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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die Erfindung betrifft ein geschlossenes Laufrad, das eine beschichtete Schaufel aufweist. Genauer betrifft die Erfindung ein geschlossenes Laufrad mit einer beschichteten Schaufel, wobei das Beschichtungssystem auf der beschichteten Schaufel die Nutzungsdauer des geschlossenen Laufrades erhöht. Das Beschichtungssystem tut dies durch Verbessern der Erosionsbeständigkeit und der Korrosionsbeständigkeit der beschichteten Schaufel, ohne die mechanischen Leistungseigenschaften des geschlossenen Laufrades zu beeinträchtigen.
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In bestimmten Umgebungen unterliegen Pumpen, Durchflusssteuervorrichtungen und andere Gegenstände, die zum Bewegen oder Transportieren von Flüssigkeiten und Aufschlämmungen verwendet werden, den Auswirkungen von erosiven und korrosiven Flüssigkeiten und Aufschlämmungen. Ein Beispiel eines solchen Gegenstandes ist ein geschlossenes Laufrad, das typischerweise eine Komponente einer Pumpe oder eines anderen Gegenstandes ist, der zum Bewegen oder Transportieren von Flüssigkeiten verwendet wird. Oftmals vermindert die Einwirkung der Einfluss der Flüssigkeit und/oder Aufschlämmungen durch Erosion und/oder Korrosion die Leistung des geschlossenen Laufrades und somit des Gegenstandes (z. B. Pumpe), von der das geschlossene Laufrad eine Komponente ist.
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Durch Erosion und/oder Korrosion verursachte Probleme liegen bei vielen Arten von Gegenständen vor, die zum Transport und/oder zur Bewegung von Flüssigkeiten und Aufschlämmungen verwendet werden. Zur Lösung dieses Problems der Erosion und/oder Korrosion wurden im Rahmen verschiedener Anwendungen Diffusionsverfahren wie zum Beispiel die Nitrierung (z. B. Lösungsnitrierung) verwendet, um den Komponenten, die Erosion und/oder Korrosion unterliegen, einen gewissen Schutz bereitzustellen. Zum Beispiel offenbart die
US 5 503 687 A eine Lösungsnitrierung von Edelstahl im Kontext von Pumpenzahnrädern und -laufrädern mit hoher Drehzahl. Wenngleich ein Verfahren wie die Lösungsnitrierung gewisse Verbesserungen bereitgestellt hat, besteht in einigen Anwendungen noch immer ein Bedarf an der Bereitstellung eines Behandlungsweges für eine Komponente wie ein geschlossenes Laufrad, um die Nutzungsdauer davon zu verbessern.
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Ein Plattierverfahren wurde angewendet, um die Lebensdauer der Komponenten zu verbessern. In einem solchen Verfahren wird eine flexible Wolframcarbid-Kobalt-Schicht auf den kritischen Oberflächen angeordnet und daran befestigt. Die
US 3 743 556 A zeigt ein beispielhaftes Plattierverfahren. Eine flexible Wolframcarbid-Kobalt-Plattierung kann verwendet werden, um vor Flugaschenerosion in einer Luftturbinenschaufel sowie vor Abnutzung in einem Extruderzylinder zu schützen (siehe Robert Colvin, „Wear-resistant cladding helps compounder overcome Problems”, Modern Plastics Worldwide, February 2007).
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Wenngleich das Plattierverfahren akzeptable Ergebnisse im Hinblick auf die Erosionsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit bereitstellt, sind mit dem Plattierverfahren auch Einschränkungen verbunden. Erstens ist die Plattierung aufgrund der Natur des Verfahrens nicht speziell auf schwer erreichbare Bereiche anwendbar, da diese nicht zugänglich sind, um die flexible Plattierschicht aufzubringen. Zweitens, wenn die Abmessungstoleranzen für die Komponente(n) eng sind, ist das Plattierverfahren typischerweise nicht zum Gebrauch geeignet. Aufgrund der im Hinblick auf die Abmessungen eingeschränkten und schwer zu erreichenden strukturellen Merkmale eines geschlossenen Laufrades ist die Verwendung des Plattierverfahrens auf ein geschlossenes Laufrad und speziell auf die Schaufeln eines geschlossenen Laufrades nur begrenzt anwendbar. Wenngleich ein Plattierverfahren für gewisse Anwendungen geeignet sein kann, besteht daher noch immer ein Bedarf an der Bereitstellung eines Behandlungsweges für eine Komponente wie ein geschlossenes Laufrad, um die Nutzungsdauer davon zu verbessern, insbesondere wenn die schutzbedürftigen Bereiche schwer zu erreichen sind und/oder enge Abmessungstoleranzen erforderlich machen.
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Die
GB 2 475 533 A zeigt ein Verdichterrad für einen Turbolader mit einer zentralen Nabe und mehreren Laufradschaufeln, die sich von der Nabe nach außen erstrecken. Jede der Schaufeln definiert eine Vorderkante, eine Hinterkante und einen Ansatzbereich, der die Schaufel mit der Nabe verbindet. Zumindest eine der Schaufeln hat eine Oberfläche mit einem Überzug aus einem keramischen Material, der eine variable Dicke aufweist. Die Vorderkante der Schaufel ist mit einem dickeren Überzug des keramischen Materials versehen als die Hinterkante und/oder der Ansatzbereich der Schaufel. Im Kontext eines geschlossenen Laufrades können die Geometrie und die physikalischen Eigenschaften der Schaufeln sowie anderer Komponenten die Leistung des geschlossenen Laufrades beeinträchtigen. Die Natur eines geschlossenen Laufrades macht eine ausgezeichnete Haftung einer Beschichtung an der Schaufel erforderlich. Eine schlechte Haftung der Beschichtung an der Schaufel führt zu einer Verringerung der Nutzungsdauer des geschlossenen Laufrades. Es wäre daher vorteilhaft, eine Beschichtung auf einem geschlossenen Laufrad (und insbesondere der Schaufel eines geschlossenen Laufrades) bereitzustellen, die eine ausgezeichnete Haftung aufweist. Es wäre besonders wünschenswert, wenn das Beschichtungssystem an die Oberfläche des Substrats der Schaufel metallurgisch gebunden würde.
