DE102006016995A1 - Bauteil mit einer Panzerung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere eine Laufschaufel einer Gasturbine, mit einer Panzerung, insbesondere einer Schaufelspitzenpanzerung, wobei die Panzerung (11) eine Deckschicht (12) umfasst, die aus in ein metallisches Matrixmaterial (15) eingelagerten, abrasiven Partikeln (14) gebildet ist, und wobei die Deckschicht (12) unter Zwischenanordnung einer metallischen Haftschicht (13) auf die Oberfläche des Bauteils (10) aufgebracht ist. Erfindungsgemäß ist die metallische Haftschicht (13) als eine über Hochgeschwindigkeitsflammspritzen auf das Bauteil (10) aufgebrachte Haftschicht ausgebildet, wobei das metallische Matrixmaterial (15) der Deckschicht (12) galvanisch abgeschieden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere ein Gasturbinenbauteil wie eine Laufschaufel, mit einer Panzerung, insbesondere einer Schaufelspitzenpanzerung, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • 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 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 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. Dabei sind aus dem Stand der Technik zwei unterschiedliche Typen von Schaufelspitzenpanzerungen bekannt, nämlich Schaufelspitzenpanzerungen aus einem keramischen Werkstoff oder Schaufelspitzenpanzerungen aus abrasiven Partikeln. Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine Panzerung, insbesondere eine Schaufelspitzenpanzerung, eines Bauteils, insbesondere einer Gasturbinenlaufschaufel, mit abrasiven Partikeln.
  • Die US 6,194,086 B1 offenbart eine Laufschaufel einer Gasturbine mit einer Schaufelspitzenpanzerung, wobei die Schaufelspitzenpanzerung eine Deckschicht umfasst, die aus in ein metallisches Matrixmaterial eingelagerten, abrasiven Partikeln gebildet ist. Die Deckschicht aus den in das metallische Matrixmaterial eingelagerten, abrasiven Partikeln ist unter Zwischenanordnung einer metallischen Haftvermittlungsschicht auf die Spitze einer zu panzernden Laufschaufel aufgebracht. Dabei ist die metallische Haftschicht als LPPS-Schicht ausgebildet und demnach über ein sogenanntes Low Pressure Plasma Spraying auf das Bauteil aufgebracht. Der Nachteil solcher LPPS Haftschichten liegt darin, dass dieselben insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen von bis zu 1.200°C eine geringe mechanische Haftung an der Schaufelspitze aufweisen, so dass es im Betrieb zu einem Abplatzen der Schaufelspitzenpanzerung kommen kann.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Bauteil mit einer Panzerung zu schaffen. Dieses Problem wird durch ein Bauteil im Sinne von Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist die metallische Haftschicht als eine über Hochgeschwindigkeitsflammspritzen auf das Bauteil aufgebrachte Haftschicht ausgebildet, wobei das metallische Matrixmaterial der Deckschicht galvanisch abgeschieden ist.
  • Erfindungsgemäß ist die Haftschicht über Hochgeschwindigkeitsflammspritzen auf das Bauteil aufgebracht. Hierdurch haftet die Panzerung bei hohen Temperaturen besser auf dem Bauteil als bei Verwendung von LPPS Haftschichten. Die Schaufelspitzenpanzerung des Bauteils verfügt demnach über eine höhere mechanische Haftung, insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen.
  • 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: einen schematisierten Querschnitt durch eine auf einem Bauteil aufgebrachte Panzerung.
  • Die Erfindung betrifft ein gepanzertes Bauteil, insbesondere eine mit einer Schaufelspitzenpanzerung versehene Laufschaufel einer Gasturbine. Bevorzugt ist die Laufschaufel der Gasturbine als Hochdruckverdichterlaufschaufel ausgeführt.
  • 1 zeigt einen stark schematisierten Querschnitt durch eine Schaufelspitze 10 einer Laufschaufel, wobei die Schaufelspitze 10 der Laufschaufel eine Schaufelspitzenpanzerung 11 trägt.
  • Die Schaufelspitzenpanzerung 11 verfügt über mindestens zwei Schichten, nämlich eine äußere Deckschicht 12 und eine innere Haftschicht 13. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die Deckschicht 12 über die Haftschicht 13 auf die Schaufelspitze 10 aufgebracht. Zwischen der Deckschicht 12 und der Haftschicht 13 können gegebenenfalls weitere, zusätzliche Schichten vorhanden sein.
  • Die Deckschicht 12 ist gemäß 1 von abrasiven Partikeln 14 gebildet, die in ein metallisches Matrixmaterial 15 eingelagert sind. Die Haftschicht 13 ist als metallische Haftschicht ausgeführt. Die metallische Haftschicht 13 sowie das metallische Matrixmaterial 15 der Deckschicht 12 sind jeweils aus einem MCrAlY-Werkstoff gebildet.
  • Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist die metallische Haftschicht 13 als eine über Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) auf das Bauteil aufgebrachte Haftschicht ausgebildet. Durch das Aufbringen der Haftschicht 13 mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsflammspritzen wird dieselbe sehr fest und wenig porös, so dass dieselbe letztendlich auf der Schaufelspitze 10 gut haftet. Das metallische Matrixmaterial 15 der Deckschicht 12 wird galvanisch abgeschieden. In dasselbe sind die abrasiven Partikel 14 eingelagert, die vorzugsweise als Hartstoffpartikel aus kubischem Bornitrid gebildet sind.
