Jörg Völker

Hot cracking in the HAZ of laser-drilled turbine blades made from René 80

Abstract Advanced film cooling technologies for hot gas path components in gas turbine engines with still constantly increasing inlet temperatures require special manufacturing processes. Today, laser radiation is the preferred means of drilling a large number of small-diameter cooling holes in turbine parts made of nickel-base superalloys. Most of these materials, however, exhibit a relatively high susceptibility to hot cracking in the heat affected zone (HAZ) adjacent to the recast layer. Comprehensive metallographical examinations have been performed to optimise laser drilling parameter settings to minimize hot cracks. In the case of René 80, there seems to be a pronounced microstructural influence on hot cracking sensitivity, i.e. identical laser parameters may produce quite different crack lengths, dependent upon local microstructure in the immediate vicinity of the drilled hole. Grain size, grain boundary morphology and orientation, and primary carbide distribution apparently have a significant influence. These interdependencies should be taken into account when acceptable crack lengths are specified. As far as conventionally investment cast components are concerned, influencing local microstructural features with economically viable effort may be unrealistic.

Schäden an Brennerkomponenten von Heavy Duty-Gasturbinen

Kurzfassung Brenner sind Schlüsselkomponenten in Turbomaschinen mit interner Verbrennung. Sie ermöglichen in Großgasturbinen für Kraftwerke eine besonders magere Verbrennung und tragen so wesentlich zum wirtschaftlichen Betrieb bei. Abhängig vom Design sind sie häufig statisch und dynamisch hoch beansprucht. Bei der Fertigung dieser sowohl geometrisch als auch werkstofftechnisch komplexen Bauteile spielen schmelzschweisstechnische Fügeverbindungen eine wichtige Rolle. An drei ausgewählten Schadensbeispielen, die mit gerissenen Schweissnähten in Zusammenhang stehen, wird gezeigt, dass fast immer eine Kombination mehrerer Ursachen schadensauslösend wirkt. Besonderer Wert wird dabei auf die Betrachtung konstruktions-, fertigungs-, montage- und betriebsbedingter Einflüsse und Ursachen gelegt. Die als Datenträger wichtigen Bruchflächen der Schadensteile zeigen in den vorgestellten Fällen Schwingbrüche und Heißrisse als werkstofftechnische Versagensmechanismen.

Heißrissbildung in der Wärmeeinflusszone lasergebohrter Turbinenschaufeln aus der Nickelbasis-Superlegierung René 80

Kurzfassung Moderne Filmkühltechnologien für Heißgasteile von Gasturbinen mit nach wie vor steigenden Eintrittstemperaturen erfordern spezialisierte Fertigungsverfahren. Inzwischen ist der Laser das bevorzugte Werkzeug zum Herstellen einer großen Anzahl kleiner Filmkühlbohrungen in Turbinenteilen aus Nickelbasis-Superlegierungen. Die meisten dieser Werkstoffe sind allerdings in der an die umgeschmolzene Schicht grenzenden Wärmeeinflusszone heißrissempfindlich. Umfangreiche metallographische Untersuchungen, die zur Parameteroptimierung durchgeführt wurden, zeigten für den Werkstoff René 80 einen ausgeprägten Gefügeeinfluss auf die Heißrissempfindlichkeit, d.h. gleiche Laserparameter können je nach lokaler Gefügeausbildung in unmittelbarer Bohrungsumgebung zu unterschiedlichen Heißrisslängen führen. Korngröße, Korngrenzenform und -lage sowie die Ausbildung der Primärcarbide scheinen eine wesentliche Rolle zu spielen. Diese Zusammenhänge sollten bei der Festlegung zulässiger Heißrisslängen berücksichtigt werden, da eine Einflussnahme auf die lokalen Gefügeparameter bei konventionellen Feingussprozessen mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand nicht realistisch erscheint.

