Wärmebehandlung

Dank geeigneter Behandlung hohen Temperaturen standhalten

Turbinen- und Kompressorenteile sind im Betrieb häufig hohen Temperaturen ausgesetzt. Das kann die Stahlstruktur verändern und zu Versagen führen. Sulzer bietet spezielle Wärmebehandlungsprozesse zur Verbesserung der Härte, Dehnbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, Kriechwiderstand und Stärke.

Statorschaufeln von Gasturbinen auf Korrosionswiderstand behandelt

Legierte Stähle

Diese werden für Turbinenwellen und Turbinengehäuse verwendet, sowie für Schaufeln und Räder von sowohl Kompressoren als auch Dampfturbinen.

  • Stahlaushärtung: Stahl der Kohlenstoff enthält kann bis zum Glühen erhitzt werden. In diesem Zustand ist der Stahl sehr schwach und dehnbar und kann leicht geformt werden. Durch die Löschung in Wasser wird der Stahl hart und stark aber auch spröde. Diese Härte kann durch ein Temperieren bei mittlerer Temperatur reduziert werden.
  • Gut ausgearbeitete Wärmebehandlungen nutzen diese Effekte, um hochfeste aber dennoch dehnbare Stähle zu schaffen. Wir nutzen diese Wärmebehandlungen zur Optimierung der mechanischen Eigenschaften Ihrer Komponenten und der Verlängerung der Lebensdauer Ihrer Maschine.
  • Niedriglegierte Stähle enthalten einen geringeren Prozentsatz an Legierungselementen. Diese Legierungen haben verschiedene Kristallstrukturen bei unter und über ungefähr 800 °C. Wenn sie aufgewärmt oder abgekühlt werden, rekristallisieren diese Materialien, wenn diese Temperatur über- oder unterschritten wird. Ein solcher Prozess kann zur Verfeinerung der Korngrösse in grossen Schmiede- und Gussteilen verwendet werden. Eine feinkörnige Struktur bietet bessere Stärke und Dehnbarkeit.
  • Beim schnellen Abkühlen wird die Rekristallisierung noch nicht abgeschlossen sein. Die resultierende Struktur wird “Martensit” genannt. Martensit unterliegt hohen internen Spannungen. Es ist sowohl hart und fest als auch spröde und somit zu empfindlich für Risse in den meisten Anwendungen.
  • Eine zusätzliche Wärmebehandlung bei mittlerer Temperatur (300 °C bis 750 °C) reduziert die Empfindlichkeit gegenüber von Rissen und bringt die Härte auf angemessene Werte.
  • Jegliche Aktivitäten wie Schweissen, die eine Legierung punktuell auf mehr als 800 °C aufheizen, kreieren zwangsläufig in diesem Bereich beim Abkühlen Martensit. Schweissnähte sind somit unzulässig spröde, ausser eine angemessene Wärmebehandlung wurde durchgeführt.
  • Sulzer hat diese Verfahren im Einsatz und kann sie auf Ihren Bedarf zuschneiden.

Die Eigenschaften der meisten Materialien werden durch die Wärmebehandlung während der Produktion sowie durch deren Zusammensetzung bestimmt. Für die meisten Materialien sind Wärmebehandlungen eine absolute Notwendigkeit, um die erforderliche Stärke, Dehnung, Kriechwiderstand, Korrosionswiderstand oder Härte zu erzielen.

Die Art der erforderlichen Wärmebehandlung hängt erheblich von den verschiedenen Materialgruppen ab. Für ein bestimmtes Material könnten für Produktion, Schweissen, Aushärtung oder Instandsetzung verschiedene Wärmebehandlungen erforderlich sein.

Erfahrenes Schweisspersonal

Unser erfahrenes Personal schweisst jeden Tag Turbinenwellen, Turbinengehäuse und Schaufeln von sowohl Kompressoren als auch Dampfturbinen. Ein wesentlicher Erfolgsfaktor ist ein gut ausgearbeitetes Wärmebehandlungsverfahren während und nach dem Schweissen.

Austenitische Stähle und geschmiedete Superlegierungen

Diese Legierungen kommen in der Regel mit Verbrennungskomponenten und ähnlichen gering belasteten Komponenten zum Einsatz.

Die Legierungen enthalten einen hohen Prozentsatz an Legierungselementen. Deren austenitische Struktur ist dicht und bietet somit einen guten Kriechwiderstand. Gleichzeitig ist die Struktur in allen Temperaturen stabil. Da es keine Phasenänderungen gibt, werden austenitische Legierungen bei Temperaturwechselbeanspruchung in Wärmebehandlungen oder beim Schweissen nicht aushärten.

