DE102007035915A1

DE102007035915A1 - Reibüberzug für Gasturbinentriebwerks-Verdichter

Info

Publication number: DE102007035915A1
Application number: DE102007035915A
Authority: DE
Inventors: Albert S. Cincinnati Dodd; Thomas John West Chester Tomlinson; William R. Mason Rossey Jr.
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-10-26
Filing date: 2007-07-23
Publication date: 2008-04-30
Also published as: US20070248457A1; JP2008111425A; US20110302781A1

Abstract

Reibüberzüge (14) und Verfahren zum Aufbringen von Reibüberzügen (14) werden für Gegenstände (10), wie Verdichter-Baueinheiten von Gasturbinentriebwerken, bereitgestellt. Der Überzug (14) kann als ein anfänglicher Überzug auf eine neue Oberfläche (22) einer Komponente ebenso wie ein Reparatur- oder korrosionsbeständiger Ersatz-Reibüberzug (14) durch Aufbringen auf einen zuvor überzogenen Gegenstand (10) eines Gasturbinentriebwerkes aufgebracht werden. Das Verfahren schließt die Stufen des Bereitstellens eines Komponenten-Gegenstandes (10) eines Gasturbinentriebwerkes ein, wobei der Gegenstand (10) vorbestimmte Abmessungen und Spezifikationen für den Betriebsgebrauch in einer Triebwerks-Baueinheit aufweist. Der Gegenstand (10) hat eine Oberfläche (22), die einen beschädigten Reibüberzug (14) darauf trägt, wobei der beschädigte Reibüberzug (14) die vorbestimmten Abmessungen und Spezifikationen nicht erfüllt. Das Verfahren schließt das Entfernen des nicht erfüllenden beschädigten Reibüberzuges (14) zum Freilegen der Oberfläche (22) ein. Als Nächstes wird ein korrosionsbeständiger Reparatur-Reibüberzug (14), umfassen MCrA lX, auf die Oberfläche (22) aufgebracht. Schließlich wird der korrosionsbeständige Reparatur-Reibüberzug (14) maschinell bearbeitet, um den überzogenen Komponenten-Gegenstand (10) dahingehend wieder herzustellen, dass er die vorbestimmten Abmessungen und Spezifikationen erfüllt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf abtragbare Reibüberzüge für Komponenten, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wie der feindlichen thermischen Umgebung eines Gasturbinen-Triebwerkes. Spezieller ist die Erfindung auf eine Zusammensetzung und ein Verfahren zum Bereitstellen von MCrAlX-Legierungen, und insbesondere NiCrAlY-Legierungen, als ein Reibüberzug auf Verdichter-Strömungspfadoberflächen, und insbesondere auf Verdichter-Gehäusen in einem Gasturbinentriebwerk, gerichtet.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Höhere Betriebstemperaturen für Gasturbinentriebwerke werden kontinuierlich angestrebt, um deren Wirksamkeit zu erhöhen. Mit zunehmenden Betriebstemperaturen muss jedoch die Haltbarkeit der Komponenten des Triebwerkes bei hoher Temperatur entsprechend zunehmen. Signifikante Fortschritte in den Hochtemperatur-Fähigkeiten wurden durch die Formulierung von Superlegierungen auf Nickel- und Cobalt-Basis erzielt. Nichtsdestotrotz sind solche Legierungen allein, wenn sie zum Bilden von Komponenten des Turbinen-, Brenner- und Verstärker-Abschnittes eines Gasturbinentriebwerkes eingesetzt werden, häufig einer Beschädigung durch Oxidations- und Hitzekorrosions-Angriff ausgesetzt, und sie können angemessene mechanische Eigenschaften nicht beibehalten. Aus diesem Grunde werden diese Komponenten häufig durch ei nen Umgebungs-Bindeüberzug und/oder einen thermisch isolierenden Überzug geschützt, wobei der Letztere als Wärmesperrenüberzugs(TBC)-System bezeichnet wird. In dem Verdichter werden Reibüberzüge eingesetzt, um Abstände zwischen rotierenden Komponenten und der statischen Gehäusestruktur zu minimieren, um die Betriebswirksamkeit des Triebwerkes zu verbessern. Historisch ist das Problem bei bekannten Reibüberzügen, dass sie sich aufgrund von Korrosion/Oxidation zwischen dem Reibüberzug und dem Verdichter-Gehäuse abspalten können. So trat, z.B., das Abspaltproblem in Verdichter-Baueinheiten auf, die Metalllegierungs-Substrate auf Grundlage der Inconel 90X-Reihe mit Nickel-Aluminium(Ni-Al)-Reibüberzügen aufwiesen.
Ni-Al-Reibüberzüge, die auf Verdichter-Strömungspfadkomponenten des Turbinentriebwerkes aufgebracht sind, wie Verdichter-Gehäusen, reißen bekanntlich und versagen in anderer Weise, wenn sie wiederholten Wärmezyklen des Triebwerkes während des normalen Betriebes ausgesetzt sind. Für die Zwecke dieser Anmeldung sind "Reibüberzüge" als Überzüge definiert, die korrosionsbeständig, haftend und haltbar sind bei erhöhten Temperaturen, wie solchen, die durch ein in Betrieb befindliches Turbinentriebwerk erzeugt werden, aber durch Kontakt mit einer anderen Komponente des betriebenen Triebwerkes (wie rotierenden HPC-Schaufelspitzen beim ersten Starten eines neuen oder reparierten Gasturbinentriebwerkes) abgeschliffen werden können, ohne die erwünschte Korrosionsbeständigkeit, Haftung und Haltbarkeit des Überzuges signifikant zu beeinträchtigen. Das