DE102012108057B4

DE102012108057B4 - Verfahren zur Herstellung einer Dampfturbinenschaufel der letzten Stufe

Info

Publication number: DE102012108057B4
Application number: DE102012108057.7A
Authority: DE
Inventors: Yuefeng Luo; William Edward Adis
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-09-02
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2022-02-03
Anticipated expiration: 2032-08-31
Also published as: US10392717B2; RU2012137139A; US9267218B2; DE102012108057A1; US20130058791A1; US20160017722A1; FR2979660A1; RU2601674C2; FR2979660B1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Dampfturbinenschaufel (40) der letzten Stufe zur Verwendung in einer Dampfturbinenmaschine, umfassend:Ausbilden einer Dampfturbinenschaufel (40), die eine titanbasierte Legierung mit zwischen 3 % und 6,25 Gew.-% Aluminium, bis zu 3,5 % Vanadium, bis zu 2,25 % Zinn, bis zu 2,25 % Zirkonium, zwischen 1,75 % und 5,0 % Molybdän, bis zu 2,25 % Chrom, bis zu 0,7 % Silizium und bis zu 2,3 % Eisen aufweist, wobei der Rest Titan ist;Anlegen einer Hochspannung an eine Vorderkante (42) der Dampfturbinenschaufel (40) in einem Elektrolyten zum Bilden einer porösen Titandioxidübergangsschicht (22) mit einer Dicke von 20 µm. bis 150 µm, wobei ein elektrisches Feld an der Vorderkante (42) durch einen in dem Elektrolyten angeordneten Isolator gesteuert wird; undVersiegeln der porösen Titandioxidübergangsschicht (22) mit einer Siegelschicht (24) aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Chrom, Kobalt, Nickel, Polyimid, Polytetrafluorethylen und Polyester.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Verfahren zum Herstellen von Dampfturbinenschaufeln zur Verwendung in der letzten Stufe von Dampfturbinenmaschinen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Titanschaufeln mit besserer Erosionsbeständigkeit.
Es ist allgemein anerkannt, dass die Leistung einer Dampfturbinenmaschine stark von der Gestaltung und Leistung von Dampfturbinenschaufeln späterer Stufe beeinflusst wird, die bei reduzierten Dampfdrücken arbeiten. Idealerweise sollte die Dampfturbinenschaufel der letzten Stufe die Expansion von Dampf herunter auf den Turbinenauslassdruck effizient nutzen, während die kinetische Energie des die letzte Stufe verlassenden Dampfstroms minimiert wird.
Die Serviceanforderungen der Dampfturbinenschaufeln können komplex und anspruchsvoll sein. Insbesondere Dampfturbinenschaufeln der letzten Stufe werden routinemäßig auf eine Vielzahl von harten Betriebsbedingungen ausgesetzt, wie den korrosiven Umgebungen, die durch hohe Feuchtigkeit und dem Herübertransport aus dem Kessel verursacht werden. Solche Bedingungen können zu schwerer Korrosion und Lochfraßproblemen mit dem Dampfturbinenschaufelmaterial führen, insbesondere in längeren Dampfturbinenschaufeln der letzten Stufe. Somit sind seit einiger Zeit Dampfturbinenschaufeln der letzten Stufe für Turbinen wiederholt Gegenstand von Untersuchungen und Entwicklungsarbeit, in dem Bemühen, ihre Effizienz unter rauen Betriebsbedingungen zu verbessern, da selbst geringe Erhöhungen der Schaufeleffizienz und Lebensdauer zu erheblichen wirtschaftlichen Vorteilen über die Lebensdauer einer Dampfturbinenmaschine führen können.
Dampfturbinenschaufeln der letzten Stufe sind einem breiten Bereich von Strömungen, Belastungen und starken dynamischen Kräften ausgesetzt. Somit umfassen von dem Standpunkt der mechanischen Festigkeit und Haltbarkeit aus die primären Faktoren, die die endgültige Schaufelprofilgestaltung beeinflussen, die aktive Länge der Dampfturbinenschaufel, der Teilkreisdurchmesser und die Betriebsgeschwindigkeit in den Betriebsströmungsbereichen. Dämpfung, Schaufelermüdung und Korrosionsbeständigkeit der Werkstoffe bei den maximal zu erwartenden Betriebsbedingungen spielen auch eine wichtige Rolle bei der endgültigen Schaufelgestaltung und dem Herstellungsverfahren.
