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WO2011015187A1 - Abreibbarer schaufelspitzenbelag - Google Patents

Abreibbarer schaufelspitzenbelag Download PDF

Info

Publication number
WO2011015187A1
WO2011015187A1 PCT/DE2010/000909 DE2010000909W WO2011015187A1 WO 2011015187 A1 WO2011015187 A1 WO 2011015187A1 DE 2010000909 W DE2010000909 W DE 2010000909W WO 2011015187 A1 WO2011015187 A1 WO 2011015187A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
run
alloy
nickel
base body
Prior art date
Application number
PCT/DE2010/000909
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Jakimov
Stefan Schneiderbanger
Manuel Hertter
Original Assignee
Mtu Aero Engines Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mtu Aero Engines Gmbh filed Critical Mtu Aero Engines Gmbh
Priority to US13/384,462 priority Critical patent/US9260784B2/en
Priority to EP10752275A priority patent/EP2462257A1/de
Publication of WO2011015187A1 publication Critical patent/WO2011015187A1/de

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/12—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part
    • F01D11/122—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part with erodable or abradable material
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a component, in particular a blade, for a gas turbine, which comprises a base body, on which an inlet layer is applied, which is removed at least partially to form a precisely fitting surface during operation, and a corresponding component , in particular a compressor or turbine blade for an aircraft turbine.
  • inlet layers In order to produce inlet layers, thermal spraying processes are usually used, since the layers produced thereby already have a certain porosity and thus have a correspondingly low strength or abrasion or wear resistance.
  • the porosity can be adjusted by additional measures be as described for example in JP 59 22 2 566 A.
  • a NiCrAlY layer is thermally sprayed with a powder of organic material, so that at a correspondingly high temperature, the organic material evaporates and a porous layer is produced.
  • the thermally sprayed layers have limitations with respect to the usable materials, as given by the high temperatures used, a high chemical reactivity of the particles to be coated is given. Additional measures, such as the introduction of organic material for the production of pores, also lead to a considerable effort.
  • kinetic cold gas compacting for the application of an inlet layer, which is at least partially removed to form a precisely fitting surface during operation of a gas turbine, kinetic cold gas compacting is used. Due to the kinetic KaIt gas compacting, which is carried out at low temperatures, can in particular on components, preferably blades of a gas turbine, which are formed from a titanium material, apply a run-in layer of a titanium alloy, without during application, the layer material is unfavorably changed or influenced, for example by a corresponding change in the chemical composition. In addition, the required structure, in particular porosity, which is important for the shrinkage properties, can be set in a simple manner with the kinetic cold gas compacting.
  • the inlet layer can be applied so that a defined porosity in the inlet layer is adjusted.
  • the inlet layer can be formed from a wide variety of materials, it being possible to use nickel-base alloys, cobalt-base alloys or titanium alloys in particular for aircraft turbines.
  • run-in layers can be produced on a base body which is essentially formed from the same material, that is, for example, a nickel-base run-in layer on a nickel-based alloy or a titanium alloy as a run-in layer on a base body made of a titanium alloy.
  • the substantially same materials may differ in a minority of components or vary in composition.
  • nickel-based alloys having a composition similar or similar to IN718 alloy (trademark of Inconel) or titanium alloys having a composition such as e.g. ⁇ 6A14V for the corresponding base body and / or the wear layer are particularly preferred.
  • the running-in layer and the main body can be formed essentially from the same materials, the running-in layer can be applied so that it differs in its properties from the basic body, in particular with respect to its strength and / or structure.
  • the running-in layer can have a correspondingly high porosity, so that the strength or abrasion or wear resistance is reduced in order to achieve so favorable running-in conditions.
  • Favorable inlet conditions means in this context that the material of the inlet layer can be easily abraded, in particular with respect to the corresponding friction partner, ie the adjacent Component opposite the surface must be made accurately. This can be adjusted depending on the application, eg for operating conditions of guide vanes or rotor blades.
  • the material of the inlet layer can be selected such that, compared to a friction partner made of yttrium-stabilized zirconium oxide or aluminum oxide, the removal of material takes place essentially at the inlet layer.