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Die Natur eines geschlossenen Laufrades macht auch erforderlich, dass die Steuerung der Dicke der Beschichtung überaus präzise ist. Unbeabsichtigte Variationen in der Beschichtungsdicke können zu einem Verlust der Abmessungstoleranzen führen, die zu einer Abnahme der Betriebsleistung sowie zu einer Verringerung der Nutzungsdauer des geschlossenen Laufrades führen können. Ferner können unbeabsichtigte Variationen der Beschichtungsdicke Unwuchten verursachen, die sich negativ auf die Betriebsleistung des geschlossenen Laufrades auswirken und zu einer Verringerung der Nutzungsdauer des geschlossenen Laufrades führen können. Diese unbeabsichtigten Beschichtungsdickenvariationen sind auf den derzeitigen Schwerpunkt zur Steuerung der Dicke auf einen einheitlichen Wert in der gesamten Komponente und auf Flussunregelmäßigkeiten zurückzuführen, die durch die komplexen Geometrien des Teils vergrößert werden. Es wäre von großem Vorteil, eine Beschichtung auf einem geschlossenen Laufrad (und insbesondere der Schaufel des geschlossenen Laufrades) bereitzustellen, die keine unbeabsichtigten Variationen im Hinblick auf die Dicke der Beschichtung aufweist.
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Bislang haben die Anforderungen in Bezug auf die Beschichtungshaftung und Steuerung der Beschichtungsdicke das Beschichtungssystem auf einer Schaufel eines Laufrades auf eine einzige Beschichtungsschicht beschränkt. Dennoch haben einige Beschichtungsverfahren, die zum Aufbringen einer einzigen Beschichtungsschicht angewendet werden, erhebliche Nachteile. Ein Verfahren wie ein thermisches Spritzverfahren (siehe z. B.
US 5 385 789 A ) wendet kein optimales Beschichtungssystem an, da die hohe Wärme die Geometrie der Komponenten, einschließlich der Schaufeln des geschlossenen Laufrades verzerrt. Ein Verfahren wie ein Plasmatransferbogenverfahren (siehe z. B.
US 5 705 786 A ) wendet kein optimales Beschichtungssystem an, da die hohe Wärme die Geometrie der Komponenten, einschließlich der Schaufeln des geschlossenen Laufrades verzerrt. Es wäre daher wünschenswert, einen Behandlungsweg (z. B. Beschichtung) für eine Komponente wie ein geschlossenes Laufrad (und insbesondere die Schaufeln eines geschlossenen Laufrades) bereitzustellen, sodass das Beschichtungsverfahren die Geometrie der Komponente nicht verzerrt. In der
US 2004/0062864 A1 ist ein Verfahren zur Gasphasenaluminisierung einer teilweise mit einem Maskierungsgehäuse maskierten Gasturbinenschaufel gezeigt.
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Typische Techniken der chemische Dampfphasenabscheidung (CVD) sind nicht geeignet, da die höheren Abscheidungstemperaturen die Geometrie der Komponenten, einschließlich der Schaufeln des geschlossenen Laufrades verzerren. Es wäre wünschenswert, einen Behandlungsweg für eine Komponente wie ein geschlossenes Laufrad bereitzustellen, ohne höhere Abscheidungstemperaturen wie den bei CVD-Techniken existenten verwenden zu müssen.
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Außerdem stellen CVD-Techniken und PVD-Techniken kein optimales Beschichtungssystem bereit, da sie im Hinblick auf die Größenordnung der Dicke des Beschichtungssystems eingeschränkt sind. Herkömmliche PVD-Techniken weisen typischerweise eine Beschichtungsdickenbegrenzung von etwa 10 Mikrometer auf. Herkömmliche CVD-Techniken weisen typischerweise eine Beschichtungsdickenbegrenzung von etwa 25 Mikrometer bis etwa 30 Mikrometer zusammen mit einer Abscheidungstemperatur von mindestens etwa 800°C auf. Die Dicke der Beschichtung auf einer Schaufel eines geschlossenen Laufrades sollte mindestens etwa 35 Mikrometer betragen. Daher wäre es überaus wünschenswert, eine Beschichtung auf einem geschlossenen Laufrad (und insbesondere der Schaufel des geschlossenen Laufrades) bereitzustellen, die eine ausreichende Dicke wie mindestens etwa 35 Mikrometer aufweist.
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Ein unerwarteter Fehlermodus von Laufrädern ist eine vorzeitige Unwucht aufgrund einer beschleunigten Abnutzung an den Einlass- und Auslassbereichen der Schaufeln. Einfache Geschwindigkeitsprofile lassen darauf schließen, dass der Auslass aufgrund der höheren Geschwindigkeit eine höhere Abnutzung erfährt, jedoch zeigen ausführliche Untersuchungen, dass der Einlassbereich aufgrund der Richtungsänderung der Flüssigkeit eine lokalisierte beschleunigte Abnutzung bewirkt. Daher muss das Profil der abnutzungsbeständigen Beschichtungsschicht im Vergleich zu anderen Stellen entlang der Schaufel an diesen Einlass- und Auslassbereichen zusätzliches Material aufweisen.
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Es wird ersichtlich, dass mit den derzeitigen Techniken, die zum Aufbringen eines Beschichtungssystems auf einen Gegenstand wie ein geschlossenes Laufrad und insbesondere zum Aufbringen einer Beschichtung auf eine Schaufel eines geschlossenen Laufrades angewendet werden, Nachteile bestehen. Es wäre überaus vorteilhaft, Lösungen für diese Nachteile bereitzustellen.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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In einer Form ist die Erfindung ein geschlossenes Schaufelrad, das eine Basisabdeckung, die eine Basisinnenfläche aufweist, eine zweite Abdeckung und eine Schaufel auf der Basisinnenfläche umfasst, wobei die Schaufel im Allgemeinen bogenförmig ist und ein distales Einlassende und ein distales Auslassende aufweist. Die Schaufel weist eine Niederdruck-Seitenfläche, die eine Niederdruck-Seitenlänge zwischen dem distalen Einlassende und dem distalen Auslassende aufweist, und einen Niederdruck-Mittelpunkt auf der Niederdrucklänge ungefähr in der Mitte befindlich zwischen dem distalen Einlassende und dem distalen Auslassende auf. Eine Niederdruck-Hartbeschichtung befindet sich auf der Niederdruck-Seitenfläche, wobei die Niederdruck-Hartbeschichtung eine minimale Niederdruck-Beschichtungsdicke an dem Niederdruck-Mittelpunkt, eine maximale eine maximale Niederdruck-Auslassbeschichtungsdicke an dem distalen Auslassende und eine maximale Niederdruck-Einlassbeschichtungsdicke an dem distalen Einlassende aufweist. Die minimale Niederdruck-Beschichtungsdicke liegt im Bereich zwischen etwa 0,085 und etwa 0,8 entweder der maximalen Niederdruck-Auslassbeschichtungsdicke an dem distalen Auslassende oder der maximalen Niederdruck-Einlassbeschichtungsdicke an dem distalen Einlassende. Die Schaufel weist eine Hochdruck-Seitenfläche, die eine Hochdruck-Seitenlänge zwischen dem distalen Einlassende und dem distalen Auslassende aufweist, und einen Hochdruck-Mittelpunkt auf der Hochdrucklänge ungefähr in der Mitte befindlich zwischen dem distalen Einlassende und dem distalen Auslassende auf. Eine Hochdruck-Hartbeschichtung befindet sich auf der Hochdruck-Seitenfläche, wobei die Hochdruck-Hartbeschichtung eine minimale Hochdruck-Beschichtungsdicke an dem Hochdruck-Mittelpunkt, eine maximale eine maximale Hochdruck-Auslassbeschichtungsdicke an dem distalen Auslassende und eine maximale Hochdruck-Einlassbeschichtungsdicke an dem distalen Einlassende aufweist. Die minimale Hochdruck-Beschichtungsdicke liegt im Bereich zwischen etwa 0,085 und etwa 0,8 entweder der maximalen Hochdruck-Auslassbeschichtungsdicke an dem distalen Auslassende oder der maximalen Hochdruck-Einlassbeschichtungsdicke an dem distalen Einlassende.
