allerdings ein stärkerer Einsatz von Nickel- oder Cobaltbasislegierungen aufgrund deren höherer Temperaturbeständigkeit notwendig. Dem stehen jedoch bisher Fertigungsprobleme entgegen, die aus unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der Stähle und der Nickel- oder Cobaltbasislegierungen resultieren. So würde es z. B. bei der konventionellen Fertigung von Turbinenwellen durch Zusammenschweißen von Abschnitten aus derart unterschiedlichen Werkstoffen Schwierigkeiten geben. Andererseits führt die erwähnte Fügetechnik zu hohen Kosten. Problematisch ist auch die Prüffähigkeit mittels Ultraschall bei größeren Dimensionen, z. B. Bauteilen mit einem Gewicht von 30.000 kg.

Es ist deshalb in der 2007 vom Stahlinstitut VDEh herausgegebenen Projektskizze „WIN 700 Plus" in allgemeiner Form vorgeschlagen worden, für hoch wärmebelastete Bauteile Verbundwerkstoffe und Gradientenwerkstoffe zu verwenden. Bei einem Werkstoffverbund bzw. Verbundwerkstoff sind zwei verschiedene Werkstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften nebeneinander in einem Bauteil vereinigt. Typische Verbundwerkstoffe sind Faserverbundwerkstoffe und Schichtverbundwerkstoffe, wie beispielsweise der sog. Damast-Stahl. Weitere Schichtverbundwerkstoffe entstehen bei der Oberflächenveredelung, wenn z. B. zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit Bleche galvanisiert werden, beim Plattieren durch Aufwalzen von Auflagebändern auf ein Kernband mit anschließender Glühbehandlung, beim Auftragsschweißen, Spreng- oder Explosionsschweißen, Sprengplattieren sowie beim thermischen Spritzen, um z. B. Kalanderwalzen für die Papierindustrie zu beschichten.

Von einem Gradientenwerkstoff spricht man, wenn sich sein Gefüge und damit auch seine Eigenschaften in Abhängigkeit vom Oberflächenabstand ändern, und auch schon dann, wenn zwischen zwei Werkstoffen eine mehr oder weniger ausgeprägte übergangszone vorhanden ist. Ein Beispiel ist der sog. weiße Temperguß, bei dem durch eine Wärmebehandlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre aus der Oberfläche Kohlenstoff herausgelöst wird. Durch diesen Vorgang bildet sich in der Randzone Ferrit und im Kern Perlit. Außerdem werden Gradientenwerkstoffe z. B. gebildet durch Einsatzhärten, beim sog. Sprühkompaktieren, wenn zwei verschiedene Metallschmelzen gleichzeitig mit einem bestimmten Gradienten auf eine Oberfläche aufgesprüht werden, in der Pulvermetallurgie und beim Verbundguß.

Im folgenden sollen der Einfachheit halber auch Gradientenwerkstoffe als Verbundwerkstoffe bzw. als Werkstoffverbünd bezeichnet werden, zumal es keine exakt definierbare Grenze zwischen beiden Begriffen gibt. Das zeigt sich insbesondere beim Verbundguß, bei dem durch Gießen in eine Form zwei Metalle unterschiedlich gemischt oder mit minimalem übergangsbereich miteinander verbunden werden können, indem z. B. ein Einsatz aus einem ersten Material ganz oder teilweise in ein zweites Material eingegossen wird. In der Praxis findet der Verbundguß beispielsweise bei der Herstellung von Hartgußwalzen industrielle Anwendung. Dabei kann das Kern- und Zapfenmaterial der Walze aus Grauguß (Zähigkeit) und der Mantel aus einer graphitfreien, zementithaltigen Härteschicht bestehen. Bei der Herstellung solcher Walzen wird zunächst der Werkstoff für die Mantelschicht in eine Kokille gegossen, und nach einer bestimmten Erstarrungsdauer wird dann der zweite Werkstoff in die Kokille gegossen und der noch flüssige Kern

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aus dem Gußstück herausgedrückt. Auch im Schleudergußverfahren werden Werkstoffverbünde hergestellt. Hierbei werden in einer Schleudermaschine vorzugsweise Gusseisen verschiedener Zusammensetzung ineinander geschleudert.

