DE2845099A1

DE2845099A1 - Blade for thermodynamic turbines - contains matrix of ferritic iron alloy hardened by dispersion of yttrium oxide and/or titanium di:oxide

Info

Publication number: DE2845099A1
Application number: DE19782845099
Authority: DE
Inventors: Gernot Dr Gessinger
Original assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1978-10-04
Filing date: 1978-10-17
Publication date: 1980-04-24

Abstract

Blade for thermodynamic turbines consists of a ferritic, magneto-elastic matrix (I) contg. a hardening addn. (II) which is a dispersed metal oxide. Matrix (I) is pref. a 12-14% chromium steel; or an iron alloy contg. 18-22% Cr, esp. an alloy contg. 18-22% Cr, 4-5% Al, 0.3-0.7% Ti, rest Fe, with an addn. (I) of 0.4-2%, esp. 0.4-0.6% dispersed yttrium oxide. an alternative pref. blade contains a matrix (I) with compsn. 12-14% Cr, 3-5% Ti, 1.1-1.8% Mo, and balance Fe, with an addn. (II) of 0.3-2% dispersed Y2O3 and/or TiO2. This new material fills the gap existing between ferritic and austenitic blade materials, and combines high creep strength, high corrosion resistance, and high damping capacity.

Description

Schaufel für eine thermodynamische StrömungsmaschineBlade for a thermodynamic flow machine

Die Erfindung geht aus von einer Schaufel nach der Gattung des Anspruchs 1.The invention is based on a shovel according to the preamble of the claim 1.

Hochbeanspruchte Schaufeln für thermodynamische Strömungsmaschinen werden in der Regel entweder aus austenitischen Legierungen (meistens auf Nickel- oder Eisenbasis) oder aus ferritischen Legierungen (meistens auf Eisenbasis) hergestellt. Im allgemeinen werden an derartige Schaufeln gleichzeitig sehr hohe Anforderungen an Warmfestigkeit, Korrosionswiderstand bei hohen Temperaturen und mechanische Dämpfungsfähigkeit gestellt. Bis zu Temperaturen von ca.Highly stressed blades for thermodynamic flow machines are usually either made of austenitic alloys (mostly on nickel or iron-based) or from ferritic alloys (mostly iron-based). In general, very high demands are placed on such blades at the same time heat resistance, corrosion resistance at high temperatures and mechanical damping capacity posed. Up to temperatures of approx.

0 400 C werden diese Bedingungen weitgehend von den klassischen, im Dampfturbinenbau üblichen 12- bis 13%igen Chromstählen erfüllt. Dabei kommt der Schaufel insbesondere die hohe. magnetische Dämpfung der Werkstoffe zugute. Die Verwendung derartiger Materialien ist jedoch wegen ungenügender Warmfestigkeit auf einen verhältnismässig tiefen Temperaturbereich begrenzt. 0 400 C, these conditions are largely different from the classic, 12 to 13% chromium steels commonly used in steam turbine construction are fulfilled. Here comes the Shovel in particular the high one. magnetic damping of the materials benefit. the Use of such materials is due to insufficient heat resistance limited a relatively low temperature range.

Im Zusammenhang mit der Kernreaktorentwicklung. wurden bereits ferritische Legierungen vorgeschlagen, deren Warmfestigkeit durch als Oxyddispersionen vorliegende Zusätze erhöht wurde. Solche Werkstoffe wurden zur Umhüllung von Brennstoffelementen verwendet (z.B. M.Synkers, J.J.Hueta Dispersion-strengthened ferritic alloys for high-temperature application, proceedings "Creep strength in steel and high temperature alloys'T, University of Sheffield, 20-22 September 1972, published by The metals society, 1 Carlton House Terrace, London SW1Y 5DB). Ausserdem sind ferritische Legierungen mit höheren Chromgehalten und Oxyddispersionen in Form von Blechen für Hochtemperaturverwendung bekannt (z.B. J.J.Fischer, I.Astley, J.P.Morse, The structure and properties of a dispersion-strengthened Fe-Cr-Al alloy, Incolay alloy MA 956E, The International Nickel Company Inc., Third international symposium on superalloys, September 12, 1976).In connection with nuclear reactor development. were already ferritic Proposed alloys whose heat resistance is present as oxide dispersions Additives was increased. Such materials were used to clad fuel elements used (e.g. M.Synkers, J.J. Hueta Dispersion-strengthened ferritic alloys for high-temperature application, proceedings "Creep strength in steel and high temperature alloys'T, University of Sheffield, September 20-22, 1972, published by The metals society, 1 Carlton House Terrace, London SW1Y 5DB). They are also ferritic alloys with higher chromium contents and oxide dispersions in the form of sheets for high temperature use known (e.g. J.J. Fischer, I.Astley, J.P. Morse, The structure and properties of a dispersion-strengthened Fe-Cr-Al alloy, Incolay alloy MA 956E, The International Nickel Company Inc., Third international symposium on superalloys, September 12, 1976).