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In noch einer anderen Form davon ist die Erfindung eine beschichtete Laufradschaufel, die ein Schaufelsubstrat und eine Hartbeschichtung umfasst. Die Schaufel ist im Allgemeinen bogenförmig und weist ein distales Einlassende und ein distales Auslassende auf. Die Schaufel weist eine Niederdruck-Seitenfläche, die eine Niederdruck-Seitenlänge zwischen dem distalen Einlassende und dem distalen Auslassende aufweist, und einen Niederdruck-Mittelpunkt auf der Niederdrucklänge ungefähr in der Mitte befindlich zwischen dem distalen Einlassende und dem distalen Auslassende auf. Eine Niederdruck-Hartbeschichtung befindet sich auf der Niederdruck-Seitenfläche, wobei die Niederdruck-Hartbeschichtung eine minimale Niederdruck-Beschichtungsdicke an dem Niederdruck-Mittelpunkt, eine maximale eine maximale Niederdruck-Auslassbeschichtungsdicke an dem distalen Auslassende und eine maximale Niederdruck-Einlassbeschichtungsdicke an dem distalen Einlassende aufweist. Die minimale Niederdruck-Beschichtungsdicke liegt im Bereich zwischen etwa 0,085 und etwa 0,8 entweder der maximalen Niederdruck-Auslassbeschichtungsdicke an dem distalen Auslassende oder der maximalen Niederdruck-Einlassbeschichtungsdicke an dem distalen Einlassende. Die Schaufel weist eine Hochdruck-Seitenfläche, die eine Hochdruck-Seitenlänge zwischen dem distalen Einlassende und dem distalen Auslassende aufweist, und einen Hochdruck-Mittelpunkt auf der Hochdrucklänge ungefähr in der Mitte befindlich zwischen dem distalen Einlassende und dem distalen Auslassende auf. Eine Hochdruck-Hartbeschichtung befindet sich auf der Hochdruck-Seitenfläche, wobei die Hochdruck-Hartbeschichtung eine minimale Hochdruck-Beschichtungsdicke an dem Hochdruck-Mittelpunkt, eine maximale eine maximale Hochdruck-Auslassbeschichtungsdicke an dem distalen Auslassende und eine maximale Hochdruck-Einlassbeschichtungsdicke an dem distalen Einlassende aufweist. Die minimale Hochdruck-Beschichtungsdicke liegt im Bereich zwischen etwa 0,085 und etwa 0,8 entweder der maximalen Hochdruck-Auslassbeschichtungsdicke an dem distalen Auslassende oder der maximalen Hochdruck-Einlassbeschichtungsdicke an dem distalen Einlassende.
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In noch einer anderen Form davon ist die Erfindung eine Pumpe, die ein Pumpengehäuse umfasst, das einen Einlass und einen Auslass aufweist. In dem Pumpengehäuse befindet sich ein geschlossenes Laufrad, wobei das geschlossene Laufrad eine Basisabdeckung, die eine Basisinnenfläche aufweist, und eine zweite Abdeckung umfasst. Eine Schaufel befindet sich auf der Basisinnenfläche, wobei die Schaufel im Allgemeinen bogenförmig ist und ein distales Einlassende und ein distales Auslassende aufweist. Die Schaufel weist eine Niederdruck-Seitenfläche, die eine Niederdruck-Seitenlänge zwischen dem distalen Einlassende und dem distalen Auslassende aufweist, und einen Niederdruck-Mittelpunkt auf der Niederdrucklänge ungefähr in der Mitte befindlich zwischen dem distalen Einlassende und dem distalen Auslassende auf. Eine Niederdruck-Hartbeschichtung befindet sich auf der Niederdruck-Seitenfläche, wobei die Niederdruck-Hartbeschichtung eine minimale Niederdruck-Beschichtungsdicke an dem Niederdruck-Mittelpunkt, eine maximale eine maximale Niederdruck-Auslassbeschichtungsdicke an dem distalen Auslassende und eine maximale Niederdruck-Einlassbeschichtungsdicke an dem distalen Einlassende aufweist. Die minimale Niederdruck-Beschichtungsdicke liegt im Bereich zwischen etwa 0,085 und etwa 0,8 entweder der maximalen Niederdruck-Auslassbeschichtungsdicke an dem distalen Auslassende oder der maximalen Niederdruck-Einlassbeschichtungsdicke an dem distalen Einlassende. Die Schaufel weist eine Hochdruck-Seitenfläche, die eine Hochdruck-Seitenlänge zwischen dem distalen Einlassende und dem distalen Auslassende aufweist, und einen Hochdruck-Mittelpunkt auf der Hochdrucklänge ungefähr in der Mitte befindlich zwischen dem distalen Einlassende und dem distalen Auslassende auf. Eine Hochdruck-Hartbeschichtung befindet sich auf der Hochdruck-Seitenfläche, wobei die Hochdruck-Hartbeschichtung eine minimale Hochdruck-Beschichtungsdicke an dem Hochdruck-Mittelpunkt, eine maximale eine maximale Hochdruck-Auslassbeschichtungsdicke an dem distalen Auslassende und eine maximale Hochdruck-Einlassbeschichtungsdicke an dem distalen Einlassende aufweist. Die minimale Hochdruck-Beschichtungsdicke liegt im Bereich zwischen etwa 0,085 und etwa 0,8 entweder der maximalen Hochdruck-Auslassbeschichtungsdicke an dem distalen Auslassende oder der maximalen Hochdruck-Einlassbeschichtungsdicke an dem distalen Einlassende.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es folgt eine Kurzbeschreibung der Zeichnungen, die einen Teil dieser Patentanmeldung umfassen. Es zeigen:
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1 eine isometrische Ansicht einer Pumpe, die eine spezifische Ausführungsform eines geschlossenen Laufrads der Erfindung verwendet;
