DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

Start > Beiträge > Vorträge > Ultraschallschweissnahtprüfung: Print

Prüfung der Fügezone von bi-metallischen Gasturbinenscheiben aus zwei optimiert angepassten Nickelbasis-Legierungen (dual-alloy)

G. Rössler, T. Lüthi, J. Neuenschwander, A. Flisch,
Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA), Dübendorf (CH)
H. Burlet, CEA / CEREM, Grenoble (F)
BRITE EURAM Projekt Nr. BE97-4296 (Bi-Metal)*
Kontakt: Rössler Gerd Dipl.-Ing.(FH)

1. Einleitung

Gasturbinen besitzen in der Industrie einen hohen Stellenwert als Antriebsmaschinen, sei es nun als "stationäre" Gasturbine um einen Generator oder einen Verdichter anzutreiben, oder als "fliegende" Gasturbine als sogenanntes Mantelstrahltriebwerk an der Tragfläche eines Flugzeuges.

Die Weiterentwicklung dieser Gasturbinen hinsichtlich höherer Effizienz, höherer Betriebssicherheit und besserer Umweltverträglichkeit erfordert die Entwicklung von neuartigen Werkstoffsystemen, die für den Einsatz weiter steigender Brenngastemperaturen geeignet sind [1]. Wichtige Komponenten, um diese Ziele umsetzen zu können, sind die Baugruppen einer Gasturbine, die thermisch und mechanisch hohen Beanspruchungen unterworfen sind. Dies sind unter anderem die Brennkammer, die Turbinenschaufeln und die rotierende Gasturbinenscheibe.

Da man mit der derzeit eingesetzten Technologie von diesen Nickelbasis-Legierungen (Superalloys) langsam an die Grenze des wirtschaftlich Machbaren angelangt ist, gibt es Überlegungen, die Gasturbinenscheibe aus einem Werkstoffverbund herzustellen, bei dem die Gefügestruktur und die chemische Zusammensetzung an das Beanspruchungsprofil optimiert werden [2]. Dies wird erreicht durch die Verwendung zweier unterschiedlicher Nickelbasis-Legierungen (dual-alloy). Zusammengefügt wird diese dual-alloy Gasturbinenscheibe am Übergang Scheibenkranz / Scheibennabe durch einen HIP (Hot Isostatic Pressing) Vorgang.

Das Ziel dieser Arbeit war es, eine zerstörungsfreie Prüfmethode für die Fügezone im Übergang Grobkorn- / Feinkorngefügestruktur dieser Gasturbinenscheiben zu entwickeln. Ausserdem wurden grundlegende Kenntnisse erarbeitet, um das Reflektionsverhalten einer Ultraschallwelle an dieser Fügezone besser zu verstehen.

* Das Projekt wurde vom Bundesamt für Bildung und Wissenschaft in Bern im Rahmen des BRITE-EURAM Projektes BE97-4296 " Mechanics of Bi-Metallic Discs -BIMETAL" gefördert

2. Beanspruchungsprofil und Gefügestruktur

Das Beanspruchungsprofil und die daraus geforderten Eigenschaften bzw. "die ideale Gefügestruktur" einer dual-alloy Gasturbinenscheibe im Betrieb ist in Tabelle 1 für den Kranz- und Nabenbereich zusammengefasst.

Beanspruchungsprofil
Nabenbereich der Scheibe (Bereich der Rotationsachse) Kranzbereich der Scheibe (Bereich der Mantelfläche)
- Temperaturbereich: 400 - 500°C
- Hohe mechanische Spannungen
- Ermüdung: Low Cycle Fatigue (LCF)
- Temperaturbereich: 550 - 650°C
- Hohe Kriechbeanspruchung
- Ermüdung: High Cycle Fatigue (HCF)
Geforderte mechanische Eigenschaften
- Hohe Festigkeit
- Hohe Bruchzähigkeit
- Hohe Ermüdungsfestigkeit LCF
- Hohe Kriechfestigkeit
- Hohe Ermüdungsfestigkeit HCF
Ideale Werkstoff-Gefügestruktur
Þ FEINKORNGEFÜGE
Mittlere Austenit-Korngrösse
3 - 10 mm
Þ GROBKORNGEFÜGE
Mittlere Austenit-Korngrösse:
200 - 500 mm
Tabelle 1: Beanspruchungsprofil, notwendige Eigenschaften und die daraus resultierende ideale Gefügestruktur einer Gasturbinenscheibe.