Abschleifen des Reibüberzuges in dieser Weise erzeugt einen Minimalabstand zwischen den Verdichter-Schaufelspitzen und dem Verdichter-Gehäuse, der es dem Verdichter gestattet, bei maximaler Wirksamkeit mit geringen oder keinen Leckverlusten zwischen der Schaufelspitze und dem Strömungspfad zu arbeiten, wodurch der maximale Strömungspfad-Gasdruck erhöht oder aufrechterhalten wird. Diese maximale Wirksamkeit geht jedoch verloren, wenn der Reibüberzug versagt und die erwünschten Toleranzen zwischen dem Überzug und den HPC-Schaufelspitzen beeinträchtigt. Breite Spalte zwischen den HPC-Schaufelspitzen und dem Verdichter-Gehäuse verursachen einen uneffizienten Lauf des Triebwerkes, erfordern ein schnelleres und heißeres Laufen des Triebwerkes, um das gleiche Schubniveau bereitzustellen, verbrennen mehr Treibstoff und üben größere Spannung auf die Triebwerks-Komponenten bei dem Prozess aus.
Ein bekannter Ni-Al-Legierungs-Reibüberzug, der auf Verdichter-Strömungspfadoberflächen für Gasturbinen-Flugzeugtriebwerke eingesetzt wird, umfasst ein vorlegiertes Pulver, hergestellt aus zerstäubtem Nickel-Aluminium-Metall (eher als separates Nickelpulver und Aluminiumpulver, die zur Zeit der Anwendung vermischt werden müssten), das durch ein konventionelles Plasmaspritz-Verfahren aufgebracht wird (auch als Flammen-Aufbringung bekannt). Der Ni-Al-Reibüberzug bietet anfänglich erwünschte Reibüberzugs-Charakteristika, nach zahlreichen thermischen Zyklen zeigt er jedoch durch thermische Zyklen induzierte Haarrissbildung (auch bekannt als "Sumpfebenen-Reißen", aufgrund des ähnlichen Aussehens mit atürlich entwässertem Schlamm). Haarrissbildung und Grenzflächen-Angriff führen zu Oxidation und Korrosion an der Verbindungslinie zwischen dem Substrat und dem Überzug und schließlich zu einem Versagen des Reibüberzuges. Zusätzlich zur verloren gegangenen Wirksamkeit aufgrund nicht angepasster Spalte zwischen dem beschädigten Reibüberzug und den HPC-Schaufelspitzen kann das Versagen des Reibüberzuges eine katastrophale Beschädigung verursachen, da freigesetzte Überzugsteilchen in den Strömungspfad des Turbinentriebwerkes eintreten. Freigesetzte Überzugs teilchen verursachen eine außerordentliche Beschädigung an stromabwärts gelegenen Verdichterschaufeln mit resultierendem Triebwerksstillstand, zu hohen Abgas-Temperaturen, nicht vorgesehener Entfernung des Triebwerkes und unwirksamem Betrieb auf dem Flügel. Eine Triebwerks-Überholung ist erforderlich, um beschädigte Schaufeln zu ersetzen und den beschädigten Reibüberzug zu reparieren oder zu ersetzen und erfordert, dass das Triebwerk unter großen Kosten und Unbequemlichkeit für die Flugzeugbenutzer außer Dienst gestellt wird. Eine solche Überholung erfordert das Auseinandernehmen des Triebwerkes, mechanische, chemische oder Wasserstrahl-Behandlung zum Entfernen des alten Überzuges, gefolgt vom Aufbringen eines neuen Ni-Al-Reibüberzugsmaterials, wie durch thermisches Spritzen, gefolgt von maschineller Bearbeitung, um die Strömungspfad-Abmessungen wieder herzustellen. Das Wiederaufbringen des Ni-Al-Reibüberzuges zur Bildung eines Reparatur-Überzuges beginnt jedoch nur von Neuem den vorbeschriebenen Zyklus, da nach dem Indienststellen des reparierten Triebwerkes der Ni-Al-Reparaturreibüberzug die gleiche Haarrissbildung zeigt, wenn thermische Zyklen angesammelt werden.
Es besteht daher ein fortgesetzter Bedarf für korrosionsbeständige Reibüberzüge, die der extremen Umgebung eines Strömungspfades eines Gasturbinentriebwerkes ohne Versagen widerstehen können, die jedoch einfach aufzubringen und leicht zu reparieren sind.
Bei bekannten Überzugssystemen für Triebwerks-Komponenten, wie Turbinenschaufeln und Turbinengehäuse, werden keramische Überzüge und insbesondere Yttriumoxidstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) in weitem Rahmen als ein Wärmesperrenüberzug (TBC) oder als Decküberzug von TBC-Systemen eingesetzt. Um die Haftung zu fördern und die Le bensdauer eines TBC-Systems zu verlängern, wird häufig ein Bindeüberzug eingesetzt. Bindeüberzüge haben typischerweise die Form von Decküberzügen, wie MCrAlX (worin M Eisen, Cobalt und/oder Nickel ist und X Yttrium oder ein anderes Seltenerdelement ist) oder alternativ Diffusionsaluminid-Überzügen. Während der Abscheidung des keramischen TBC und dem nachfolgenden Aussetzen gegenüber hohen Temperaturen, wie während des Triebwerksbetriebes, bilden diese Bindeüberzüge eine fest haftende Aluminiumoxid(Al₂O₃)-Schicht oder -Oxidhaut, die den TBC am Bindeüberzug haften lässt. Es wird durch die Erfinder vorgesehen, dass die Eigenschaften von MCrAlX-Überzügen nützlich für Verdichterkomponenten-Baueinheiten sein könnten.
