METAL 2004 Hradec nad Moravicí VÝVOJ TECHNOLOGIE PRESNÉHO LITÍ LOPATEK PLYNOVÝCH TURBÍN DEVELOPMENT OF PRECISE CASTING TECHNOLOGY FOR GAS TURBINE BLADES Karel Hrbácek a Božena Podhorná b Antonín Joch a Karel Hrbácek ml. a a První brnenská strojírna Velká Bíteš, Vlkovská 279, 595 12 Velká Bíteš, CR,E-mail: hrbacek.karel@pbsvb.cz b UJP PRAHA, Nad Kamínkou 1345, 156 10, Praha Zbraslav, CR, E- mail:podhorna@ujp.cz Abstrakt V První brnenské strojírne Velká Bíteš, a.s. byla vyvinuta technologie presného lití lopatek pro stacionární plynové turbíny typu GT 750-6. Lopatky techto turbín byly puvodne zhotoveny zápustkovým kováním a následným mechanickým opracováním. Tato technologie je znacne nárocná nebot zde dochází k velmi malému využití výchozího materiálu a rovnež náklady na mechanické opracování jsou znacné. S ohledem na skutecnost, že je nutno zabezpecit výrobu náhradních lopatek pro turbíny, u kterých již bylo dosaženo bezpecné hranice životnosti lopatek, byl zahájen vývoj nové technologie výroby lopatek. Byla zvolena technologie presného lití pomocí vytavitelného modelu. Abstract První brnenská strojírna Velká Bíteš, a.s. developed a precision casting process to be used for the manufacture of stationary gas turbine blades of the GT 750-6 type. Previously, the blades were die-forged and then machined. Such a process was rather prohibitive, since the rate of base stock utilization was low while the cost of machining was substantial. The need of replacement blades for turbines nearing the safe limit of their service life encouraged the development of a new process envisaged for the blade manufacture. To tackle the task, the company chose to embrace the technology of precision investment casting. 1. ÚVOD Na základe rozsáhlých výzkumných pracích, provedených v uplynulých létech / 1-10/ byla v našem podniku vyvinuta a plne osvojena technologie presného lití lopatek pro zahranicní stacionární plynové turbíny. Tyto lopatky byly z materiálu IN 738LC, Udimet 500 a N 155. Chemické složení techto materiálu je uvedeno v tab. I III..Dosažené výsledky nás inspirovaly k zahájení vývoje technologie presného lití lopatek plynových turbín typu GT 750 6. Lopatky techto turbín byly puvodne zhotoveny zápustkovým kováním a následným mechanickým opracováním. Tato technologie je znacne nárocná nebot zde 1
dochází k velmi malému využití výchozího materiálu a rovnež náklady na mechanické opracování jsou znacné. S ohledem na skutecnost, že je nutno zabezpecit výrobu náhradních lopatek pro turbíny, u kterých již bylo dosaženo bezpecné hranice životnosti lopatek, byl zahájen vývoj nové technologie výroby lopatek. Byla zvolena technologie presného lití pomocí vytavitelného modelu. 