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2 eine auseinandergezogene Ansicht der Komponenten des geschlossenen Laufrades aus 1;
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3 eine Draufsicht der spezifischen Ausführungsform einer der Schaufeln des geschlossenen Laufrades aus 1, die das Beschichtungssystem und das Substrat der Schaufel darstellt, wobei eine Beschichtungsschicht auf der Niederdruck-Seitenfläche und eine Beschichtungsschicht auf der Hochdruck-Seitenfläche vorhanden ist;
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3A eine vergrößerte Ansicht des Abschnitts der Schaufel des geschlossenen Laufrades, der in dem Kreis 3A in 3 dargestellt ist;
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4 eine Draufsicht einer anderen spezifischen Ausführungsform einer der Schaufeln, die zur Verwendung in dem geschlossenen Laufrad aus 1 geeignet sind, die das Beschichtungssystem und das Substrat der Schaufel darstellt, wobei eine Beschichtungsschicht auf der Niederdruck-Seitenfläche und eine Beschichtungsschicht auf der Hochdruck-Seitenfläche vorhanden ist; und
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4A eine vergrößerte Ansicht des Abschnitts der Schaufel des geschlossenen Laufrades, der in dem Kreis 4A in 4 dargestellt ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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In Bezug auf die Zeichnungen ist mit besonderem Bezug auf 1 eine Pumpe 20 dargestellt, die ein Pumpengehäuse 22 mit einem Einlass 24 und einem Auslass 26 aufweist. Die Pumpe 20 weist ferner ein geschlossenes Laufrad 40 in dem Pumpengehäuse 22 auf, wobei eine Welle 28 mit dem geschlossenen Laufrad 40 betrieblich verbunden ist, um den Antrieb des geschlossenen Laufrades 40 zu ermöglichen. Eine Energiequelle 32 ist in einer betrieblichen Verbindung mit der Welle 28 dargestellt, um die Welle 28 zu drehen.
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In Bezug auf 2 umfasst das geschlossene Laufrad 40 eine Basisabdeckung 42, die eine Basisinnenfläche 44 und eine Basisaußenfläche 46 aufweist. Das geschlossene Laufrad 40 weist ferner eine zweite Abdeckung 52 auf, die eine zweite Innenfläche 54 und eine zweite Außenfläche 56 aufweist. Die zweite Abdeckung 52 enthält eine zentrale Öffnung 58. Das geschlossene Laufrad 40 enthält ferner mehrere beschichtete Laufradschaufeln 60 auf der Basisinnenfläche 44. Wie in 2 dargestellt, ist die zweite Abdeckung 52 über der Basisabdeckung 42 angeordnet, wodurch eine Nabe 59, die von der Basisinnenfläche 44 hervorsteht, durch die zentrale Öffnung 58 tritt. In dieser Figur sichert ein Sicherungsring 78 die zweite Abdeckung 52 an der Basisabdeckung 42.
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Mit Bezug auf
3 und
3A ist das Beschichtungssystem der beschichteten Laufradschaufel
60 dargestellt. Die beschichtete Laufradschaufel
60 umfasst ein Schaufelsubstrat
61 und eine Hartbeschichtung
100,
101 auf dem Schaufelsubstrat
61. Das Schaufelsubstrat
61 kann eines der folgenden Materialien sein: Stahl, Edelstahl oder Superlegierungen, die durch Gießen, Stab- oder Blechbearbeitung oder pulvermetallurgische Techniken hergestellt werden. Die spezifischen Materialtypen können Edelstahl wie zum Beispiel CA6NM oder ein Edelstahl der 300er oder 400er Serie sein. Das Substrat kann ein Stahlmaterial wie 4140 oder 4340 oder dergleichen sein. Ferner kann das Schaufelsubstrat
61 ein Inconel
®-[registrierte Handelsmarke von Huntington Alloys Corporation, Huntington, West Virginia 25705, mit
US-Registrierungsnummer 308,200 ] oder ein Hastelloy
®-[registrierte Handelsmarke von Haynes International Inc., Kokomo, Indiana 46904, mit
US-Registrierungsnummer 269,898 ]Material oder eine ähnliche nickelbasierte Legierung sein.
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Die Zusammensetzung und Beschichtungsarchitektur der Hartbeschichtung 100, 101 können in Abhängigkeit der jeweiligen Anwendung, für welche das geschlossene Laufrad verwendet wird, variieren. Zum Beispiel kann das Beschichtungssystem mehrere Schichten umfassen, wobei die Schichten ein Metall, eine Keramik oder Komposit sein können. Beispielhafte Metalle sind, Titan, Chrom, Nickel, Zirkonium, Wolfram oder Hafnium. Beispielhafte Keramikschichten sind Titannitrid, Titancarbonitrid, Titanaluminiumnitrid, Titanaluminiumsiliciumcarbonitrid und Wolframcarbid. Zu beispielhaften Kompositschichten gehören Wolfram-Wolframcarbid, Titansiliciumcarbonitrit (Nanokompositstrukturen), Siliciumcarbonitrid, Wolframcarbid-Kobalt, Wolframcarbid-Nickel und Nickel-Diamant.
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Als Option kann die Hartbeschichtung 100, 101 eine Monoschicht eines Nanokomposits aus Wolfram-Wolframcarbid oder Titansiliciumcarbonitrid sein.
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Als weitere Option kann die Hartbeschichtung 100, 101 eine Bindeschicht aus Titan, Nickel, Chrom oder Silicium sein.