  • essentially at the inlet layer means that the abrasion at the friction layer between the inlet layer and the opposite friction partner takes place exclusively or predominantly, ie with more than 50%, in particular more than 75%, preferably more than 90%, of the material removal at the inlet layer.
  • the kinetic cold gas spraying is used to apply the inlet layer.
  • the process parameters in the kinetic cold gas spraying can in this case in the range of 300 0 C to 900 0 C operating temperature, in particular 400 0 C to 750 0 C and / or a gas pressure, with which the particles are accelerated to the surface to be coated, in the range of 20 to 50 bar, in particular 30 to 40 bar are selected.
  • the particle velocity of the particles accelerated in the kinetic cold gas spraying onto the surface to be coated can be in the range of 500 to 1200 m / s, in particular 700 to 1000 m / s, the particles used having a size of 5 .mu.m to 100 .mu.m, in particular 10 .mu.m may have up to 50 microns.
  • a titanium material such as blades of a gas or turbine turbine made of a titanium material
  • an inlet layer which is formed as a porous layer.
  • the porous layer can be carried out by using the cold gas compacting at low process temperatures so that there are essentially no oxides in the layer, or the oxide content less than or equal to 5% o weight or volume fraction, in particular less than or equal to 2% o weight or volume fraction is.
  • substantially free of oxides means that the oxide content is below the detection limit, in particular in a range of less than or equal to 1% o weight or volume fraction.
  • the porosity of the inlet layer can be in the range of a pore fraction of 10 to 30 vol.%, In particular 15 to 20 vol.%, which is generally for all types of run-in layers, ie layers based on nickel-based alloys, titanium alloys or other alloys applies.
  • Figure 1 is a schematic representation of a blade of a gas turbine with an inlet layer according to the invention.
  • Figure 2 is a schematic representation of the kinetic cold gas compacting.
  • the blade 1 shows a component of a gas turbine, in particular air turbine in the form of a turbine or compressor blade 1, in which the present invention can be used.
  • the blade 1 has a blade body 2 with an airfoil 3 and a blade root 5, which may comprise a molded part 4 for the positive insertion of the blade 1 into a disk.
  • the present invention can be used for both blades that move during operation of the turbine and stationary vanes.
  • the present embodiment relates to a stator blade, which is arranged stationary in the gas turbine.
  • an inlet layer 6 which is arranged in an exact fit to an adjacent component 7, such as a shroud of an adjacent rotor.
  • the parts are designed so that they are in frictional contact with each other at least at the operating temperature.
  • the inlet layer is now designed so that essentially, ie completely or predominantly, material is rubbed off from the inlet layer 6 and not from the adjacent rotor component 7.
  • the rotor component 7 can accordingly be made of a very hard, erosion and wear-resistant material, such as yttrium-stabilized zirconium oxide or alumina.
  • the inlet layer 6 is made of a nickel-based alloy or a titanium alloy depending on the material used for the blade base 2 and the blade 3.
  • NiCoCrAlY alloys for the blade base material and for the inlet layer, in particular NiCoCrAlY alloys are suitable.
  • the inlet layer of its structure is constructed differently than the material of the blade body 2, so that a lower strength and thus lower abrasion resistance or! Wear resistance results.
  • the inlet layer can have a corresponding porosity, so that the strength or wear or abrasion resistance is reduced by the pore structure.
  • the pore structure can be adjusted accordingly in the application of the inlet layer.
  • the kinetic cold gas compacting is used according to the invention as a method for applying the inlet layer 6 to the blade 3.
  • particles 9 of the material to be coated are accelerated in a jet 8 onto the surface of the blade 3 to be coated, the accelerated particles deforming on impact with the surface and flowing into each other through the plastic deformation forming a compact layer 6 , Due to the high impact velocity, which can be in the range of 500 to 1300 m / s and is achieved by correspondingly high gas pressures of 20 to 50 bar in the nozzle assembly 10, low temperatures in the range of 300 ° C to 900 ° C in the kinetic Cold gas compacting can be used, which is higher than the higher temperatures During thermal spraying, fewer chemical reactions of the coating material occur during the coating.