2. Vývoj technologie presného lití turbínových lopatek Turbínové lopatky jsou behem provozu znacne namáhány. Dochází postupne k degradaci jejich mechanických vlastností. Tím se vycerpává jejich životnost, po kterou mohou pracovat bez velkého provozního rizika. Jako horní hranice životnosti techto lopatek u plynových turbín typu GT 750 6 lze urcit v soucasné dobe hodnotu 120 000 provozních hodin. S ohledem na skutecnost, že je nutno zabezpecit výrobu náhradních lopatek pro turbíny, u kterých již bylo dosaženo bezpecné hranice životnosti lopatek, byl zahájen vývoj nové technologie výroby techto lopatek. Byla zvolena technologie presného lití pomocí metody vytavitelného modelu. Jako konstrukcní materiál lopatek byl zvolen materiál IN 713LC a materiál LVN4. Pro lopatky 1.rady rotor, 2. rady rotor a 1. rady stator byla navržena slitina IN 713LC, pro lopatky 3. rady rotor, 2. rady stator a 3. rady stator byla použita slitina LVN4. Chemické složení slitiny IN 713LC je uvedeno v tab. IV a chemické složení slitiny LVN4 je uvedeno v tab.v. Mechanické vlastnosti jednotlivých typu lopatek byly zjištovány v intervalu teplot < 20; 750 > C. Zjištené mechanické hodnoty jsou uvedeny v tab.vi - VIII. Výsledky zkoušek pevnosti v tahu vykazují velmi dobré pevnostní vlastnosti až do oblasti provozních teplot turbíny GT750-6. Odlitky lopatek byly navrženy pouze sminimálním prídavkem na závesu lopatek, který se následne mechanicky opracovává, listy lopatek u všech typu jsou odlévány bez prídavku na mechanické opracování s výjimkou technologického konce lopatky. Tím se dosáhlo vysoké úspory jak na materiálu, tak i pri obrábení lopatek oproti lopatkám zápustkove kovaným. Navržený tvar odlitku však vyžaduje vysokou presnost jak pri lisování voskových modelu, tak i pri výrobe keramické formy a vlastním odlévání lopatek. Tato presnost musí být reprodukovatelná pri sériové výrobe lopatek. Pro výrobu voskových modelu se používá vosk, zabezpecující velkou tvarovou stálost a opakovatelnost procesu, rovnež tak je dovážen speciální písek na bázi Al 2 O 3 a SiO 2 pro výrobu keramických forem. Tavení používaných materiálu a odlévání lopatek probíhá ve vakuu za prísného dodržování teplot lití a predepsané úrovne vakua. Veškeré odlitky jsou podrobeny 100% kontrole na výskyt vnitrních a povrchových vad. Tyto kontroly jsou vyhodnocovány dle predepsaných technických podmínek. Rovnež každá provozní dávka odlitku je podrobena mechanickým zkouškám dle sjednaných podmínek. Temito zkouškami a prísným dodržováním predepsaného technologického postupu je zabezpecená vysoká kvalita všech odlitku. 3. Záver Výsledkem vývojových prací bylo zvládnutí technologie presného lití lopatek plynové turbíny typu GT 750 6 ze superslitin na bázi niklu. V soucasné dobe jsou již tyto lopatky dodávány pro generální opravy turbín a pracují bez poruchy. Soucasne jsme vyvinuli a provozne zavedli výrobu presne litých mezilopatkových vložek a segmentu nosicu lopatek, které jsou rovnež potrebné jako náhradní díly techto turbín. 2
