EP3388550A1

EP3388550A1 - Komponente für eine strömungsmaschine und verfahren zur herstellung einer solchen komponente

Info

Publication number: EP3388550A1
Application number: EP17166504.5A
Authority: EP
Inventors: Bernd Maryniak
Original assignee: Inno Heat GmbH
Current assignee: Inno Heat GmbH
Priority date: 2017-04-13
Filing date: 2017-04-13
Publication date: 2018-10-17
Also published as: WO2018189380A1

Abstract

Eine Komponente (1) für eine Strömungsmaschine, die zumindest in einem Teilbereich (22) ihrer Oberfläche (20) mit einer Schutzbeschichtung (24) versehen ist, soll vergleichsweise einfach und somit kostengünstig herstellbar sein und dennoch eine besonders hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit aufweisen. Dazu ist erfindungsgemäß die Komponentenoberfläche (20) zumindest in dem Teilbereich (22) mit einer Schutzbeschichtung (24) aus einem Schmelzgemisch, gebildet aus mindestens zwei Bestandteilen aus der Gruppe SiO2, B2O3, Na2O, K2O und Al2O3, versehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Komponente für eine Strömungsmaschine wie beispielsweise eine Turbine, einen Kompressor, eine Pumpe oder einen Wärmetauscher, insbesondere zum Einsatz als thermisch, mechanisch und/oder chemisch hoch belastetes Bauteil. Sie bezieht sich weiter auf ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Komponente oder von deren Oberflächenbeschichtung.
Beim Bau und der Auslegung moderner Strömungsmaschinen ist üblicherweise eine hohe thermische, mechanische und/oder chemische Belastung der jeweiligen Komponenten zu berücksichtigen. Beispeilsweise sind in einer Hochdruck- und/oder Mitteldruck-Dampfturbine die angeströmten Komponenten wie beispielsweise Turbinenschaufeln Dampftemperaturen von mehr als ca. 600 °C ausgesetzt. Hieraus ergeben sich besondere Anforderungen an die eingesetzten Werkstoffe. Im Wesentlichen müssen die Werkstoffe, die in thermisch oder mechansich beanspruchten Zonen einer Turbine oder auch eines Kompressors verwendet werden, sowohl eine hohe Oxidationsbeständigkeit als auch eine hohe Lebensdauer aufweisen. Zwar sind grundsätzlich Werkstoffe bekannt, die solche Anforderungen erfüllen können, wie z. B. Nickel-Basis-Legierungen, die vermehrt zum Einsatz kommen. Allerdings sind solche Werkstoffe vergleichsweise teuer. Daher werden beispielsweise im Turbinenbau die genannten Werkstoffe durch preiswertere Alternativen, wie beispielsweise ferritische 10%-Chromstähle oder dergleichen, ersetzt. Diese Ersatzwerkstoffe weisen jedoch in der Regel keine hinreichende Oxidationsbeständigkeit auf, so dass sie für manche Anwendungen im Strömungsmaschinenbau ungeeignet sind.
Um dem entgegenzuwirken, werden beispielsweise im Turbinenbau gerade die thermisch oder mechanisch hoch belasteten Bauteile ganz oder teilweise mit Schutzschichten versehen, die die thermische und auch die Oxidationsbeständikeit verbessern und somit die Lebensdauer des jeweiligen Teils verlängern sollen. So ist beispielsweise aus der EP 2 907 888 A1 eine mit einer Schutzschicht versehene Turbinenschaufel bekannt. Bei der dort offenbarten Turbinenschaufel wird einem verbreiteten Problem derartiger Beschichtungen Rechnung getragen, nämlich dass sie lokal abplatzen und somit im betroffenen Oberflächenbereich ungeschützte Teile des darunterliegenden Komponentenkörpers hinterlassen könnten. Die üblicherweise in einem solchen Zusammenhang verwendeten Beschichtungen, beispielsweise spezifisch ausgewählte oxidationsfeste Metalllegierungen oder keramische Hartbeschichtungen, sind zudem vergleichsweise aufwendig aufzubringen und entsprechend teuer. Zudem ist die Flexibilität hinischtlich Positionierung und Konditionierung einer solchen Beschichtung im Hinblick auf einsatzbedingt lokal variierende Erfordernisse nur begrenzt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine zumindest in einem Teilbereich ihrer Oberfläche mit einer Schutzbeschichtung versehene Komponente für eine Strömungsmaschine anzugeben, die vergleichsweise einfach und somit kostengünstig herstellbar ist und dennoch eine besonders hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit aufweist. Des Weiteren soll ein besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung einer solchen Komponente angegeben werden.
Bezüglich der Komponente wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem die Komponentenoberfläche zumindest in einem Teilbereich mit einer Schutzbeschichtung aus einem Schmelzgemisch, gebildet aus mindestens zwei Bestandteilen aus der Gruppe SiO₂, B₂O₃, Na₂O, K₂O und Al₂O₃, ggf. zuzüglich Zusatzstoffen, versehen ist.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine hohe Produktqualität für die Komponente und insbesondere ihre Schutzbeschichtung bei hoher Flexibilität hinsichtlich Aufbringung und Positionierung erreichbar ist, indem die Schutzbeschichtung gezielt mit glasartigen Eigenschaften hergestellt wird. Damit sind einerseits sehr feste und oxidationsbeständige Beschichtungen erreichbar, die andererseits auch noch sehr glatt und damit strömungsgünstig ausgeformt werden können. Zur Bildung einer derartigen Beschichtung mit glasartigen Eigenschaften sollte die Beschichtung als Schmelzbeschichtung auf der Basis von glasbildenden Oxiden, also insbesondere einer Auswahl aus Materialien der Gruppe SiO₂, B₂O₃, Na₂O, K₂O und Al₂O₃, bevorzugt auch im Zusammenwirken mit Haftoxiden wie Fe, Cr, Co, Mn und/oder Farb - und spezifischen Komponenten wie Phosphor, Bornitride und Antimontrichlorid und/oder anderen, angepaßten, eigenschaftsprägenden Zusatzstoffen, hergestellt werden.
Die Beschichtung ist dabei bevorzugt ein rein anorganischer Schichtwerkstoff auf Glasbasis. Zwischen der Schutzschicht (emailartig) und dem metallischen Substrat wird im Zuge eines zur Aufbringung vorgesehenen Aufschmelzvorganges besonders bevorzugt eine Diffusions-Zwischenschicht gebildet, die ein sehr gutes Korrosionsschutzverhalten und eine besonders gute Haftfestigkleit ermöglicht. Die Ausgangsmaterialien können dabei chemisch erhalten bleiben. Besonders bevorzugt ist die Schutzbeschichtung dabei als Emailschicht, insbesondere als modifizierte Emailschicht, ausgeführt. In ganz besonders bevorzugter Ausgestaltung umfasst das Ausgangsmaterial für die Beschichtung folgende Komponenten (Anwendungsbeispiel, Bestandteile in Massenprozent):