Die vorstehend aufgezeigten bekannten Verfahren zur Herstellung von Werkstoffverbunden bzw. Gradientenwerkstoffen gestatten immer nur die Verbindung ganz bestimmter, meistens ähnlicher Werkstoffe (z. B. Gusseisen, Stahl, Aluminium) sowie die Herstellung limitierter Baugrößen, was durch die Anlagen (z. B. Pulvermetallurgie, Sprühkompaktieren) oder die Physik (z. B. Oberflächenbehandeln durch Einsatzhärten) bedingt ist. Dagegen sind die Bauteile im Energiemaschinenbau z. B. mit einem größten Wellendurchmesser von 1.200 mm und einer Länge von 7.400 mm (typische Dampfturbinenwelle) oder mit einem größten Wellendurchmesser von 1.200 mm und einer Länge von 12.000 mm (typische Generatorwelle) deutlich größer und lassen sich nicht mit den aufgeführten bekannten Verfahren herstellen.

Zur Herstellung eines Stahlkörpers mit einer verschleißgeschützten Bohrung ist es aus der DE 31 46 621 Al bekannt, in die Bohrung einen Kern aus nicht schmelzendem Material einzusetzen, in den Zwischenraum zwischen Kern und Bohrungswand ein verschleiß- und korrosionsbeständiges Legierungsmaterial, z. B. eine Nickel-Chrom-Bor-Legierung, in fester Form einzubringen und dieses in einem gasbeheizten Schutzgasofen zum Schmelzen zu bringen, wobei es mit dem Stahlkörper eine Diffusionsverbindung eingeht.

Die EP 1 253 986 Bl beschreibt ein Elektroschlacke-Schmelz- oder Gießverfahren, bei dem für Bauteile im Energiemaschinen-

bau Rohblöcke mit Durchmessern bis 1.000 mm dadurch erzeugt werden, dass ein im Durchmesser kleinerer, zylindrischer Vorblock, der ebenso lang ist wie der herzustellende Rohblock in kurzen Kokillen mit zunehmend größeren Durchmessern mindestens zweimal mit einer Mantelschicht aus gleichem oder anderem Material umgeben (aufgedoppelt) wird. Für das Erzeugen von Schmiedestücken u. dgl . wird der Vorblock mit einer Legierung aufgedoppelt, welche die gleiche chemische Zusammensetzung wie der Vorblock aufweist. Für zu schmiedende Dampfoder Gasturbinen- und Generatorwellen kommt dabei nur eine Stahllegierung in Frage, weil Nickelbasislegierungen viel zu teuer sind, um daraus die gesamte Welle wirtschaftlich fertigen zu können.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, das in der Kombination seiner Verfahrensschritte sowohl zu den angestrebten mechanischen und thermischen Bauteileigenschaften mit ausreichender Warmfestigkeit im Temperaturbereich von über 700 ⁰ C führt als auch eine kostengünstige Fertigung erlaubt.

Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein zylindrischer Einsatz bestimmter Länge aus einer Nickeloder Cobaltbasislegierung senkrecht ausgerichtet in eine Kokille gehängt und in vorgewärmtem Zustand mit seinem unteren Ende und einem bestimmten Teil seiner Länge in eine in die Kokille eingeleitete Stahlschmelze eingetaucht wird, und dass nach dem Erstarren der Stahlschmelze der Werkstoffverbund- Rohblock einer Warmumformung durch Freiformschmieden unterzogen und anschließend der den Kern aus Nickel- oder Cobaltbasislegierung umgebende Mantel aus Stahl einschließlich des

Mischbereiches der beiden Werkstoffe wenigstens teilweise abgedreht wird.

Das neue Verfahren hat den Vorteil, dass nur soviel Nickeloder Cobaltbasislegierung eingesetzt zu werden braucht, wie für den am stärksten wärmebelasteten Abschnitt der Welle und dessen zuverlässige Verbindung mit dem aus Stahl bestehenden Teil der Welle benötigt wird. Die Verbindung erfolgt nicht nur an der gesamten unteren Endfläche des Einsatzes, sondern zunächst auch an dem eingegossenen Teil der Umfangsflache . Je nach Durchmesser und Drehmomentbelastung kann z. B. durch ein stufenförmig und/oder konisch verjüngtes unteres Ende des zylindrischen Einsatzes oder durch eine Vergrößerung des Außendurchmessers der Welle im übergangsbereich erreicht werden, dass auch die Materialverbindung längs eines Teils der Um- fangsfläche des aus einer Nickelbasislegierung bestehenden Teils der Welle auf verhältnismäßig großem Radius Drehmoment überträgt .