Es ist bekannt, dass speziell entwickelte Legierungen für Schaufeln thermischer Maschinen, wie beispielsweise NIVCO 10 (Westinghouse) im Bereich von 600 bis 7000C gute Warmfestigkeit bei hoher magneto-elastischer Dämpfung aufweisen. Diese Legierungen neigen jedoch zur Ausscheidung einer spröden Phase (intermetallische Verbindung) in besagtem Temperaturbereich, was ihre Einsatzmöglichkeiten beträchtlich einschränkt.It is known that specially designed alloys for blades thermal machines such as NIVCO 10 (Westinghouse) in the range of 600 to 7000C have good heat resistance with high magneto-elastic damping. However, these alloys tend to precipitate a brittle phase (intermetallic Compound) in the said temperature range, which makes their possible uses considerably restricts.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaufel für thermodynamische Strömungsmaschinen anzugeben, welche bei hoher Materialdämpfung eine Lücke zwischen den klassischen, aus ferritischen oder austenitischen Werkstoffen bestehenden Schaufeln ausfüllt.The invention is therefore based on the object of providing a shovel for specify thermodynamic flow machines, which at high material damping a gap between the classic, ferritic or austenitic materials fills existing shovels.

Der der Erfindung zugrunde liegende Leitgedanke besteht darin, als Werkstoff eine hochdämpfende magneto-elastische Grundmasse mit einem eingelagerten Oxyddispersoid zu wählen und auf die Schaufel zu übertragen. Die erfindungsgemässe Schaufel verbindet hohe Dämpfung und Korrosionsbeständigkeit mit hoher Warm- und Kriechfestigkeit. Weitere Einzelheiten des erfindungsgemässen Gegenstandes ergeben sich aus den nachfolgenden AusSührungsbeispielen: Ausführungsbeispiel I Nach an sich bekannten pulvermetallurgischen Verfahren wurde ein Walzbarren wie folgt hergestellt: 2015 g reines elementares Eisenpulver der Korngrössel00p wurden mitlOOOg einer 60% Chrom, 15 % Aluminium und 1,5 % Titan, Rest Eisen enthaltenden Vorlegierung der Korngrösse 60 P sowie mitl,5 g Yttriumoxyd der Korngrösse 0,02 M gemischt und in einem Attritor während 8 h unter Ar-Atmosphäre mechanisch legiert. Die auf diese Weise legierte Pulvermischung wurde in eine Kapsel aus weichem Stahl (St 37) abgefüllt und letztere vakuumdicht verschlossen.The guiding principle underlying the invention is as Material is a highly damping magneto-elastic base mass with an embedded Oxyddispersoid to choose and transfer to the shovel. The invention Blade combines high damping and corrosion resistance with high warm and Creep resistance. Further details of the subject matter according to the invention result from the following AusSührungsbeispielen: Embodiment I According to Known powder metallurgical processes, a rolling ingot was produced as follows: 2015 g of pure elemental iron powder of grain size00p were with 10000g of a 60% chromium, 15% aluminum and 1.5% titanium, remainder iron-containing master alloy of the grain size 60 P and mixed with 1.5 g of yttrium oxide with a grain size of 0.02 M and placed in an attritor Alloyed mechanically for 8 h under an Ar atmosphere. Which alloyed in this way Powder mixture was filled into a soft steel capsule (St 37) and the latter closed vacuum-tight.

