DE102005060712A1

DE102005060712A1 - Verfahren zum Herstellen einer Schaufelspitzenpanzerung

Info

Publication number: DE102005060712A1
Application number: DE102005060712A
Authority: DE
Inventors: Erwin Dr. Bayer; Albin Platz; Jürgen Dr. Steinwandel
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2007-06-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Schaufelspitzenpanzerung. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer im Bereich einer Schaufelspitze (11) mit einer Schaufelspitzenpanzerung zu versehenden Schaufel (10); b) Positionieren einer Maske (12) im Bereich der Schaufelspitze (11), wobei die Maske (12) einen mit der Schaufelspitzenpanzerung zu versehenden Abschnitt (13) der Schaufelspitze (11) umgrenzt; c) Auftragen eines Grundwerkstoffs für die Schaufelspitzenpanzerung auf die Schaufelspitze über thermisches Plasmaspritzen, wobei hierzu eine Plasmaflamme (16) erzeugt, der Grundwerkstoff als Pulver insbesondere über ein Trägergas in die Plasmaflamme (16) eingeleitet, in derselben aufgeschmolzen oder verdampft und ein sich hierbei ausbildender Plasmastrahl (18) auf den von der Maske umgrenzten Abschnitt der Schaufelspitze gerichtet wird; d) Einleiten abrasiver Partikel in den Plasmastrahl (18) oder in die sich ausbildende Schaufelspitzenpanzerung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Schaufelspitzenpanzerung auf einer Schaufel einer Turbomaschine.

Turbomaschinen, wie zum Beispiel Gasturbinen, umfassen in der Regel mehrere rotierende Laufschaufeln sowie mehrere feststehende Leitschaufeln, wobei die Laufschaufeln zusammen mit einem Rotor rotieren, und wobei die Laufschaufeln sowie die Leitschaufeln von einem feststehenden Gehäuse umschlossen sind. Zur Leistungssteigerung ist es von Bedeutung, alle Komponenten und Subsysteme zu optimieren. Hierzu zählen auch die sogenannten Dichtsysteme. Besonders problematisch ist bei Turbomaschinen die Einhaltung eines minimalen Spalts zwischen den rotierenden Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse eines Hochdruckverdichters. Bei Hochdruckverdichtern treten nämlich im Verdichterbereich die größten absoluten Temperaturen sowie Temperaturengradienten auf, was die Spalthaltung der rotierenden Laufschaufeln zum feststehenden Gehäuse erschwert. Dies liegt unter anderem auch darin begründet, dass bei Verdichterlaufschaufeln auf Deckbänder, wie sie bei Turbinenlaufschaufeln verwendet werden, verzichtet wird.

Wie bereits erwähnt, verfügen Laufschaufeln im Verdichter über kein Deckband. Daher sind Enden bzw. Spitzen der Laufschaufeln beim sogenannten Anstreifen in das feststehende Gehäuse einem direkten Reibkontakt mit dem Gehäuse ausgesetzt. Ein solches Anstreifen der Spitzen der Laufschaufeln in das Gehäuse wird bei Einstellung eines minimalen Radialspalts durch Fertigungstoleranzen oder durch extreme Flugsituationen hervorgerufen. Da durch den Reibkontakt der Spitzen der Laufschaufeln an denselben Material abgetragen wird, kann sich über den gesamten Umfang von Gehäuse und Rotor eine unerwünschte Spaltvergrößerung einstellen.

Um dies zu vermeiden ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, die Enden bzw. Spitzen der Laufschaufeln mit einem harten Belag oder mit abrasiven Partikeln zu panzern, wobei eine Schaufelspitzenpanzerung unmittelbar auf die zu panzernde Schaufelspitze aufgebracht wird. Dabei sind aus dem Stand der Technik zwei unterschiedliche Typen von Schaufelspitzenpanzerungen bekannt, nämlich Schaufelspitzenpanzerungen aus einem keramischen Werkstoff oder Schaufelspitzenpanzerungen aus abrasiven Partikeln. Nach dem Stand der Technik wird eine aus einem keramischen Belag hergestellte Schaufelspitzenpanzerung durch thermisches Spritzen aufgetragen, Schaufelspitzenpanzerungen aus abrasiven Partikeln werden hingegen unmittelbar auf die zu panzernde Schaufelspitze aufgelötet.