Die Entwicklung von größeren Dampfturbinenschaufeln der letzten Stufe stellt zusätzliche Gestaltungsprobleme aufgrund der Trägheitslasten, die oft die Festigkeitsleistung herkömmlicher Schaufelmaterialien überschreiten. Dampfturbinenschaufeln, insbesondere Dampfturbinenschaufeln der letzten Stufe mit längeren Leitschaufeln, erfahren höhere Zugbelastungen und sind somit zyklischen Spannungen ausgesetzt, die, wenn sie mit einer korrosiven Umgebung kombiniert werden, sehr schädlich für die Dampfturbinenschaufel über lange Benutzungszeiträume sein können. Zusätzlich ist der Dampf in den letzten Stufen normalerweise „nass“, d.h. er enthält eine höhere Menge an Sattdampf. Demzufolge tritt oft Wassertropfenschlagerosion des Schaufelmaterials in der letzten Stufe auf. Solche Erosion verringert die nutzbare Lebensdauer der Dampfturbinenschaufel und den Wirkungsgrad der Dampfturbine insgesamt.
In der Vergangenheit war es schwierig, Schaufelmaterialien zu finden, die in der Lage sind, alle der mechanischen Anforderungen an verschiedenen Endanwendungen zu erfüllen, insbesondere mechanische Gestaltungen, bei denen längere Leitschaufeln eingesetzt worden sind. Unveränderlich weisen die längeren Dampfturbinenschaufeln erhöhte Festigkeitsanforderungen auf und, wie oben erwähnt, leiden sie unter noch größerer Erosion und Lochfraßpotential. Die höheren Spannungen, die inhärent in längeren Leitschaufelgestaltungen sind, erhöhen auch das Potential für Spannungskorrosionsrissbildung bei erhöhten Betriebstemperaturen, weil die höhere Festigkeit, die in dem Schaufelmaterial erforderlich ist, dazu neigt, die Empfindlichkeit Spannungsrissbildung bei Betriebstemperaturen bei oder nahe 140 °F zu erhöhen. Die Auswirkungen von Lochfraß und Korrosionsermüdung steigen auch mit den höheren aufgebrachten Spannungen in den Dampfturbinenschaufeln der letzten Stufe mit längeren Leitschaufellängen an.
Die Festigkeit von Titanschaufeln ist geringer als die von Schaufeln aus rostfreiem Stahl und daher können Titanschaufeln weniger Erosionsschwund vor einem Totalausfall tolerieren. Ein Nahe-Null-Erosionsschwund für Titanschaufeln ist wünschenswert. Außerdem sind Titanschaufeln auch teurer als Schaufeln aus rostfreiem Stahl; somit ist, damit eine Titanschaufel kosteneffektiv ist, eine längere Lebensdauer und ein geringerer Erosionsschwund von Titanschaufeln wünschenswert.
WO 94/10357 A1 beschreibt ein Beschichtungsband und dessen Anwendung. Das Beschichtungsband wird dazu verwendet, lediglich einen dezimierten Bereich eines Teils zu beschichten. Beispielsweise kann eine Turbinenschaufel, die mit Nickel-Aluminit beschichtet ist, an einer beschädigten Stelle repariert werden, indem das Band auf die beschädigte Stelle aufgebracht und dann für eine vorgegebene Zeitdauer erhitzt wird.
DE 10 2009 003 523 A1 offenbart eine Dampfturbinenschaufel aufweisend zwischen 2 und 6,25 Gewichtsprozent Aluminium, bis zu 3,5% Vanadium, bis zu 2,25% Zinn, bis zu 2,25% Zirkonium, zwischen 1,75% und 5% Molybdän, bis zu 2,25% Chrom, bis zu 0,7% Silicium und bis zu 2,3% Eisen, wobei der restliche Bestandteil Titan ist.
Aus JP H03-150331 A geht das Beschichten einer Vorderkante einer Turbinenschaufel mit einer erosionsbeständigen Legierung hervor. Anstelle von kobaltbasierten Legierungen soll ein Gemisch aus Keramikpulver und Titan oder einer Titanlegierung durch Kalzinieren in einem Vakuum oder einem Inertgas und durch isostatisches Heißpressen auf die Schaufel aufgebracht werden.
US 4 416 739 A beschreibt ein Verfahren zur Behandlung von Titan oder einer titanbasierten Legierung als Vorbereitung der Beschichtung mit einem Metall durch Galvanisieren.