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Die Schaufel 60 ist im Allgemeinen bogenförmig und weist ein distales Einlassende 62 und ein distales Auslassende 64 auf. Die Schaufel 60 weist eine Niederdruck-Seitenfläche 66 und eine Hochdruckseitenfläche 68 auf, die der Niederdruck-Seitenfläche 66 gegenüberliegt. Die Niederdruck-Seitenfläche 66 weist eine Niederdrucklänge (siehe bogenförmige Linie 72) auf, die zwischen dem distalen Einlassende 62 und dem distalen Auslassende 64 definiert ist. In der Mitte (d. h. ungefähr auf der Mitte der Niederdrucklänge 72) befindet sich zwischen dem distalen Einlassende 62 und dem distalen Auslassende 64 ein Niederdruck-Mittelpunkt 74 auf der Niederdruck-Seitenfläche 66. Die Hochdruck-Seitenfläche 68 weist eine Hochdrucklänge (siehe bogenförmige Linie 120) auf, die zwischen dem distalen Einlassende 62 und dem distalen Auslassende 64 definiert ist. In der Mitte (d. h. ungefähr auf der Mitte der Hochdrucklänge 120) befindet sich zwischen dem distalen Einlassende 62 und dem distalen Auslassende 64 ein Hochdruck-Mittelpunkt 122 auf der Hochdruck-Seitenfläche 68.
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Die Hartbeschichtung 100 befindet sich auf der Niederdruck-Seitenfläche 66 und die Hartbeschichtung 101 befindet sich auf der Hochdruck-Seitenfläche 68. Die Hartbeschichtung 100, 101 weist eine Dicke auf, die je nach der Anordnung der Hartbeschichtung 100, 101 variiert. Genauer weist die Hartbeschichtung 100 auf der Niederdruck-Seitenfläche 66 ein Niederdruck-Beschichtungsprofil auf und die Hartbeschichtung 101 weist auf der Hochdruck-Seitenfläche 68 ein Hochdruck-Beschichtungsprofil auf. Wie aus der folgenden Beschreibung hervorgehen wird, kann das Niederdruck-Beschichtungsprofil in der spezifischen Ausführungsform aus 3 und 3A dem Hochdruck-Beschichtungsprofil entsprechen. Genauer können die Beschichtung 100 auf der Niederdruck-Seitenfläche 66 und die Beschichtung 101 auf der Hochdruck-Seitenfläche 68 im Wesentlichen die gleiche Beschichtungsdicke und im Wesentlichen das gleiche Beschichtungsprofil aufweisen. In vielen Umgebungen unterliegen die distalen Enden (d. h. das distale Einlassende und das distale Auslassende) der Schaufeln einer größeren Erosionsabnutzung als benachbart des Nieder- und Hochdruck-Mittelpunktes. Daher weist das Beschichtungsprofil entweder eines oder beider Niederdruck- und Hochdruck-Beschichtungsprofile benachbart der distalen Enden eine erhöhte Beschichtungsdicke auf, was einen Leistungsvorteil bereitstellt, der die Nutzungsdauer des geschlossenen Laufrades erhöht. Dies ist der Fall für die Nieder- und Hochdruck-Beschichtungsprofile der Ausführungsform aus 3 und 3A.
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In Bezug auf das Niederdruck-Beschichtungsprofil weist die Hartbeschichtung 100 auf der Niederdruck-Seitenfläche 66 eine minimale Dicke 102 (siehe 3A) an dem Niederdruck-Mittelpunkt 74 auf. Die Hartbeschichtung 100 weist eine maximale Auslassdicke 104 an dem distalen Auslassende 64 auf. Die Hartbeschichtung 100 weist eine maximale Einlassdicke 106 an dem distalen Einlassende 62 auf. Typischerweise variiert die Dicke der Hartbeschichtung auf der Niederdruck-Seitenfläche 66 zwischen dem distalen Einlassende 62 und dem Niederdruck-Mittelpunkt 74 und zwischen dem distalen Auslassende 64 und dem Niederdruck-Mittelpunkt 74 leicht. Die minimale Dicke 102 liegt im Bereich zwischen etwa 0,085 und etwa 0,8 der maximalen Auslassdicke 104 an dem distalen Auslassende 64 und der maximalen Einlassdicke 106 an dem distalen Einlassende 62, wobei die maximale Einlassdicke 106 und die maximale Auslassdicke 104 gleich oder ungefähr gleich sind.
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Als Option zu dem oben genannten Bereich von 0,085 bis 0,8 liegt die minimale Dicke 102 im Bereich zwischen etwa 0,15 und etwa 0,60 der maximalen Auslassdicke 104 an dem distalen Auslassende 64 und der maximalen Einlassdicke 106 an dem distalen Einlassende 62, wobei die maximale Einlassdicke 106 und die maximale Auslassdicke 104 gleich oder ungefähr gleich sind. Als weitere Option liegt die minimale Dicke 102 im Bereich zwischen etwa 0,40 und etwa 0,55 der maximalen Auslassdicke 104 an dem distalen Auslassende 64 und der maximalen Einlassdicke 106 an dem distalen Einlassende 62, wobei die maximale Einlassdicke 106 und die maximale Auslassdicke 104 gleich oder ungefähr gleich sind. Als noch eine weitere Option liegt die minimale Dicke 102 im Bereich zwischen etwa 0,30 und etwa 0,40 der maximalen Auslassdicke 104 an dem distalen Auslassende 64 und der maximalen Einlassdicke 106 an dem distalen Einlassende 62, wobei die maximale Einlassdicke 106 und die maximale Auslassdicke 104 gleich oder ungefähr gleich sind.
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Unter weiterer Bezugnahme auf das Niederdruck-Beschichtungsprofil kann in einigen Anwendungen die Natur der Variation der Beschichtungsdicke, d. h. das Niederdruck-Beschichtungsprofil die Nutzungsdauer des geschlossenen Laufrades beeinflussen. Als Option variiert die Dicke der Hartbeschichtung auf der Niederdruck-Seitenfläche 66 zwischen dem distalen Einlassende 62 und dem Niederdruck-Mittelpunkt 74 leicht, wobei die Beschichtungsdicke an dem distalen Einlassende etwa sechzig Mikrometern entspricht und die Beschichtungsdicke an dem Mittelpunkt eine Dicke von etwa zwanzig Mikrometer aufweist. Daher entspricht die Beschichtungsdicke an dem Mittelpunkt etwa 0,33 der Beschichtungsdicke an dem distalen Einlassende und dem distalen Auslassende.