Lösungsglühen kann in fertigen Komponenten verwendet werden, um spröde Phasen und Korngrenzenkarbide aufzulösen. Überhitzung kann zu irreparabler Grobkornbildung führen. Wir wählen den Prozess sorgfältig aus, um Schäden an Ihren Komponenten zu vermeiden.

 

Gasturbinen können für Kriechwiderstand wärmebehandelt werden

Hochlegierte und gegossene Superlegierungen

Diese Legierungen werden in Schaufeln und Rädern im Hochtemperaturbereich von Gasturbinen verwendet.

  • Superlegierungen enthalten Elemente, die Sekundärphasen schaffen. Sekundärphasen können als Körnungspartikel gesehen werden, die in Kristallen eingebettet sind und zusammen mit den Korngrenzen der Legierung auftreten. Deren Vorhandensein steigert den Kriechwiderstand erheblich. Für die beste Qualität muss deren Form und Verteilung optimiert werden.
  • In Legierungen auf Kobaltbasis sind Karbide diese Sekundärphasen. In nickelbasierten Legierungen wird Aluminium (plus Titan, Niob und/oder Tantal) mit Nickel kombiniert, um Ni3Al zu formen. Diese Phase wird für gewöhnlich “Gamma Prime” (γ’) genannt und die Partikel für gewöhnlich “Präzipitate”.
  • Diese Sekundärphasen, die bis zu 50 % oder mehr des Legierungsvolumens ausmachen können, werden durch Wärmebehandlungen kreiert und geformt. Obwohl die Aushärtungseffekte gering sind, werden diese Wärmebehandlungen oft auch “ausscheidungshärtende Wärmebehandlungen” genannt. Das Ziel ist nicht die Aushärtung der Legierung, sondern die Schaffung einer feinen Verteilung der Partikel, die optimal für einen Kriechwiderstand bei bestimmten Temperaturen ist.
  • Feine Präzipitate sind am besten für hohe Stärke und Kriechwiderstand bei mittleren Temperaturen, grobe Präzipitate sind am besten für Kriechwiderstand bei hohen Temperaturen.
  • Hochlegierte und gegossene Superlegierungen eignen sich für einen Betrieb bei hohen Temperaturen. “Der Betrieb” kann als langfristige Wärmebehandlung betrachtet werden, die über die Zeit erhebliche Veränderungen auslösen kann. Feine Präzipitate tendieren zum Verschmelzen oder Auflösen und grobe Präzipitate tendieren dazu, noch gröber zu werden.
  • Die Wärmebehandlung dieser Legierungen besteht sowohl in der Produktion als auch in der Instandsetzung aus Lösungsglühen bei hohen Temperaturen, gefolgt von einem oder mehreren Präzipitationsschritten bei mittlerer Temperatur. Sowohl die Temperatur als auch die Dauer dieser Schritte muss sorgfältig ausgewählt werden und zwischenzeitliches Abkühlen könnte ebenfalls erforderlich werden.

Restaurative Wärmebehandlungen

Wie oben beschrieben, könnten die verwendeten Komponenten eine veränderte (degenerierte) Struktur entwickelt haben. Eine degenerierte Struktur weist eine Vergröberung der vorhanden Phasen sowie eine Bildung neuer aber schädlicher Phasen auf, wie die Sigma-Phase, die extrem spröde ist.

Diese Phasen sorgen für punktuelle inhomogene Bereich, aber die allgemeine Zusammensetzung der Legierung bleibt unverändert. Eine regenerative Wärmebehandlung beginnt mit einem Lösungsglühen bei sehr hohen Temperaturen, die sowohl die Präzipitat- als auch schädlichen Phasen auflöst. Nach diesem Schritt wird eine modifizierte Version der Standard-Wärmebehandlung verwendet, um die vorgesehene Originalstruktur und Verteilung der Präzipitate zu erzielen.

Heissisostatisches Pressen (HIP)

Eine HIP-Behandlung ist eine Wärmebehandlung in einer hoch temperierten Lösung, die mit 1.000 bis 2.000 bar Argondruck durchgeführt wird. Dieser isostatische Druck schliesst die internen Hohlräume eines Gussteils, wenn die Legierung bei hohen Temperaturen schwach und dehnbar ist. Dies ist eine bewährte Technologie für die Verbesserung von präzisionsgegossenen Produkten, wie Schaufeln und Räder von Gasturbinen.

Wärmebehandlungen sind ein wesentlicher Schritt im Service und der Reparatur von Turbinen- und Kompressorenkomponenten. Unsere umfangreiche Erfahrung mit Wärmebehandlungen kann die Lebensdauer Ihrer Komponenten verlängern. Unsere Experten schneiden das Verfahren für alle Legierungen, Komponenten und Komponentenzustände zu.
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