TURBINE BLADE MATERIAL WITH HIGH FATIGUE-CORROSION RESISTANCE, METHOD OF PRODUCTION AND USE

Abstract: 1. Turbine blade material of high corrosion fatigue strength with a two-phased mixed structure of austenite and ferrite or austenite and martensite, consisting of Carbon = 0.005 to 0.06% by weight Chromium = 18 to 30% by weight Molybdenum = 1 to 6% by weight Nickel = 2 to 6% by weight Manganese = 4 to 8% by weight 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 NaCl solution of pH = 5 at 80 degrees 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 10**8 load changes, and a notched impact strength of at least 50 J per cm**2 .

Description: Turvbinenschaufelwerkstoff hoher Festigkeit gegen Korrosionsermüdung, Verfahren zu dessen Herstellung und seine Ver wendung Die Erfindung geht aus von einem Turbinenschaufelwerkstoff nach der Gattung des Anspruchs l, von einem Verfahren zu dessen Herstellung nach der Gattung des Anspruchs 11 und von seiner Verwendung nach der Gattung des Anspruchs 14 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 Festig- keit, d.h. eine hohe Streckgrenzes eine ausreichende Verformungsreserve, d. h. genügend hohe Kerhzähigkeit und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Korrosionsermüdung im betreffenden Temperaturbereich in möglicher aggressiver Atmosphäre aufweisen. Zum Teil werden ähnliche Anforderungen an Schaufelwerkstoffe von Turbokompressoren- in Gasturbinen- anlangen gestellt. Es hat sich gezeigt, dass im Niederdruckteil von Dampftur- binen Schaufelschäden aufgetreten sind, welche einer ungenUgenden 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 % M.o) weisen wohl hohe statische Festigkeitswerte (Streckgrenze, 0,2 %-Grenze) auf, ihr Verhalten gegenüber dynamischer Beanspruchung bei gleichzeitiger Anwesenheit agressiver Medien ist offensichtlich ungenUgend. In allen Turbomaschinen, wo mit Wassertröpfchenbildung 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. 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. Insbesondere 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. 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, 439, 1980). Das gesteckte Ziel, einen Werkstoff hoher statischer Festigkeit, hoher Zähigkeit und hoher Ermüdungsfestigkeit in korrosiver Umgebung-empfehlen zu können, wurde indessen nicht erreicht. Die korrosionsbeständigen Stahle können grundsätzlich in 3 Gruppen eingeteilt werden: ferritisch, ferritisch-auste- nitisch 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. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Turbinenschaufelwerkstoff sowie ein entsprechendes Herstellungsaverfahren. anzugeben, die im Fertigerzeugnis bei möglihcster Einfachheit und unter Vermeidung ausgefallener, teurer Ausgangsmaterialien bei guter Duktilität, hoher Streckgrenze und Kerbzähigkeit eine hohe Festigkeit gegen Korro Sionsermüdung gewährleisten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 11 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin dass als Turbinenschaufelwerkstoff ein rostfeier Stahl mit feritisch austenitischem Mischgefüge, weiches an sich eine gute Festigkeit gegen Korrosionsermüdung $aufweist, verwendet wird, wobei die sonst ungenügenden mechanischen Eigen- schaften wie Streckgrenze und Kerbzähigkeit durch spezielle Wahl der Legierungszusammensetzung und durch Ausscheidungshärtung verbessert werden. Dies wird durch eine gezielte Wärmebeharidlung erreicht. Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert: Ausführungsbe1sp1e I: Ausgegangen wurde von einem rostfreien Stahl (Legierung I) der nachfolgenden Zusammensetzung: C - 0,04 Gew.-% Cr = 26 Gew.-% Mn = 6 Gew.-% Ni = 4 Gew.-% Mo = 2,5 Gew.