SiO₂ 50 - 70 %

B₂O₃ 5 - 15 %

Na₂O 5 - 15 %

CaO 0 - 15 %

Li₂O 2 - 10 %

TiO₂ 2 - 8 %

MnO 0 - 3 %

CoO 0 - 3 %

NiO 0 - 6 %

K₂O 0 - 5 %

F 0 - 5 %
Die Komponente ist vorteilhafterweise gezielt für den Einsatz als thermisch, mechanisch und/oder chemisch hoch belastetes Bauteil in einer Strömungsmaschine, einer Pumpe oder einem Wärmetauscher, ganz besonders bevorzugt in einer Turbine oder in einem Kompressor, vorgesehen und entsprechend ausgeführt. Zweckmäßigerweise ist der Komponentenkörper aus einem hierfür geeigneten Material, vorzugsweise aus einem hochtemperaturfesten Cr-legierten Stahl, besonders bevorzugt aus X20Cr13 (1.4021), X22CrMoV12-1 (1.4923), X12CrMoWVNbN10-1-1 (1.4906) oder 10CrMo9-10 (1.7380), oder einem anderen gängigen Material für Turbinen- oder Kompressorschaufeln gebildet.
Die vorgesehene Schutzbeschichtung ist in der Art einer Emaille glasartig, kann aber auch - abhängig vom Komponentengemisch - als "mineralische Beschichtung" angesehen werden. Durch die vorgesehene Ausführung der Beschichtung weist diese eine besonders hohe Belastbarkeit und Haltbarkeit auf. Um zusätzlich aber auch das oben erwähnte an sich unerwünschte teilweise Abplatzen der Beschichtung beim Einsatz der jeweiligen Komponente zu vermeiden oder zumindest zu begrenzen, ist die Schutzbeschichtung vorteilhafterweise als vergleichsweise dünne Beschichtung mit einer Schichtdicke zwischen 50 und 200 µm und als besonders innig am eigentlichen Komponentenkörper haftende Schicht ausgeführt. Um dies besonders zu begünstigen, wird die Schutzbeschichtung vorteilhafterweise bei der Herstellung des Komponentenkörpers derart aufgebracht, dass er in seinem mit der Schutzbeschichtung versehenen Teilbereich in einem der Schutzbeschichtung benachbarten oberflächennahen Diffusionsbereich eine Mischzusammensetzung umfassend sowohl Bestandteile der Schutzbeschichtung als auch Bestandteile des Materials des Komponentenkörpers, aufweist. Ein derartiger Diffusionsbereich, insbesondere in Form einer Diffusions-Zwischenschicht, bildet somit einen innigen Verzahnungsbereich zwischen dem Material des eigentlichen Komponentenkörpers und der aufgebrachten Beschichtung, der die Dauerfestigkeit begünstigt.
Hierbei handelt es sich um eine emailspezifische Besonderheit dahingehend, daß durch Ausbildung der Diffusions-Zwischenschicht zwischen Email und Substrat eine sehr enge "Verzahnung" der beiden Komponenten erfolgt, die sich durch besondes starke Haftung der Emailschicht auf dem Substrat und eine zugleich sehr dichte und unterwanderungssichere Übergangs- bzw. Grenzschicht auszeichnet. Diese ist u.a. verantwortlich für einen hervorragenden Korrosionsschutz, die ihrerseits im Falle einer örtlichen Korrosion keine Unterwanderung und damit weitergehende Schädigung zulässt. Die Dicke dieser Schicht beträgt in etwa einige µm, vorzugsweise höchstens 20 µm, entscheidend abhängig von der Zusammensetzung und Beschaffenheit der Komponenten und von den den gewählten Verfahrensparametern des induktiven Einbrennenes. Der so gebildete Diffusionsbereich begünstigt zudem die Dauerfestigkeit der Beschichtung. Die für das Aufschmelzen und Einbrennen der Emailschicht erforderliche Wärme kommt in Abwandlung zum Ofenprozess hierbei dank Induktion aus dem Substrat selbst und erreicht die Emailschicht so von innen nach außen. Die Verzahnung der beteiligten Grundelemente aus Emailschicht und Substrat erfolgt so, daß diese dabei ihre chemischen Eigenschaften erhalten. Die Qualität der wichtigen Diffusionsschicht ist damit besonders hochwertig und läßt weitere Verbesserungen hinsichtlich der Oberflächenparameter in Abhängigkeit von den gewählten Verfahrensparametern erwarten.
Somit ist in besonders bevorzugter Ausgestaltung die Schutzbeschichtung hinsichtlich charakteristischer Parameter und Zielgrößen in weiten Grenzen einsatzorientiert gestaltbar. Das betrifft umfänglich die thermische und mechanische Festigkeit bzw. Kratzfestigkeit, die Schichtdicke und die Oberflächenrauigkeit sowie die Porigkeit der Oberfläche. Letztere sind entscheidend für das Strömungsverhalten des Bauteils, aber auch für die chemische Beständigkeit. Da insbesondere die Eintrittskanten der Schaufeln einer verstärkten Erosion ausgesetzt sind, erfolgt besonders die Beschichtung dieser Bereiche mit hohem Aufwand und großer Sorgfalt.
