Gasturbinenschaufeln: Herstellung einer gerichteten Erstarrung Deutschland

Turbinenschaufeln sind die zentralen Komponenten am heißen Ende einer Gasturbine. Ihre Forschung, Entwicklung und Herstellung sind ein wichtiger Ausdruck des Entwicklungsumfangs und des technischen Niveaus der Industrie eines Landes. Die jüngsten Forschungsfortschritte im Bereich der Herstellungstechnologie für Gasturbinenschaufeln werden überprüft. Basierend auf der Forschung der Forschungsgruppe werden die Forschungsfortschritte im Bereich der gerichteten Erstarrung von Gasturbinenschaufeln vorgestellt und die Schwerpunktrichtung vorgegeben.

Die gerichtete Erstarrungstechnologie bezeichnet eine Technologie, die während des Erstarrungsprozesses durch Zwangsmaßnahmen einen Temperaturgradienten in eine bestimmte Richtung erzeugt, sodass die Erstarrung in eine bestimmte Richtung verläuft. Beim Erstarrungsprozess eines Metalls gibt es zwischen dem erstarrten Teil und der nicht erstarrten Schmelze einen Temperaturgradienten in eine bestimmte Richtung, wodurch das Metall in die entgegengesetzte Richtung zur Wärmeleitung erstarrt. Durch den Einsatz der gerichteten Erstarrungstechnologie können säulenförmige oder einkristalline Kristalle mit einer bestimmten Ausrichtung erhalten und säulenförmige oder einkristalline Klingen hergestellt werden, deren Leistung erheblich verbessert werden kann.

In den späten 1960er Jahren wandten Versnyder et al. die Technologie der gerichteten Erstarrung bei der Herstellung von Superlegierungen an, wodurch die Kornorientierung der Erstarrungsstruktur besser kontrolliert, die Querkorngrenzen eliminiert und die mechanischen Eigenschaften der Superlegierungen erheblich verbessert wurden. Die Technologie der gerichteten Erstarrung entwickelte nach jahrzehntelanger Forschung die Methode der exothermen Pulvererstarrung (EP), die Power-Down-Methode (PD), die Methode der Hochgeschwindigkeitserstarrung (PD), konventionelle Techniken wie HRS [12] und die Flüssigmetallkühlung (LMC). Gegenwärtig werden die Methode der Hochgeschwindigkeitserstarrung und die Methode der Flüssigmetallkühlung häufig verwendet.

Bei der Hochgeschwindigkeitserstarrungsmethode werden Gussteile allmählich in eine Richtung aus dem Hochtemperaturbereich herausbewegt, um eine einseitige Erstarrung zu erreichen. Diese Methode löst das Problem, dass der Temperaturgradient während des Erstarrungsprozesses allmählich abnimmt. Das Prinzip der Hochgeschwindigkeitserstarrungsmethode ist in Abbildung 1(a) dargestellt. Am Boden des Ofens wird eine adiabatische Trennwand angebracht, an der sich eine Öffnung befindet, die etwas größer ist als das Gussteil. Das Innere des Ofens wird warm gehalten. Während des Erstarrungsprozesses des Metalls wird die Schale langsam nach unten gezogen, sodass der nach außen gerichtete Teil des Metalls abzukühlen und zu erstarren beginnt, während sich die im Ofen befindliche Metallschmelze noch in einem erhitzten Zustand befindet, wodurch ein axialer Temperaturgradient entsteht. Das Hochgeschwindigkeitserstarrungsverfahren weist einen hohen und stabilen Temperaturgradienten und eine hohe Abkühlungsrate auf und kann einen langen säulenförmigen Kristall und eine feine Struktur erzeugen, wodurch die mechanischen Eigenschaften der Gussteile stark verbessert werden. Der Temperaturgradient des Verfahrens ist jedoch immer noch unzureichend und bei der gerichteten Erstarrung von dicken und großen Gussteilen treten immer noch leicht Gussfehler wie Flecken und Verunreinigungen auf.