CH678067A5

CH678067A5 -

Info

Publication number: CH678067A5
Application number: CH252/89A
Authority: CH
Inventors: Benno Basler; Tibor Koromzay
Original assignee: Asea Brown Boveri
Priority date: 1989-01-26
Filing date: 1989-01-26
Publication date: 1991-07-31
Also published as: US5120613A; EP0379699B1; JPH02230902A; EP0379699A1; DE58905843D1; JP2895135B2

Description

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CH 678 067 A5

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Beschreibung

Technisches Gebiet

Schaufeln für rotierende thermische Maschinen wie Dampfturbinen, Gasturbinen, Turbokompressoren etc. und deren wirksamer Schutz gegen betriebliche Angriffe wie Oxydation, Korrosion, Ver-schleiss und Beschädigung.

Die Erfindung bezieht sich auf die Verbesserung des Widerstandes gegen Korrosion und Erosion von Schaufeln rotierender thermischer Maschinen durch Weiterentwicklung der Verfahren zum Aufbringen von geeigneten Schutzschichten.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung des Korrosions- und Erosionswiderstandes einer Schaufel einer rotierenden thermischen Maschine, die im wesentlichen aus einem ferritischen und/oder ferritisch-martensitlschen Grundmaterial besteht, durch Aufbringen einer fest haftenden Oberflächenschutzschicht sowie nach dem Verfahren hergestellte Schaufel.

Stand der Technik

Um den zahlreichen Beanspruchungen Genüge leisten zu können, werden die Schaufeln rotierender thermischer Maschinen vielfach mit Schutzschichten versehen. Davon wird sowohl bei Dampfund Gasturbinenschaufeln wie bei Kompressorschaufeln Gebrauch gemacht. Es gilt vor allem, den Widerstand gegen Korrosion und oxydierenden Angriff sowie gegen Erosion und Abnutzung (Ver-schleiss) zu erhöhen. Unter den verwendeten Stoffen für Schutzschichten nehmen die oxydische Deckschichten bildenden Elemente Gr, Al, Si eine Sonderstellung ein. Schichten, die einen hohen AI-Gehalt aufweisen, sind unter anderem als Füllmaterial für karbidhaltige Überzüge (CraCs; WC) im Triebswerkbau verwendet worden.

Zum Stand der Technik werden folgende Druckschriften angegeben:

- F.N. Davis, O.E. Grinnell, «Engine Expérience of Turbine Rotor Biade Materials and Coatings», The American Society of Mechanical Engineers, 345 E. 47 St. New York, N.Y. 10 017,82-GT-244

- SermeTei Technische Information: «SermaLoy J-Prozess STS», SermeTei GmbH, Weilenburgstrasse 49, D-5628 Heiligenhaus, BRD

- Mark F. Mosser and Bruce G. McMordie, «Evaluation of Aluminium/Ceramic Coating on Fasteners to Eliminate Galvanic Corrosion», Reprinted from SP-649-Corrosion: Coatings and Steels, International Congress and Exposition, Detroit, Michigan, February 24-28, 1986, ISSN 0148-7191, Copyright 1986 Society of Automotive Engineers, Inc.

- Thomas F. Lewis III, «Gator-Gard, The Process, Coatings, and Turbomachinery Applications», Presented at the International Gas Turbine Conference and Exhibit, Düsseldorf, West Germany - June 8-12,1986, The American Society of Mechanical Engineers, 345 E. 47 St., New York, N.Y. 10 017, 86-GT-306

- H.J. Kolkman, «New Erosion Résistant Compresser Coatings», Presented at the Gas Turbine and