In vorteilhafter Ausgestaltung weist der Diffusionsbereich somit eine mittlere Dicke von höchstens etwa 20 µm auf, insbesondere abhängig von den Vorgaben an Haltbarkeit und Güte des Materials und den darauf ausgerichteten Materialkennwerten und Verfahrensparametern sowie dem Trägermaterial an sich. In weiterer, besonders bevorzugter Ausgestaltung ist die Schutzbeschichtung hinsichtlich charakteristischer Parameter wie beispielweise lokale Materialzusammensetzung, besonders bevorzugt aber Materialstärke oder Schichtdicke, gezielt an das einsatzgemäß erwartete Belastungsprofil, insbesondere den lokalen Verlauf der thermischen Belastung, angepasst. Dabei kann beispielsweise für diejenigen Teilbereiche der Oberfläche, die einer besonderen thermischen Belastung ausgesetzt sind, beispielsweise direkt von heißem Medium angeströmte Bereiche wie die Vorderkante einer Turbinenschaufel, eine höhere Schichtdicke vorgesehen sein als für andere Bereiche. Somit weist die Schutzbeschichtung bevorzugt einen an die erwartete thermische und/oder mechanische Belastung angepassten Dickenverlauf auf.
Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gelöst, indem die Herstellung der Komponente durch Auftragen von Emailleschlicker auf ausgewählte Bereiche des Komponentenkörpers und anschließendes Aufschmelzen und/oder Einbrennen des Emailleschlickers durch induktives Erhitzen lokaler Teilbereiche des Komponentenkörpers erfolgt. Dazu wird bevorzugt ein mit Emailpulver oder Emailleschlicker ganz oder teilweise versehener Komponentenkörper zur Bildung der Schutzbeschichtung induktiv erhitzt wird.
Das induktive Erhitzen kann dabei grundsätzlich zur Herstellung der vollständigen für die jereilige Komponente vorgesehenen Beschichtung, insbesondere auch der kompletten Schaufelseiten, vorgesehen sein. Alternativ kann aber auch, besonders bevorzugt bei Verwendung einer geeigneten, bei niedriger Temperatur von beispielsweise etwa 500 °C einbrennbaren Emaille eine Mischtechnologie vorteilhaft sein, bei der beispielsweise die Komponente (insbesondere Schaufel) geeignet mit Emailleschlicker versehen (z. B. getaucht oder mit Schlicker rundum bespritzt) wird und dann komplett im Scanverfahren induktiv oder in einem normalen Ofen bei T ca. 500 °C eingebrannt wird, wobei anschließend für die hoch belasteten Teilbereiche, z. B. der Anström- oder Eintrittskante, eine "Sonderbehandlung" in dem Sinne erfolgt, dass diese Kante gesondert und zusätzlich mit besonders harte Emaille beschichtet und eingebrannt wird.
Als grundsätzliches, besonders bevorzugtes Herstellungsverfahren zur Erzeugung der Schutzbeschichtung aus dem Schmelzgemisch ist somit ein Emaillierprozess vorgesehen, der abweichend vom üblichen Ofenprozess die induktive Erwärmung nutzt, die im Substrat und dort bevorzugt bzw. ausschließlich im Bereich der Oberfläche wirkt. Dieser physikalische Prozess ist besonders geeignet, auch mit einfachen Mitteln und somit kostengünstig selbst vergleichsweise komplexe Beschichtungen mit variierenden Stärken oder Dickenprofilen herzustellen oder auch vorhandene Bauteile nachträglich mit lokalen Beschichtungen auszurüsten und/oder ggf. zu reparieren.
Die Betriebsfrequenz des Induktors wird dabei in ganz besonders vorteilhafter Ausgestaltung im Hinblick auf die Materialeigenschaften des Werkstücks derart gewählt, dass die elektromagnetische Eindringtiefe im Werkstück vorzugsweise höchstens 1 mm beträgt (Skin-Effekt). Damit kann der Raumbereich der lokalen Erhitzung während der Durchführung des Schmelzprozesses sehr stark auf den eigentlich betroffenen, zur Ausbildung der Schutzbeschichtung vorgesehenen Raumbereich begrenzt werden, ohne dass durch entsprechenden Wärmeeintrag benachbarte und tiefer liegende Raumbereiche in Mitleidenschaft gezogen werden und ungewollte Gefügeveränderungen erfolgen.
Das wird dadurch möglich, daß der zum Aufschmelzen und Einbrennen erforderliche hohe Energieeintrag nur sehr kurzzeitig erforderlich ist und daß - bedingt durch die begrenzte Wärmeleitfähigkeit von Stahl von ca. 50 W/mK - und eine relativ hohe Scangeschwindigkeit in Relation zur Oberflächengröße zwischen 20 - 100 mm/s der Wärmeeintrag in das Substrat nur sehr kurzzeitig und örtlich erfolgt. Das hat neben den technisch- physikalischen auch energetische und kostenseitige Vorteile. Es wird so zugleich durch entsprechende Ansteuerung der Positionierung des Energieeintrags eine selektive, objektspezifische Prozessführung ermöglicht.
Je nach Teilegröße und deren Form kann großflächig der Gesamtkörper oder aber dieser auch in Abschnitten gescannt und erwärmt werden. Dabei kommt - physikalisch bedingt - begrenzt die Wärmeleitung im Metall zur Wirkung, die aber auf den so lokalisierten "Einbrennherd" nur wenig Einfluss ausübt und eher vorteilhaft als störend wirkt und damit eher einer Art Vor- bzw. Grunderwärmung entspricht.
Mit anderen Worten: Besonders bevorzugt ist zur Bildung der glasartigen Schutzbeschichtung aus dem Schmelzgemisch ein induktiver Prozess vorgesehen, bei dem der das Emailpulver oder den Emailschlicker tragende Komponentenkörper induktiv erhitzt wird. Die Betriebsfrequenz des Induktors wird dabei in ganz besonders vorteilhafter Ausgestaltung im Hinblick auf die Materialeigenschaften des Werkstücks derart gewählt, dass die elektromagnetische Eindringtiefe im Werkstück höchstens 1 mm beträgt. Damit kann der Raumbereich der lokalen Erhitzung während der Durchführung des Schmelzprozesses sehr stark auf den eigentlich betroffenen, zur Ausbildung der Schutzbeschichtung vorgesehenen Raumbereich begrenzt werden, ohne dass durch entsprechenden Wärmeeintrag benachbarte Raumbereich in Mitleidenschaft gezogen würden.