Das Auflöten abrasiver Hartstoffpartikel auf die Schaufelspitze ist zeitaufwendig, nicht automatisiert durchführbar und daher relativ kostenintensiv. Ferner kann beim Löten die Anbindung der Hartstoffpartikel an den Untergrund nicht optimal gewährleistet werden, so dass die aufgelöteten Hartstoffpartikel zum Ausbrechen neigen. Hierdurch kann das Einlaufverhalten verschlechtert werden.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Herstellen einer Schaufelspitzenpanzerung zu schaffen.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren zum Herstellen einer Schaufelspitzenpanzerung im Sinne von Anspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer im Bereich einer Schaufelspitze mit einer Schaufelspitzenpanzerung zu versehenden Schaufel; b) Positionieren einer Maske im Bereich der Schaufelspitze, wobei die Maske einen mit der Schaufelspitzenpanzerung zu versehenden Abschnitt der Schaufelspitze umgrenzt; c) Auftragen eines Grundwerkstoffs für die Schaufelspitzenpanzerung auf die Schaufelspitze über thermisches Plasmaspritzen, wobei hierzu eine Plasmaflamme erzeugt, der Grundwerkstoff als Pulver insbesondere über ein Trägergas in die Plasmaflamme eingeleitet, in derselben angeschmolzen oder aufgeschmolzen und ein sich hierbei ausbildender Plasmastrahl auf den von der Maske umgrenzten Abschnitt der Schaufelspitze gerichtet wird; d) Einleiten abrasiver Partikel in den Plasmastrahl oder in die sich ausbildende Schaufelspitzenpanzerung.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung werden die abrasiven Hartstoffpartikel gleichzeitig zusammen mit dem Grundwerkstoff auf die mit der Schaufelspitzenpanzerung zu versehende Schaufelspitze der Schaufel aufgetragen. Ein Auflöten der abrasiven Hartstoffpartikel entfällt demnach im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierdurch kann eine deutlich bessere Anbindung der Hartstoffpartikel an die Schaufel gewährleistet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist automatisiert durchführbar, so dass reproduzierbare Schaufelspitzenpanzerungen mit abrasiven Hartstoffpartikeln bereitgestellt werden können. Es sind beliebige Materialkombinationen zwischen dem Grundwerkstoff für die Schaufelspitzenpanzerung und dem Werkstoff der abrasiven Partikel möglich.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1: eine stark schematisierte Darstellung einer mit einer Schaufelspitzenpanzerung zu versehende Schaufel zusammen mit einem Plasmatron.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Schaufelspitzenpanzerung unter Bezugnahme auf 1 in größerem Detail beschrieben. Das Verfahren dient vorzugsweise dem Ausbilden einer Schaufelspitzenpanzerung auf Laufschaufeln eines Verdichters eines Gasturbinenflugtriebwerks.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird zum Herstellen einer Schaufelspitzenpanzerung zuerst eine Schaufel 10 bereitgestellt, die im Bereich einer Schaufelspitze 11 mit einer Schaufelspitzenpanzerung zu versehen ist. Anschließend wird im Bereich der Schaufelspitze 11 eine Maske 12 positioniert, wobei die Maske 12 einen mit der Schaufelspitzenpanzerung zu versehenen Abschnitt 13 der Schaufelspitze 11 umgrenzt. Die Maske 12 deckt gemäß 1 einen Randbereich der Schaufelspitze 11 ab, wobei hierdurch ein kontrollierter Aufbau der Schaufelspitzenpanzerung gewährleistet und das Ausbilden unerwünschter Wülste im Randbereich der Schaufelspitze 11 vermieden werden kann. Als Maske 12 findet vorzugsweise eine Maske aus Silikonkautschuk Verwendung.