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In Bezug auf das Hochdruck-Beschichtungsprofil weist die Hartbeschichtung 101 auf der Hochdruck-Seitenfläche 68 eine minimale Dicke 124 an dem Hochdruck-Mittelpunkt 122 auf. Die Hartbeschichtung 101 weist eine maximale Auslassdicke 126 an dem distalen Auslassende 64 auf. Die Hartbeschichtung 101 weist eine maximale Einlassdicke 128 an dem distalen Einlassende 62 auf. Typischerweise variiert die Dicke der Hartbeschichtung 101 auf der Niederdruck-Seitenfläche 68 zwischen dem distalen Einlassende 62 und dem Hochdruck-Mittelpunkt 122 und zwischen dem distalen Auslassende 64 und dem Hochdruck-Mittelpunkt 122 leicht. Die minimale Dicke 124 liegt im Bereich zwischen etwa 0,085 und etwa 0,8 der maximalen Auslassdicke 126 an dem distalen Auslassende 64 und der maximalen Einlassdicke 128 an dem distalen Einlassende 62, wobei die maximale Einlassdicke 128 und die maximale Auslassdicke 126 gleich oder ungefähr gleich sind.
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Als Option zu dem oben genannten Bereich von 0,085 bis 0,8 liegt die minimale Dicke 124 im Bereich zwischen etwa 0,15 und etwa 0,60 der maximalen Auslassdicke 126 an dem distalen Auslassende 64 und der maximalen Einlassdicke 128 an dem distalen Einlassende 62, wobei die maximale Einlassdicke 128 und die maximale Auslassdicke 126 gleich oder ungefähr gleich sind. Als weitere Option liegt die minimale Dicke 124 im Bereich zwischen etwa 0,40 und etwa 0,55 der maximalen Auslassdicke 126 an dem distalen Auslassende 64 und der maximalen Einlassdicke 128 an dem distalen Einlassende 62, wobei die maximale Einlassdicke 128 und die maximale Auslassdicke 126 gleich oder ungefähr gleich sind. Als noch eine weitere Option liegt die minimale Dicke 122 im Bereich zwischen etwa 0,30 und etwa 0,40 der maximalen Auslassdicke 104 an dem distalen Auslassende 64 und der maximalen Einlassdicke 128 an dem distalen Einlassende 62, wobei die maximale Einlassdicke 128 und die maximale Auslassdicke 126 gleich oder ungefähr gleich sind.
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Unter weiterer Bezugnahme auf das Hochdruck-Beschichtungsprofil kann in einigen Anwendungen die Natur der Variation der Beschichtungsdicke, d. h. das Hochdruck-Beschichtungsprofil die Nutzungsdauer des geschlossenen Laufrades beeinflussen. Als Option, entweder an sich oder mit der folgenden Option, variiert die Dicke der Hartbeschichtung 101 auf der Hochdruck-Seitenfläche 68 zwischen dem distalen Einlassende 62 und dem Niederdruck-Mittelpunkt 122 leicht, wobei die Beschichtungsdicke an dem distalen Einlassende etwa sechzig Mikrometern entspricht und die Beschichtungsdicke an dem Mittelpunkt eine Dicke von etwa zwanzig Mikrometern aufweist. Daher entspricht die Beschichtungsdicke an dem Mittelpunkt etwa 0,33 der Beschichtungsdicke an dem distalen Einlassende und dem distalen Auslassende.
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Im Hinblick auf das Niederdruck-Beschichtungsprofil und das Hochdruck-Beschichtungsprofil lässt sich im Allgemeinen sagen, dass die Dicke des Beschichtungssystems auf jeder der Nieder- und Hochdruck-Seitenfläche im Bereich zwischen etwa 35 Mikrometer bis etwa 135 Mikrometer. Die Dicke des Beschichtungssystems benachbart des distalen Einlassendes und des distalen Auslassendes liegt im Bereich zwischen etwa 35 Mikrometer und etwa 135 Mikrometer. Die Dicke des Beschichtungssystems benachbart des Mittelpunktes auf der Schaufel liegt im Bereich zwischen etwa 35 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer. In Bezug auf das Niederdruck-Beschichtungsprofil und das Hochdruck-Beschichtungsprofil unterliegen die distalen Enden (d. h. das distale Einlassende und das distale Auslassende) der Schaufeln in vielen Umgebungen einer größeren Erosionsabnutzung als benachbart des Nieder- und Hochdruck-Mittelpunktes. Daher bietet eine Erhöhung der Dicke der Beschichtung benachbart der distalen Enden einen Leistungsvorteil, der die Nutzungsdauer des geschlossenen Schaufelrades erhöht. Daher wird in Betracht gezogen, dass die maximale Einlassdicke der Beschichtung an dem distalen Einlassende und die maximale Auslassdicke der Beschichtung an dem distalen Auslassende größer als die Dicke der Beschichtung an dem Nieder- und Hochdruck-Mittelpunkt ist.
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Ferner ist es ein Vorteil, wenn das Beschichtungssystem eine Oberfläche ohne sichtbare Mängel oder Abblätterung oder freigelegte Substratoberfläche aufweist. Es ist auch vorteilhaft, wenn das optische Erscheinungsbild des Beschichtungssystems eine einheitliche Farbe aufweist.
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Mit Bezug auf 4 und 4A ist eine andere spezifische Ausführungsform der beschichteten Schaufel eines geschlossenen Laufrades mit dem Bezugszeichen 60' dargestellt. Die Schaufel 60' ist im Allgemeinen bogenförmig und weist ein distales Einlassende 62' und ein distales Auslassende 64' auf. Die Schaufel 60' weist eine Niederdruck-Seitenfläche 66' und eine Hochdruck-Seitenfläche 68' auf, die der Niederdruck-Seitenfläche 66' gegenüberliegt. Die Niederdruck-Seitenfläche 66' weist eine Niederdrucklänge (siehe bogenförmige Linie 72') auf, die zwischen dem distalen Einlassende 62' und dem distalen Auslassende 64' definiert ist. In der Mitte (d. h. ungefähr auf der Mitte der Niederdrucklänge 72') befindet sich zwischen dem distalen Einlassende 62' und dem distalen Auslassende 64' ein Niederdruck-Mittelpunkt 74' auf der Niederdruck-Seitenfläche 66'. Die Hochdruck-Seitenfläche 68' weist eine Hochdrucklänge (siehe bogenförmige Linie 140) auf, die zwischen dem distalen Einlassende 62' und dem distalen Auslassende (64') definiert ist. In der Mitte (d. h. ungefähr auf der Mitte der Hochdrucklänge 140) befindet sich zwischen dem distalen Einlassende 62' und dem distalen Auslassende 64' ein Hochdruck-Mittelpunkt 142 auf der Hochdruck-Seitenfläche 68'.
