Abtrag an Metall durch experimentellen Tropfenschlag

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1 Abtrag an Metall durch experimentellen Tropfenschlag 1. Allgemeines In den Niederdruckteilen der Turbinen kondensiert der Dampf, dass heißt, es tritt Wasser in Form von Tropfen auf. Mit der Größe einer Dampfturbine steigt auch die Umfangsgeschwindigkeit der Schaufelspitzen und damit letztlich die Aufprallgeschwindigkeit der Tropfen. An der Anströmkante kann es durch die auftreffenden Tropfen zum Abtrag von Material kommen. Diese Erscheinung wird als Erosion durch Tropfenschlag bezeichnet. Betroffen sind auch Rotoren von Hubschraubern und Windkraftanlagen. Zur Untersuchung dieser Art von Schädigung wird in Laborversuchen gewöhnlich der Aufprall von (kontinuierlichen) Wasserstrahlen anstelle von Tropfen genutzt, weil sich der Durchmesser besser beherrschen lässt (Tropfenschlagprüfung nach ASTM G73). Für die vorliegende REM-Untersuchung wurden Proben aus Wasserstrahlexperimenten angeliefert, welche in [1] beschrieben wurden. Folgende Parameter wurden genutzt: Auftreffgeschwindigkeit 85 m/s Strahlradius 3 mm Benutzte Werkstoffe: (1) rostfreier Stahl (230 HB; 0,16...0,24 % C, % Cr, Ni max. 0,6%, Si 0,6 %, Mn 0,6 % = X20Cr13) (2) Aluminium (130 HB; 3,8...4,8 % Cu, 0,4...0,8 % Mg, 0,4...0,8 % Mn = Duraluminium) 2. Untersuchungen 1.1. Stahlprobe Die Platte wurde tiefgreifend ausgehöhlt (Bild 1). Bild 1: Übersichtsaufnahme; starke Zerklüftung

2 Von Interesse ist das Anfangsstadium der Abzehrung. Dieses findet sich an den Rändern des Schadensbereiches. Die Trennung entsteht in einer gewissen Tiefe und arbeitet sich keilförmig unter der Oberfläche vor. Diese wird schollenartig aufgeworfen. Es bilden sich Abtragsmulden aus, die zunächst noch flach sind (Bild 2 und Bild 3). Bild 2: Rand der Abzehrung, keilförmige Abtragsmulden Bild 3: Werkstoff ausgeschält Bild 2, links) 2

3 Es bilden sich Späne, welche abreißen (Bild 4) Bild 4: aufgewölbte Scholle mit Abbruchzone Bild 3) Wenn sich ein Defekt seitlich ausbreitet, wird das Material zipfelartig aufgeworfen, Andeutung von Waben an der Unterseite des Zipfels (Bild 5). Bild 5: Rand zipfelartig hoch gezogen, Karbide am Muldenboden Bild 2, Mitte) 3

4 Der Abtrag schreitet in die Tiefe fort, indem er die Unterlage inselartig aufteilt, also wiederum Schollen bildet (Bild 6). Bild 6: Matrix inselartig aufgelockert her Bild 2, rechts unten) Eine weitere (keilförmige) Ausbruchsmulde wird in Bild 7 dargestellt. Ihre Ränder sind aufgeworfen, unterliegen aber schon wieder der Einebnung. Bild 7: Abtragsmulde, Ränder aufgeworfen 4

5 An der Spitze der Mulde sind Abreißzonen zu sehen, die eine wabige Struktur aufweisen. Damit werden auch Karbide sichtbar (Bild 8 und Bild 9). Bild 8: Wabenstrukturen an der Muldenspitze Bild 7) Bild 9: Abscherkämme und Karbide Bild 8) 5

6 Am Boden der Mulden finden sich neben feinen Scherkämmen auch transkristalline Facetten (Bild 10). Bild 10: feine Scherkämme und transkristalline Facetten am Muldenboden dem Zentrum von Bild 7) 2.2 Aluminiumprobe Der Abtrag erzeugte wiederum eine starke Zerklüftung (Bild 11). Bild 11: Übersichtsaufnahme; tiefe Aushöhlung 6

7 Betrachtet wird der untere Rand der Abtragszone. Die Mulden sind rundlich ausgebildet, statt keilförmig wie beim Stahl (Bild 12). Bild 12: rundliche Abtragsmulden am Rand der Schadenszone Die Mulden untergliedern sich in selbständige Abtragsbereiche. Am Rand wurde das Material wulstartig aufgeworfen (Bild 13). Bild 13: gegliederte Abtragsmulde mit Randwulst Bild 12) 7

8 In den Kratern werden Ausscheidungen in zeiliger Anordnung sichtbar (Bild 14 und Bild 15). Bild 14: Einzelkrater, helle Punkte Bild 13, halblinks Bild 15: zeilig angeordnete Ausscheidungen als helle Punkte 8

9 In Zonen, in denen der Abtrag schon weiter fortgeschritten war, fanden sich Bruchbahnen mit konzentrischer Querstreifung (Bild 16 und Bild 17). Bild 16: divergierende Bruchbahnen mit Querstreifung Bild 17: Querstreifung konzentrisch Bild 16) 9

10 Zum Zwecke des Vergleichs soll abschließend gezeigt werden, wie sich der Tropfenschlag in der Turbine ausbildet (Schaufelstahl X20Cr13). Der Angriff erfolgt in Form von Nadelstichen, siehe Bild 18. Bild 18: Tropfenschlag in einer 210 MW-Turbine; Angriff stark punktuell (Vergrößerungsfolge, aus [2]) 3. Diskussion Bei Stahl erfolgt die Abzehrung in zwei Etappen: In einer gewissen Tiefe bildet sich eine Ermüdungsriss aus; dieser unterfährt die Oberflächenzone, wodurch diese regelrecht abgespant wird. Beim Abreißen der Späne spielt auch Gewaltbruch eine Rolle. Anschließend wird die Unterlage ausgehöhlt. Beim Aluminium wird zunächst die Oberfläche verformt. Es bilden sich Einzelkrater aus, deren Ränder aufgeworfen sind. Beim Vordringen in die Tiefe werden offenbar einzelne Flitter abgehoben. Mit quergestreiften Bruchbahnen zeigen sich die Merkmale des Ermüdungsbruches. Die primäre Rissbildung sollte bei Stahl in einer Tiefe von % des Tropfen- oder Strahlradius (in unserem Falle R = 3 mm) einsetzen [3]. Bei Aluminium sind auf Grund der höheren Plastizität die Verhältnisse nicht so eindeutig. In der betrieblichen Praxis sind die Tropfen um Größenordnungen kleiner. Als Folge liegen die Risszentren flacher und die Trennung wird weniger in die Breite getrieben. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass Stahl auf den Einschlag der Tropfen primär elastisch reagiert, Aluminium dagegen plastisch. Literatur [1] Horvat, V., Kryzanowski, J.; Weigle; B.: Gdansk: Prace Instytutu Maszyn Przeplywowych 1975, S [2] Möser, M.: Tropfenerosion und Korrosionsermüdung an einer Turbinenschaufel (in dieser Homepage) [3] Beckmann, G.: private Mitteilung (und Bereitstellung der Proben) Martin Möser, 11. November