Um eine Gasturbinenscheibe aus einem optimiert angepassten Nickelbasis Werkstoffverbund herzustellen, gibt es verschiedene Variationsmöglichkeiten. Auf jeden Fall muss die Gefügestruktur der Scheibe im Kranzbereich (Grobkorngefüge) und im Nabenbereich (Feinkorngefüge) erhalten bleiben. Die untersuchten Varianten sind in Tabelle 2 dargestellt.

Variante 1: Gleiche Nickelbasis-Legierung für Kranz und Nabe, aber unterschiedliche Gefügestruktur
  Kranz: Udimet 720 C&W (cast wrought) mit definierter Grobkornstruktur
  Nabe: Udimet 720 PM (powder metal) mit definierter Feinkornstruktur
Variante 2: Unterschiedliche Nickelbasis-Legierung für Kranz und Nabe und unterschiedliche Gefügestruktur
  Kranz: INCONEL 738 LC (low-carbon), gegossen mit definierter Grobkornstruktur
  Nabe: Udimet 720 PM (powder metal) mit definierter Feinkornstruktur
Tabelle 2: Untersuchte Werkstoffkombinationen mit den definierten Gefügestrukturen.

Das Bild 1 zeigt die makrogeätzte Schnittfläche (senkrecht zur Rotationsachse der Scheibe) nach dem HIP-Vorgang. Die unterschiedliche Gefügestruktur des Kranz- bzw. des Nabenbereiches der Scheibe ist sehr gut zu erkennen. Im Übergang des Scheibenkranzes (INCONEL 738 LC, gegossen) zum Nabenbereich (Udimet 720 PM) befindet sich die zu prüfende Fügezone.

Bild 1: Makrogeätzte Schnittfläche einer dual-alloy Gasturbinenscheibe (Versuch) nach dem HIP-Vorgang

Aussendurchmesser: 165 mm

Nickelbasis-Legierungen:
Kranz: INCONEL 738 LC
Nabe: Udimet 720 PM .

3.Untersuchung der Fehlstellen in der Fügezone

Mögliche Fehlstellen in der Fügezone im Übergang Grobkorn - / Feinkornmikrostruktur können z.B. Bindefehler, Risse, Säume von Ausscheidungen und Verunreinigungen sein. Unzulässig ist auch eine zu grosse Abweichung im berechneten Verlauf der Fügezone durch z.B. Unrundheit, örtlichen Ausbuchtungen und nicht zentrischer Verlauf. Die Bilder 2 und 3 zeigen Beispiele von möglichen Fehlstellen in der Fügezone.


Bild 2: Ausbuchtung im Verlauf der Fügezone
INCONEL 738 LC (oben im Bild)
Udimet 720 PM (unten im Bild).

Bild 3: Bindefehler in der Fügezone
INCONEL 738 LC (rechts oben im Bild)
Udimet 720 PM (links unten im Bild).

Zur Untersuchung der Detektierbarkeit von Fehlstellen im Bereich der Fügezone wurden verschiedene Vergleichskörper mit definierter Grobkorn - / Feinkorngefügestruktur und mit künstlich eingebrachten Fehlstellen in der Fügezone hergestellt. Am Beispiel der Materialkombination Udimet 720 C&W / Udimet 720 PM soll dies näher verdeutlicht werden.

Die Bilder 4 und 5 zeigen die Abmessungen der verschiedenen Vergleichskörper und die Grösse bzw. Positionen der künstlich eingebrachten Fehlstellen. Es wurden 3 Rundproben mit je einer Fehlstelle und ein Block mit 3 Fehlstellen in der Fügezone hergestellt. Als künstlich eingebrachte Fehlstellen wurden kleine Aluminiumoxidscheiben mit den Durchmessern 0.5 mm, 1.0 mm und 2.0 mm und einer Dicke von 0.5 mm verwendet. Vor dem Befüllen des Stahlbechers (HIP support) mit Udimet 720 PM wurde auf das Grobkornmaterial Udimet 720 C&W diese Aluminiumoxidscheiben aufgebracht. Anschliessend wurde das Pulvermetall eingefüllt, der Becher verschlossen, evakuiert und das Ganze heiss-isostatisch verpresst. Nach dem HIP-Vorgang erfolgte eine vollständige Wärmebehandlung (Lösungsglühen mit einer 2-stufige Auslagerung). Anschliessend wurden die Oberflächen der Vergleichskörper mechanisch fertigbearbeitet. Die Vergleichskörper wurden so gestaltet,dass sowohl eine Prüfung der Fügezone durch die Grobkorn- wie auch durch die Feinkorngefügestruktur ermöglicht wurde.