Durch die induktive Erwärmung des Komponentenkörpers erfolgt diese lokal auf einen Raumbereich des Komponentenkörpers begrenzt, so dass durch entsprechende Ansteuerung der Positionierung des Energieeintrags eine selektive, objektspezifische Prozessführung ermöglicht wird. Neben anderen Varianten ist dabei auch besonders bevorzugt in der Art eines "Scannens" ein sequentielles Überstreichen der Oberflächenregionen des Komponentenkörpers möglich. Je nach Teilegröße und deren Form kann großflächig der Gesamtkörper oder aber dieser auch in Abschnitten gescannt und erwärmt werden. Dabei kommt insbesondere die Wärmeleitung im Metall zur Wirkung, die aber auf einen lokalisierten "Einbrennherd" nur wenig Einfluss ausübt und eher vorteilhaft als störend wirkt und so eher einer Art Vor- bzw. Grunderwärmung entspricht. Besonders bevorzugt wird während des Aufschmelz- und Einbrennvorgangs ein Induktorkopf relativ zur Oberfläche des Komponentenkörpers entlang der Oberfläche bei im Normalfall konstantem Kopplungsabstand zur Oberfläche bewegt, so dass er diese zeilenweise überstreicht. Die im Trägermaterial durch die Wirbelströme bedingte Erwärmung bewirkt aus dem Substrat heraus das Aufschmelzen und Einbrennen der Emaille.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Herstellung einer aus einem Schmelzgemisch erzeugten glasartigen Schutzbeschichtung auf besonders einfache Weise und örtlich flexibel ein zuverlässiger und haltbarer Oxidations- und Verschleißschutz gerade in den besonders belasteten Oberflächenbereichen des Komponentenkörpers bereitgestellt werden kann. Durch das induktive Aufschmelz- und Einbrennverfahren ist darüber hinaus die entstehende Oberflächenbeschichtung in ihren Eigenschaften positionsabhängig variierbar, so dass mit einfachen Mitteln eine spezifisch an die jeweiligen Erfordernisse angepasste und funktionale Beschichtung erzeugt werden kann.
Ein Ausführungbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG. 1: eine Kompressorschaufel in perspektivischer Ansicht,
FIG. 2: die Kompressorschaufel nach FIG. 1 im Querschnitt, und
FIG. 3: eine Emaillieranlage zum Beschichten der Kompressorschaufel gemäß FIG. 1.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Als Komponente 1 einer nicht näher dargestellten Strömungsmaschine ist in FIG. 1 eine Kompressorschaufel 2 gezeigt, die zum Einsatz als Laufschaufel oder als Leitschaufel in einem nicht näher dargestellten Kompressor vorgesehen ist. Alternativ kann die Komponente 1 aber auch zum Einsatz in einer anderen Strömungsmaschine wie beispielsweise einer Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, einer Dampfturbine oder einer Pumpe vorgesehen sein.
Die Komponente 1 und somit die Kompressorschaufel 2 wird durch einen im Wesentlichen einstückig ausgeführten Komponentenkörper 4 gebildet, der sich entlang einer Längsachse 6 erstreckt und das Schaufelblatt 8 bildet. Der Komponentenkörper 4 und mit dieser das Schaufelblatt 8 kann hierbei bevorzugt durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein. Insbesondere kann der Komponentenkörper 4 als Werkstück mit einkristalliner Struktur ausgeführt sein; solche Werkstücke werden bevorzugt als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z. B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d. h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Krissalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d. h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d. h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren sollte der Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung gemieden werden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichtemachen könnten. Im Ausführungsbeispiel ist der Komponentenkörper 4 aus einem gerade für den vorgesehenen Einsatz in einer Strömungsmaschine geeigneten Material, vorzugsweise aus einem hochtemperaturfesten Cr-legierten Stahl, besonders bevorzugt aus X20Cr13 (1.4021), X22CrMoV12-1 (1.4923), X12CrMoWVNbN10-1-1 (1.4906) oder 10CrMo9-10 (1.7380), gebildet. Alternativ oder zusätzlich können auch die bei herkömmlichen Schaufeln in allen ihren Teilbereichen eingesetzten massiven metallischen Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen, verwendet werden, wie sie beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt sind.