Aus US 2009/0223829 A1 ist ein Verfahren zur stromlosen Abscheidung bekannt. Zunächst wird durch Plasmaelektrolytoxidation ein dünner Oxidfilm auf ein Substrat aus Magnesium, Aluminium, Titan oder einer Legierung aufgebracht, bevor anschließend durch stromlose Abscheidung eine Nickelschicht aufgebracht wird.
US 7 195 455 B2 beschreibt eine Turbinenschaufel aus einer hochfesten titaniumbasierten Legierung zur Anwendung in der letzten Stufe in Dampfturbinen. Die titanbasierte Legierung weist bis zu 6,25% Aluminium, etwa 3,5% Vanadium, etwa 2,25% Zinn, etwas 2,25% Zirkon, etwa 1,75% Molybdän, etwa 2,25% Chrom, etwa 0,7% Silikon und etwa 2,3% Eisen auf, wobei der Restbestandteil aus Titan besteht.
Ferner offenbart US 6 447 924 B1 eine Turbinenschaufel mit einer Schutzschicht, die Silikatglas mit einem Chromoxidfüllstoff aufweist. Die Schutzschicht wird auf eine Titandioxidschicht der Turbinenschaufel aufgebracht.
Aus US 2003/0155231 A1 ist ein Verfahren zum Elektroplattieren bei der Herstellung von Halbleiterwafern bekannt. Dabei wird das elektrische Feld durch eine nicht metallische, nicht leitende Regulierplatte eingestellt, die in das Bad eingetaucht wird.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Herstellung einer Dampfturbinenschaufel zur Verwendung in der letzten Stufe einer Dampfturbinenmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Die oben beschriebenen und andere Merkmale werden durch die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft erläutert.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale dieser Erfindung werden leichter aus der folgenden detaillierten Beschreibung der verschiedenen Aspekte der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden, die verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen, von denen:

1 eine Vorderansicht von beispielhaften Dampfturbinenschaufeln entsprechend Aspekten der Erfindung ist.
2 eine Schnittansicht einer Titanlegierung ist, die behandelt wurde, dass sie eine schützende Oberflächenbeschichtung entsprechend Aspekten der Erfindung aufweist.
3 eine Querschnittsansicht einer Vorderkante einer Dampfturbinenschaufel der letzten Stufe ist, die entsprechend hierin beschriebener Ausführungsformen der Erfindung behandelt wird.
4 eine Vorrichtung ist, die verwendet wird, um Vorderkanten von Dampfturbinenschaufeln der letzten Stufe entsprechend hierin beschriebener Ausführungsformen entsprechend Aspekten der Erfindung herzustellen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 der Zeichnungen ist eine Vorderansicht eines Teils eines Dampfturbinenrad, die eine Mehrzahl von beispielhaften Dampfturbinenschaufeln der letzten Stufe (allgemein als 20 gezeigt) darstellt. L in 1 ist die Vorderkante und ist den härtesten Bedingungen ausgesetzt. Wesentlich ist, dass die Vorderkante L der Dampfturbinenschaufeln 20 gegen Erosion beständig ist. Höhere Erosionsbeständigkeit von Titanschaufeln der letzten Stufe (LSB) ermöglicht eine bessere Turbinenleistung und -wirtschaftlichkeit. Unter gewissen Umständen ist es vorteilhaft, dass die Hinterkante T Dampfturbinenschaufeln 20 der letzten Stufe eine verbesserte Erosionsbeständigkeit aufweisen. Die Hinterkante T ist die Kante gegenüber der Vorderkante L.
Es gibt keine wirksame Beschichtung für Titanschaufeln im Stand der Technik, da unterschiedliche Materialien schwierig auf Titan zu beschichten sind. Titan ist nicht kompatibel mit den meisten härteren metallischen Materialien auf Grund von spröden und schwachen Intermetallen. Die Verwendung von Plasmagasphasenabscheidung (PVD) oder chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) zur Beschichtung von Titan bildet keine Schicht, die dick genug für Erosionsbeständigkeit ist. Anderes Plattieren und Schweißen bei hoher Temperatur tendiert dazu, die Basistitanmaterialien zu verschlechtern.
Titanlegierungen wurden verwendet, um Dampfturbinenschaufeln der letzten Stufe herzustellen, jedoch wird eine höhere Erosionsbeständigkeit von Titanlegierungen eine noch längere Schaufelgestaltung mit höherer maximaler Spitzengeschwindigkeit ermöglichen. Größere Ringe für die längeren Dampfturbinenschaufeln führen zu einem höheren Wirkungsgrad und weniger Stufen in der Turbine. Weniger Stufen reduziert Hardware-Kosten für Dampfturbinen.