Es wäre demgemäß erwünscht, einen korrosionsbeständigen, rissbeständigen Reibüberzug zum Einsatz auf Verdichter-Gehäusen von Gasturbinentriebwerken bereitzustellen, wobei der Überzug eine ausgezeichnete Haftung und Korrosionsbeständigkeit für das Substrat ergibt, während er genügend abschleifbar ist, um eine Rille von eindringenden Turbinen-Schaufelspitzen zu akzeptieren, ohne dass Haftung, Korrosionsbeständigkeit, Haltbarkeit und andere erwünschte Leistungscharakteristika beeinträchtigt werden.
Es wäre weiter erwünscht, ein verbessertes Verfahren zum Reparieren eines Gasströmungspfad-Teiles mit einem beschädigten Reibüberzug darauf bereitzustellen, wobei der beschädigte Reibüberzug entfernt und durch einen verbesserten Reibüberzug ersetzt wird, der den reparierten überzogenen Teilen eine längere Gebrauchsdauer verleiht, während er künftiges Versagen des Reibüberzuges minimiert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Überzugs-Zusammensetzung bereit, die zur Bildung eines Reibüberzuges auf Verdichter-Strömungspfadkomponenten eines Gasturbinentriebwerkes aufgebracht werden können. Die Erfindung stellt weiter Verfahren zum Aufbringen der Überzugs-Zusammensetzung bereit, um einen Reibüberzug auf einer Verdichter-Strömungspfadkomponente eines Gasturbinentriebwerkes herzustellen und/oder zu reparieren, wobei die Komponente neu ist oder vorher mit einem Reibüberzug, wie einem Ni-Al-Reibüberzug, versehen worden ist. Vorzugsweise ist die Komponente ein Verdichter-Gehäuse mit mehreren Stufen.
Die Erfindung kann bei irgendeiner Gasturbinen-Strömungspfadkomponente mit einem Reibüberzug darauf benutzt werden, wie Nieder-, Zwischen- und Hoch-Druck-Verdichtergehäusen, die bei Flugzeugtriebwerken oder Aeroderivat-Turbinen zur Erzeugung elektrischer Leistung und zum Antrieb von Schiffen eingesetzt werden. Im Falle von Energieerzeugungs-Turbinen werden die Kosten des vollständigen Einstellens der Leistungserzeugung für eine ausgedehnte Zeitdauer, um eine Komponente zu entfernen, zu reparieren und dann wieder zu installieren, die nur an einer lokalisierten Abspaltung gelitten hat, vermieden. Vermieden wird auch die Notwendigkeit zu entscheiden, ob der Betrieb der Turbine fortgesetzt werden soll oder nicht, bis die abgespaltene Komponente bei dem Risiko der Beschädigung der Komponente und der Turbine nicht länger wiederverwertet werden kann.
In einer Ausführungsform umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Bereitstellung eines verbesserten korrosions- und abriebs-beständigen Überzuges auf einer vorher überzo genen Komponente eines Gasturbinentriebwerkes. Das Verfahren schließt die Stufen der Bereitstellung einer Komponente eines Gasturbinentriebwerkes ein, wobei die Komponente vorbestimmte Abmessungen und Spezifikationen für den Betriebseinsatz in einem Triebwerk aufweist. Die Komponente hat eine Oberfläche mit einem Reibüberzug darauf, wobei der Reibüberzug nicht mehr mit vorbestimmten Abmessungen und Spezifikationen übereinstimmt. Das Verfahren schließt das Entfernen des nicht übereinstimmenden Reibüberzuges zum Freilegen der Oberfläche ein. Als Nächstes wird ein korrosionsbeständiger Reibüberzug, umfassend MCrAlX, auf die Oberfläche aufgebracht. Schließlich wird der abschleifbare korrosions- und abriebs-beständige Überzug maschinell bearbeitet, um die überzogene Komponente wieder in Übereinstimmung mit den vorbestimmten Abmessungen und Spezifikationen zu bringen.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Erfindung eine reparierte Komponente eines Gasturbinentriebwerkes, wobei die Komponente einen korrosionsbeständigen Reibüberzug darauf aufweist. Der korrosionsbeständige Reibüberzug umfasst MCrAlX, das auf die Komponentenoberfläche aufgebracht ist. Vorzugsweise ist das MCrAlX NiCrAlY.
In noch einer anderen Ausführungsform umfasst die Erfindung ein Verdichter-Gehäuse für ein Gasturbinentriebwerk, wobei das Gehäuse eine mit einem korrosionsbeständigen Reibüberzug versehene Oberfläche aufweist. Der korrosionsbeständige Reibüberzug umfasst MCrAlX und bevorzugter NiCrAlY. NiCrAlY richtet sich wirksam an die beiden Schlüsselantriebe für ein Überzugsversagen: (1) dieses Material ist weniger empfindlich für thermische Zyklen des Triebwerkes und ergibt keine Haarrisse und (2) die Überzugs-Verbin dungslinie ist vor Oxidation/Korrosion geschützt. Bei minimalem Reißen oder Verbindungs-Versagen wird irgendein Abspalten oder anderes Beschädigen des NiCrAlY-Überzuges vermindert oder beseitigt.
Andere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden klarer aus der folgenden detaillierten Beschreibung. Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierteren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung veranschaulicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine Querschnittsdarstellung eines Verdichter-Gehäuses eines Gasturbinentriebwerkes, die Verdichterstufen anzeigt, die traditionell durch einen Reibüberzug, wie Nickel-Aluminium (NiAl), geschützt werden.