  • an inlet layer 6 can be produced on a blade main body 2 of a titanium material with a titanium alloy, which due to the advantageous application method has no or very little or sufficiently low oxygen and in particular oxide content , at the same time, however, with the method, the necessary structure of the inlet layer, ie in particular a corresponding porosity can be set, which provides the required Abriebeigenschaften.
  • an inlet layer 6 can be formed from a titanium alloy.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere einer Schaufel für eine Gasturbine, bei welchem ein Grundkörper (2) bereit gestellt wird, auf dem eine Einlaufschicht (6) angebracht wird, welche zumindest teilweise zur Bildung einer passgenauen Oberfläche (11) im Betrieb abgetragen werden kann, wobei die Einlaufschicht durch kinetisches Kaltgaskompaktieren aufgebracht wird, sowie ein Bauteil, insbesondere Schaufel für eine Gasturbine mit einem Grundkörper, auf welchem eine Einlaufschicht angebracht ist, welche zumindest teilweise zur Bildung einer passgenauen Oberfläche im Betrieb abgetragen werden kann, wobei die Einlaufschicht eine poröse Schicht aus einer Ti-Legierung ist.

Description

Abreibbarer Schaufelspitzenbelag
HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere einer Schaufel, für eine Gasturbine, welches einen Grundkörper umfasst, auf dem eine Einlaufschicht angebracht wird, die zumindest teilweise zur Bildung einer passgenauen Oberflä- che im Betrieb abgetragen wird, sowie ein entsprechendes Bauteil, insbesondere eine Verdichter- oder Turbinenschaufel für eine Flugturbine.
STAND DER TECHNIK Bei Gasturbinen, und insbesondere Flugturbinen werden sowohl im Verdichterbereich als auch im Turbinenbereich verschiedene Bauteile eingesetzt, die sehr passgenau zueinander angeordnet werden müssen, um eine hohe Effizienz der Maschine zu gewährleisten und Verluste zu vermeiden. Beispielsweise muss Sorge dafür getragen werden, dass die im Verdichterbereich und im Turbinenbereich eingesetzten Schaufeln optimal angeströmt werden, so dass nicht durch Spalten und Freiräume auf Grund von Fehlpassungen Effizienzverluste auftreten. Dies gilt für Laufschaufeln, die sich gegenüber Auskleidungen oder Mantelringen, beispielsweise shrouds genannt, des Gasturbinengehäuses bewegen oder auch für feststehende Leitschaufeln gegenüber benachbart angeordneten, sich bewegenden Rotoren. Zu diesem Zweck sind sogenannte Anlaufbeläge oder Einlaufschichten bekannt, die zumindest teilweise im Betrieb abgerieben werden, um eine passgenaue Oberfläche einzustellen. Beispielsweise können bei Leitschaufeln die Schaufelspitzen an ein Deckband eines benachbarten Rotors angrenzen, wobei im Betrieb eine passgenaue Anordnung der Leitschaufelspitzen gegenüber dem Rotor vorliegen soll.
Zur Erzeugung von Einlaufschichten werden üblicherweise thermische Spritzverfahren eingesetzt, da die dadurch erzeugten Schichten bereits eine gewisse Porosität aufweisen und somit eine entsprechend niedrige Festigkeit bzw. Abrieb- bzw. Verschleißbeständigkeit besitzen. Darüber hinaus kann durch zusätzliche Maßnahmen die Porosität entsprechend eingestellt werden, wie beispielsweise in der JP 59 22 2 566 A beschrieben ist. In diesem Dokument ist offenbart, dass eine NiCrAlY-Schicht mit einem Pulver aus organischem Material thermisch gespritzt wird, so dass bei entsprechend hoher Temperatur das organische Material verdampft und eine poröse Schicht erzeugt wird.
Allerdings weisen die thermisch gespritzten Schichten hinsichtlich der einsetzbaren Materialien Beschränkungen auf, da durch die verwendeten hohen Temperaturen eine hohe chemische Reaktivität der zu beschichtenden Partikel gegeben ist. Zusätzliche Maßnahmen, wie das Einbringen von organischem Material zur Erzeugung von Poren, fuhren zudem zu einem erheblichen Aufwand.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Einlaufschicht auf einem Bauteil, insbesondere einer Schaufel einer Gasturbine, bzw. ein entsprechend hergestelltes Bauteil zur Verfügung zu stellen, welches eine höhere Flexibilität der Materialauswahl ermöglicht und gleichzeitig einen geringen Herstellungsaufwand benötigt, wobei gleichzeitig die Funktionalität der Einlaufschicht nicht beeinträchtigt werden soll.