Die Vorderkante der Dampfturbinenschaufel der letzten Stufe ist besonders anfällig für Erosion.
Geeignete Titanlegierungen, die für Dampfturbinenschaufeln der letzten Stufe verwendet werden, umfassen Titan, titanbasierte Legierung und Titandioxid als ein Beschichtungsmaterial. Titanbasierte Legierungen gemäß der Erfindung haben die beispielhaften Gewichtsprozentsätze, die unten in Tabelle I gezeigt sind: TABELLE I

Al V Sn Zr Mo Cr Si Fe Ti

3% bis 6,25% Bis zu 3,5% Bis zu 2,25% Bis zu 2,25% 1,75% bis 5, 0% Bis zu 2,25% Bis zu 0,7% Bis zu 2,3% Rest
Diese Titanlegierung ist in US-Patent 7 195 455 B2 beschrieben und in ihrer Gesamtheit durch Verweis hierin eingeschlossen. Andere titanbasierte Legierungen, die verwendet werden, um Dampfturbinenschaufeln gemäß der Erfindung auszubilden, zeigen entweder eine Beta- oder eine Alpha-Beta-Struktur und erzielen eine minimale Bruchzähigkeit von ungefähr 50 ksi Quadratwurzelzoll.
Beispielhafte Profilen für längere Leitschaufel von Dampfturbinenschaufeln der letzten Stufe, die in der Lage sind, mit Titanlegierungen gemäß der Erfindung ausgebildet zu werden, sind in dem in gemeinsamem Besitz befindlichen Patent US 5 393 200 A mit dem (übersetzten) Titel „Schaufel für die letzte Stufe einer Turbine“ beschrieben und in seiner Gesamtheit durch Verweis hierin eingeschlossen. Das Titan und die Titanlegierungen werden dann behandelt, um die Erosionsbeständigkeit der Vorderkante zu verbessern.
2 zeigt eine Schnittansicht der Beschichtungsstruktur einer behandelten Vorderkante oder Hinterkante einer Dampfturbinenschaufel der letzten Stufe. Das Basismetall 20 hat eine Titandioxidschicht 22, die mit einer oberen Siegelschicht 24 versiegelt wurde. Eine Schicht 26 in 2 ist ein Montagematerial für die mikroskopische Schnittansicht und ist nicht Teil der Beschichtung. 3 zeigt eine Querschnittansicht der Vorderkante einer Dampfturbinenschaufel der letzten Stufe (eine Hinterkante kann ähnlich sein). Die Vorderkante hat eine Titandioxidschicht 22 und eine obere Siegelschicht 24 auf dem Basismetall 20.
In dem anfänglichen Schritt, die Vorderkante zu verbessern, wird das Basismetall 20 einem Kontaktplasmaverfahren in einem Elektrolyt ausgesetzt, um das Außenflächenmaterial in Titandioxid umzuwandeln. Die Dicke der Titandioxidschicht 22 beträgt 20 µm. bis 150 µm. Die Härte der Titandioxidschicht steigt bis ungefähr 1000 HV an, ein Anstieg von 360 HV von dem Basismaterial. Die Titandioxidschicht 22 enthält Poren für elektrische Entladung. Die Poren ermöglichen, dass Plasmakanäle bei hoher Temperatur Titan in Titanoxid oder Titandioxid umwandeln. Ein Plasmakanal geht von der Flüssigkeitsgrenzfläche aus und schreitet durch di Titandioxidschicht fort. Dann füllt eine obere Siegelschicht 24 die Poren, um die Oberflächenzähigkeit zu erhöhen. Die obere Siegelschicht 24 ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kobalt, Chrom, Nickel, Polyimid, Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyester. Es ist möglich, dotierte metallische oder keramische Partikel in die polymeren Materialien vor dem Aufbringen der oberen Siegelschicht 24 vorzusehen.