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Die Hartbeschichtung 100' befindet sich auf der Niederdruck-Seitenfläche 66' und die Hartbeschichtung 101' befindet sich auf der Hochdruck-Seitenfläche 68'. Die Hartbeschichtung 100', 101' weist eine Dicke auf, die je nach der Position der Hartbeschichtung 100' variiert. Genauer weist die Hartbeschichtung 100' auf der Niederdruck-Seitenfläche 66' ein Niederdruck-Beschichtungsprofil auf und die Hartbeschichtung 101' auf der Hochdruck-Seitenfläche 68' weist ein Hochdruck-Beschichtungsprofil auf. Wie aus der nachstehenden Beschreibung hervorgehen wird, entspricht das Niederdruck-Beschichtungsprofil im Allgemeinen dem Hochdruck-Beschichtungsprofil, außer dass der Verringerungsgrad der Beschichtungsdicke für das Niederdruck-Beschichtungsprofil geringer als der Verringerungsgrad für das Hochdruck-Beschichtungsprofil ist.
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In Bezug auf das Niederdruck-Beschichtungsprofil weist die Hartbeschichtung 100' auf der Niederdruck-Seitenfläche 66' eine minimale Dicke 102' (siehe 4A) an dem Niederdruck-Mittelpunkt 74' auf. Die Hartbeschichtung 100' weist an dem distalen Auslassende 64' eine maximale Auslassdicke 104' auf. Die Hartbeschichtung 100' weist an dem distalen Einlassende 62' eine maximale Einlassdicke 106' auf. Typischerweise variiert die Dicke der Hartbeschichtung auf der Niederdruck-Seitenfläche 66' zwischen dem distalen Einlassende 62' und dem Niederdruck-Mittelpunkt 74' und zwischen dem distalen Auslassende 64' und dem Niederdruck-Mittelpunkt 74' leicht. Die minimale Dicke 102' liegt im Bereich zwischen etwa 0,085 und etwa 0,8 der maximalen Auslassdicke 104' an dem distalen Auslassende 64 und der maximalen Einlassdicke 106 an dem distalen Einlassende 62, wobei die maximale Einlassdicke 106' und die maximale Auslassdicke 104' gleich oder ungefähr gleich sind.
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Als Option zu dem oben genannten Bereich von 0,085 bis 0,8 liegt die minimale Dicke 102' im Bereich zwischen etwa 0,15 und etwa 0,60 der maximalen Auslassdicke 104' an dem distalen Auslassende 64' und der maximalen Einlassdicke 106' an dem distalen Einlassende 62', wobei die maximale Einlassdicke 106' und die maximale Auslassdicke 104' gleich oder ungefähr gleich sind. Als weitere Option liegt die minimale Dicke 102' im Bereich zwischen etwa 0,40 und etwa 0,55 der maximalen Auslassdicke 104' an dem distalen Auslassende 64' und der maximalen Einlassdicke 106' an dem distalen Einlassende 62', wobei die maximale Einlassdicke 106' und die maximale Auslassdicke 104' gleich oder ungefähr gleich sind. Als noch eine weitere Option liegt die minimale Dicke 102' im Bereich zwischen etwa 0,30 und etwa 0,40 der maximalen Auslassdicke 104' an dem distalen Auslassende 64' und der maximalen Einlassdicke 106' an dem distalen Einlassende 62', wobei die maximale Einlassdicke 106' und die maximale Auslassdicke 104' gleich oder ungefähr gleich sind.
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Unter weiterer Bezugnahme auf das Niederdruck-Beschichtungsprofil kann in einigen Anwendungen die Natur der Variation der Beschichtungsdicke, d. h. das Niederdruck-Beschichtungsprofil die Nutzungsdauer des geschlossenen Laufrades beeinflussen. Als Option variiert die Dicke der Hartbeschichtung auf der Niederdruck-Seitenfläche 66' zwischen dem distalen Einlassende 62' und dem Niederdruck-Mittelpunkt 74' leicht, wobei die Beschichtungsdicke an dem distalen Einlassende etwa sechzig Mikrometern entspricht und die Beschichtungsdicke an dem Mittelpunkt eine Dicke von etwa zwanzig Mikrometer aufweist. Daher entspricht die Beschichtungsdicke an dem Mittelpunkt etwa 0,33 der Beschichtungsdicke an dem distalen Einlassende und dem distalen Auslassende.
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In Bezug auf das Hochdruck-Beschichtungsprofil weist die Hartbeschichtung 101' auf der Hochdruck-Seitenfläche 68' eine maximale Dicke 144 (siehe 4A) an dem Hochdruck-Mittelpunkt 142 auf. Die Hartbeschichtung 101' weist eine maximale Auslassdicke 146 an dem distalen Auslassende 64' auf. Die Hartbeschichtung 101' weist an dem distalen Einlassende 62' eine maximale Einlassdicke 148 auf. Typischerweise variiert die Dicke der Hartbeschichtung 101' auf der Niederdruck-Seitenfläche 68' zwischen dem distalen Einlassende 62' und dem Hochdruck-Mittelpunkt 142 und zwischen dem distalen Auslassende 64' und dem Hochdruck-Mittelpunkt 142 leicht. Die minimale Dicke 144 liegt im Bereich zwischen etwa 0,085 und etwa 0,8 der maximalen Auslassdicke 146 an dem distalen Auslassende 64' und der maximalen Einlassdicke 148 an dem distalen Einlassende 62', wobei die maximale Einlassdicke 148 und die maximale Auslassdicke 146 gleich oder ungefähr gleich sind.
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Als Option zu dem oben genannten Bereich von 0,085 bis 0,8 liegt die minimale Dicke 144 im Bereich zwischen etwa 0,15 und etwa 0,60 der maximalen Auslassdicke 146 an dem distalen Auslassende 64' und der maximalen Einlassdicke 148 an dem distalen Einlassende 62', wobei die maximale Einlassdicke 148 und die maximale Auslassdicke 146 gleich oder ungefähr gleich sind. Als weitere Option liegt die minimale Dicke 144 im Bereich zwischen etwa 0,40 und etwa 0,55 der maximalen Auslassdicke 146 an dem distalen Auslassende 64' und der maximalen Einlassdicke 148 an dem distalen Einlassende 62', wobei die maximale Einlassdicke 148 und die maximale Auslassdicke 146 gleich oder ungefähr gleich sind. Als noch eine weitere Option liegt die minimale Dicke 144 im Bereich zwischen etwa 0,30 und etwa 0,40 der maximalen Auslassdicke 146 an dem distalen Auslassende 64' und der maximalen Einlassdicke 148 an dem distalen Einlassende 62', wobei die maximale Einlassdicke 148 und die maximale Auslassdicke 146 gleich oder ungefähr gleich sind.