Daraufhin wurde die Kapsel samt Inhalt in eine Strangpresse mit einem Querschnittsverhältnis von 15:1 bei einer Temperatur von 1100 OC zu einem Strang von kreisförmigem Querschnitt verpresst, von welchem nach vorherigem Entfernen der begrenzenden Stahlhülle einzelne Stücke abgetrennt und durch Warm- und Kaltwalzen weiter verformt wurden. Ein auf diese Art vorgeformter Schmiederohling wurde anschliessend in einer hydraulischen Schmiedepresse in mehreren Arbeitsgängen bei einer Temperatur von 10500C in die Endform einer Turbinenschaufel übergeführt. Die fertige Schaufel wurde während 1 h einer Lösungsglühung bei einer Temperatur von 13300 c unterworfen und in Luft abgekühlt.The capsule and its contents were then put into an extruder with a Aspect ratio of 15: 1 at a temperature of 1100 OC to form a strand of circular cross-section, from which, after prior removal, the delimiting steel shell, individual pieces are separated and subjected to hot and cold rolling were further deformed. A forging blank preformed in this way was then made in a hydraulic forging press in several operations at one temperature converted into the final shape of a turbine blade by 10500C. The finished shovel was subjected to solution heat treatment at a temperature of 13,300 c for 1 h and cooled in air.

Die Schaufel hatte folgende Zusammensetzung: Cr : 20 % A1 : 4,5 % Ti : 0,5 % Y203 : 0,5 % Fe : Rest.The blade had the following composition: Cr: 20% A1: 4.5% Ti: 0.5% Y203: 0.5% Fe: balance.

Sie wies ein logarithmisches Dekrement der mechanischen Dämpfung von 0,015 auf (Torsionsschwingung eines Stabes 0 gemessen an einem Torsionspendel); Temperatur 500 und 700 C.It exhibited a logarithmic decrement of the mechanical damping of 0.015 (torsional vibration of a rod 0 measured on a torsional pendulum); Temperature 500 and 700 C.

Die Zusammensetzung der Legierung ist nicht auf das vorgenannte Beispiel beschränkt, sondern kann im Rahmen der betreffenden Legierungsklasse innerhalb folgender Grenzen schwanken: Cr: 18 bis 22 % Al: 4 bis 5 % Ti: 0,3 bis 0,7 ,0 Y203 0>4 bis 2 % Fe: Rest Der Gehalt an verfestigendem Yttriumoxyd wird in vorteilhafter Weise innerhalb der Grenzen von 0,4 bis 0,6 % gehalten.The composition of the alloy is not based on the above example limited, but can within the following within the scope of the alloy class in question Limits vary: Cr: 18 to 22% Al: 4 to 5% Ti: 0.3 to 0.7 , 0 Y203 0> 4 to 2% Fe: remainder The content of solidifying yttrium oxide is in advantageously kept within the limits of 0.4 to 0.6%.

Ausführungsbeispiel II Die pulvermetallurgische Herstellung eines Schmiedeknüppels erfolgt ähnlich Beispiel I unter Zuhilfenahme des mechanischen Legierens. Die in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterialien stellten sich wie folgt: Material Gewicht Korngrösse Chrom 390 g 30 Molybdän 45 g 5A Eisen 2190 ¢ 100 Ferrotitan (TiFe2) 400 g 10 S Das TiFe2-Pulver wurde durch mechanisches Zerkleinern einer entsprechenden, im Vakuumofen erschmolzenen Legierung gewonnen, während die übrigen Pulver in handelsüblicher Form verwendet wurden. Nach dem Mahlen und gleichzeitig stattfindendem mechanischen Legieren der Pulver während 12 h im Attritor wurde die Pulvermischung in eine Stahlkapsel (St 37) abgefüllt. Hierauf wurde die Kapsel vakuumdicht verschlossen, auf eine Temperatur von 11000C gebracht und in einer Strangpresse mit einem Reduktionsverhältnis von 15:1 zu einem Strang verdichtet. Nachdem die Stahlhülle abgeschält worden war, wurde der Strang während 1 h einer Lösungsglühung bei einer Temperatur von 10500C mit anschliessender Luft abkühlung unterworfen und in einzelne Stücke zerschnitten. Eine Weiterverformung durch Walzen, Schmieden, Ziehen etc. ist bei Temperaturen von 1100 bis 1150 0C möglich.Embodiment II The powder metallurgical production of a Forged billet is carried out similarly to Example I with the aid of the mechanical Alloying. The starting materials in powder form turned out to be like follows: Material Weight Grain size Chromium 390 g 30 Molybdenum 45 g 5A Iron 2190 ¢ 100 Ferrotitan (TiFe2) 400 g 10 S The TiFe2 powder was crushed mechanically obtained from a corresponding alloy melted in a vacuum furnace, while the remaining powder was used in commercial form. After grinding and at the same time mechanical alloying of the powders taking place for 12 hours in the attritor was the Powder mixture filled into a steel capsule (St 37). The capsule then became vacuum-tight sealed, brought to a temperature of 11000C and in an extruder compressed into a strand with a reduction ratio of 15: 1. after the When the steel shell was peeled off, the strand became one for 1 hour Solution annealing subjected to cooling at a temperature of 10500C with subsequent air and cut into pieces. Further deformation by rolling, forging, Drawing etc. is possible at temperatures from 1100 to 1150 ° C.