4 zeigt eine Vorrichtung 50 zum Aufbringen der Beschichtung auf eine Vorderkante 42 einer Dampfturbinenschaufel 40 (auch als Leitschaufeln bezeichnet). Die Vorrichtung zum Durchführen des Kontaktplasmaprozesses umfasst einen Behälter 52, der eine elektrolytische Lösung 54 enthält. Die Dampfturbinenschaufel 40 ist die Anode und Kathoden 56 sind in die Lösung 54 auf jeder Seite der Vorderkante 42 der Dampfturbinenschaufel 40 eingesetzt. Eine hochfrequenzvorgespannte Wechselspannungsquelle 58 liefert Hochspannung zwischen der Dampfturbinenschaufel 40 und der Kathode 56, um hochtemperaturbewegende Funken an der Vorderkante 42 zu erzeugen. Da der Strom in einer Form von vorgespanntem Wechselstrom oder - spannung ist, werden die Elektrodenpolaritäten, Anode und Kathode relativ definiert. Bei einer Ausführungsform reicht die angelegte Spannung von ungefähr 300 V Spitzenspannung bis ungefähr 1200 V oder bei Ausführungsformen von ungefähr 400 V Spitzenspannung bis ungefähr 1000 V oder bei Ausführungsformen von ungefähr 500 V Spitzenspannung bis ungefähr 800 V. Der Prozessstrom kann Gleichstrom, Wechselstrom oder eine gepulste Welle sein. Hochfrequenzvorgespannte Wechselstrom- oder Gleichstrompulsquellen sind effektiv; somit kann sich die Polarität ändern, aber zu einer Seite deutlich vor. Die elektrolytische Lösung 54 enthält Kaliumhydroxid mit einer Konzentration von ungefähr 0,02 Gramm / Liter bis ungefähr 0,2 Gramm / Liter, was zu einem pH größer als ungefähr 9 führt. Die elektrolytische Lösung enthält Natriumsilikat in einer Konzentration von ungefähr 0,1 Gramm / Liter bis ungefähr 2,8 Gramm / Liter, was eine Leitfähigkeit von ungefähr 0,3 Millisiemens / cm bis ungefähr 12 Millisiemens / cm oder bei Ausführungsformen von ungefähr 0,5 Millisiemens / cm bis ungefähr 10 Millisiemens / cm oder bei Ausführungsformen von ungefähr 1,0 Millisiemens / cm bis ungefähr 5 Millisiemens / cm liefert. Ein Filtrations- und Zirkulationssystem 60 ist vorgesehen, um die Temperatur und Reinheit des Elektrolyten aufrechtzuerhalten. Die Stromquelle kann Wechselstrom, Gleichstrom oder gepulster Gleichstrom mit hoher Frequenz von ungefähr 20 Hz bis ungefähr 12000 Hz oder bei Ausführungsformen von ungefähr 20 Hz bis ungefähr 1200 Hz oder bei Ausführungsformen von ungefähr 100 Hz bis ungefähr 1000 Hz sein.
Eine Vorspannungsschaltung 62 ermöglicht die Anwendung irgendeiner bipolaren Wechselstromquelle. Die Vorderkante 42 ist in die elektrolytische Lösung 54 eingetaucht, wobei Strom mit der Anode oder der Dampfturbinenschaufel 40 verbunden ist. Die Vorderkante 42 der Dampfturbinenschaufel 40 wird unbedeckt in der elektrolytischen Lösung 54 durch die Verwendung von Masken 48 gelassen. Die Masken 48 können Polymerbänder sein. Es ist auch möglich, einen Teil der Vorderkante einzutauchen, wo eine Beschichtung notwendig ist, durch Abdichten des Rests der Teilfläche. Die Kathoden 56 sind große rostfreie oder Kupferplatten, die ein Gebiet der Vorderkante 42 der Dampfturbinenschaufel 40 umgeben, das zu beschichten ist. Plattenflächen der Kathoden 56 folgen den Seitenflächen der Vorderkante 42, wie in 4 gezeigt. Ein elektrischer Feldverteiler 64 ist in dem Behälter 52 angeordnet. Der elektrische Feldverteiler 64 ist ein Isolator, der den Elektrolyten in der Nähe der Vorderkante 42 der Dampfturbinenschaufel 40 verdrängt. Der elektrische Feldverteiler 64 ändert das elektrische Feld, um die Feldkonzentration an der Vorderkante 42 der Dampfturbinenschaufel 40 zu verringern. Die elektrische Feldverteilerform oder das Profil wird für die elektrische Feldverteilung optimiert. Das Ziel ist es, ein gleichmäßigeres elektrisches Feld um die Vorderkante 42 zu erreichen. Der Höchstwert des elektrischen Felds tritt an der Spitze der Vorderkante auf. Der Höchstwert des elektrischen Felds kann durch Ändern des Profils des Isolators in konkav oder konvex in Abhängigkeit von der Vorderkantenform minimiert werden. Es ist möglich, das elektrische Feld für jede Art von Dampfturbinenschaufel oder Blatt zu optimieren. Beim Anlegen von Strom werden Funken zwischen der Anode (Vorderkante 42) und den Kathoden 56 erzeugt.