-% Cu = 3 Gew.-% N = 0,4 Gew.-% Fe = Rest Die Legierung wurde im Vakuumofen geschmolzen und zu einem Gussbarren vergossen. Der Barren wurde bei einer Temperatur von ca. 10500C 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 $#-Phase wirksam unterdrückt. Aus der betreffenden Platte wurden durch spanabhebende Bearbeitung Probestab-Rohlinge herausgearbeitet, deren Längsachsen parallel zur Walzrichtung verlieren. Die Rohlinge wurden durch eine 1 bis 4 h dauernde Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 300 bis 6500C 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 NaCl Lösung mit pH = 5 bei 800C untersucht. Alle Dauerwechsel festigkeitsbestimmungen wurden unter Anwendung einer sinusförmigen axialen Belastung vorgenommen. Der'für die praktische Bewertung im Betrieb vor allem masgebende Spannungs- zustand wurde durch zusätzliches Aufbringen einer positiven statischen Vorlast (Zug) verwirklicht, welche einer Spannung (Mittelwert der Beanspruchung) von 250 MPa entsprach Ausführungsbeispiel II: Es wurde von einem rostfreien Stahl (Legierung II) der nach- folgenden Zusammensetzung ausgegangen: C = ç 0,04 Gew. % Cr = 26 Gew. - % Ni : : 8 Gew.-% Mo = 2 Gew.-% Ti T 1 Gew. -% Fe = Rest 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 Querschnitts Verminderung von 75 % vorgenommen. Zu Beginn dieser Ope- ration betrug die Werkstücktemperatur 1250 C, am Ende derselben noch 1050 C/ Daraufhin erflgte unmittelbar der zweite Verformungsschritt, welcher isotherm bei einer Temparatur von 1050 C durchgeführt wurde. Während dieses Schrittes wurde der Querschnitt des Werkstücks total um weitere 50 % 5 > bezogen auf den Querschnitt nach der ersten Operation, reduziert. Nun wurde das auf diese Weise hergestellte Halbzeug von 105000 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 I an- gegeben, geprüft wurden. Ausführungsbeispiel III: Ausgegangen wurde von einem rostfreien Stahl (Legierung III) der nachfolgenden Zusammensetzung: C = 0,04 Gew.-% Cr = 25 Gew.-% Ni = 8 Gew.-% Mo = 2,5 Gew.-% Ti = 0,5 Gew.-% Al t 0,5 Gew.-S Fe - Rest Die Herstellung, Weiterverformung, Wärmebehandlung und Prüfung dieses Turbinenschaufelwerkstoffes erfolgte genau gleich wie unter Beispiel II angegeben. Ausführungsbeispiel IV Ausgegangen wurde von einem rostfreien Stahl (Legierung IV) der nachfolgenden Zusammensetzung: C = 0,04 Gew.-% Cr = 22 Gew.-% Ni = iO Gew.-% Mo t 2,5 Gew.-% Ti = 0,7 Gew.-% Al = 0,5 Gew.-% Fe = Rest Die Herstellunga Behandlung und Prüfungdieses Materials wurde genau gemäss Ausführungsbeispiel II durchgeführt. Prüfresultate: Die Resultate der Prüfungen sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt. Dabei entsprechen die Legierung gen I bis IV denjenigen in den Ausführungsbeispielen. Ver- gleichsweise sind die Eigenschaften eines für Turbinen schaufeln häufig verwendeten härtbaren ferritischen Cr-Mo- Stahles der Norm X20 Cr Mo V 12 1 folgender Zusammensetzung dargestellt: C - 0,20 Gew.-% Cr N 12 Gew.oS Mo = l,O Gew. -% Ni - 0,7 Gew.-% V = 0,3 Gew. - % Fe - Rest Ausserdem ist die bekannte Titanlegierung Ti 6 Al4V der nachfolgenden Zusammensetzung als Vergleich herangezogen: : Al - 6 Gew. - V - 4 Gew.