  • Wie bereits erwähnt, sind das metallische Matrixmaterial 15 der Deckschicht 12 sowie die metallische Haftschicht 13 jeweils aus einem MCrAlY-Werkstoff gebildet, der vorzugsweise folgende Zusammensetzung aufweist:
    14–22 Gew.-% Chrom (Cr),
    6–14 Gew.-% Kobalt (Co),
    4–9 Gew.-% Aluminium (Al),
    5–8 Gew.-% Tantal (Ta),
    1–3 Gew.-% Rhenium (Re),
    0,5–1 Gew.-% Hafnium (Hf),
    0,5–1,5 Gew.-% Silizium (Si),
    0,3–1 Gew.-% Yttrium (Y), und
    im Rest Nickel.
  • Besonders bevorzugt ist folgende Zusammensetzung des MCrAlY-Werkstoffs:
    18 Gew.-% Chrom (Cr),
    10 Gew.-% Kobalt (Co),
    6,5 Gew.-% Aluminium (Al),
    6 Gew.-% Tantal (Ta),
    2 Gew.-% Rhenium (Re),
    0,5 Gew.-% Hafnium (Hf),
    1 Gew.-% Silizium (Si),
    0,3 Gew.-% Yttrium (Y), und
    im Rest Nickel.
  • Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird demnach eine Laufschaufel mit einer Schaufelspitzenpanzerung bereitgestellt, wobei die Schaufelspitzenpanzerung eine Hochgeschwindigkeitsflammspritz-Haftschicht aufweist, die der Anbindung der Schaufelspitzenpanzerung 11 an die Schaufelspitze 10 dient, und wobei die Hochgeschwindigkeitsflammspritz-Haftschicht 13 eine hohe mechanische Belastbarkeit, insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen aufweist. Die Haftschicht 13 trägt die Deckschicht 12, die aus in das metallische Matrixmaterial 15 eingelagerten abrasiven Partikeln 14 gebildet ist, wobei das metallische Matrixmaterial 15 der Deckschicht 12 galvanisch abgeschieden ist.
    • 10
    Schaufelspitze
    11
    Schaufelspitzenpanzerung
    12
    Deckschicht
    13
    Haftschicht
    14
    abrasive Partikel
    15
    Matrixmaterial

Claims (7)

  1. Bauteil, insbesondere Laufschaufel einer Gasturbine, mit einer Panzerung, insbesondere einer Schaufelspitzenpanzerung, wobei die Panzerung eine Deckschicht umfasst, die aus in ein metallisches Matrixmaterial eingelagerten, abrasiven Partikeln gebildet ist, und wobei die Deckschicht unter Zwischenanordnung einer metallischen Haftschicht auf eine Oberfläche des Bauteils aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Haftschicht (13) als eine über Hochgeschwindigkeitsflammspritzen auf das Bauteil aufgebrachte Haftschicht ausgebildet ist, und dass das metallische Matrixmaterial (15) der Deckschicht (12) galvanisch abgeschiedenen ist.
  2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Matrixmaterial (15) der Deckschicht (12) aus einem MCrAlY-Werkstoff gebildet ist oder einen MCrAlY-Werkstoff aufweist.
  3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Matrixmaterial (15) der Deckschicht (12) aus einem MCrAlY-Werkstoff gebildet ist und folgende Zusammensetzung aufweist: 14–22 Gew.-% Chrom (Cr), 6–14 Gew.-% Kobalt (Co), 4–9 Gew.-% Aluminium (Al), 5–8 Gew.-% Tantal (Ta), 1–3 Gew.-% Rhenium (Re), 0,5–1 Gew.-% Hafnium (Hf), 0,5–1,5 Gew.-% Silizium (Si), 0,3–1 Gew.-% Yttrium (Y), und im Rest Nickel.
  4. Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der MCrAlY-Werkstoff folgende Zusammensetzung aufweist: 18 Gew.-% Chrom (Cr), 10 Gew.-% Kobalt (Co), 6,5 Gew.-% Aluminium (Al), 6 Gew.-% Tantal (Ta), 2 Gew.-% Rhenium (Re), 0,5 Gew.-% Hafnium (Hf), 1 Gew.-% Silizium (Si), 0,3 Gew.-% Yttrium (Y), und im Rest Nickel.
  5. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Haftschicht (13) aus einem MCrAlY-Werkstoff gebildet ist und folgende Zusammensetzung aufweist: 14–22 Gew.-% Chrom (Cr), 6–14 Gew.-% Kobalt (Co), 4–9 Gew.-% Aluminium (Al), 5–8 Gew.-% Tantal (Ta), 1–3 Gew.-% Rhenium (Re), 0,5–1 Gew.-% Hafnium (Hf), 0,5–1,5 Gew.-% Silizium (Si), 0,3–1 Gew.-% Yttrium (Y), und im Rest Nickel.
  6. Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der MCrAlY-Werkstoff folgende Zusammensetzung aufweist: 18 Gew.-% Chrom (Cr), 10 Gew.-% Kobalt (Co), 6,5 Gew.-% Aluminium (Al), 6 Gew.-% Tantal (Ta), 2 Gew.-% Rhenium (Re), 0,5 Gew.-% Hafnium (Hf), 1 Gew.-% Silizium (Si), 0,3 Gew.-% Yttrium (Y), und im Rest Nickel.
  7. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die abrasiven Partikeln (14) der Deckschicht (12) aus kubischem Bornitrid gebildet sind.
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