Ein Schmiederohling wurde im lösungsgeglühten Zustand bei einer Temperatur von 11000C in einer hydraulischen Presse zu einer Turbinenschaufel verformt. Letztere wies folgende Zusammensetzung auf: Cr : 13 % Ti : 4 % Mo : 1,5 % Y203 : 1,8 %.A forging blank was solution-annealed at one temperature deformed from 11000C in a hydraulic press to a turbine blade. Latter had the following composition: Cr: 13% Ti: 4% Mo: 1.5% Y203: 1.8%.

Das mittels Torsionsschwingung an einem Stab gemessene logarithmische Dekrement der mechanischen Dämpfung betrug 0,03.The logarithmic one measured by means of torsional vibration on a rod The mechanical damping decrement was 0.03.

Die Zusammensetzung der Legierung erschöpft sich nicht im vorliegenden Beispiel II. Die Grenzen für vorteilhafte Legierungen können wie folgt angegeben werden: ar : 12 bis 14 % Ti : 3 bis 5 % Mo : 1,1 bis 1,8 % Y203 : 0>3 bis 2 % Fe : Rest Dabei kann grundsätzlich das Dispersoid Yttriumoxyd ganz oder teilweise durch Titandioxyd ersetzt sein oder letzteres zusätzlich zum oben angegebenen Gehalt in der gleichen Menge vorhanden sein.The composition of the alloy is not limited to the present Example II. The limits for advantageous alloys can be given as follows become: ar: 12 to 14% Ti: 3 to 5% Mo: 1.1 to 1.8% Y203: 0> 3 to 2% Fe: remainder In principle, the dispersoid yttrium oxide can be wholly or partially replaced by titanium dioxide or the latter in addition to the content indicated above be present in the same quantity.

Zur Ausführung von Dampf- und Gasturbinenschaufeln sowie Schaufeln für Kompressoren (z.B. für Heissluft und heisse Gase) eignen sich unter den ferritischen magneto-elastischen Werkstoffen grundsätzlich alle, ein Dispersoid enthaltende Stoffe, deren Grundmasse ein 12 bis l4%iger Chromstahl oder eine 18 bis 22% Chrom enthaltende Eisenlegierung ist.For the execution of steam and gas turbine blades as well as blades for compressors (e.g. for hot air and hot gases) are among the ferritic magneto-elastic Basically all materials, a dispersoid containing substances whose basic mass is a 12 to 14% chromium steel or an 18 up to 22% chromium-containing iron alloy.

Claims

Claims 1. Blade for a thermodynamic flow machine, characterized in that it consists of a ferritic, magneto-elastic matrix and a hardening additive in the form of a dispersed metalloid.

2. Blade according to claim 1, characterized in that the ferritic Base mass is a 12 to 14% chromium steel.

3. Blade according to claim 1, characterized in that the ferritic The base mass is an iron alloy with 18 to 22% chromium.

4. Blade according to claim 3, characterized in that the alloy 18 to 22% Cr 4 to 5% Al 0.3 to 0.7% Ti, the remainder Fe, and the hardening one Additive is present in the form of 0.4 to 2% dispersed Y203.

5. Shovel according to claim 4, characterized in that the alloy 18 to 22% Cr 4 to 5% Al 0.3 to 0.7% Ti, the remainder Fe, and the hardening one Additive is present in the form of 0.4 to 0.6% dispersed Y203.

6. blade according to claim 1, characterized in that the ferritic Base material consists of 12 to 14 ß Cr 3 to 5% Ti 1.1 to 1.8% Mo, the remainder Fe, which 0.3 to 2% dispersed Y203 and / or Ti02 are added as a hardening additive.