Bild 4: Abmessungen der 3 runden Vergleichskörper mit je einem Vergleichsreflektor in der Fügezone.

Bild 5: Abmessungen des Vergleichsblocks, alle 3 Vergleichsreflektoren sind in der gleichen Fügezonenebene.

4.Ultraschallprüfung und Röntgen-Computertomographie der Fügezone

Um die Detektierbarkeit dieser künstlich eingebrachten Fehlstellen im Bereich der Fügezone Grobkorn- / Feinkorngefügestruktur festzustellen, wurde das Reflektionsverhalten dieser Fügezone durch ein bildgebendes Ultraschallprüfverfahren visualisiert (C-Bild Darstellung). Das heisst, dass in Abhängigkeit der Prüfkopfposition die positive Amplitude der reflektierten Longitudinalschallwelle an dieser Grenzfläche gemessen und in einer Grauwertkodierung dargestellt wurde. Hierzu wurden die Tauchtechnik und die Impuls-Echo Methode verwendet. Es wurde senkrecht auf die Fügezone eingeschallt. Die Verwendung eines computergesteuerten Scanners ermöglichte es, dass der Prüfkopf mäanderförmig die zu prüfende Fügefläche abtasten konnte.

Es wurden punktfokussierte Tauchtechnikprüfköpfe verwendet, wobei der Fokuspunkt des Schallfeldes in der Fügezone Grobkorn- / Feinkorngefügestruktur lag. Die Eigenschaften der beiden verwendeten Prüfköpfe sind in der Tabelle 3 aufgelistet.[3]

Nennfrequenz: 5 MHz 10 MHz
Aktiver Schwingerdurchmesser: 1.125" = 28.6 mm 0.75" = 19.0 mm
Fokusabstand in Wasser: 5" = 127 mm 5" = 127 mm
Fokussierungsfaktor: 0.184 0.207
Schallbündeldurchmesser im Fokuspunkt 1.4 mm @ -6 dB 1.0 mm @ -6 dB
Bandbreite: 67 % @ -6 dB 80 % @ -6 dB
Tabelle 3: Eigenschaften der verwendeten Ultraschallprüfköpfe.

Die Prüfergebnisse der Fügezone in den 3 runden Vergleichskörpern Udimet 720 PM zusammengefügt mit Udimet 720 C&W sind als Ultraschall C-Bild (10 MHz) in den Bildern 6 und 7 gegenübergestellt.

Das Bild 6 zeigt die reflektierte Amplitude der Schallwelle an der Fügezone bei der Prüfung durch die Feinkorngefügestruktur. Das heisst nach einem Schalllaufweg im Prüfobjekt von 2 mal 36.0 mm im Udimet 720 PM Material. Im Bild 7 ist das Reflektionsverhalten der Fügezone bei der Prüfung durch die Grobkorngefügestruktur des Udimet 720 C&W dargestellt nach einem Schalllaufweg von 2 mal 22.0 mm.

Bild 6:
C-Bild der Fügezone
10 MHz.

Prüfung durch Feinkorn
Bildgrösse:
440 x 140 Pixel

Pixelgrösse:
0.25 mm x 0.25 mm.
Bild 7:
C-Bild der Fügezone
10 MHz

Prüfung durch Grobkorn.

Um die Grösse und die Position der künstlich eingebrachten Fehlstellen in der Fügezone zu verifizieren, wurde an den runden Vergleichskörpern im Fehlstellenbereich eine zusätzliche Röntgen Computertomographie durchgeführt. Die Bilder 8, 9 und 10 zeigen die rekonstruierten 2-D Schnitte durch die Fehlstellenbereiche in der Fügezone.


Bild 8: Fehlstelle FS 0.5
Al2O3 Scheibe Æ: 0.5 mm.

