Über ein neues Verständnis zum Härten großer Schmiedestücke

Gasturbinenscheiben mit einem Durchmesser von bis zu 2000 mm und Bauteildicken von über 500 mm zählen zu den großen Schmiedestücken im Kraftwerksbereich. Die Scheiben werden überwiegend aus niedrig- und hochlegierten, warmfesten Stählen hergestellt und im vergüteten Zustand eingesetzt. Beim Härten in Wasser, Polymer und/oder Luft ergeben sich, bedingt durch die Größe, starke Unterschiede in den erreichbaren Kühlraten zwischen Oberfläche und Kern, und dadurch kommt es zu hohen Eigenspannungen im Schmiedestück. In der Praxis erfolgt der Härteprozess, zur Vermeidung von Härtespannungsrissen, oft in zwei Schritten, einem Abschrecken in Wasser oder Polymer und ein anschließendes Abkühlen an ruhiger Luft. Dadurch kommt es im Bauteilinneren zu Abschreckzeiten von bis zu 12 h und am Rand zum Rückerwärmen von bereits vollständig oder teilweise umgewandelten Bereichen. Die dabei auftretenden Selbstanlasseffekte führen zu einem Absenken der Fließspannung des Martensits und einer geringen Volumenabnahme. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Eigenspannungsverteilung in einer Gasturbinenscheibe, unter Berücksichtigung aller relevanten Einflüsse, wie temperaturabhängiges Fließverhalten der Einzelphasen, Umwandlungsdehnung, TRIP-Effekt und Selbstanlasseffekte, vorherzusagen. Anhand von Kerbschlagzähigkeitsuntersuchungen wird gezeigt, dass der Bauteilquerschnitt nach dem Härten bei Raumtemperatur und darüber Bereiche mit hohen und ebenso mit niedrigen Kerbschlagzähigkeiten aufweist. Nur die Betrachtung der lokalen Eigenspannungen und der hohen Zähigkeiten erlauben eine genaue Vorhersage möglicher kritischer Rissbildungsorte.