Die Kompressorschaufel 2 weist entlang ihrer Längsachse 6 aufeinanderfolgend einen auch als Schaufelfuss bezeichneten Befestigungsbereich 10, der insbesondere in ein zugehöriges Befestigungssystem im Kompressorgehäuse oder im Rotor eingehängt werden kann, eine an den Befestigungsbereich 10 angrenzende Schaufelplattform 12 sowie an dieser das endseitig in die Schaufelspitze 14 übergehende Schaufelblatt 8 auf. Bei einer Ausbildung als Leitschaufel kann die Komponente 1 zudem an ihrer Schaufelspitze 14 auch noch eine weitere, im Ausführungsbeispiel nicht dargestellte Plattform aufweisen. Der Schaufelfuß ist im Ausführungsbeispiel als so genannter "Hammerkopf" ausgestaltet, alternativ sind aber auch andere Ausgestaltungen beispielsweise als so genannter "Tannenbaum-" oder "Schwalbenschwanzfuß" möglich.
Das Schaufelblatt 8 weist im Bereich seiner Vorderkante, auf die das anströmende Strömungsmedium auftrifft, eine Anströmkante 16 und entsprechend "rückseitig", also im Abströmbereich des Strömungsmediums, eine Abström- oder Abrisskante 18 auf.
Die Komponente 1 ist gerade im Hinblick auf ihre vorgesehene Verwendung in einer Strömungsmaschine bei vergleichsweise einfacher und somit kostengünstiger Herstellungsweise für eine besonders hohe Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Dauerbelastbarkeit ausgelegt. Dazu ist ihre insbesondere auch das Schaufelblatt 8 begrenzende Komponentenoberfläche 20 ganzflächig, oder wie im Ausführungsbeispiel gezeigt zumindest in einem Teilbereich 22, mit einer Schutzbeschichtung 24 versehen. Die Schutzbeschichtung 24 dient dabei insbesondere dem Erosions- und/oder Korrosionsschutz, gerade bei möglicherweise auftretenden hohen thermischen und/oder chemischen/mechanischen Belastungen, und ist aus einem Schmelzgemisch gebildet. Um auf einfache Weise einen besonders hohen Schutzeffekt zu gewährleisten, ist die Schutzbeschichtung 24 gezielt mit glasartigen Eigenschaften in der Art einer Email-Beschichtung hergestellt. Damit sind einerseits sehr feste und oxidationsbeständige Beschichtungen erreichbar, die andererseits auch noch sehr glatt und damit strömungsgünstig ausgeformt werden können. Zur Bildung einer derartigen Beschichtung mit glasartigen Eigenschaften die Schutzbeschichtung 24 im Ausführungsbeispiel als Schmelzbeschichtung auf der Basis von glasbildenden Oxiden, also insbesondere einer Auswahl aus Materialien der Gruppe SiO₂, B₂O₃, Na₂O, K₂O und Al₂O₃, hergestellt.
Im gezeigten Ausfürhungsbeispiel ist der mit der Schutzbeschichtung 24 versehene Teilbereich 22 im vorderen Bereich der Anströmkante 16 des Schaufelblatts 8 und damit in einem thermisch besonders beanspruchten Bereich des Komponentenkörpers 4 positioniert. Selbstverständlich kann eine derartig ausgeführte Schutzbeschichtung 24 aber auch auf anderen Teilen der Komponentenoberfläche 20 vorgesehen sein; ebenso ist eine vollständige Beschichtung der Komponentenoberfläche 20 denkbar. Alternativ und günstig für die bekannten Betriebsweisen und Belastungen ist die hier dargestellte induktive Email-beschichtung entlang der Eintrittskante in einer bevorzugten Minimalbreite von ca. 2 - 5 mm, kombiniert mit der bekannten und bewährten Beschichtung der Schaufeloberflächen mit aluminiumpigmentierter Keramik. Dabei sind die Übergänge an der Grenzfläche der Emailkante zu der Keramikoberfläche glatt und nahtlos zu fertigen, um Verwirbelungen und damit schlechtes Strömungsverhalten auszuschließen. Diese Ausführungsvariante verbindet die bewährte "traditionelle" Beschichtungsausführung (aluminiumpigmentierte Keramik) mit der besonders harten und beständigen Kantenbeschichtung aus Emaille, ohne schädigende thermische Gefügeveränderung en im Schaufelkörper.
Die vorgesehene Schutzbeschichtung 24 ist in der Art einer Emaille glasartig, kann aber auch als "mineralische Beschichtung" angesehen werden. Durch die vorgesehene Ausführung der Beschichtung weist diese eine besonders hohe Belastbarkeit und Haltbarkeit auf. Zusätzlich ist die Schutzbeschichtung 24 aber auch als besonders innig am eigentlichen Komponentenkörper 4 haftende Schicht ausgeführt. Wie auch der ausschnittsweisen Querschnittsdarstellung des vorderen Bereichs des Schaufelblatts 8 gem. FIG. 2 entnehmbar ist, ist die Schutzbeschichtung 24 im Bereich der vorderen Anströmkante 16 des Schaufelblatts 8 auf dessen Komponentenoberfläche 20 aufgebracht. Um die erwünschte hohe Anhaftung besonders zu begünstigen, ist die Schutzbeschichtung 24 dabei derart aufgebracht, dass sie in einem Bereich unmittelbar angrenzend zur Komponentenoberfläche 20 gemeinsam mit dem Basismaterial des Schaufelblatts 8 einen Diffusionsbereich 26 mit einer Dicke von einigen µm bildet, in dem das Schichtmaterial und das Schaufelmaterial gemeinsam vorliegen. Die dabei entstehende Mischzusammensetzung umfasst vorwiegend die Bestandteile der Schutzbeschichtung 24 und gemeinsam mit diesen Bestandteile des Komponentenkörpers 4. Ein derartiger Diffusionsbereich 26 bildet somit einen innigen Verzahnungsbereich zwischen dem Material des eigentlichen Komponentenkörpers 4 und der aufgebrachten Beschichtung, der die Dauerfestigkeit und andere wichtige Eigenschaften der Komponente 1 begünstigt.