2 ist eine Fotografie eines Verdichter-Gehäuses, das durch eine Fluglinie außer Dienst gestellt wurde und das Abspalten und Freisetzen eines Ni-Al-Reibüberzuges an der Überzugs/Basismetall-Verbindungslinie zeigt.
3 ist eine Fotografie, die eine Querschnittsansicht eines Verdichter-Gehäuses von 2 und die Abspaltung und Freisetzung des Ni-Al-Reibüberzuges nach dem Stande der Technik an der Überzugs-Verbindungslinie für Stufe 8 zeigt.
4 ist eine Fotografie eines Verdichter-Gehäuseabschnittes, der mit etwa 1,02 mm (0,040 inch) des Ni-Al- Reibüberzuges nach dem Stande der Technik versehen ist, der durch thermisches Spritzen aufgebracht ist und die Resultate von 2856 Zyklen des Ofenzyklus-Testens (FCT) einschließlich des Reißens und Abspaltens zeigt.
5 ist eine Fotografie eines Verdichter-Gehäuseabschnittes, der mit dem NiCrAlY-Reibüberzug der vorliegenden Erfindung überzogen ist, aufgebracht durch thermisches Spritzen, die die Resultate von 2856 FCT-Zyklen ohne Reißen oder Abspalten zeigt.
6 ist eine Mikrofotografie von Probestücken, hergestellt unter Einsatz des Ni-Al-Reibüberzuges nach dem Stande der Technik und des NiCrAlY-Reibüberzuges nach der vorliegenden Erfindung, die die Resultate des Überzugs-Abriebstestens zeigt.
7 ist eine Reihe von Mikrofotografien von Schaufelspitzen, die die Resultate des Schaufel-Abriebstestens zeigt und vergleichend den Ni-Al-Reibüberzug nach dem Stande der Technik gegenüber dem NiCrAlY-Reibüberzug nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wann immer möglich, werden die gleichen Bezugszahlen in den Zeichnungen benutzt, um auf die gleichen oder ähnliche Teile Bezug zu nehmen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf Komponenten im Verdichterabschnitt von Gasturbinentriebwerken gerichtet, die mit durch gegen Umweltkorrosion beständigen Reibüberzügen bedeckt sind, zum Einsatz innerhalb von Umgebungen, die durch relativ hohe Temperaturen charakterisiert sind, und die daher schweren thermischen Spannungen und thermischen Zyklen ausgesetzt sind. Bemerkenswerte Beispiele sind in erster Linie Verdichter-Gehäuse von Gasturbinentriebwerken zum Einsatz in Flugzeug- und industriellen Anwendungen. Während die Vorteile dieser Erfindung besonders auf Komponenten von Gasturbinentriebwerken anwendbar sind, ist die Erfindung allgemein anwendbar auf irgendeine Komponente, bei der ein Metalllegierungs-Substrat einen abschleifbaren, korrosionsbeständigen und hitzebeständigen Überzug mit ausgezeichneter Haftung und einem Koeffizienten der Wärmeausdehnung benötigt, der den Überzug gegen Abspalten, Reißen und anderes Versagen im Zusammenhang mit der Haftung beständig macht.
Wie vorher beschrieben, sind Verdichter-Gehäuse, wie sie in 1 dargestellt sind, ebenso wie andere Strömungspfadteile traditionell mit gegen Umweltkorrosion beständigen Überzügen versehen. Im Falle von Verdichter-Gehäusen ist der Überzug gewöhnlich aus einem abschleifbaren Material, wie Nickel-Aluminium-Legierungen, wie Ni-Al, hergestellt und ist wegen seines abreibbaren Charakters als "Reibüberzug" bekannt. Solche Reibüberzüge werden üblicherweise durch thermisches Spritzen aufgebracht. Das zyklische Behandeln des Turbinen-Triebwerkes während des normalen Betriebes führt schließlich zu einem Versagen solcher bekannten Reibüberzüge, wie durch Rissbildung oder "Haarrisse" und Abspalten an den Verbindungslinien zwischen dem Überzug und dem Substrat, wie beispielhaft durch 2 und 3 gezeigt. Das Versagen solcher Überzüge kann eine signifikante Beschädigung an stromabwärts gelegenen Komponenten verursachen, wie Verdichter-Schaufeln und Stator-Schaufeln, ebenso wie an dem Substrat, das durch den Überzug geschützt werden soll.
Wie früher beschrieben, sind MCrAlX-Überzüge, wie Nickel-Chrom-Aluminium-Yttrium(NiCrAlY)-Überzüge bekannt zum Einsatz als Bindeüberzug, um die Haftung des Wärmesperrenüberzuges (TBC) an Turbinen-Komponenten zu verbessern, die den extremsten Triebwerks-Temperaturen ausgesetzt sind. Trotz ihrer erwünschten korrosionsbeständigen und rissbeständigen Eigenschaften, wurden MCrAlX-Überzüge bisher nicht als Reibüberzüge auf Turbinen-Triebwerkskomponenten, wie Verdichter-Gehäusen, eingesetzt. Die vorliegende Erfindung nutzt MCrAlX-Überzüge als einen abschleifbaren Umwelt-Reibüberzug für Turbinentriebwerks-Strömungspfadteile anstelle von Ni-Al und anderen bekannten abschleifbaren Reibüberzügen, die üblicher bei ähnlichen Hochtemperatur- und korrosiven Anwendungen eingesetzt wurden.
Die Erfinder haben festgestellt, dass MCrAlX und insbesondere NiCrAlY sich wirksam auf die beiden Schüsselantriebe des Versagens von Reibüberzugen richten, die, z.B., auf Verdichter-Gehäusen aufgebracht sind. Erstens ist MCrAl X weniger empfindlich für thermische Zyklen des Triebwerkes und die Haarrissbildung ist verringert. Zweitens ist die Überzugs-Verbindungslinie zwischen einem MCrAlX und dem darunter liegenden Legierungssubstrat vor Oxidation/Korrosion geschützt. Mit vermindertem Reißen und Bindungsversagen zeigt der NiCrAlY-Überzug eine hervorragende Beständigkeit gegen Reißen, Abspalten und andere Haftungsversagen.