Die sich bewegenden Funken bedecken alle freigelegten oder nicht maskierten Flächen an der Vorderkante 42 der Dampfturbinenschaufel 40. Die elektrolytische Reaktion produziert eine Menge Sauerstoff an der Anode (Vorderkante 42), während das Hochtemperaturplasma unmittelbar das Substrat Titan in Titanoxid oxidiert. Die Abkühlrate ist extrem hoch und die Härte des resultierenden Titandioxids liegt bei ungefähr 1000 HV. Die Beschichtungsdicke des Titandioxids reicht von 20 µm bis 150 µm und kann bei Ausführungsformen von 30 µm oder 40 µm bis 150 µm reichen.
Der oberste Teil der Vorderkante 42 kann nach der oben beschriebenen Behandlung locker sein mit einer dichteren unteren Schicht. Hochfrequenz, z.B. größer als 200 Hz, kann angewendet werden, um die Beschichtungsdichte zu erhöhen. Wie in 2 gezeigt, besteht der Schichtaufbau aus der Kontaktplasmaoxidation aus drei Schichten auf dem Titansubstrat. Die oberste Schicht kann locker und porös sein. Die Übergangsschicht ist sehr dünn und fest, da es keine Adhäsion aber Umwandlung gibt.
Die scharfe Geometrie der Vorderkante verursacht eine Konzentration des elektrischen Feldes in der Nähe der Kante. Die Feldkonzentration führt zu übermäßig angesammelten Funken und Überhitzung. Unregelmäßige Beschichtung und lokale Defekte erzeugen ein Problem mit der Beschichtungsqualität. In 4 ist die Elektrode 56 in zweiteilig mit einer Elektrodenöffnung direkt vor der Vorderkante, um die Konzentration des elektrischen Feldes um die scharfe Geometrie zu reduzieren. Der elektrische Feldverteiler 64 ist ein isolierender Block und wird vor der zu beschichtenden Vorderkante angeordnet, um den Elektrolyten zu verdrängen und das elektrische Feld in der Nähe der Vorderkante der Dampfturbinenschaufel zu reduzieren. Einige Feldlinien werden durch den Isolator unterbrochen, wodurch das elektrische Feld reduziert wird. Das Profil des elektrischen Feldverteilers wird verändert, um ein gleichmäßiges elektrisches Feld an der Vorderkante 42 zu erreichen.
Das Profil und die Größe des elektrischen Feldverteilers 64 oder Isolators kann verändert werden, um die elektrische Feldverteilung für eine gleichmäßige Beschichtung an der Vorderkante zu steuern, die eine scharfe Spitze ist. Eine andere Feldverteilung kann auch durch andere und besondere isolierende Blöcke oder elektrische Feldverteiler 64 erhalten werden. Eine solche Steuerung des elektrischen Felds im Raum kann effektiv die Beschichtungsqualität verbessern, wenn eine scharfe Geometrie beteiligt ist.
Nach dem Bearbeiten der Kontaktplasmaoxidation wird die Oberfläche der beschichteten Vorderkante 42 gereinigt und getrocknet, um jeglichen restlichen Elektrolyt und loses Material zu entfernen. Falls die obere Schicht locker ist, kann die Verwendung von abrasiven Läppen oder Polieren erforderlich sein, um derartiges Material zu entfernen. Polieren ist optional, da die nächste Siegelschicht das lockere Material verfestigen kann. Die untere Schicht auf dem Basismetall ist dichter und weniger porös als die oberste Schicht. Auch kann Hochleistungsfrequenz die Beschichtungsporosität reduzieren.
Auf der Oberseite des Titandioxidbeschichtung wird eine andere Schicht der Beschichtung aufgebracht, um die Porosität für eine bessere Zähigkeit und Integrität zu versiegeln. Das Material der oberen Siegelschicht ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Chrom, Kobalt oder Nickel. Bei einer alternativen Ausführungsform ist das Material der Siegelschicht ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyimid, PTFE oder Polyester.