Im Sinne der Erfindung wird ein Grundwerkstoff für die Schaufelspitzenpanzerung auf die Schaufelspitze 11, nämlich den Abschnitt 13 derselben, über thermisches Plasmaspritzen aufgetragen. Zum thermischen Plasmaspritzen dient ein Plasmatron 14, wobei zwischen Elektroden 15 des Plasmatrons 14 eine Plasmaflamme 16 erzeugt wird. Der Grundwerkstoff für die Schaufelspitzenpanzerung wird als Pulver, vorzugsweise mit Hilfe eines Trägergases, über eine Einsprüheinrichtung 17 in die Plasmaflamme 16 eingesprüht, wobei der Grundwerkstoff in der Plasmaflamme 16 aufgeschmolzen oder verdampft wird. Ein sich hierbei ausbildender Plasmastrahl 18 wird auf den von der Maske 12 umgrenzten Abschnitt 13 der Schaufelspitze 11 gerichtet, wobei sich hierbei im Abschnitt 13 der Schaufelspitze 11 eine Matrix für die Schaufelspitzenpanzerung aus dem Grundwerkstoff ausbildet. Das Plasmatron 14 ist als Hochenthalpie-Plasmabrenner ausgeführt.
Neben dem vollständigen Aufschmelzen bzw. Verdampfen kann es für bestimmte Anwendungen auch ausreichend sein, den Grundwerkstoff nur anzuschmelzen.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung werden in den Plasmastrahl 18 bzw. in die sich im Abschnitt 13 ausbildende Schaufelspitzenpanzerung abrasive Hartstoffpartikel eingeleitet. Die Hartstoffpartikel werden dabei in den Plasmastrahl 18 oder in die sich im Abschnitt 13 der Schaufelspitze 11 ausbildende Schaufelspitzenpanzerung kontinuierlich mit Hilfe einer Sprüheinrichtung 19 eingesprüht. Dabei finden abrasive Hartstoffpartikel mit einem Partikeldurchmesser zwischen 5 und 100 μm Verwendung.
Nach einer ersten Alternative werden die abrasiven Partikel über die Sprüheinrichtung 19 in den Plasmastrahl 18 eingesprüht, und zwar stromabwärts des Einleitens des pulverförmigen Grundwerkstoffs in die Plasmaflamme 16 und stromaufwärts des Abschnitts 13 der Schaufelspitze 11. In diesem Fall werden dann die abrasiven Hartstoffpartikel über den Plasmastrahl 18 zusammen mit dem Grundwerkstoff bzw. gleichzeitig mit demselben auf den von der Maske 12 umgrenzten Abschnitt 13 der Schaufelspitze 11 aufgetragen. In diesem Fall werden demnach die abrasiven Hartstoffpartikel über den Plasmastrahl 18 in Richtung auf die Schaufelspitze 11 transportiert.
Nach einer zweiten Alternative der Erfindung werden die abrasiven Hartstoffpartikel unmittelbar von der Sprüheinrichtung 19 auf den Abschnitt 13 der Schaufelspitze 11 gesprüht, wobei dann die Sprüheinrichtung 19 die Hartstoffpartikel unmittelbar in die sich im Abschnitt 13 ausbildende Schaufelspitzenpanzerung einleitet.
Mit dem obigen erfindungsgemäßen Verfahren können reproduzierbare Schaufelspitzenpanzerungen, die abrasive Hartstoffpartikel enthalten, hergestellt werden. Es sind beliebige Kombinationen zwischen dem Grundwerkstoff der Schaufelspitzenpanzerung und dem Werkstoff der abrasiven Partikel möglich.
Als Grundwerkstoff für die Schaufelspitzenpanzerung, der über den Plasmastrahl 18 aufgetragen wird, findet bevorzugt ein an den Werkstoff der Schaufelspitze 11 angepasster, metallischer Werkstoff Verwendung. Alternativ kann ein nickelhaltiger Werkstoff, insbesondere ein NiSi-Legierungswerkstoff oder ein NiAl-Legierungswerkstoff oder ein NiCo-Legierungswerkstoff, Verwendung finden. Auch ist es denkbar, als Grundwerkstoff für die Schaufelspitzenpanzerung einen MCrAlY-Werkstoff zu ver wenden. Als abrasive Hartstoffpartikel finden vorzugsweise SiC-Hartstoffpartikel oder Al₂O₃-Hartstoffpartikel oder Hartstoffpartikel aus kubischem Bornitrit Verwendung. Es können jedoch auch andere Oxide oder Karbide, wie beispielsweise Wolframkarbid (WC), bzw. Mischoxide oder Mischkarbide als Hartstoffpartikel eingesetzt werden.