-% Ti - Rest Aus der Tabelle geht eindeutig hervor, dass die erfindungs- gemässen Turbinenschaufelwerkstoffe unter korrosivem Medium den beiden Vergleichsmaterialien deutlich überlegen sind. Dies gilt vor allem gegenüber dem Cr-Mo-Stahl, der aussero dem eine ungenügende Zähigkeit aufweist. Die Titanlegie- rung kann sich lediglich über eine höhere statische festig- keit (Streckgrenze) ausweisen, fällt jedoch gegenüber den vorgeschlagenen Legierungen 1 bis IV bezüglich dynamischer Werte beträchtlich ab. In Anbetracht der Kostspieligkeit und schwierigen Verarbeitbarkeit der Titanlegierung fällt dies umsomehr ins Gewicht. Es soll noch nachgetragen werden3 dass die Bruchdehnung der Legierungen I bis IV bezogen auf einen Probestab mit einem Längen:Durchmesserverhältnis von 4,4 4 durchweg über 15 % betrug, was für die hervorragende Duktilität dieses Materials spricht. Die Werte der Dauerfestigkeit unter 4N NaCl-Lösung bei PH = 5 und 80 0C ohne statische Vorlast lagen in allen Fällen über 350 MPa. Die Erfindung ist nicht auf die in den Ausführungsbeispielen angegebenen Werkstoffzusammensetzungen beschränkt. Insbesondere eignen sich als Turbinenschaufelwerkstoffe Stähle mit zweiphasigem, aus Ferrit oder Martensit einerseits und Austenit andererseits bestehenden Mischgefüge folgender allgemeinen Zusammensetzung: : C = 0,005 bis 0,06 Gew.-% Cr = 18 bis 30 Gew.-% Mo = 1 bis 6 Gew.-% Mn # 4 Gew. - % + mindestens ein Ausscheidungshärtungs-Element für Fe-Legierungen Fe = Rest Unter den Elementen zur Ausscheidungshärtung kann vorzugsweise mindestens eines der Elemente Cu Ti Al herangezogen werden wobei deren totaler Gehalt mindestens 0,5 Gew.-, der Gehalt jedes einzelnen Elementes aber min destens 0,2 Gew. - % betragen soll In die engere Wahl lcommen bevorzugt die nachfolgenden Mn-freien Legierungen: 1). C = 0,005 bis 0,06 Gew. - % Cr - 18 bis 30 Gew. - % Mo = l bis 6 Gew.-% Ni = 4 bis 11 Gew.-% # (Cu,Ti,Al) = 0,5 bis 4 Gew. - % wobei Cu, Ti, Al einzeln je # 0,2 Gew. - %. Fe = Rest 2). C = 0,005 bis 0,06 Gew. - % Cr - 18 bis 30 Gew. - % Mo = 1 bis 4 Gew. - % Ni = 4 bis 11 Gew. - % plus a). Ti 0,5 bis 3 Gew. - % oder plus b). Al = 0,5 bis 3 Gew. - % oder plus c). Ti = 0,25 bis 2 Gew. - % Al = 0,25 bis 2 Gew. - % Fe ° Rest 3). C = 0,01 bis 0,06 Gew. - % Cr - 22 bis 29 Gew. - % Mo = 2 bis 3 Gew. - % Ni = 4 bis 11 Gew. - % Ti = 0,5 bis 2,5 Gew. - % Al = 0,5 bis 1,5 Gew. - % Fe = Rest Eine weitere Auswahl bevorzugter Legierungen, welche sowohl Ni wie Mn enthalten, ist nachfolgend aufgeführt: 4). C = 0,005 bis 0,06 Gew.-% Cr = 18 bis 30 Gew.-% Mo = 1 bis 6 Gew. - % Ni = 2 bis 6 Gew.-% Mn = 4 bis 8 Gew.-% # (Cu, Ti, Al) = 0,5 bis 4 Gew.-% wobei Cu,Ti,Al einzeln je # 0,2 Gew.-% Fe = Rest 5). Zusammensetzung wie 4)., jedoch zusätzlich N = 0,2 bis 1,5 Gew.-% 6). C = 0,005 bis 0,06 Gew.-% Cr = 18 bis 30 Gew.-% Mo = 1 bis 6 Gew. - % Ni = 2 bis 6 Gew.-% Mn = 4 bis 8 Gew.-% Cu = 0,5 bis 3 Gew.-% N = 0,2 bis 1,5 Gew.-% 7). C = 0,01 bis 0,06 Gew.-% Cr = 24 bis 28 Gew. - % Mo = 1,5 bis 3 Gew.-% Ni = 3 bis 5 Gew. - % Mn = 4 bis 8 Gew.-% Cu = 1,5 bis 3,5 Gew.-% N = 0,2 bis 0,6 Gew.-% Tabelle EMI11.1 <tb> Legie- <SEP> #0,2 <SEP> Kerbzäig- <SEP> Dauerwechselfestigkeit <SEP> (Zug/ <tb> rung <SEP> MPa <SEP> keit <SEP> Druck), <SEP> 108 <SEP> lastwechsel <tb> <SEP> J/cmê <SEP> Vorlast <SEP> # <SEP> Wechsellast <tb> <SEP> MPa <tb> <SEP> Luft <SEP> Luft <SEP> 4N <SEP> NaCI <tb> <SEP> 80 C, <SEP> pH=5 <tb> I <SEP> 800 <SEP> 50 <SEP> 250# <SEP> <SEP> 340 <SEP> 250 <SEP> # <SEP> 270 <tb> II <SEP> 800 <SEP> 50 <SEP> 250# <SEP> <SEP> 340 <SEP> 250 <SEP> # <SEP> <SEP> 260 <tb> III <SEP> 800 <SEP> 50 <SEP> 250# <SEP> <SEP> 340 <SEP> 250 <SEP> # <SEP> 260 <tb> <SEP> IV <SEP> 800 <SEP> 50 <SEP> 250# <SEP> 340 <SEP> 250 <SEP> # <SEP> 260 <tb> Cr-Mo-St <SEP> 800 <SEP> 20 <SEP> 250# <SEP> <SEP> 340 <SEP> 250 <SEP> # <SEP> <SEP> 40 <tb> TiSAL4V <SEP> 930 <SEP> 30 <SEP> 250# <SEP> <SEP> 210 <SEP> 250 <SEP> # <SEP> 180 <tb> Das erfindungsgemässe Verfahren ist nicht auf die in den Beispielen angegebenen Schritte beschränkt. Die Warmverfor- mung nach dem Giessen kann im Temperaturbereich zwischen 1000 0C und 1250 0C durchgeführt werden wobei die Quer- schnittsabnahme mindestens 50 % betragen soll. Die Ausscheidungshärtung kann je nach Legierung und Werkstück- grosse im Temperaturbereich zwischen 300 0C und 650 0C während 1 bis 8 h durchgeführt werden. Der Turbinenschaufelwerkstoff kann vorzugsweise als Dampf turbinenschaufel im Niederdruckteil oder als Turbokom- Pressorschaufel bis zu Temperaturen von 350 C dauernd eingesetzt werden. Die erfindungsgemäss hergestellten und vorgeschlagenen Turbinenwerkstoffe verbinden hohe Duktilität und Kerb zähigkeit mit hoher statischer Festigkeit und grossem Widerstand gegen Korrosionsermüdung und gewährleisten somit eine lange Lebensdauer des-Bauteils.

Claims: Use of a material with a two-phase mixed structure of austenite and ferrite or of austenite and martensite, consisting of at least one of the elements copper, titanium and aluminium, the content of each one of these elements being at least 0.2 % by weight and the total content of copper, titanium and aluminium being 0.5 to 4 % by weight, and, if desired, additionally 0.2 to 1.5 % by weight of nitrogen, the remainder being iron and unavoidable impurities, which material has passed through the following process steps during its manufacture: melting and casting of its components to give a cast billet, hot-forming of the cast billet in a temperature range between 1000°C and 1250°C with a decrease in cross-section of at least 50% to give a workpiece, direct quenching of the workpiece produced in this way from said temperature in water, machining of the quenched workpiece to give it its final form and heat treatment of the machined workpiece in a temperature range between 300°C and 650°C for 1 to 8 hours for precipitation hardening, and which material has, after passing through the process steps, a yield point 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 tension/compression under an aerated 4 N NaCl 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, for the manufacture of a turbine blade of high resistance to corrosion fatigue. Use of the material according to Claim 1, consisting of the remainder being iron and impurities. Use of the material according to Claim 1, consisting of the remainder being iron and impurities. Use of a material with a two-phase mixed structure of austenite and ferrite or of austenite and martensite, consisting of the content of each one of these elements being at least 0.2 % by weight, the remainder being iron and unavoidable impurities, which material has passed through the following process steps during its manufacture: melting and casting of its components to give a cast billet, hot-forming of the cast billet in a temperature range between 1000°C and 1250°C with a decrease in cross-section of at least 50% to give a workpiece, direct quenching of the workpiece produced in this way from said temperature in water, machining of the quenched workpiece to give it its final form and heat treatment of the machined workpiece in a temperature range between 300°C and 650°C for 1 to 8 hours for precipitation hardening, and which material has, after passing through the process steps, a yield point 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 tension/compression under an aerated 4 N NaCl 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, for the manufacture of a turbine blade of high resistance to corrosion fatigue. Use of the material according to Claim 4, consisting of the remainder being iron and unavoidable impurities. Use of the material according to Claim 4, consisting of the remainder being iron and unavoidable impurities.

Inventors: ATRENS, ANDREJS, DR.
Applicants: BBC BROWN BOVERI AG
Application year: 1982
Main classification: C22C38
IPC codes: C22C38, C21D8