Metallbeschichtungsverfahren umfassen Elektroplattieren, stromloses Plattieren oder PVD / CVD. Diese Prozesse finden bei niedrigen Temperaturen statt, z.B. weniger als die Rekristallisierungstemperatur der Titanlegierung. Die Prozesse verwenden eher entweder elektrische Energie oder chemische Energie als direkte thermische Energie, um die Beschichtungspartikel zu aktivieren. Polymermaskieren oder teilweises Abdichtung ist notwendig, um die Bereiche abzuschirmen, die nicht in dem Kontaktplasmaprozess beschichtet werden.
Polymerbeschichtungsverfahren umfassen Spritzen, Tauchen oder Pulverbeschichten gefolgt von gegebenenfalls Härten oder Ablagern. Elektrostatisches Spritzen oder nasses elektrophoretisches Plattieren kann angewendet werden, um die Qualität der Beschichtung durch besseres Füllen der Oberflächenporen zu verbessern.
Das Dichtungsmaterial füllt die Poren und andere Hohlräume, um die Beschichtungszähigkeit zusätzlich zu der hohen Härte von Titandioxid zu erhöhen. Die Verbundbeschichtung ist entweder ein Hartmetall in Keramikmatrix oder ein Polymer in Keramikmatrix.
Hierin beschrieben wird ein Verfahren, das ein Beschichten auf Titan ohne Bildung spröder Intermetalle ermöglicht. Die hierin beschriebene Umwandlungsbeschichtung ermöglicht eine starke Bindung ohne Haftungsprobleme. Die Beschichtung ist dick und dauerhaft und weist eine Dicke von bis zu ungefähr 200 µm auf. Die Dicke der Titandioxidschicht ist zwischen 20 µm bis 150 µm.
Die Dicke der oberen Siegelschicht ist zwischen ungefähr 0,5 und ungefähr 50 µm oder bei Ausführungsformen von ungefähr 1,0 µm bis ungefähr 40 µm oder bei Ausführungsformen von ungefähr 2,0 µm bis ungefähr 35 µm.
Die Härte der Beschichtung steigt von 360 HV der Basistragflächenprofillegierung bis ungefähr 1200 HV von beschichteten Titandioxid an, um die Erosionsbeständigkeit deutlich zu erhöhen. Das Titanoxid ist chemisch stabil für eine bessere Korrosionsbeständigkeit zusätzlich zu der Erosionsbeständigkeit. Die obere Siegelbeschichtung durch hartes Metall oder zähes Polymer verbessert die Zähigkeit gegen Bruch und Schichtintegrität weiter.
Hierin angegeben wird eine tragfähige harte Beschichtung auf Titanschaufeln, die weniger Toleranz gegen Erosionsschwund und eine niedrigere Streckgrenze als einige rostfreie Dampfturbinenschaufeln haben. Ein Nahe-Null-Erosionsschwund nach der Beschichtung wird durch das hier beschriebene Verfahren angegeben. Die Beschichtung verlängert auch die Lebensdauer der teuren Titanschaufeln der letzten Stufe. Die vorliegende Erfindung kann längere Dampfturbinenschaufeln und weniger Turbinenstufen bei gleicher Leistung und Wirkungsgrad aufgrund eines vergrößerten Ringbereichs und Wirkungsgrads ohne Erosionsschwund von höherer Spitzengeschwindigkeit angeben.
Die Begriffe „erster“, „zweiter“ und dergleichen bezeichnen hierin nicht irgendeine Reihenfolge, Menge oder Bedeutung, sondern werden stattdessen verwendet, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden, und die Ausdrücke „ein“ und „eine“ bezeichnen hierin keine Beschränkung der Menge, sondern bezeichnen stattdessen die Anwesenheit von mindestens einem der betroffenen Artikel. Der Modifizierer „ungefähr“, der in Verbindung mit einer Menge verwendet wird, ist einschließlich dem angegebenen Wert ist und hat die Bedeutung, die von dem Kontext vorgegeben wird (umfasst z.B. den Fehlergrad, der einer Messung einer bestimmten Größe zugeordnet ist). Das Suffix „(e)“, so wie hierin verwendet, soll sowohl den Singular als auch den Plural des Begriffs umfassen, den es modifiziert, wodurch eine oder mehrere von dem genannten Begriff umfasst werden (z.B. umfasst die Metall(e) ein oder mehrere Metalle). Hierin offenbarte Bereiche sind inklusive und unabhängig kombinierbar (z.B. Bereiche von „bis zu ungefähr 25 w / o oder genauer gesagt ungefähr 5 w / o bis ungefähr 20 w / o“ sind einschließlich de Endpunkte und aller Zwischenwerte der Bereiche von „ungefähr 5 w / o bis ungefähr 25 w / o“, usw.) .