TECHNISCHE LÖSUNG Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zur Aufbringung einer Einlaufschicht, welche zu- mindest teilweise zur Bildung einer passgenauen Oberfläche beim Betrieb einer Gasturbine abgetragen wird, das kinetische Kaltgaskompaktieren eingesetzt. Durch das kinetische KaIt- gaskompaktieren, welches bei niedrigen Temperaturen durchgeführt wird, lässt sich insbesondere auch auf Bauteilen, vorzugsweise Schaufeln einer Gasturbine, welche aus einem Titan-Werkstoff gebildet sind, eine Einlaufschicht aus einer Titan-Legierung aufbringen, ohne dass während der Aufbringung das Schichtmaterial in ungünstiger Weise verändert oder be- einflusst wird, beispielsweise durch eine entsprechende Veränderung der chemischen Zusammensetzung. Darüber hinaus lässt sich mit dem kinetischen Kaltgaskompaktieren die erforderliche Struktur, insbesondere Porosität, die für die Einlaufeigenschaften wichtig ist, in einfacher Weise einstellen.
Entsprechend kann die Einlaufschicht so aufgebracht werden, dass eine definierte Porosität in der Einlaufschicht eingestellt wird. Die Einlaufschicht kann aus unterschiedlichsten Materialien gebildet werden, wobei insbesondere für Flugturbinen Nickelbasislegierungen, Kobaltbasislegierungen oder Titan- Legierungen eingesetzt werden können. Insbesondere können Einlaufschichten auf einem Grundkörper erzeugt werden, der im Wesentlichen aus dem gleichen Material gebildet wird, also beispielsweise eine Nickelbasis-Einlaufschicht auf einer Nickelbasislegierung oder eine Titan-Legierung als Einlaufschicht auf einem Grundkörper aus einer Titan-Legierung.
Im Wesentlichen bedeutet hierbei, dass überwiegend, also die Mehrzahl der verwendeten Legierungskomponenten gleich ist oder gar mehrheitlich im gleichen Anteil in der Legierung enthalten ist. Entsprechend können sich also die im Wesentlich gleichen Materialien in einer Minderheit von Komponenten unterscheiden oder in ihrer Zusammensetzung variieren.
Insbesondere können Nickelbasislegierungen mit einer Zusammensetzung gleich oder ähnlich der Legierung IN718 (Markenbezeichnung der Fa. Inconel) bzw. Titan-Legierungen mit einer Zusammensetzung wie z.B. Η6A14V für den entsprechenden Grundkörper und / oder die Ein- laufschicht Verwendung finden.
Obwohl die Einlaufschicht und der Grundkörper im Wesentlichen aus den gleichen Materialien gebildet sein können, kann die Einlaufschicht so aufgebracht werden, dass sie sich in ihren Eigenschaften von dem Grundkörper unterscheidet, insbesondere hinsichtlich ihrer Fes- tigkeit und / oder Struktur. Beispielsweise kann die Einlaufschicht eine entsprechend hohe Porosität aufweisen, so dass die Festigkeit bzw. Abrieb- bzw. Verschleißbeständigkeit herabgesetzt ist, um so günstige Einlaufbedingungen zu erreichen. Günstige Einlaufbedingungen meint in diesem Zusammenhang, dass das Material der Einlaufschicht leicht abgerieben werden kann, insbesondere gegenüber dem entsprechenden Reibpartner, also dem angrenzenden Bauteil gegenüber dem die Oberfläche passgenau ausgebildet werden muss. Dies kann je nach Anwendungsfall angepasst werden, z.B. für Einsatzbedingungen von Leit- oder Laufschaufeln. Bei Laufschaufeln wird in diesem Zusammenhang im Gegensatz zu der Einlaufschicht bei Leitschaufeln häufig auch von Anlaufbelag gesprochen, was aber im Rahmen dieser Of- fenbarung als gleich bedeutend angesehen werden soll, so dass unter Einlaufschicht auch ein Anlaufbelag verstanden werden soll und umgekehrt.