Es mag als Nachteil empfunden werden, dass für den Gießvorgang mehr Stahl benötigt wird als nach der endgültigen Form der Welle zu erwarten wäre, und dass durch das Abdrehen des überschüssigen Materials zusammen mit dem Material des radialen übergangsbereichs zwischen der Nickel- oder Cobaltbasislegierung und dem Stahl zusätzlicher Aufwand entsteht. Dieser „Umweg" auf dem Weg zum fertigen Produkt ist jedoch gerechtfertigt durch die Kostenersparnis infolge der Einfachheit des genannten Verfahrens. Die Notwendigkeit, auch einen größeren Teil des nach dem Verbundguß freiliegenden Abschnitts aus Nickel- oder Cobaltbasislegierung abdrehen zu müssen, lässt sich dadurch vermeiden, dass der freiliegende Abschnitt des Einsatzes von vornherein mit einem um soviel kleineren Durch-

messer als der übrige Teil des Einsatzes hergestellt wird, dass er nicht größer ist als der Durchmesser im eingegossenen Bereich nach dem Abdrehen der Mantelschicht aus Stahl und der radialen Mischzone.

Das neue Verfahren macht sich den Umstand zunutze, dass die Gießtemperatur des warmfesten Stahls höher ist als der Schmelzpunkt von Nickel- oder Cobaltbasislegierungen. Somit kommt es selbst dann zum Verschmelzen der beiden Werkstoffe an der unteren Stirnfläche und einem Teil der Umfangsflache des Einsatzes, wenn keine weiteren Maßnahmen zur Förderung der Verschmelzung getroffen werden. Darüber hinaus besteht aber im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens die Möglichkeit, die Mischzone zu vergrößern, indem der Einsatz aus Nickel- oder Cobaltbasislegierung mehr oder weniger vorgewärmt und/oder auf den mit der Stahlschmelze in Berührung kommenden Flächen mit Vorsprüngen und Einsenkungen, z. B. in Form von gedrehten Ringrillen, versehen wird, die die Kontaktfläche vergrößern und das Aufschmelzen fördern.

Schließlich besteht ein weiterer Vorteil des neuen Verfahrens darin, dass der Einsatz aus Nickel- oder Cobaltbasislegierung bereits vor der Verbindung mit dem warmfesten Stahl als kleineres Bauteil kontrolliert hergestellt und auf Fehler geprüft werden kann. Später kommt der Prüfung des gesamten Verbundguß-Werkstücks zugute, dass durch das Schmieden nicht nur der aus Stahl bestehende Teil sondern auch die Nickel- oder Cobaltbasislegierung eine Verfeinerung des Gefüges erfahren hat.

Für die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Dort ist eine Kokille 10 ge-

zeigt, über der eine Trageinrichtung 12 angebracht ist, an der ein vorgefertigter Einsatz 14 derart aufgehängt ist, dass er senkrecht ausgerichtet mit seinem unteren Teil in der Kokille 10 hängt. Der spätere Rohblock 13 ist gestrichelt angedeutet .

Bei der Durchführung des neuen Verfahrens ist zunächst eine geeignete Nickelbasislegierung, wie z. B. Werkstoff 2.4856 (NiCr22Mo9Nb) oder 2.4668 (NiCrl9Fel9Nb5Mo3) , aufgrund der Anforderungen an die Warmfestigkeit des späteren Bauteils auszuwählen. Die Nickelbasislegierung wird in der Regel durch ein Verfahren der Sondermetallurgie (VIM oder VAR) erschmolzen, auf das gewünschte Einsatzformat, das sich maßgeblich aus der später gewünschten Geometrie ergibt, geschmiedet, wärmebehandelt, bearbeitet und geprüft. Der Einsatz 14 wird dann gemäß Fig. 2 über der Kokille 10 an der Trageinrichtung 12 aufgehängt und durch eine induktive, elektrische oder Gasheizung vorgewärmt. Im unteren Bereich des Einsatzes können je nach gewünschter Ausbildung der Mischzone der beiden Werkstoffe Vorsprünge und Einsenkungen 15 vorgesehen oder Nuten und Rippen eingedreht sein. Dadurch wird die Kontaktfläche für den Wärmeübergang von der in Fig. 2 mit 16 bezeichneten Stahlschmelze in den Einsatz 14 vergrößert, das Aufschmelzen gefördert und durch die größere Kontaktfläche auch die Ausbildung eines besseren, geschlossenen Werkstoffverbundes erreicht. Durch ein stufenförmig oder konisch verjüngtes Ende des Einsatzes lässt sich auch eine längere radiale, drehmomentübertragende Kontaktzone erzielen, ohne eine Vergrößerung des Außendurchmessers gegenüber dem Durchmesser des aus der Nickelbasislegierung bestehenden Abschnitts der Welle in Kauf nehmen zu müssen. Sämtliche späteren Kontaktzonen des Einsat-

zes 14 sind zuvor einwandfrei zu reinigen und von Oxiden an der Oberfläche zu befreien.