1 veranschaulicht ein Verdichter-Gehäuse eines Gasturbinentriebwerkes. Im Einsatz ist eine Gasturbinentriebwerks-Komponente, wie das Verdichter-Gehäuse 10, hei ßen Verdichtergasen ausgesetzt und dadurch schweren thermischen Zyklen, Oxidation, Korrosion und Erosion unterworfen. Der Überzug dient als eine abschleifbare Reib- und Abriebs-Oberfläche, um vorbestimmte Abmessungen der Komponente zu erfüllen und den direkten Abrieb der darunter liegenden Oberfläche 22 der Komponente zu verhindern. Zusätzlich ist der Reibüberzug so ausgebildet, dass während eines ersten Triebwerkslaufes die Spitzen der Verdichter-Schaufeln 11 in den Reibüberzug eindringen und eine Rille in den Reibüberzug schleifen, um einen dichten Schaufel-zu-Strömungspfad-Abstand für den folgenden Betrieb zu erzeugen, was eine optimale Triebwerks-Wirksamkeit erzeugt. Der resultierende Spalt zwischen dem Reibüberzug und der Schaufelspitze ist, z.B., erwartungsgemäß etwa 0,025 mm (0,001 inch) und weniger als etwa 0,25 mm (0,010 inch). Wie zuvor beschrieben, leiden bekannte korrosionsbeständige abschleifbare Reibüberzüge 14, die auf Verdichter-Gehäuse und andere Strömungspfad-Komponenten 10 aufgebracht sind, an einer Beschädigung, wie thermisch induziertem Reißen in Kombination mit Korrosion/Oxidation der Grenzfläche, was schließlich zum Überzugsversagen führt. Der Verlust des Überzuges 14, wie durch Abspalten, führt zu einer vorzeitigen Beschädigung der stromabwärts gelegenen Komponenten, die durch freigesetzte Überzugsteilchen und andere Überzugsabbau-Nebenprodukte beschädigt werden können.
In den 2-3 wird eine Oberflächenregion einer Komponente 10 dargestellt, die vorher durch einen Reibüberzug 14 nach dem Stande der Technik geschützt worden ist. Das Überzugssystem ist, wie dargestellt, aus einem Reibüberzug 14 zusammengesetzt, der auf der Substrat-Oberfläche 22 der Komponente 10 gebildet ist. Wie es die Situation bei Hochtemperatur-Komponenten von Gasturbinentriebwerken ist, kann die Komponente 10 aus einer Nickel-, Cobalt- oder Eisen-Basissuperlegierung gebildet sein. Der Reibüberzug 14 nach dem Stande der Technik ist vorzugsweise aus einem oxidationsbeständigen metallischen Material, wie Ni-Al, gebildet. Dieser vorexistierende Reibüberzug 14 nach dem Stande der Technik erfüllt nicht vorbestimmte Abmessungen und Spezifikationen aufgrund der früheren Benutzung der Komponente im Betrieb, wie in einem in Betrieb befindlichen Gasturbinen-Flugzeugtriebwerk. Wie, z.B., durch Abspalten des Überzuges 14 in den 2-3 gezeigt, kann der Reibüberzug 14 aus bekanntem 95%-5%-Ni-Al zusammengesetzt sein, das als ein Resultat zahlreicher thermischer Zyklen während des Betriebes des Triebwerkes gerissen und/oder abgespalten ist.
In einer Ausführungsform umfasst die Erfindung eine neue Komponente, wie ein Verdichter-Gehäuse, für ein Gasturbinentriebwerk. Z.B, ein Gehäuse, das eine Oberfläche 22 umfasst, die mit einem korrosionsbeständigen Reibüberzug 14 überzogen ist, umfassend MCrAlX. Das MCrAlX umfasst vorzugsweise NiCrAlY.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Erfindung eine reparierte Komponente 10 eines Gasturbinentriebwerkes, wobei die Komponente 10 einen korrosionsbeständigen Reparatur-Reibüberzug 14 darauf aufweist, wobei der korrosionsbeständige Reparatur-Reibüberzug MCrAlX umfasst. Das MCrAlX ist vorzugsweise NiCrAlY.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Erfindung Verfahren zum Herstellen eines abschleifbaren korrosionsbeständigen Reparatur-Reibüberzuges auf einer früher überzogenen Komponente 10 eines Gasturbinentriebwerkes. Das Verfahren schließt die Stufen des Bereitstellens einer Komponente 10 eines Gasturbinentriebwerkes ein, wobei die Komponente 10 vorbestimmte Abmessungen und Spezifikationn für den Betriebseinsatz in einem Triebwerk hat. Die Komponente hat eine Oberfläche 22 mit einem vorexistierenden Überzug darauf, wobei der Überzug die vorbestimmten Abmessungen und Spezifikationen nicht erfüllt. Das Verfahren schließt das Entfernen des nicht erfüllenden Überzuges 14 ein, um die Oberfläche 22 freizulegen. Das Entfernen kann nach irgendeinem bekannten Verfahren erfolgen, wie mechanischem, chemischem oder Wasserstrahl-Abstreifen, um den alten Überzug 14 zu entfernen. Als Nächstes wird ein korrosionsbeständiger Reparatur-Reibüberzug, umfassend MCrAlX, auf die Oberfläche 22 aufgebracht. Schließlich wird der korrosionsbeständige Reparatur-Reibüberzug 14, umfassend MCrAlX, maschinell bearbeitet, um die überzogene Komponente 10 dahingehend wieder herzustellen, dass sie vorbestimmte Abmessungen und Spezifikationen erfüllt.