Bild 9: Fehlstelle FS 1.0
Al2O3 Scheibe Æ: 1.0 mm.

Bild 10: Fehlstelle FS 2.0
Al2O3 Scheibe Æ: 2.0 mm.

Aus dem 2-D Schnitt der Röntgen Computertomographie ergeben sich für die künstlich eingebrachten Fehlstellen in der Fügezone der Vergleichsproben folgende Fehlerabmessungen: Für die Fehlsstelle FS 0.5 wurde ein Durchmesser von 0.3 mm gemessen.Die Abmessungen der Fehlstelle FS 1.0 betrug 1.3 mm x 0.6 mm bzw. für die Fehlstelle FS 2.0 2.1 mm x 1.3 mm. Im Bild 10 ist auch zu erkennen, dass die eingebrachte Al2O3 Scheibe möglicherweise nicht mehr planparallel in der Fügezone liegt. Vermutlich hat sich diese Fehlstelle durch den HIP und Sinterprozess des Pulvermetalls vom Grobkornmaterial abgelöst.

Um den Einfluss der Prüffrequenz auf das Reflektionsverhalten der Fügezone mit den künstlich eingebrachten Fehlstellen festzustellen, wurde am Vergleichsblock Udimet 720 C&W / Udimet 720 PM eine Ultraschallprüfung mit 5 bzw. 10 MHz durchgeführt. Die unterschiedlichen Eigenschaften dieser Prüfköpfe sind inder Tabelle 3 aufgelistet. Die Prüfung der Fügezone erfolgte durch die Feinkorn- bzw.Grobkorngefügestruktur des Vergleichskörpers (Block).

Die Bilder 11 und 12 zeigen die reflektierte Amplitude der Schallwelle an der Fügezone bei der Prüfung durch die Feinkorngefügestruktur nach einem Schalllaufweg von 2 mal 30.0 mm im Udimet 720 PM. Im Bild 13 und 14 ist das Reflektionsverhalten der Fügezone nach einem Schalllaufweg von 2 mal 35 mm durch die Grobkorngefügestruktur des Udimet 720 C&W dargestellt.

Bild 11: C-Bild der Fügezone 5 MHzPrüfung durch Feinkorn.
Bild 12: C-Bild der Fügezone10 MHzPrüfung durch Feinkorn.
Bild 13: C-Bild der Fügezone5 MHzPrüfung durch Grobkorn.
Bild 14: C-Bild der Fügezone10 MHzPrüfung durch Grobkorn.












Bildgrösse: 340 x 170 PixelPixelgrösse:0.25 mm x 0.25 mm.

Um die Detektierbarkeit dieser Fehlstellen im Vergleichsblock beurteilen zu können, wurde das Amplitudenverhältnis von Fehlstelle zu guter Bindung aus den C-Bildern herangezogen und in der Tabelle 4 aufgelistet.

  Prüfung durch Feinkorn Prüfung durch Grobkorn
Fehlstelle 5 MHz 10 MHz 5 MHz 10 MHz
FS 0.5 8.5 dB 6 dB 9 dB 5 dB
FS 1.0 7 dB 2 dB 7 dB 3 dB
FS 2.0 12 dB 10 dB 12 dB 9 dB
Tabelle 4: Gemessene mplitudenverhältnisse Fehlstelle / gute Bindung am Vergleichskörper Block Udimet 720 C&W / Udimet 720 PM.

5.Zusammenfassung

Die Ultraschalluntersuchungen an den Vergleichskörpern Udimet 720 C&W zusammengefügt mit Udimet 720 PM haben gezeigt, dass die künstlich eingebrachten Fehlstellen mit Durchmessern 0.5, 1.0 und 2.0 mm in der Fügezone nachgewiesen werden konnten.


Bild 15: Prüfprinzip für die Fügezone einer dual-alloy Gasturbinenscheibe mit Tandemtauchtechnik.

Die Prüfung der Fügezone mit 5 MHz bringt bei allen künstlich eingebrachten Fehlstellen bei einem Schallweg durch die Grob- wie auch bei der Feinkorngefügestruktur ein besseres Amplitudenverhältnis von Fehlstelle zu guter Bindung als mit 10 MHz.