Der Diffusionsbereich 26 weist dabei eine mittlere Dicke von einigen µm, vorzugsweise von höchstens 20 µm, auf. Alternativ oder zusätzlich ist die Schutzbeschichtung 24 hinsichtlich charakteristischer Parameter wie beispielweise lokale Materialzusammensetzung, besonders bevorzugt aber Materialstärke oder Schichtdicke, gezielt an das einsatzgemäß erwartete Belastungsprofil, insbesondere den lokalen Verlauf der thermischen Belastung, angepasst. Dabei kann beispielsweise für diejenigen Teilbereiche der Oberfläche, die einer besonderen thermischen Belastung ausgesetzt sind, beispielsweise direkt von heißem Medium angeströmte Bereiche wie die Vorderkante einer Turbinenschaufel, eine höhere Schichtdicke vorgesehen sein als für andere Bereiche. Somit weist die Schutzbeschichtung 24 bevorzugt einen an die erwartete thermische und mechanische Belastung angepassten Dickenverlauf auf.
Im Ausführungsbeispiel gem. FIG. 2 ist die Kompressorschaufel 2 im übrigen als so genannte innenbelüftete Schaufel ausgestaltet, bei der in das Schaufelblatt 8 eine Anzahl von Belüftungskanälen 28 integriert sind.
Zur Herstellung der Komponente 1, also insbesondere zum Aufbringen der Schutzbeschichtung 24 auf den Komponentengrundkörper 4, ist ein Emaillierprozess, bevorzugt ein induktiver Emaillierprozess, vorgesehen. Dieser ist besonders geeignet, auch mit einfachen Mitteln und somit kostengünstig selbst vergleichsweise komplexe Beschichtungen mit variierenden Stärken oder Dickenprofilen herzustellen oder auch vorhandene Bauteile nachträglich mit lokalen Beschichtungen auszurüsten. Das Aufbringen der Schutzbeschichtung 24 erfolgt dabei durch Auftragen von Emailleschlicker auf den ausgewählten Teilbereich 22 des Komponentenkörpers 4 und anschließendes Aufschmelzen und/oder Einbrennen des Emailleschlickers durch induktives Erhitzen lokaler Teilbereiche des Komponentenkörpers 4.
Besonders bevorzugt ist dabei zur Bildung der glasartigen Schutzbeschichtung aus dem Schmelzgemisch ein induktiver Prozess vorgesehen, bei dem der das Emailpulver oder den Emailschlicker tragende Komponentenkörper 4, insbesondere im Bereich seines zu beschichtendend Teilbereichs 22, induktiv erhitzt wird. Die Betriebsfre-quenz des Induktors wird dabei in ganz besonders vorteilhafter Ausgestaltung im Hinblick auf die Materialeigenschaften des Werkstücks derart gewählt, dass die elektromagneti-sche Eindringtiefe im Werkstück höchstens 1 mm beträgt. Damit kann der Raumbereich der lokalen Erhitzung während der Durchführung des Schmelzprozesses sehr stark auf den eigentlich betroffenen, zur Ausbildung der Schutzbeschichtung 24 vorgesehenen Raumbereich begrenzt werden, ohne dass durch entsprechenden Wärmeeintrag benach-barte Raumbereich in Mitleidenschaft gezogen würden.
Eine hierfür geeignete Emaillieranlage 30 ist schematisch in FIG. 3 dargestellt. Die Schutzbeschichtung 24 wird dabei hergestellt, indem zunächst ein geeignet gewählter Ausgangsstoff, insbesondere eine so genannte Emaillierpaste oder ein Emaillierschlicker, auf den zu beschichtenden Komponentengrundkörper 4 aufgetragen wird, beispielsweise durch Spritzen oder Tauchen. Anschließend wird der zu beschichtende Komponentengrundkörper 4 in dem Teilbereich 22, in dem die Auftragung erfolgen soll, auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Emaillierwerkstoffs aufgeheizt, so dass ein Aufschmelzen des Emaillierwerkstoffs einsetzt. Als Arbeitstemperatur wird dabei im jeweils behandelten Raumbereich eine abhängig vom Material des zu beschichtenden Komponentengrundkörpers 4 gewählte Mindesttemperatur überschritten, beispielsweise für Aluminium etwa 500 °C und für Stahl als Material etwa 850 °C.
Die Emaillieranlage 30 ist gezielt dafür ausgelegt, ein hochwertiges Beschichtungsergebnis mit homogener und qualitativ anspruchsvoller Oberfläche bei besonders gering gehaltenem Ressourceneinsatz, also insbesondere Energieaufwand, zu erreichen. Dazu ist die Emaillieranlage 30 zur lokalen oder bereichsweisen Erwärmung des zu beschichtenden Komponentengrundkörpers 4 durch elektromagnetische Induktion ausgeführt. Die Emaillieranlage 30 umfasst dabei einen Induktionskopf oder Induktor 34, der über ein elektrisches Leitungssystem 36 mit einer einen Umrichter und eine Steuereinheit umfassenden Energieversorgungseinheit 38 verbunden ist. Beim Betrieb wird der Induktor 34 nahe oberhalb der Komponentenoberfläche 20 des zu beschichtenden Komponentengrundkörpers 4 positioniert, so dass das vom Induktor 34 abgestrahlte elektromagnetische Wechselfeld in die Oberfläche des zu beschichtenden Komponentengrundkörpers 4 einkoppelt und diese dabei erwärmt.