In noch einer anderen Ausführungsform umfasst die Erfindung Verfahren zum Reparieren eines vorher in Betrieb gewesenen Verdichter-Gehäuses. So beginnt, z.B., das Reparaturverfahren mit der Entfernung irgendeines zuvor aufgebrachten Überzuges, der auf der Oberfläche 22 der Komponente 10 verblieben ist. Wie hierin vorher beschrieben, kann die Entfernung nach irgendeinem bekannten Verfahren erfolgen, wie durch mechanisches, chemisches oder Wasserstrahl-Abstreifen zur Entfernung des alten Überzuges. Die freigelegte Oberfläche 22 des Gehäuses wird gereinigt, falls erforderlich, um lose Oxide und irgendwelche Verunreinigungen, wie Fett, Öle und Ruß, zu entfernen. Für ein Gehäuse, das sich zuvor in Benutzung befunden hat und einen Ni-Al-Reibüberzug aufwies, haftet der Reparatur-Reibüberzug 14 an der freigelegten Oberfläche 22. Während des Aufbringens des Reibüberzuges 14 wird die Oberfläche 22 mit einer korrosionsbeständigen Reparatur-Reibüberzugs-Zusammensetzung bedeckt, um einen Reibüberzug 14 zu bilden. Gemäß der Erfin dung umfasst der Reibüberzug 14 eine metallische MCrAlX-Legierung, vorzugsweise NiCrAlY. Für den aufgebrachten Reibüberzug 14 ist keine Nachabscheidung, Vorbenutzung, Wärmebehandlung erforderlich, da nach dem Abscheiden, wie durch thermisches Spritzen, der Reparatur-Reibüberzug 14 an der Oberfläche 22 der Substratkomponente 10 ebenso wie an irgendeinem restlichen Überzug darauf genügend haftet, um Temperaturen zu überstehen, die mit den Betriebszyklen eines Gasturbinentriebwerkes übereinstimmen.
Die Erfindung stellt einen abschleifbaren korrosionsbeständigen Reibüberzug 14 bereit, umfassend MCrAlX. Der MCrAlX-Reibüberzug 14 ist als ein Decküberzug ausgebildet, im Gegensatz zu bekannten Diffusionsaluminid-Überzügen, wie NiAl. Der MCrAlX-Reibüberzug 14 kann mit irgendwelchen bekannten Mitteln aufgebracht werden, doch wird er vorzugsweise durch thermisches Spritzen bereitgestellt.
Die chemische Zusammensetzung des korrosionsbeständigen Reibüberzuges 14 umfasst MCrAlX. Bevorzugter umfasst der Reibüberzug 14 NiCrAlY. Vorzugsweise ist das MCrAlX ein vorlegiertes Pulver, das auf die Substratoberfläche 22 (wie ein Verdichter-Gehäuse) durch eine konventionelle Luftplasma-Spritzausrüstung und Techniken aufgebracht werden kann, um eine relativ dicke Reibüberzugsschicht zu ergeben. Mittels eines nicht einschränkenden Beispieles hat der gespritzte Reibüberzug 14, z.B., eine Dicke zwischen etwa 0,025 mm (0,001 inch) und etwa 2,54 mm (0,100 inch). In einem anderen Beispiel hat der gespritze Überzug 14 eine Dicke im Bereich zwischen etwa 0,38 mm (0,015) bis etwa 1,02 mm (0,040 inch). Bei einem beispielhaften Reibüberzug 14, der auf ein Verdichter-Gehäuse aufgebracht ist, ist der gespritzte Reibüberzug 14 von einer Dicke zwischen etwa 0,127 mm (0,005 inch) bis etwa 0,381 mm (0,015 inch). In einem anderen Beispiel kann der gespritzte Überzug maschinell bis zu einer vorbestimmten Dicke abgearbeitet werden. So kann, z.B., der Überzug bis zu einer gewünschten Dicke zwischen etwa 0,025 mm (0,001 inch) und etwa 2,03 mm (0,080 inch) abgearbeitet werden. Der Überzug kann, z.B., bis zu einer erwünschten Dicke bis zu etwa 0,089 mm (0,0035 inch) bis etwa 1,02 mm (0,040 inch) abgearbeitet werden. Der Überzug 14 kann jedoch in irgendeiner Dicke aufgebracht werden, um die Anforderungen spezieller Triebwerks- und Verdichter-Baueinheiten und -Anwendungen zu erfüllen. Weil der MCrAlX-Reibüberzug 14 nach der Erfindung leicht maschinell bearbeitbar und abschleifbar ist, kann er zu einer erwünschten und vorbestimmten Dicke abgearbeitet werden, die für die Komponenten-Installation geeignet ist. Aufgrund der abschleifbaren Natur des Überzuges 14 kann das Abschleifen einer Rille beim anfänglichen Anfahren des Turbinentriebwerks durch Eindringen der rotierenden Verdichter-Schaufelspitzen erfolgen, was eine Beschädigung der Verdichter-Schaufelspitzen vermeidet.
Es kann, z.B., erwünscht sein, den aufgespritzten Überzug nicht mehr als etwa 0,51 mm (0,020 inch) dicker als die erwünschte Dicke nach dem maschinellen Bearbeiten aufzubringen. Das Begrenzen der gespritzten Dicke in dieser Weise kann unerwünschte innere Spannungen, die durch das Plasmaspritzen des Überzuges erzeugt werden, abschwächen und helfen, dass der Überzug Spannungen des maschinellen Bearbeitens nach dem Aufbringen und des Betriebes toleriert. In anderen Anwendungen kann der Reibüberzug mehr als etwa 0,51 mm (0,020 inch) dicker als die erforderliche Dicke nach dem maschinellen Bearbeiten gespritzt werden, ohne die Überzugs-Haltbarkeit während des maschinellen Bearbeitens oder des Triebwerkbetriebes zu vermindern.
Beispiele aufgebrachter korrosionsbeständiger Reparatur-Reibüberzüge nach der vorliegenden Erfindung sind in dem folgenden Abschnitt zusammengefasst.
Reibüberzug nach dem Stande der Technik