LITERATURA 1. HRBÁCEK, K., JOCH, A., SVOBODA, O., HRBÁCEK, K., BOŽEK, J. Centrum vývoje litých niklových slitin urcených pro extrémní podmínky pri vysokých teplotách. Zpráva 00/01, PBS Velká Bíteš, 2000 2. PODHORNÁ, B., KUDRMAN, J., CMAKAL, J. Centrum vývoje litých niklových slitin urcených pro extrémní podmínky pri vysokých teplotách. Zpráva c.927, ŠKODA ÚJP Praha, 2000 3. HRBÁCEK, K., BURIAN, P., JOCH, A., HRBÁCEK, K. ml., ŠUSTEK, P., SVOBODA, O. Centrum vývoje litých niklových slitin urcených pro extrémní podmínky pri vysokých teplotách. Zpráva 01-02, PBS Velká Bíteš, 2001 4. PODHORNÁ, B., KUDRMAN, J., CMAKAL, J. Centrum vývoje litých niklových slitin urcených pro extrémní podmínky pri vysokých teplotách. Zpráva c.964, ŠKODA ÚJP Praha, 2001 5. HRBÁCEK, K., BURIAN, P., JOCH, A., HRBÁCEK, K. ml., ŠUSTEK, P., SVOBODA, O. Centrum vývoje litých niklových slitin urcených pro extrémní podmínky pri vysokých teplotách. Zpráva 01-02, PBS Velká Bíteš, 2001 6. SKLENICKA, V., KUCHAROVÁ, K., DANEK, R. Soubor creepových zkoušek materiálu IN 738LC pro litá kola. ÚFM AV CR Brno, 2002 7. CHLUPOVÁ, A., OBRTLÍK, K. Nízkocyklová únava materiálu Inconel 738LC. ÚFM AV CR Brno, 2002 8. KUNZ, L.: Vysokocyklová únavová životnost superslitiny IN 738LC. ÚFM AV CR Brno, 2002 9. PODHORNÁ, B., KUDRMAN, J. Výzkum materiálových vlastností a vývoj nových technologií presného lití spojených s náhradou kovaných žárupevných slitin za lité slitiny. Zpráva UJP 1047, Praha, 2003 10. SKLENICKA, V., KUCHAROVÁ, K., DANEK, R. Soubor creepových zkoušek materiálu IN 738LC. ÚFM AV CR Brno, 2003 3
Tabulka I. Chemické složení slitiny IN 738LC v %hm. C 0,09-0,13 Mn max. 0,20 Si max. 0,30 Cr 15,7-16,3 Ti 3,20-3,70 Al 3,20-3,70 Fe max. 0,50 B 0,007-0,012 Zr 0,03-0,08 Nb 0,60-1,10 Ta 1,50-2,00 Mo 1,50-2,00 W 2,40-2,80 Cu max. 0,10 Co 8,00-9,00 P max. 0,015 S max. 0,015 Ni zbytek Tabulka II. Chemické složení slitiny Udimet 500 v %hm. C max. 0,10 Mn max. 0,20 Si max. 0,30 Cr 16,0-20,0 Mo 3,0-5,0 Fe max. 2,0 B 0,002-0,010 Co 16,0-20,0 Ti 2,50-3,25 Al 2,50-3,25 Cu max. 0,10 P max. 0,015 S max. 0,015 Ni základ 4
Tabulka III. Chemické složení materiálu N 155 v %hm. C max. 0,20 W 2,00-3,00 Mn 1,00-2,00 Nb+Ta 0,75-1,25 Si max. 1,0 Co 18,5-21,0 Cr 20,0-22,5 N 2 0,10-0,20 Ni 19,0-21,0 P max. 0,04 Mo 2,50-3,50 S max. 0,03 Fe zbytek Tabulka IV. Chemické složení slitin IN 713C, IN 713LC v %hm. IN 713 C IN 713 LC C 0,08-0,20 0,03-0,07 Mn max. 0,25 max. 0,25 Si max. 0,50 max. 0,50 Cr 12,0-14,0 11,0-13,0 Ti 0,50-1,00 0,40-1,00 Al 5,50-6,50 5,50-6,50 Fe max. 2,50 max. 0,50 B 0,005-0,015 0,005-0,015 Zr 0,050-0,150 0,050-0,150 Nb + Ta 1,80-2,80 1,50-2,50 Mo 3,80-5,20 3,80-5,20 Cu max. 0,50 max. 0,50 Co max. 1,0 max. 1,0 S max. 0,015 max. 0,015 P max. 0,015 max. 0,015 Ni zbytek zbytek Tabulka V. Chemické složení slitiny LVN4 v %hm. C max. 0,10 Mn max. 1,0 Si max. 1,0 Cr 18,0-22,0 Ti 2,00-2,70 Al 0,50-1,00 Ti + Al min. 3,00 Fe max. 5,00 B 0,005-0,010 Cu max. 0,25 Ni zbytek 5