Insbesondere kann das Material der Einlaufschicht so gewählt werden, dass gegenüber einem Reibpartner aus Yttrium stabilisiertem Zirkonoxid oder Aluminiumoxid der Materialabtrag im Wesentlichen an der Einlaufschicht stattfindet. Im Wesentlichen an der Einlaufschicht bedeutet hierbei, dass der Abrieb an der Reibschicht zwischen Einlaufschicht und gegenüberliegendem Reibpartner ausschließlich oder überwiegend, also mit mehr als 50 %, insbesondere mehr als 75 %, vorzugsweise mehr als 90 % des Materialabtrags an der Einlaufschicht stattfindet. Erfindungsgemäß wird zur Aufbringung der Einlaufschicht das kinetische Kaltgasspritzen eingesetzt. Die Verfahrensparameter beim kinetischen Kaltgasspritzen können hierbei im Bereich von 3000C bis 9000C Betriebstemperatur, insbesondere 4000C bis 7500C und/oder einem Gasdruck, mit dem die Partikel auf die zu beschichtende Oberfläche beschleunigt werden, im Bereich von 20 bis 50 bar, insbesondere 30 bis 40 bar gewählt werden. Entsprechend kann die Partikelgeschwindigkeit der beim kinetischen Kaltgasspritzen auf die zu beschichtende Oberfläche beschleunigten Partikel im Bereich von 500 bis 1200 m/s, insbesondere 700 bis 1000 m/s liegen, wobei die verwendeten Partikel eine Größe von 5 μm bis 100 μm, insbesondere 10 μm bis 50 μm aufweisen können. Durch das eingesetzte Verfahren des kinetischen Kaltgasspritzens können insbesondere Bauteile aus einem Titan- Werkstoff, wie Schaufeln einer Gas- oder Flugturbine aus einem Titan- Werkstoff, mit einer Einlaufschicht versehen werden, die als poröse Schicht ausgebildet ist. Die poröse Schicht kann durch den Einsatz des kinetischen Kaltgaskompaktierens mit niedrigen Prozesstemperaturen so ausgeführt werden, dass in der Schicht im Wesentlichen keine Oxide vorliegen, oder der Oxidgehalt kleiner oder gleich 5 %o Gewichts- oder Volumenanteil , insbesondere kleiner oder gleich 2 %o Gewichtsoder Volumenanteil ist. Im Wesentlichen frei von Oxiden bedeutet, dass der Oxidanteil unter der Nachweisgrenze liegt, insbesondere in einem Bereich kleiner oder gleich 1 %o Gewichts- oder Volumenanteil. Die Porosität der Einlaufschicht kann im Bereich eines Porenanteils von 10 bis 30 Vol.%, insbesondere 15 bis 20 Vol.% liegen, wobei dies allgemein für alle Arten von Einlaufschich- ten, also Schichten auf Basis von Nickelbasislegierungen, Titan-Legierungen oder anderen Legierungen gilt.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen deutlich. Die Zeichnungen zeigen hierbei in rein schematischer Weise in
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Schaufel einer Gasturbine mit einer erfindungsgemäßen Einlaufschicht; und in
Figur 2eine Prinzipdarstellung des kinetischen Kaltgaskompaktierens. AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Die Figur 1 zeigt ein Bauteil einer Gasturbine, insbesondere Flugturbine in Form einer Turbinen- oder Verdichterschaufel 1, bei welcher die vorliegende Erfindung eingesetzt werden kann. Die Schaufel 1 weist einen Schaufelgrundkörper 2 mit einem Schaufelblatt 3 und einem Schaufelfuß 5 auf, welcher ein Formteil 4 zum formschlüssigen Einsetzen der Schaufel 1 in eine Scheibe umfassen kann. Die vorliegende Erfindung kann sowohl für Laufschaufeln, die sich beim Betrieb der Turbine bewegen, als auch für ortsfeste Leitschaufeln eingesetzt werden. Das vorliegende Ausführungsbeispiel betrifft eine Leitschaufel, die ortsfest in der Gasturbine angeordnet ist.