Failure of a dampening pin: Combination of dynamic service load and increased notch effect because of surface roughness

Abstract As revealed by an inspection of hot gas path components, a dampening pin for the stage 4 moving blades of an industrial gas turbine for power plant applications brake in the summer of 2003. The failure mode of the fractured pin was high cycle fatigue. The root cause of the failure was probably a combination of the dynamic service load and an increased notch effect caused by an increased surface roughness of the pin. In the case of the notch-sensitive material Udimet 720, this was detrimental to the fatigue limit. The measured surface roughness of the failed part was out of specification and traceable to the use of non-OEM (Original Equipment Manufacturer) components. High temperature corrosion did not seem to have played a significant role in the failure mechanism.

Ausgewählte Schadensfälle aus dem Großgasturbinenbau – Werden wir aus Schaden wirklich klug?*

Kurzfassung Nach einer kurzen Beschreibung der gasturbinentypischen Leistungsmerkmale und der sich daraus ergebenden spezifischen Bauteilbeanspruchungen zeigt der Beitrag anhand einiger Fallstudien konstruktions-, fertigungs-, montage- und betriebsbedingte Komponentenschäden, die an großen Industriegasturbinen im Laufe ihrer Lebensdauer „von der Wiege bis zur Bahre“, d. h. vom „Reißbrett“ bis zur Revision im Kraftwerk, auftreten können. Folgt man der Terminologie in der angelsächsischen Literatur, die neuerdings zwischen werkstofftechnischem Schadensmechanismus (Physical oder Metallurgical Cause of Failure, z. B. Schwingungsrisskorrosion), Primärursache (Primary Cause of Failure, z. B. zu festes Anziehen einer Rohrverschraubung bei der Montage), Systemursache (Root Cause of Failure, z. B. Verwendung eines falschen Dichtungsmaterials) und organisatorischer Ursache (Organizational Cause of Failure, z. B. fehlende Schulung des Personals) unterscheidet, so beziehen sich die Laboruntersuchungen der Autoren ausschließlich auf erstere Kategorie, wobei die anderen drei zumindest mit erwähnt werden. Vornehmstes Ziel jeder Schadensanalyse ist die Vermeidung von Wiederholfällen, also eines erneuten Schadenseintritts an gleichen Bauteilen unter denselben Bedingungen wie beim Erstschaden. Um „aus Schaden klug zu werden“ sei die Fachgemeinde ausdrücklich ermutigt, in geeigneter Weise noch mehr als bisher über eigene Schadensuntersuchungen zu berichten. Restriktionen und Veröffentlichungsverbote, denen der Schadensanalytiker mitunter begegnet, laufen diesem Ziel zuwider.

Applikationsbeispiele für ambulante Metallographie mittels Replikatechnik bei der zerstörungsfreien Gefügekontrolle großer Gasturbinenbauteile

Kurzfassung In der betrieblichen Qualitätssicherung großer Maschinenbauteile kommt ambulanten metallographischen Prüfverfahren eine wichtige Rolle zu. Allein durch diese Art der Prüfung können zerstörungsfrei, also ohne Probenentnahme, Aussagen zum Gefügezustand bzw. zu Gefügefehlern getroffen werden. Ihrer Größe wegen entziehen sich die meisten Bauteile einer direkten zerstörungsfreien mikroskopischen Untersuchung, sieht man von portablen Mikroskopen mit begrenzter Vergrößerung einmal ab. Im vorliegenden Beitrag werden am Beispiel der Folienabdrucktechnik eine Reihe von Anwendungsmöglichkeiten dieser Untersuchungsmethode aufgezeigt, wobei besonderer Wert auf die Darstellung der Möglichkeiten und Grenzen der lateralen Auflösung von Gefügedetails mittels Replikatechnik gelegt wurde. Die gezeigten Fallbeispiele stammen aus dem Großmaschinenbau, speziell aus der Fertigung großer Industriegasturbinen. Die extremen Temperaturdifferenzen, die in diesen Turbomaschinen herrschen und von ca. −40 °C bis 1500 °C reichen, erfordern vom Konstrukteur eine entsprechende Werkstoffauswahl. Daher reicht die Werkstoffpalette der gezeigten Fallbeispiele vom Grauguss mit Kugelgraphit bis zur Nickelbasis-Superlegierung.