Während verschiedene Ausführungsformen hierin beschrieben sind, wird aus der Beschreibung erkannt werden, dass verschiedene Kombinationen von Elementen, Variationen oder Verbesserungen daran durch Fachleute vorgenommen werden können und innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung sind. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von ihrem wesentlichen Schutzumfang abzuweichen. Daher soll die Erfindung nicht beschränkt sein auf die bestimmte Ausführungsform, die als die beste Art zur Ausführung der Erfindung erachtet wird, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfasst, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.
Hierin wird eine Dampfturbinenschaufel zur Verwendung in der letzten Stufe einer Dampfturbinenmaschine beschrieben. Die Dampfturbinenschaufel weist eine titanbasierte Legierung mit einer Vorderkante auf, wobei die Vorderkante Titandioxid mit vielen Poren und einer oberen Siegelschicht umfasst, die die Poren füllt, wobei die Siegelschicht ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Chrom, Kobalt, Nickel, Polyimid, Polytetrafluorethylen und Polyester.
Bezugszeichenliste

20: Schaufel
L: Vorderkante der Dampfturbinenschaufel
T: Hinterkante der Dampfturbinenschaufel
22: Titandioxidschicht
24: Siegelschicht
26: Montagematerialschicht
40: Schaufel
42: Vorderkante
48: Masken
50: Beschichtungsvorrichtung
52: Beschichtungsbehälter
54: Elektrolytische Lösung
56: Kathoden
58: Wechselspannungsquelle
62: Vorspannungsschaltung
64: Elektrischer Feldverteiler

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Dampfturbinenschaufel (40) der letzten Stufe zur Verwendung in einer Dampfturbinenmaschine, umfassend: Ausbilden einer Dampfturbinenschaufel (40), die eine titanbasierte Legierung mit zwischen 3 % und 6,25 Gew.-% Aluminium, bis zu 3,5 % Vanadium, bis zu 2,25 % Zinn, bis zu 2,25 % Zirkonium, zwischen 1,75 % und 5,0 % Molybdän, bis zu 2,25 % Chrom, bis zu 0,7 % Silizium und bis zu 2,3 % Eisen aufweist, wobei der Rest Titan ist; Anlegen einer Hochspannung an eine Vorderkante (42) der Dampfturbinenschaufel (40) in einem Elektrolyten zum Bilden einer porösen Titandioxidübergangsschicht (22) mit einer Dicke von 20 µm. bis 150 µm, wobei ein elektrisches Feld an der Vorderkante (42) durch einen in dem Elektrolyten angeordneten Isolator gesteuert wird; und Versiegeln der porösen Titandioxidübergangsschicht (22) mit einer Siegelschicht (24) aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Chrom, Kobalt, Nickel, Polyimid, Polytetrafluorethylen und Polyester.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Polieren der Vorderkante nach dem Anlegen der Hochspannung.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Polieren einen abrasiven Schleifprozess umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Hochspannung von 300 Volt bis 1200 Volt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Hochspannung von einer Stromquelle mit einer Frequenz von 20 Hz bis 12000 Hz geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Stromquelle einen Wechselstrom, einen Gleichstrom oder einen pulsierenden Gleichstrom liefert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das elektrische Feld an der Vorderkante (42) für eine gleichmäßige Beschichtung an der Vorderkante (42) über eine Veränderung des Profils und der Größe des Isolators gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Isolator vor der zu beschichtenden Vorderkante (42) angeordnet ist, um den Elektrolyten zu verdrängen und das elektrische Feld in der Nähe der Vorderkante (42) der Dampfturbinenschaufel (40) zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt einen pH von mehr als 9 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt eine Leitfähigkeit von 0,3 Millisiemens / cm bis 12 Millisiemens / cm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt Kaliumhydroxid aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Kaliumhydroxid eine Konzentration von 0,02 Gramm / Liter bis 0,2 Gramm / Liter aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt Natriumsilikat aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Versiegeln Elektroplattieren, Plasmagasphasenabscheidung oder chemisches Gasphasenabscheidung eines Metalls umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Versiegeln Spritzbeschichten, Tauchbeschichten oder Pulverbeschichten und Härten eines Polymers umfasst.