Material auf der Grundlage der Gewichtsprozent	Gew.-%
Nickel	95
Aluminium	5

Ein beispielhafter Reibüberzug nach der vorliegenden Erfindung umfasst:

Material auf der Grundlage der Gewichtsprozent Gew.-%

Ni Rest

Cr 15-30

Al 5-15

Y 0,1-3,0
In einer anderen Ausführungsform umfasst der Reibüberzug nach der vorliegenden Erfindung:

Material auf der Grundlage der Gewichtsprozent Gew.-%

Ni Rest

Cr 21-23

Al 9-11

Y 0,8-1,20

Fe <0,20

Si <0,10

O <0,5

In Säure Unlösliches <0,5

Andere Verunreinigungen <0,20
Die obigen Beispiele sind beispielhaft und nicht beschränkend. Andere Kombinationen und Variationen von Bestandteilen und Mengen liegen innerhalb des Rahmens der Erfindung.
Testen beispielhafter Ausführungsformen – Zwei neue Verdichtergehäuse-Segmente wurden jeweils mittels konventionellen Luftplasmaspritzens thermisch gespritzt, einer mit einem Reibüberzug aus 95%-5% Ni-Al nach dem Stande der Technik und einer mit dem NiCrAlY-Reibüberzug nach der vorliegenden Erfindung, wie in den obigen Beispielen beschrieben. Pulverteilchengrößen für das Beispiel der vorliegenden Erfindung lagen im Bereich zwischen -120 bis +325 Maschen (etwa -125 μm bis etwa +45 μm). Nach dem Überziehen mittels thermischen Spritzens bis zu einer Dicke von etwa 1,52 mm (0,060 inch) wurden die Überzüge maschinell bis zu einer vorbestimmten Dicke abgearbeitet, in diesem speziellen Fall bis zu etwa 1,02 mm (0,040 inch). Diese Proben befanden sich so an den oberen extremen Dicken des aufgebrachten und maschinell bearbeiteten Überzuges, wodurch Spannungen des Überzugaufbringens und maschinellen Bearbeitens maximiert waren.
Die resultierenden überzogenen Gehäuse wurden einem Ofen-zyklus-Testen (FCT) und Schaufelabriebs-Testen unterworfen, um Bedingungen zu simulieren, die während des anfänglichen Triebwerks-Einschneidens und dem nachfolgenden Triebwerksbetrieb im Laufe der Zeit angetroffen werden.
Während des FCT wurden die Segmente thermisch von Raumtemperatur bis 760 °C (1400°F) Zyklen unterworfen und sie wurden intermittierend in ein Salzwasserbad eingetaucht, um Korrosion zu beschleunigen. Das Schaufelabriebs-Testen bestand aus einem Stoßen einer mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Scheibe von Schaufeln in den Überzug, um sowohl Schaufel- als auch Überzugs-Reib- und Abriebs-Charakteristika zu bestimmen. Die Resultate von FCT und Schaufelabrieb-Testen sind in den 4-7 veranschaulicht.
4-5 zeigen die Resultate des Ofenzyklus-Testens von Substraten, die mit dem Ni-Al-Reibüberzug nach dem Stande der Technik und dem NiCrAlY-Reibüberzug des zweiten Beispiels überzogen waren. Wie in 4 ersichtlich, zeigten die Teile mit Ni-Al-Reibüberzug Riss- und Abspaltversagen nach 2856 Zyklen, wie jene, die in 2-3 veranschaulicht sind, und ähnlichem Versagen, wie bei im Betrieb befindlichen Triebwerken ersichtlich. Im Vergleich, wie in 5 gezeigt, litten Teile, die mit dem NiCrAlY-Reibüberzug der vorliegenden Erfindung überzogen und den gleichen Bedingungen unterworfen waren, nicht an einem Reißen oder Abspalten nach 2856 Zyklen.
6-7 veranschaulichen die Resultate des Abriebstestens. Wie in 6 gezeigt, waren Überzugs-Abriebsschrammen auf Proben des Ni-Al-Reibüberzuges nach dem Stande der Technik und der mit NiCrAlY-Reibüberzug versehenen Proben nahezu identisch, obwohl der NiCrAlY-Reibüberzug etwas schmalere Schrammen aufwies. Hinsichtlich des Schaufelspitzen-Abriebs, wie in 7 gezeigt, waren der Schaufelspitzen-Abrieb sowohl für den Ni-Al-Reibüberzug als auch den NiCrAlY-Reibüberzug nach der vorliegenden Er findung nahezu identisch. Alle getesteten Schaufeln zeigten gleichmäßigen Spitzenabrieb ohne Zeichen von Spitzenrissen.
Das verfügbare Testen bis zum heutigen Zeitpunkt zeigt, dass Strömungspfad-Oberflächen, die mit NiCrAlY-Reibüberzügen versehen sind, haltbarer sind als solche, die Ni-Al-Reibüberzüge aufweisen, mit geringerer Empfindlichkeit für Reißen, Abspalten und Korrosion an der Verbindungslinie, die daher wahrscheinlich die Betriebsdauer der Komponente über die derzeitige Fähigkeit der konventionellen Ni-Al-Reibüberzüge nach dem Stande der Technik verlängern. Wie in den 4-7 gezeigt, zeigte das Testen aufgebrachter Reparatur-Überzüge 14, umfassend NiCrAlY, eine hervorragende Leistungsfähigkeit gegenüber Ni-Al-Reibüberzügen, sowohl hinsichtlich Haftung als auch Beständigkeit gegen Reißen und Verhinderung der Korrosion an der Verbindungslinie zwischen Überzugsschichten und zwischen dem Überzug und dem Substrat. Während Überzugs-Zusammensetzung und Verfahren zum Aufbringen derzeit für spezielle Substrate optimiert werden, ergeben Reibüberzüge, die im Wesentlichen NiCrAlY umfassen, wie erwartet, ähnliche Resultate und Vorteile gegenüber anderen bekannten Reibüberzügen, wie Ni-Al-Überzügen, selbst wenn sie nach konventionellen Verfahren aufgebracht werden, wie sie dem Fachmann bekannt sind.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, sollte dem Fachmann klar sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Aquivalente für Elemente davon eingesetzt werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehren anzupassen, ohne deren wesentlichen Umfang zu verlassen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt ist, die als die beste Art zur Ausführung dieser Erfindung offenbart ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen einschließt, die in den Rahmen der beigefügten Ansprüche fallen.
Reibüberzüge 14 und Verfahren zum Aufbringen von Reibüberzügen 14 werden für Gegenstände 10, wie Verdichter-Baueinheiten von Gasturbinentriebwerken bereitgestellt. Der Überzug 14 kann als ein anfänglicher Überzug auf eine neue Oberfläche 22 einer Komponente ebenso wie als ein Reparatur- oder korrosionsbeständiger Ersatz-Reibüberzug 14 durch Aufbringen auf einen zuvor überzogenen Gegenstand 10 eines Gasturbinentriebwerkes aufgebracht werden. Das Verfahren schließt die Stufen des Bereitstellens eines Komponenten-Gegenstandes 10 eines Gasturbinentriebwerkes ein, wobei der Gegenstand 10 vorbestimmte Abmessungen und Spezifikationen für den Betriebsgebrauch in einer Triebwerks-Baueinheit aufweist. Der Gegenstand 10 hat eine Oberfläche 22, die einen beschädigten Reibüberzug 14 darauf trägt, wobei der beschädigte Reibüberzug 14 die vorbestimmten Abmessungen und Spezifikationen nicht erfüllt. Das Verfahren schließt das Entfernen des nicht erfüllenden beschädigten Reibüberzuges 14 zum Freilegen der Oberfläche 22 ein. Als Nächstes wird ein korrosionsbeständiger Reparatur-Reibüberzug 14, umfassend MCrAlX, auf die Oberfläche 22 aufgebracht. Schließlich wird der korrosionsbeständige Reparatur-Reibüberzug 14 maschinell bearbeitet, um den überzogenen Komponenten-Gegenstand 10 dahingehend wieder herzustellen, dass er die vorbestimmten Abmessungen und Spezifikationen erfüllt.
Reibüberzüge 14 und Verfahren zum Aufbringen von Reibüberzügen 14 werden für Gegenstände 10, wie Verdichter-Baueinheiten von Gasturbinentriebwerken bereitgestellt. Der Überzug 14 kann als ein anfänglicher Überzug auf eine neue Oberfläche 22 einer Komponente ebenso wie als ein Reparatur- oder korrosionsbeständiger Ersatz-Reibüberzug 14 durch Aufbringen auf einen zuvor überzogenen Gegenstand 10 eines Gasturbinentriebwerkes aufgebracht werden. Das Verfahren schließt die Stufen des Bereitstellens eines Komponenten-Gegenstandes 10 eines Gasturbinentriebwerkes ein, wobei der Gegenstand 10 vorbestimmte Abmessungen und Spezifikationen für den Betriebsgebrauch in einer Triebwerks-Baueinheit aufweist. Der Gegenstand 10 hat eine Oberfläche 22, die einen beschädigten Reibüberzug 14 darauf trägt, wobei der beschädigte Reibüberzug 14 die vorbestimmten Abmessungen und Spezifikationen nicht erfüllt. Das Verfahren schließt das Entfernen des nicht erfüllenden beschädigten Reibüberzuges 14 zum Freilegen der Oberfläche 22 ein. Als Nächstes wird ein korrosionsbeständiger Reparatur-Reibüberzug 14, umfassend MCrAlX, auf die Oberfläche 22 aufgebracht. Schließlich wird der korrosionsbeständige Reparatur-Reibüberzug 14 maschinell bearbeitet, um den überzogenen Komponenten-Gegenstand 10 dahingehend wieder herzustellen, dass er die vorbestimmten Abmessungen und Spezifikationen erfüllt.