An der Spitze der Schaufel ist eine Einlaufschicht 6 vorgesehen, die passgenau zu einem angrenzenden Bauteil 7 angeordnet ist, wie beispielsweise einem Deckband eines benachbarten Rotors. Um eine passgenaue Anordnung von Schaufel 1 und dem angrenzenden Rotorbauteil 7 zu ermöglichen, sind die Teile so ausgebildet, dass sie zumindest bei Betriebstemperatur in Reibkontakt zueinander stehen. Beim Einlaufen der Gasturbine wird entsprechend des Reibkontaktes Material an der Kontaktfläche 11 abgerieben, so dass eine exakte, passgenaue Kontaktfläche 11 entsteht. Die Einlaufschicht ist nun so ausgebildet, dass im Wesentlichen, d. h. vollständig oder überwiegend Material von der Einlaufschicht 6 abgerieben wird und nicht von dem angrenzenden Rotorbauteil 7. Das Rotorbauteil 7 kann entsprechend aus einem sehr harten, erosions- und verschleißbeständigem Werkstoff, wie Yttrium stabilisertem Zirkonoxid oder Aluminiumoxid gebildet sein.
Die Einlaufschicht 6 wird je nach dem verwendeten Material für den Schaufelgrundkörper 2 bzw. das Schaufelblatt 3 aus einer Nickelbasislegierung oder einer Titanlegierung gefertigt.
Als Nickelbasislegierungen für den Schaufelgrundwerkstoff sowie für die Einlaufschicht kommen insbesondere NiCoCrAlY-Legierungen in Frage.
_ Allerdings ist die Einlaufschicht von ihrer Struktur andersartig aufgebaut als das Material des Schaufelgrundkörpers 2, so dass sich eine geringere Festigkeit und somit geringere Abriebfestigkeit bzw! Verschleißbeständigkeit ergibt. Insbesondere kann die Einlaufschicht eine entsprechende Porosität aufweisen, so dass durch die Porenstruktur die Festigkeit bzw. Verschleiß- bzw. Abriebfestigkeit herabgesetzt ist. Die Porenstruktur kann bei der Aufbringung der Einlaufschicht entsprechend eingestellt werden. Hierzu wird erfindungsgemäß das kinetische Kaltgaskompaktieren als Verfahren für das Aufbringen der Einlaufschicht 6 auf das Schaufelblatt 3 eingesetzt.
Das Prinzip der Aufbringung einer Einlaufschicht 6 auf dem Schaufelblatt 3 mittels kineti- schem Kaltgaskompaktieren, auch K3 genannt, ist in Figur 2 schematisch dargestellt.
Aus einer entsprechenden Düsenvorrichtung 10 werden Partikel 9 des zu beschichtenden Materials in einem Strahl 8 auf die zu beschichtende Oberfläche des Schaufelblatts 3 beschleunigt, wobei beim Auftreffen auf der Oberfläche die beschleunigten Partikel sich verformen und durch die plastische Verformung ineinander fließen und eine kompakte Schicht 6 bilden. Durch die hohe Auftreffgeschwindigkeit, die im Bereich von 500 bis 1300 m/s liegen kann und durch entsprechend hohe Gasdrücke von 20 bis 50 bar im Bereich der Düsenanordnung 10 erzielt wird, können niedrige Temperaturen im Bereich von 300°C bis 900°C beim kinetischen Kaltgaskompaktieren verwendet werden, die gegenüber den höheren Temperaturen beim thermischen Spritzen dazu fuhren, dass weniger chemische Reaktionen des Beschich- tungsmaterials während der Beschichtung auftreten. Entsprechend kann mit dem kinetischen Kaltgaskompaktieren insbesondere eine Einlaufschicht 6 auf einem Schaufelgrundkörper 2 aus einem Titan- Werkstoff mit einer Titan-Legierung erzeugt werden, die auf Grund des vor- teilhaften Aufbringungsverfahrens keinen bzw. einen sehr geringen oder ausreichend geringen Sauerstoff- und insbesondere Oxidanteil aufweist. Gleichzeitig kann mit dem Verfahren jedoch die notwendige Struktur der Einlaufschicht, d. h. insbesondere eine entsprechende Porosität eingestellt werden, die die erforderlichen Abriebeigenschaften bereitstellt. Insbesondere kann eine Einlaufschicht 6 aus einer Titan-Legierung gebildet werden. Damit können insbe- sondere für Schaufeln einer Gasturbine aus einem Titan- Werkstoff geeignete Einlaufschichten in einfacher und definierter Weise hergestellt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen oder Änderungen in der Weise vorgenommen werden können, dass einzelne Merkmale weggelassen und/oder andere Kombinationen der vorgestellten Merkmale vorgenommen werden, ohne den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche zu verlassen.