TMS-138 Einkristall-Gusswerkstatt für Turbinenscheiben zur Stromerzeugung

Kerntechnologie: Einkristallguss von TMS-138

Wir verwenden Vakuum-Richtungserstarrung in einem Bridgman-Ofen, um TMS-138-Turbinenscheiben mit kontrollierter [001]-Kristallorientierung zu gießen. Die Legierung wird im Vakuum bei ~1460°C geschmolzen und in auf ~1100°C vorgewärmte Keramikschalenformen gegossen. Abzugsraten von 1–3 mm/min werden eingehalten, um einkristalline Kornstrukturen ohne Korngrenzen zu erzeugen, was die Langzeit-Kriech- und Ermüdungslebensdauer unter kontinuierlichem Hochspannungs-Turbinenbetrieb verbessert.

Materialeigenschaften der TMS-138-Legierung

TMS-138 ist eine Einkristall-Superlegierung (SX) der vierten Generation, die vom National Institute for Materials Science (NIMS) in Japan entwickelt wurde. Sie zeichnet sich durch einen hohen γ′-Volumenanteil und einen signifikanten Rheniumgehalt für Kriechbeständigkeit und Phasenstabilität aus. Zu den Haupteigenschaften gehören:

Diese Eigenschaften machen TMS-138 zu einem der fortschrittlichsten Materialien für Turbinenscheibenanwendungen in hocheffizienten Gasturbinenmotoren.

Fallstudie: TMS-138-Turbinenscheibenproduktion

Projekthintergrund

Ein Projekt für ein Kraftwerk der nächsten Generation mit kombiniertem Kreislauf benötigte hochfeste, kriechbeständige Turbinenscheiben, die bei 1150–1200°C unter hoher Rotationsspannung arbeiten können. TMS-138 wurde aufgrund seiner Leistungsmerkmale der vierten Generation ausgewählt. Wir fertigten Einkristall-Turbinenscheiben mit vollständiger [001]-Orientierung, HIP-Konsolidierung und Endbearbeitung, um den Normen ISO 19443 und ASME Section III für rotierende Maschinen zu entsprechen.

Typische Anwendungen in der Stromerzeugung

• Hochdruck-Turbinenscheiben (z.B. Siemens HL-Klasse, GE HA-Klasse): TMS-138-Scheiben bieten außergewöhnliche Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit in den anspruchsvollsten Turbinenstufen.

• Einkristall-Rotorscheiben der zweiten Stufe: Einkristall-Scheiben im sekundären Turbinenabschnitt bieten eine verlängerte Kriechlebensdauer und Maßhaltigkeit unter schweren Lastzyklen.

• Übergangskupplungsscheiben: Kritische rotierende Strukturen, die heiße Gasabschnitte mit kalten Verdichterstufen verbinden und eine unübertroffene Ermüdungs- und Phasenstabilität erfordern.

• Rotorscheiben für fortschrittliche Kreisläufe: Komponenten, die für superkritische CO₂- oder geschlossene Brayton-Kreislaufsysteme ausgelegt sind, bei denen thermische Ermüdung und Oxidationskontrolle von größter Bedeutung sind.

Diese Anwendungen unterstreichen die Rolle von TMS-138 bei der Maximierung der Turbinenleistung, Lebensdauer und Wärme-zu-Strom-Effizienz unter extremen thermischen und mechanischen Bedingungen.

Fertigungslösungen für TMS-138-Turbinenscheiben

Gussprozess Wachsbaugruppen werden in präzisen Geometrien aufgebaut und in Keramikschalenformen eingebettet. Vakuumschmelzen bei ~1460°C und Bridgman-Richtungserstarrung erzeugen [001]-orientierte Einkristallscheiben. Die Abkühlprofile sind optimiert, um Streukörner zu eliminieren und eine fehlerfreie Struktur über Scheibennaben und Außenränder sicherzustellen.

Nachbearbeitung Heißisostatisches Pressen (HIP) bei 1190°C und 100 MPa wird angewendet, um den Guss zu verdichten und eventuelle Restporosität zu beseitigen. Nach-HIP-Lösungs- und Auslagerungswärmebehandlungen optimieren die γ′-Verteilung und die mikrostrukturelle Gleichmäßigkeit.

Nachbearbeitung CNC-Bearbeitung gewährleistet enge Toleranzen für Bohrungsdurchmesser, Lochkreise und aerodynamische Profile. EDM ermöglicht die Formgebung feiner Merkmale, und Tiefbohren wird für innere Spannungsentlastung oder Kühllöcher durchgeführt.

Oberflächenbehandlung Wärmedämmschichten (TBC) wie YSZ werden auf die Scheibenflächen aufgebracht, um thermische Belastungen und Oxidationsschuppenbildung zu reduzieren. Diffusionsaluminid- oder Platin-Aluminid-Beschichtungen sind für zusätzlichen Korrosionsschutz verfügbar.

Prüfung und Inspektion Jede Scheibe durchläuft Röntgen-zerstörungsfreie Prüfung, CMM-Maßverifikation, Kriech- und Zugprüfungen sowie metallografische Analyse, um die Kornorientierung, γ′-Morphologie und Gussintegrität zu bestätigen.

Kernfertigungsherausforderungen

• Sicherstellung der Einkristall-[001]-Orientierung in großen Turbinenscheibendurchmessern.

• Verhinderung der Bildung von Streukörnern und thermischer Verformung während der Richtungserstarrung.

• Aufrechterhaltung der mechanischen Konsistenz über komplexe Naben- und Randgeometrien hinweg.

• Erreichen von Niederzyklus-Ermüdungsbeständigkeit und Oxidationskontrolle im kontinuierlichen Hochlastbetrieb.

Ergebnisse und Verifikation

• Einkristallintegrität durch Laue-Röntgenbeugung und REM-Abbildung verifiziert.

• Porosität <1% nach HIP durch radiografische und Dichteprüfung bestätigt.

• Kriechbruch ≥220 MPa bei 1100°C durch 1000-Stunden-Testzyklen validiert.

• Maßtoleranz innerhalb ±0,05 mm durch mehrachsiges CMM-Scannen bestätigt.

• Keine γ′-Vergröberung oder Oberflächenabschuppung nach 1000 thermischen Ermüdungszyklen bei 1200°C.

FAQs

1. Warum ist TMS-138 ideal für den Einkristall-Turbinenscheibenguss in der Stromerzeugung?

2. Wie wird die Richtungserstarrung während des TMS-138-Gusses gesteuert?

3. Welche Oberflächenbehandlungen sind mit TMS-138 kompatibel, um die Oxidationsbeständigkeit zu verbessern?

4. Können TMS-138-Scheiben für hybride oder fortschrittliche Kreislaufturbinenplattformen angepasst werden?

5. Welche Qualitätszertifizierungen und Prüfverfahren unterstützen die Konformität bei kritischen rotierenden Komponenten?