1

11: Verdichterschaufel
14: Überzug
22: Oberfläche

Claims

Beschichteter Gegenstand (10) eines Gasturbinentriebwerkes, wobei der Gegenstand (10) aufweist: ein Substrat mit einer Oberfläche (22) und einen abtragbaren Reibüberzug (14), der auf die Oberfläche (22) aufgebracht ist, wobei der Reibüberzug (14) MCrAlX umfasst.
Überzogener Gegenstand (10) nach Anspruch 1, worin der Gegenstand (10) ein Verdichter-Gehäuse ist.
Überzogener Gegenstand (10) nach Anspruch 2, worin der Reibüberzug (14) aus MCrAlX besteht.
Überzogener Gegenstand (10) nach Anspruch 2, worin der Reibüberzug (14) aus NiCrAlY umfasst.
Überzogener Gegenstand (10) nach Anspruch 2, worin der Reibüberzug (14) aus NiCrAlY besteht.
Überzogener Gegenstand (10) nach Anspruch 3, worin der Reibüberzug (14) mindestens eine Rille zum Aufnehmen mindestens einer Verdichter-Schaufelspitze einschließt.
Überzogener Gegenstand (10) nach Anspruch 4, worin der Reibüberzug (14) mindestens eine Rille zum Aufnehmen mindestens einer Verdichter-Schaufelspitze einschließt.
Überzogener Gegenstand (10) nach Anspruch 5, worin der Reibüberzug (14) mindestens eine Rille zum Aufnehmen mindestens einer Verdichter-Schaufelspitze einschließt.
Gegenstand (10) nach Anspruch 1, worin der Gegenstand (10) ein reparierter überzogener Gegenstand (10) eines Gasturbinentriebwerkes ist, wobei die Oberfläche (22) einen früher aufgebrachten korrosionsbeständigen Reibüberzug einschließt, der beschädigt oder zumindest teilweise entfernt wurde und worin der abschleifbare Reibüberzug (14) auf die Oberfläche aufgebracht ist, um einen reparierten überzogenen Gegenstand (10) zu ergeben.
Reparierter Gegenstand (10) nach Anspruch 9, worin der Gegenstand (10) ein Verdichter-Gehäuse ist und worin der abschleifbare Reibüberzug (14) MCrAlX umfasst.