Der Induktor 34 kann hinsichtlich seiner Geometrie- und Gestaltungsparameter in einer Vielfalt möglicher Varianten ausgeführt sein. Insbesondere kann die laterale Ausdehnung des Induktors 34, die auch die Größe des beim Betrieb jeweils simultan erwärmten Oberflächensegments des Komponentengrundkörpers 4 bestimmt, je nach Anwendungsfall vergleichsweise klein (einige cm² oder sogar darunter, ermöglicht eine lokal sehr differenzierte Bearbeitung der Werkstückoberfläche beim Emaillieren), vergleichsweise groß (beispielsweise 1000 cm² oder sogar darüber, ermöglicht eine vergleichsweise großflächige und damit zügige Bearbeitung auch vergleichsweise großer Gesamtoberflächen) oder mit Werten zwischen diesen Grenzen ausgeführt sein.
Die Emaillieranlage 30 ist, beispielsweise mittels nicht näher dargestellter Halteeinrichtungen für den Induktor 34 und/oder den Komponentengrundkörper 4, für einen so genannten "Scan-Betrieb" ausgelegt, bei dem der Induktor 34 während des Emailliervorgangs relativ zur Oberfläche des Komponentengrundkörpers 4 in x- und/oder y-Richtung (in der Figur angedeutet durch die Pfeile 40) bewegt wird und die Oberfläche dabei überstreicht. Bei einem derartigen Betrieb kann der Induktor 34 nach und nach über die gesamte Oberfläche des Komponentengrundkörpers 4 geführt werden, so dass diese vollständig überstrichen wird und eine vollständige Behandlung der Werkstoffoberfläche erfolgt. Alternativ kann der Induktor 34 aber auch lediglich über ausgewählten Teilen oder Segmenten der Oberfläche des Komponentengrundkörpers 4 aktiviert werden, was beispielsweise für Reparaturen beschädigter Oberflächenteile oder dergleichen aufgrund des sehr bedarfsgerechten Einsatzes und damit sehr geringen Gesamt-Energieverbrauchs sehr vorteilhaft ist. Durch Verschmelzen alter und neuer Teile entstehen dabei gerade im Reparatureinsatz besonders glatte und homogene und somit besonders hochwertige Oberflächen.
Die Bewegung des Induktors 34 über die Oberfläche des Komponentengrundkörpers 4 hinweg kann beispielsweise mittels geeigneter beweglicher Halte- oder Tragarme und einer geeigneten automatisierten Ansteuerung erfolgen. In alternativer, besonders vorteilhafter und als eigenständig erfinderisch angesehener Ausführung kann der Induktor 34 aber auch als tragbares Handgerät ausgeführt sein, das manuell über die Oberfläche des Komponentengrundkörpers 4 bewegt werden kann.
Die Emaillieranlage ist für eine besonders ressourcenschonende Betriebsweise bei der Oberflächenbehandlung des Komponentengrundkörpers 4 ausgelegt, bei der sowohl der Energieverbrauch als auch der Materialverbrauch bei hoher Materialqualität der Oberfläche besonders gering gehalten werden sollen. Dazu ist vorgesehen, bei der induktiven Erwärmung des Komponentengrundkörpers 4 konsequent den so genannten Skin-Effekt, also die nur begrenzte Eindringtiefe elektromagnetischer Wechselfelder in metallische Oberflächen, dafür auszunutzen, die induktiv erzeugte Erwärmung möglichst auf die eigentliche Oberfläche des Komponentengrundkörpers 4 zu begrenzen, ohne dass es zu einer zu hohen Erwärmung der tieferliegenden Schichten oder Raumbereiche des Komponentengrundkörpers 4 kommen soll. Dazu werden die Betriebsparameter der Emaillieranlage 30 derart gewählt, dass - unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften des Komponentengrundkörpers 4 - die Eindringtiefe höchstens etwa 1 mm beträgt.
Um dabei auch unter variierenden Betriebsbedingungen einen echten Oberflächeneffekt sicherzustellen, wird eine Betriebsfrequenz von mindestens 300 kHz gewählt. Damit ist erreicht, dass die Eindringtiefe unter allen erwartbaren Bedingungen ausreichend klein gehalten werden kann, so dass die Erwärmung auf den unmittelbaren Oberflächenbereich begrenzt gehalten werden kann und tiefer liegende Gefügeschichten nicht nennenswert von der Erwärmung erfasst werden.
Auch die weiteren Betriebsparameter werden im Hinblick auf die vorgesehene ressourcenschonende Betriebsweise geeignet gewählt. Insbesondere wird der Induktor 34 mit einer Leistungsdichte von etwa 10 kW/cm² (bezogen auf die abstrahlende Fläche) betrieben. Gerade in Kombination mit der vorgesehenen geringen Eindringtiefe im Komponentengrundkörper 4 bedeuetet dies, dass der aufzuheizende Raumbereich im Oberflächenbereich des Komponentengrundkörpers 4 einer hohen Leistungsdichte ausgesetzt wird, so dass die erforderlichen Behandlungszeiten, also insbesondere bis an der Oberfläche die Schmelztemperatur der Emaillepaste erreicht wird, besonders kurz gehalten werden können.
Ein besonders vorteilhafter Aspekt einer derartigen Parameterwahl besteht darin, dass infolge der gezielt auf die Oberfläche gerichteten Erwärmung auch vergleichsweise dünn gehaltene Beschichtungen erzeugt werden können, die sich in ihren Materialeigenschaften wie beispielsweise Elastizität etc. am Substrat oder Trägerkörper orientieren.