Aeroengine Congress, Amsterdam, The Netherlands June 6-9, 1988, The American Society of Mechanical Engineers, 345 E. 47 St., New York, N.Y. 10 017, 88-GT-186.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erhöhung des Korrosions- (CI- und SO-Honen) und Erosionswiderstandes (Partikel-und Tropfenschlagerosion) einer Schaufel einer rotierenden thermischen Maschine bei Anwesenheit von H20-Dampf und vergleichsweise mässigen Temperaturen (450°C) anzugeben, welches sich besonders für ferritisches und/oder ferritisch-mar-tensitisches Grundmaterial der Schaufel eignet, wobei kostengünstig und ohne grossen Aufwand eine geeignete Oberflächenschicht erzielt werden soll. Es soll insbesondere das Auftreten, von Lochfrass-Korrosion vermieden oder mindestens hinausgezögert werden, um der Schaufel eine längere Lebensdauer zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im eingangs erwähnten Verfahren eine Schutzschicht bestehend aus 5 bis 15 Gew.-% Si, Rest AI nach dem Hochgeschwindigkeitsverfahren mit einer Partikelgeschwindigkeit von mindestens 300 m/s auf die Oberfläche des Grundmaterials aufgespritzt wird.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele beschrieben:

Ausführungsbeispiel 1 :

Eine Verdichterschaufel für einen Axialkompressor wurde mit einer Schutzschicht versehen. Die Schicht hatte Tragflügelprofil, wobei das Schaufelblattfolgende Abmessungen aufwies:

Breite= 80 mm Grösste Dicke= 9 mm Profilhöhe= 14 mm Radiale Länge= 210 mm

Der Werkstoff der Schaufel war ein martensiti-scher Stahl, der im voll vergüteten Gefügezustand vorlag und folgende Zusammensetzung aufwies:

Cr =12 Gew.-%

Mo = 1 Gew.-%

Ni = 0,5 Gew.-%

C=0,25 Gew.-%

Fe =Rest

Die Schaufel wurde zunächst in Trichloräthan entfettet und gereinigt, worauf das Blatt und der Übergang Blatt/Fuss sandgestrahlt wurde. Die Be-schichtung der Schaufel wurde nach einem Hochge-schwindigkeits-Flammspritzverfahren mit einer Partikelgeschwindigkeit von 400 m/s und einer Gasgeschwindigkeit von 1000 m/s mit Stickstoff als Fördergas durchgeführt. Als Beschrchtungsmate-rial wurde eine Aluminiumlegierung der nachfolgen5

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den Zusammensetzung verwendet, die in Pulverform vorlag:

Si =12,8 Gew.-%

Mn =0,22 Gew.-%

Mg =0,34 Gew.-%

Ti = 0,1 Gew.-%

AI =Rest

Gemäss dem hier angewendeten Beschichtungs-verfahren mit der Markenbezeichnung «Jet-Kote» wurde das Aluminiumlegierungspulver mittels Stickstoff in eine mit Propan und Sauerstoff betriebene Brennkammer gefördert. Die verflüssigten Partikel wurden als feine Tropfen unter hohem Überdruck auf das Werkstück geschleudert. Dabei stand die Schaufel in einer Vorrichtung, die den Schaufelfuss abdeckte. Die Aufbringung der Schutzschicht erfolgte mit der von Hand geführten Spritzpistole. Die aufgetragene Schutzschicht wurde anhand eines metallographischen Schliffes gemessen und betrug im Mittel 8 bis 15 um. Auf diese Metall-Schutz-schicht wurde nach einem herkömmlichen Lackspritzverfahren ein Kunststoff (im vorliegenden Fall Polytetrafluoräthylen) aufgetragen. Diese glatte Oberflächenschicht hatte eine durchschnittliche Dicke von 6 bis 10 um und eine Rauheit von ca. 2 um.

Die beschichtete Verdichterschaufel wurde einer Prüfung auf Korrosionsbeständigkeit unterworfen. Zu diesem Zweck wurde sie in eine Prüflösung getaucht und danach in einem Klimaschrank während 4 h ausgelagert. Dieser Zyklus wurde insgesamt 60 x wiederholt. Die Prüflösung bestand aus einer wässrigen Lösung der folgenden Salze:

220 g/i(NH4)2FeS04-6H20 50 g/l NaCI pH = 3-3,5

Temperatur Klimaschrank =45°C Luftfeuchtigkeit =100%

Prüfdauer/Zyklus =4 h Zahl der Zyklen =60

Die metallosraphischen Untersuchungen zeigten, dass nach diesen Korrosionsversuchen weder an den aufgebrachten Schichten noch am Grundmaterial irgendwelche Veränderungen festgestellt werden konnten.