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere einer Schaufel für eine Gasturbine, bei welchem ein Grundkörper (2) bereit gestellt wird, auf dem eine Einlauf schicht (6) an- gebracht wird, welche zumindest teilweise zur Bildung einer passgenauen Oberfläche (11) im Betrieb abgetragen werden kann,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einlaufschicht durch kinetisches Kaltgaskompaktieren aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einlaufschicht (6) so aufgebracht wird, dass eine definierte Porosität in der Einlaufschicht eingestellt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Einlaufschicht (6) eine Nickelbasis-, Kobaltbasis- oder Ti-Legierung aufgebracht wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf einen Grundkörper (2) mit einer Nickelbasislegierung eine Nickelbasis-Einlaufschicht und/oder auf einen Grundkörper mit einer Ti-Legierung eine Einlaufschicht (6) aus einer Ti-Legierung aufgebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Nickelbasislegierung des Grundkörpers und/oder die Nickelbasislegierung der Einlaufschicht eine Zusammensetzung mit mindestens 40 Gew.% oder Vol.% Nickel aufwei- sen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einlaufschicht (6) und der Grundkörper (2) im Wesentlichen aus gleichen Materialien gebildet werden und die Einlaufschicht so aufgebracht wird, dass sie sich nur in der Fes- tigkeit und/oder Struktur, insbesondere der Porosität unterscheiden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Einlaufschicht so gewählt ist, dass gegenüber einem Reibpartner aus Yttrium stabilisierten Zirkonoxid oder Aluminiumoxid der Materialabtrag im Wesentlichen an der Einlaufschicht stattfindet.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das kinetische Kaltgasspritzen bei einer Temperatur von 3000C bis 9000C, insbesondere 4000C bis 7500C und/oder einem Druck von 20 bis 50 bar, insbesondere 30 bis 40 bar und/oder mit einer Partikelgeschwindigkeit von 500 bis 1200 m/s, insbesondere 700 bis 1000 m/s durchgeführt wird und/oder die verwendeten Partikel im Größenbereich von 5 μm bis 100 μm, insbesondere 10 μm bis 50 μm liegen.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schaufel eine Leitschaufel ist, bei der die Einlaufschicht an der Schaufelspitze aufgebracht wird.
10. Bauteil, insbesondere Schaufel für eine Gasturbine mit einem Grundkörper (2), auf welchem eine Einlaufschicht (6) angebracht ist, welche zumindest teilweise zur Bildung einer passgenauen Oberfläche (11) im Betrieb abgetragen werden kann,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einlaufschicht (6) eine poröse Schicht aus einer Nickelbasis-, Kobaltbasis- oder Ti- Legierung ist.
11. Bauteil nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die poröse Schicht im Wesentlichen frei an Oxiden ist.
12. Bauteil nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Grundkörper (2) aus einer Ti-Legierung gebildet ist.
13. Bauteil nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einlaufschicht (6) und der Grundkörper (2) im Wesentlichen aus dem gleichen Mate- rial gebildet sind und die Einlaufschicht sich nur in der Festigkeit und/oder Struktur, insbesondere der Porosität von dem Werkstoff des Grundkörpers unterscheidet.
14. Bauteil nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Material der Einlaufschicht (6) so gewählt ist, dass gegenüber einem Reibpartner aus Yttrium stabilisierten Zirkonoxid oder Aluminiumoxid der Materialabtrag im Wesentli- chen an der Einlaufschicht stattfindet.
PCT/DE2010/000909 2009-08-06 2010-07-31 Abreibbarer schaufelspitzenbelag WO2011015187A1 (de)

Priority Applications (2)

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