10: Schaufel
11: Schaufelspitze
12: Maske
13: Abschnitt
14: Plasmatron
15: Elektroden
16: Plasmaflamme
17: Sprüheinrichtung
18: Plasmastrahl
19: Sprüheinrichtung

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Schaufelspitzenpanzerung auf einer Schaufel einer Turbomaschine, insbesondere auf einer Laufschaufel einer Gasturbine, mit zumindest folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer im Bereich einer Schaufelspitze (11) mit einer Schaufelspitzenpanzerung zu versehenden Schaufel (10); b) Positionieren einer Maske (12) im Bereich der Schaufelspitze (11), wobei die Maske (12) einen mit der Schaufelspitzenpanzerung zu versehenden Abschnitt (13) der Schaufelspitze (11) umgrenzt; c) Auftragen eines Grundwerkstoffs für die Schaufelspitzenpanzerung auf die Schaufelspitze über thermisches Plasmaspritzen, wobei hierzu eine Plasmaflamme (16) erzeugt, der Grundwerkstoff als Pulver insbesondere über ein Trägergas in die Plasmaflamme (16) eingeleitet, in derselben aufgeschmolzen oder verdampft und ein sich hierbei ausbildender Plasmastrahl (18) auf den von der Maske (12) umgrenzten Abschnitt (13) der Schaufelspitze (11) gerichtet wird; d) Einleiten abrasiver Partikel in den Plasmastrahl (18) oder in die sich ausbildende Schaufelspitzenpanzerung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maske (12) aus Silikonkautschuk verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundwerkstoff für die Schaufelspitzenpanzerung ein an den Werkstoff der Schaufelspitze angepasster, metallischer Werkstoff verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundwerkstoff für die Schaufelspitzenpanzerung ein nickelhaltiger Werkstoff, insbesondere ein NiSi-Legierungswerkstoff oder ein NiAl-Legierungswerkstoff oder ein NiCo-Legierungswerkstoff, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundwerkstoff für die Schaufelspitzenpanzerung ein MCrAlY-Werkstoff verwendet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als abrasive Partikel SiC-Hartstoffpartikel verwendet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als abrasive Partikel Al₂O₃-Hartstoffpartikel verwendet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als abrasive Partikel Hartstoffpartikel aus kubischem Bornitrit verwendet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als abrasive Partikel Hartstoffpartikel mit einem Partikeldurchmesser zwischen 5 μm und 100 μm verwendet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die abrasiven Partikel in den Plasmastrahl (18) oder in die sich ausbildende Schaufelspitzenpanzerung kontinuierlich eingesprüht werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die abrasiven Partikel stromabwärts des Einleitens des pulverförmigen Grundwerkstoffs und stromaufwärts der Schaufelspitze (11) derart in den Plasmastrahl eingesprüht werden, dass die abrasiven Partikel über den Plasmastrahl zusammen mit dem Grundwerkstoff auf den von der Maske (12) umgrenzten Abschnitt (13) der Schaufelspitze (11) aufgetragen werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die abrasiven Partikel in die sich ausbildende Schaufelspitzenpanzerung eingesprüht werden.