Zum Vergleich wurde eine nach einem herkömmlichen Spritzverfahren mit je einer Aluminiumschicht und einer Kunststoffschicht versehene Verdichterschaufel geprüft. Nach 60 Prüfzyklen waren die Schutzschichten weitgehend zerstört und lamellen-förmige Schuppen herausgebrochen.

Ausführungsbeispiel 2:

Eine Verdichterschaufel gleicher Abmessungen und Zusammensetzung wurde gemäss Beispiel 1 mit einer Aluminiumlegierung und einem Kunststoff beschichtet. Nun wurde auf der beschichteten Schaufel ein der Längsachse paralleler Kratzer von 10 mm Länge und total durchschnittlich 25 um Tiefe angebracht, dessen Profil also mit seiner Spitze gerade noch das Grundmaterial knapp erfasste. Dann wurde die Schaufel den gleichen Korrosionsprüfungen wie in Beispiel 1 unterworfen. Dank der Lokalelementbildung (Aluminiumschicht funktioniert als «Opferanode») wurde das Grundmaterial weitgehend geschützt, während die Aluminiumschicht an den Flanken des Kratzers nur geringfügig abgebaut wurde. Durch die Wanderung der AI-Ionen im korrosiven Medium als «Elektrolyt» und deren Entladung an der elektropositiven Elektrode (Fe) des Grundmaterials kommt der korrosive Angriff in vielen Fällen zum Stillstand. Durch diese Simulierung der Oberflächenbeschädigung durch auftreffende Partikel im Betrieb und deren Verhalten unter korrosiver Atmosphäre wurde bewiesen, dass die erfin-dungsgemässe Schutzschicht unter praktischen Einsatzbedingungen eine lange Lebensdauer zu erwarten Iässt.

Ausführungsbeispiel 3:

Eine Verdichterschaufel wurde mit einer Schutzschicht versehen. Der Tragflügel des Schaufelblattes hatte die nachfolgenden Abmessungen:

Breite=100 mm Grösste Dicke =10,5 mm Profilhöhe=18 mm Radiale Länge =265 mm

Der Werkstoff der Schaufel bestand aus einem martensitisch-austenitischen Zweiphasenstahl mit geringem Austenitanteil und lag im vergüteten Zustand vor. Die Zusammensetzung war die folgende:

Cr= 15,5 Gew.-%

Mo = 1,28 Gew.-%

Ni = 5,4 Gew.-%

C = 0,2 Gew.-%

Fe = Rest

Nach dem üblichen Entfetten, Reinigen und Sandstrahlen wurde das Schaufelblatt zusätzlich gezielt kugelgestrahlt. Durch diese Oberflächenbehandlung wurde die Randzone des Grundmaterials kalt-verformt und verdichtet, so dass sie Druckeigenspannungen aufwies. Damit wurde erreicht, dass die Wechselfestigkeit (Ermüdungsfestigkeit) durch Abbau der Spannungen auf der Zugseite im Betrieb erhöht wurde. Für die Beschichtung der Schaufel nach dem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzver-fahren mit einer Partikelgeschwindigkeit von 450 m/s und einer Gasgeschwindigkeit von 1200 m/s mit Stickstoff als Fördermittel wurde eine Aluminiumlegierung der nachfolgenden Zusammensetzung verwendet:

Si = 10,65 Gew.-%

Mn = 0,37 Gew.-%

Mg = 0,1 Gew.-%

AI = Rest

Das Aufspritzen der Aluminiumlegierung erfolgte mit einem Industrieroboter. Es wurden 3 Spritzgänge durchgeführt. Die Dicke der aufgetragenen Schicht betrug im Durchschnitt 90 bis 100 um. Auf

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diese Metall-Schutzschicht wurde zusätzlich eine Kunststoffschicht von ca. 10 bis 15 jim Dicke nach einem üblichen Lackspritzverfahren aufgetragen.

Die beschichtete Schaufel wurde der gleichen Prüfung auf Korrosion unterzogen wie in Beispiel 1. Es konnte danach keinerlei Angriff festgestellt werden.