6.Diskussion

Die Prüfung der Fügezone von Gasturbinenscheiben im Massstab 1:1, die aus zwei optimiert angepassten Nickelbasiswerkstoffen bestehen,erfordert ein spezielles Ultraschallprüfkonzept. Das heisst zum Beispiel, dass bei einer Gasturbinenscheibe mit einem Aussendurchmesser von 500 mm der innere feinkörnige Nabenbereich der Scheibe einen Durchmesser von ca. 340 mm besitzt. Um die Fügezone von der äusseren Mantelfläche her zu prüfen, müssen die Ultraschallwellen einen Schalllaufweg von ca. 2 mal 80 mm im grobkörnigen Kranzbereich der Scheibe zurücklegen.Dies kann unter Umständen mit einer hohen Schallschwächung verbunden sein, vor allem im sehr inhomogenen INCONEL 738 LC Gussmaterial. Ein weiterer Nachteil bei einer Prüfung der Fügezone von der Mantelfläche der Scheibe sind gewisse Randeffekte. Um die Fügezone mit einem punktfokussierten Prüfkopf von der Mantelfläche her prüfen zu können, ist ein Fokusabstand des Prüfkopfes in Wasser von ca. 12" notwendig. Eine Fokussierung des Schallbündels auf diese Entfernung ist nur möglich, wenn der Schwingerdurchmesser eine ausreichend grosse Nahfeldlänge besitzt. Bei einer vorgegebenen Prüffrequenz bedeutet dies, dass Prüfköpfe zur Anwendung kommen, die einen verhältnismässig grossen Schwingerdurchmesser besitzen. Um bei einer Mittenfrequenz von 5 MHz auf diese Distanz fokussieren zu können (Fokusabstand: 10 - 12"), sind aktive Schwingerdurchmesser von 1.75" und grösser erforderlich. Für eine Gasturbinenscheibe mit einer Scheibendicke von 60 mm ist mit diesem Prüfkopf von der Mantelfläche aus nur die Fügezone im Bereich der Hälfte der Scheibendicke + / - 10 mm prüfbar. Sichere Aussagen über den oberen bzw. unteren Randbereich der Fügezone lassen sich mit dieser Prüfmethode nicht machen, da in diesem äusseren Bereich die aktive Schwingerfläche nicht vollständig auf die Mantelfläche ausgerichtet ist.

Eine vorteilhafte Methode um die Fügezone einer dual-alloy Gasturbinenscheiben zu prüfen ist der Einsatz einer speziellen Tandemtauchtechnik. Dies ermöglicht eine Einschallrichtung von der Scheibenstirnseite her. Für die Prüfung der Fügezone Fein- / Grobkorngefügestruktur befindet sich der ganze Schallweg im feinkörnigen Udimet 720 PM Material. Um die gesamte Fügezone prüfen zu können, muss der Abstand Sender - Empfänger an die Tiefe der Fügezone angepasst werden. Das Prüfprinzip dieser Tandemtauchtechnik ist im Bild15 dargestellt, mit dem Schallwegverlauf bei einem Bindefehler. [4],[5]

Dank

Die Autoren danken Dr. T. Koblé für die Durchführung der Ultraschallprüfung an den Vergleichskörpern und Dr. U. Klotz (EMPA) für die Anfertigung der Schliffbilder.

Literatur

  1. H. Fecht, D. Furrer, Processing of Nickel-Base Superalloys for Turbine Engine Disc Applications, Advanced Engineering Materials, 12 (2000), S.777-787
  2. H. Burlet, L. Briottet, R. Couturier, S. Gallet, G. McColvin, G. Raisson, V. Stamos, J. Olschewski, F. Vogel and T. Koblé,'Fatigue and Creep Properties of Bimetallic Alloys Produced by Diffusion Bonding', Advances in Mechanical Behaviour, Plasticity and Damage, D. Miannay, P. Costa, D. Franç;ois and A. Pineau ed., Elsevier, 2000, 127-132
  3. DGZfP Richtlinie US2, Bildgebende Ultraschallprüfung von Neuen Werkstoffen, Berlin, Ausgabe Januar 1993
  4. J. Krautkrämer, H. Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall,5. Auflage, Springer Verlag, 1986
  5. Nondestructive Testing Handbook, Second Edition, Volume 7, Ultrasonic Testing, American Society for Nondestructive Testing-ASNT, 1991

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net