Tabulka VI. Výsledky zkoušek pevnosti v tahu, materiál IN713LC Lopatková rada 1. rotor 2. rotor 1. stator Oznacení vzorku Teplota [ C] Rm [MPa] Rp02 [MPa] A5 [%] Z [%] 1R1L 20 775 741 6,5 13,5 1R2L 600 795 706 8,7 10,7 1R3L 650 785 687 6,5 10,7 1R4L 700 836 735 8,1 12,6 1R5L 750 834 690 6,3 6,4 1R1Z 20 834 760 5,7 12,2 1R2Z 600 825 713 7,5 13,1 1R4Z 700 781 725 4,7 6,4 1R5Z 750 867 714 6,9 6,9 2R1L 20 871 747 10,4 10,2 2R2L 600 913 821 2,9 5,9 2R4L 700 946 782 6,9 15,3 2R5L 750 929 712 8,8 13,5 2R1Z 20 817 718 8,3 9,8 2R2Z 600 760 674 8,1 10,3 2R3Z 650 800 710 6,0 3,5 2R4Z 700 816 767 3,5 5,4 2R5Z 750 777 695 4,1 5,4 1S2L 600 795 719 4,9 6,9 1S4L 700 777 718 6,0 13,5 1S5L 750 813 708 5,5 9,8 1S1Z 20 793 704 16,1 21,2 1S2Z 600 889 712 7,5 13,1 1S3Z 650 781 712 6,9 13,0 1S4Z 700 810 701 9,3 21,2 1S5Z 750 731 662 8,7 15,9 6
Tabulka VII. Výsledky zkoušek pevnosti v tahu, materiál LVN4 Lopatková rada 3. rotor 2. stator Oznacení vzorku Teplota [ C] Rm [MPa] Rp02 [MPa] A5 [%] Z [%] 3R1L 20 604 516 8,4 10,7 3R2L 600 530 430 14,8 14,9 3R3L 650 560 456 15,5 23,1 3R4L 700 502 446 12,0 18,1 3R5L 750 465 436 6,9 16,3 3R1Z 20 511 506 5,7 5,0 3R2Z 600 467 438 6,0 11,7 3R3Z 650 525 449 7,7 23,1 3R4Z 700 456 446 4,8 16,3 3R5Z 750 431 400 6,4 17,2 2S1L 20 547 522 3,9 5,9 2S2L 600 481 444 6,5 12,6 2S1Z 20 634 525 9,7 14,4 2S2Z 600 581 453 13,5 26,0 2S4Z 700 439 367 8,7 15,4 2S5Z 750 398 347 11,1 10,7 3. stator 3S1Z 20 523 507 6,7 16,3 3S2Z 600 441 398 10,9 18,1 3S3Z 650 436 405 7,1 15,9 3S4Z 700 430 400 7,6 9,8 3S5Z 750 394 307 22,7 22,1 7
Tabulka VIII. Výsledky merení tvrdosti lopatek Slitina lopatky IN713LC Typ lopatky 1. stator 1. rotor 2. rotor 2. stator 3. stator Oznacení vzorku Místo merení tvrdosti A Místo merení tvrdosti B Namerené Strední Namerené Strední hodnoty hodnota hodnoty hodnota 1SP1 418, 389, 411 406 373, 348, 362 361 1SP2 404, 393, 375 391 360, 370, 375 368 1SP3 415, 406, 400 407 370, 351, 358 360 1SP4 400, 415, 409 408 366, 362, 353 360 1SP5 413, 396, 398 402 348, 358, 366 357 1RP1 441, 429, 409 426 348, 370, 371 363 1RP2 429, 427, 402 412 377, 383, 364 375 1RP3 409, 409, 409 409 362, 383, 377 374 1RP4 406, 398, 404 403 370, 391, 396 386 1RP5 425, 439, 406 423 383, 383, 370 379 2RP1 406, 396, 406 403 387, 371, 377 378 2RP2 393, 402, 409 401 379, 368, 370 372 2RP3 406, 404, 404 405 375, 381, 387 381 2RP4 402, 396, 409 402 381, 371, 393 382 2RP5 396, 413, 398 402 377, 381, 366 375 3RP2 264, 280, 286 277 295, 280, 287 287 3RP3 283, 299, 276 286 276, 272, 277 275 3RP4 295, 261, 294 283 290, 283, 294 289 3RP5 289, 287, 276 284 286, 293, 287 289 2SP1 297, 293, 302 297 283, 301, 302 295 2SP2 298, 297, 276 290 276, 282, 268 275 2SP3 243, 242, 258 247 246, 269, 266 260 2SP4 246, 258, 269 258 258, 260, 249 256 3SP1 266, 258, 263 262 256, 258, 265 260 3SP2 237, 247, 268 251 269, 268, 274 270 3SP3 231, 238, 238 236 270, 266, 264 267 3SP4 240, 242, 256 246 274, 268, 271 271 3SP5 248, 231, 251 243 248, 264, 261 258 248, 242, 248 246 260, 256, 258 258 8
Lopatka 1. rotorové rady Lopatka 2. rotorová rady Lopatka 3. rotorové rady Obr.1 9
Lopatka 1. statorové rady Lopatka 2. statorové rady Lopatka 3. statorové rady Obr.2 10