Ausführungsbeispiel 4:

Eine gebrauchte Verdichterschaufel mit Tragflügelprofil wurde mit einer Schutzschicht versehen. Das Schaufelblatt hatte die nachfolgenden Abmessungen:

Breite= 63 mm Grösste Dicke =8 mm Profilhöhe= 12 mm Radiale Länge =140 mm

Das Grundmaterial der Schaufel war ein marten-sitischer Stahl im hochfest vergüteten Gefügezu-stand, dessen Zusammensetzung nachstehend wiedergegeben ist:

Cr= 11,73 Gew-%

Mo = 0,8 Gew.-%

V = 0,1 Gew.-%

C = 0,22 Gew-%

Fe « Rest

Im vorliegenden Fall handelte es sich um eine nach üblichen Verfahren beschichtete Schaufel, welche beträchtliche Betriebsschäden in Form von Lochfrass-Korrosion, die sich teilweise auch auf das Grundmaterial erstreckte, aufwies. Diese gebrauchte Schaufel wurde zunächst entfettet, überschliffen und sandgestrahlt, um die Schäden zu beseitigen. Dann wurde die Oberflächenzone des Grundmaterials durch Kugelstrahlen verdichtet. Die Beschickung erfolgte mit einer Aluminiumlegierung folgender Zusammensetzung:

Si = 6,84 Gew.-%

Mn = 0,3 Gew.-%

Mg = 0,36 Gew.-%

Ti = 0,1 Gew,-%

AI = Rest

Das Aufspritzen der Metallschicht erfolgte von Hand nach dem Hochgeschwindigkeits-Flammspritz-verfahren. Die Dicke der Schutzschicht schwankte zwischen 25 und 45 um. Die metallographischen Prüfungen nach dem oben angegebenen Korrosionsversuch ergaben eine unveränderte, nicht angegriffene Oberflächenzone.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.

Das Verfahren zur Erhöhung des Korrosionsund Erosionswiderstandes einer Schaufel einer rotierenden thermischen Maschine, die im wesentlichen aus einem ferritischen und/oder ferritisch-martensitischen Grundmaterial besteht, wird durch Aufbringen einer fest haftenden Oberflächenschutzschicht durchgeführt, indem eine Schutzschicht bestehend aus 6 bis 15 Gew.-% Si, Rest AI nach dem Hochgeschwindigkeitsverfahren mit einer Partikelgeschwindigkeit von mindestens 300 m/s auf die Oberfläche des Grundmaterials aufgespritzt wird. Vorzugsweise besteht das Grundmaterial aus einem chromhaltigen Stahl mit 12 bis 13 Gew -% Cr und weiteren Zusätzen. Die Schutzschicht enthält in vorteilhafter Weise 10 bis 12 Gew.-% Si, Rest AI. Auf die besagte Schutzschicht wird zur Verfeinerung der Oberfläche vorzugsweise zusätzlich eine Deckschicht aus einem wärmebständi-gen Kunststoff aufgetragen.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erhöhung des Korrosions- und Erosionswiderstandes einer Schaufel einer rotierenden thermischen Maschine, die im wesentlichen aus einem ferritischen und/oder ferritisch-marten-sitischen Grundmaterial besteht, durch Aufbringen einer fest haftenden Oberflächenschutzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schutzschicht bestehend aus 6 bis 15 Gew.-% Si, Rest AI nach dem Hochgeschwindigkeitsverfahren mit einer Partikelgeschwindigkeit von mindestens 300 m/s auf die Oberfläche des Grundmaterials aufgespritzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial aus einem chromhaltigen Stahl mit 12 bis 13 Gew.-% Cr und weiteren Zusätzen besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht 10 bis 12 Gew.-% Si, Rest AI enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Schutzschicht zusätzlich eine Deckschicht aus einem wärmebeständigen Kunststoff aufgetragen wird.

5. Schaufel mit Schutzschicht mit erhöhtem Korrosions- und Erosionswiderstand für eine rotierende thermische Maschine, hergestellt nach dem Verfahren gemäss Anspruch 1.

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