Neben der Wahl der geeigneten Nickelbasislegierung sind zusätzlich noch die Massenunterschiede zu berücksichtigen, d. h. der zu gießende Rohblock und die zu füllende Kokille 10 sollten in einem entsprechenden Verhältnis zueinander stehen. Außer einer rotationssymmetrischen Anordnung der beiden Werkstoffe kann auch eine Anordnung des Einsatzes 14 erfolgen, die die Herstellung asymmetrischer Bauteile erlaubt.

Im weiteren Fertigungsverlauf erfolgt dann der Zusammenbau der klassischen Gußkokille 10, die in der Regel mit einem Angießsystem 18 versehen ist und aus einem Fußteil 20, einem Hauptteil 22 sowie einer Haube 24 besteht, mit dem vorbereiteten Einsatz 14 aus der Nickelbasislegierung. Hierbei ist darauf zu achten, dass die sich später bildende Mischzone so positioniert wird, dass keine negativen Einflüsse auf das Bauteilverhalten zu erwarten sind.

Das Eingießen der Stahlschmelze 16 in den Formhohlraum der Kokille 10 erfolgt in der Regel in offener Atmosphäre über das Verfahren des steigenden Blockgusses, aber auch der fallende Blockguß ist grundsätzlich möglich. Die Gießtemperatur des warmfesten Stahles, z. B. Werkstoff 1.6945 (22CrMoNiWV8- 8) oder 1.6946 (30CrMoNiV5-ll) gemäß SEW 555, beträgt in der Regel etwa 1.550 ⁰ C und liegt somit rund 200 ⁰ C höher als der Schmelzpunkt von Nickelbasislegierungen. Durch diese physikalische Gegebenheit ist ein entsprechender geschlossener Werkstoffverbund möglich, da die Nickelbasislegierung an der Oberfläche des Einsatzes 14, insbesondere in dem durch Einsenkungen 15 vergrößerten Oberflächenbereich, ausschmilzt und

sich vermischt. Es ist beim Gießen darauf zu achten, dass, sofern ein Gießhilfsmittel (Gießpulver) benutzt wird, im Bereich des eingehängten Einsatzes 14 keine Verwirbelungen auftreten. Ferner kann ggf. das Gießsystem auch geschlossen werden, so dass unter Inertgasatmosphäre oder im Vakuum gegossen werden kann.

Nach dem Erstarren des Werkstoffverbundes in der Kokille schließt sich dann ein Homogenisieren bzw. Anwärmen des Rohblocks 13 bei einer Temperatur von etwa 1.200 bis 1.320 ⁰ C an, und es erfolgt die Warmumformung durch Freiformschmieden. Hierbei soll die entsprechende Form des gewünschten Bauteils hergestellt werden. Gleichzeitig wird der Bereich des warmfesten Stahls, der lediglich als Gußgefüge mit gießbedingten Porositäten vorliegt, verdichtet. Ebenso dient die Verformung zum Verschluß möglicher Porositäten im Mischbereich des Werk- stoffVerbundes . Das Schmieden ist so durchzuführen, dass sich sowohl die gewünschte Position des Mischbereiches als auch die Blockmittenachse nicht wesentlich verschieben.

Bei besonderen Anforderungen ist es auch möglich, dass nach dem Erstarren des Rohblocks 13 oder einer ersten Warmumformung eine weitere sondermetallurgische Behandlung dieses Vorprodukts, z. B. durch Elektroschlackeumschmelzen, durchgeführt wird. Hierbei wird das Vorprodukt als Kathode in einem elektrischen Stromkreis wieder verflüssigt und erstarrt nach dem Durchgang durch ein Schlackebad erneut in einer Kokille. Durch dieses Verfahren kann die metallurgische Reinheit des Schmiedestückes noch weiter erhöht werden. Ferner lassen sich durch das etwas feinere Gefüge bessere mechanische Eigenschaften bei der Bauteilerprobung erzielen.

Nach dem Schmieden erfolgt dann ein Abkühlen von Schmiedetemperatur sowie eine Wärmebehandlung bei etwa 900 bis 1.100 ⁰ C, um in den drei Zonen des Blockes einen dem physikalisch bedingten Umwandlungsverhalten der Werkstoffe entsprechenden Gefügezustand einzustellen. Als letzter Schritt schließt sich dann die mechanische Bearbeitung sowie die Prüfung des Bauteiles, sowohl mechanisch als auch zerstörungsfrei durch Ultraschall, an. Bei der mechanischen Bearbeitung ist u. a. der für das Bauteilverhalten nicht benötigte warmfeste Stahl und auch die Mischzone radial außerhalb des Kerns aus Nickelbasislegierung zu entfernen.