Bezugszeichenliste

1: Komponente
2: Kompressorschaufel
4: Komponentenkörper
6: Längsachse
8: Schaufelblatt
10: Befestigungsbereich
12: Schaufelplattform
14: Schaufelspitze
16: Anströmkante
18: Abström- oder Abrisskante
20: Komponentenoberfläche
22: Teilbereich
24: Schutzbeschichtung
26: Diffusionsbereich
28: Belüftungskanal
30: Emaillieranlage
34: Induktor
36: Leitungssystem
38: Energieversorgungseinheit
40: Pfeile

Claims

Komponente (1) für eine Strömungsmaschine, mit einer Komponentenoberfläche (20), die zumindest in einem Teilbereich (22) mit einer Schutzbeschichtung (24) aus einem Schmelzgemisch, als Bestandteile umfassend mindestens zwei aus der Gruppe SiO₂, B₂O₃, Na₂O, K₂O und Al₂O₃, versehen ist.
Komponente (1) nach Anspruch 1, deren Komponentenkörper (4) aus einem hochtemperaturfesten Cr-legierten Stahl, vorzugsweise aus X20Cr13 (1.4021), X22CrMoV12-1 (1.4923), X12CrMoWVNbN10-1-1 (1.4906) oder 10CrMo9-10 (1.7380) gebildet ist.
Komponente (1) nach Anspruch 1 oder 2, deren Komponentenkörper (4) in seinem mit der Schutzbeschichtung (24) versehenen Teilbereich (22) in einem der Schutzbeschichtung (24) benachbarten oberflächennahen Diffusionsbereich (26) eine Mischzusammensetzung umfassend sowohl Bestandteile der Schutzbeschichtung als auch Bestandteile des Materials des Komponentenkörpers (4) aufweist.
Komponente (1) nach Anspruch 3, deren Diffusionsbereich (26) eine mittlere Dicke von höchstens 20 µm aufweist.
Komponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, deren Schutzbeschichtung (24) einen an die einsatzgemäß erwartete lokale thermische Belastung angepassten Dickenverlauf aufweist.
Komponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ausgestaltet als Schaufel einer Turbine oder eines Kompressors.
Komponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, hergestellt durch Auftragen von Emailleschlicker auf ausgewählte Bereiche des Komponentenkörpers (4) und anschließendes Aufschmelzen und/oder Einbrennen des Emailleschlickers durch induktives Erhitzen lokaler Teilbereiche (22) des Komponentenkörpers (4).
Verfahren zur Herstellung einer Komponente (1) für eine Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem ein mit Emailpulver oder Emailleschlicker ganz oder teilweise versehener Komponentenkörper (4) zur Bildung einer Schutzbeschichtung (24) induktiv erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem während des Emailliervorgangs ein Induktorkopf (34) relativ zur Oberfläche (20) des Komponentenkörpers (4) entlang der Oberfläche (20) bewegt wird und diese dabei überstreicht.