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Unter weiterer Bezugnahme auf das Hochdruck-Beschichtungsprofil kann in einigen Anwendungen die Natur der Variation der Beschichtungsdicke, d. h. das Hochdruck-Beschichtungsprofil die Nutzungsdauer des geschlossenen Laufrades beeinflussen. Als Option, entweder an sich oder mit der folgenden Option, variiert die Dicke der Hartbeschichtung 101' auf der Hochdruck-Seitenfläche 68' zwischen dem distalen Einlassende 62' und dem Hochdruck-Mittelpunkt 142 leicht, wobei die Beschichtungsdicke an dem distalen Einlassende etwa sechzig Mikrometern entspricht und die Beschichtungsdicke an dem Mittelpunkt eine Dicke von etwa zwanzig Mikrometern aufweist. Die Beschichtungsdicke an dem Mittelpunkt entspricht etwa 0,33 der Beschichtungsdicke an dem distalen Einlassende und dem distalen Auslassende.
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Die Beschreibung der spezifischen Ausführungsform aus 4 und 4A zeigt, dass das Niederdruck-Beschichtungsprofil im Allgemeinen dem Hochdruck-Beschichtungsprofil entspricht, außer dass der Verringerungsgrad der Beschichtungsdicke für das Niederdruck-Beschichtungsprofil geringer als der Verringerungsgrad für das Hochdruck-Beschichtungsprofil ist. Bezüglich der quantitativen Bereiche für die Beschichtungsdicken werden die folgenden Beziehungen berücksichtigt. Die minimale Niederdruckdicke kann im Bereich zwischen etwa 0,30 und etwa 0,60 entweder der maximalen Niederdruck-Auslassdicke an dem distalen Auslassende oder der maximalen Niederdruck-Einlassdicke an dem distalen Einlassende liegen; und die minimale Hochdruckdicke kann im Bereich zwischen etwa 0,085 und etwa 0,20 entweder der maximalen Hochdruck-Auslassdicke an dem distalen Auslassende oder der maximalen Hochdruck-Einlassdicke an dem distalen Einlassende liegen. Als weitere Option kann die minimale Niederdruckdicke kann etwa 0,50 entweder der maximalen Niederdruck-Auslassdicke an dem distalen Auslassende oder der maximalen Niederdruck-Einlassdicke an dem distalen Einlassende entsprechen; und die minimale Hochdruckdicke kann etwa 0,14 entweder der maximalen Hochdruck-Auslassdicke an dem distalen Auslassende oder der maximalen Hochdruck-Einlassdicke an dem distalen Einlassende entsprechen.
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Im Hinblick auf das Niederdruck-Beschichtungsprofil und das Hochdruck-Beschichtungsprofil lässt sich im Allgemeinen sagen, dass die Dicke des Beschichtungssystems auf jeder der Nieder- und Hochdruck-Seitenfläche im Bereich zwischen etwa 35 Mikrometer bis etwa 135 Mikrometer liegt. Die Dicke des Beschichtungssystems benachbart des distalen Einlassendes und des distalen Auslassendes liegt im Bereich zwischen etwa 35 Mikrometer und etwa 135 Mikrometer. Die Dicke des Beschichtungssystems benachbart des Mittelpunktes auf der Schaufel liegt im Bereich zwischen etwa 35 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer. In Bezug auf das Niederdruck-Beschichtungsprofil und das Hochdruck-Beschichtungsprofil unterliegen die distalen Enden (d. h. das distale Einlassende und das distale Auslassende) der Schaufeln in vielen Umgebungen einer größeren Erosionsabnutzung als benachbart des Nieder- und Hochdruck-Mittelpunktes. Daher bietet eine Erhöhung der Dicke der Beschichtung benachbart der distalen Enden einen Leistungsvorteil, der die Nutzungsdauer des geschlossenen Schaufelrades erhöht. Daher wird in Betracht gezogen, dass die maximale Einlassdicke der Beschichtung an dem distalen Einlassende und die maximale Auslassdicke der Beschichtung an dem distalen Auslassende größer als die Dicke der Beschichtung an dem Nieder- und Hochdruck-Mittelpunkt ist.
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Ferner ist es ein Vorteil, wenn das Beschichtungssystem eine Oberfläche ohne sichtbare Mängel oder Abblätterung oder freigelegte Substratoberfläche aufweist. Es ist auch vorteilhaft, wenn das optische Erscheinungsbild des Beschichtungssystems eine einheitliche Farbe aufweist.
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Aus den obigen Ausführungsformen geht hervor, dass das Niederdruck-Beschichtungsprofil und das Hochdruck-Beschichtungsprofil im Wesentlichen gleich sein und die gleichen Dicken aufweisen können. Ferner wird man zu schätzen wissen, dass das Niederdruck-Beschichtungsprofil und das Hochdruck-Beschichtungsprofil im Wesentlichen gleich sein können, dass jedoch der Variationsgrad zwischen der maximalen und der minimalen Beschichtungsdicke unterschiedlich sein kann. Im Falle der Ausführungsform aus 4 und 4A variieren die Beschichtungsdicken der Beschichtung 100' auf der Niederdruck-Seitenfläche 66' weniger als die Dicken der Beschichtung 101' auf der Hochdruck-Seitenfläche 68'. Man wird zu schätzen wissen, dass in anderen Fällen die Beschichtungsdicken der Beschichtung 100' auf der Niederdruck-Seitenfläche 66' mehr variieren können als die Dicken der Beschichtung 101' auf der Hochdruck-Seitenfläche 68'.
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Andere vorteilhafte physikalische Eigenschaften des Beschichtungssystems lauten wie folgt: eine Haftung mittels einer Rockwell-Eindruck-Schichthaftung von mehr als 70 Kg; eine Härte, die durch das Verhältnis von Härte (GPa)/Elastizitätsmodul (GPa) gemessen wird, von mehr als etwa 0,05; eine Elastizität, sodass keine sichtbaren Abplatzungen auf elastisch verformten Bereichen des Substrats vorhanden sind; Verschleißfestigkeit mittels Prüfung laut ASTM G65–04 (2010) [„Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel Apparatus”], wobei die Verschleißfestigkeit mehr als das 5-Fache derjenigen eines unbeschichteten Substrats beträgt; eine Korrosionsbeständigkeit, sodass es gegenüber Säuren, Sulfiden und Salzlösungen beständig ist; eine Erosionsbeständigkeit mittels Prüfung laut ASTM G76-07 [„Standard Test Method for Conducting Erosion Tests by Solid Particle Impingement Using Gas Jets”], sodass die Beständigkeit mindestens das 1,5- bis 2-Fache der Erosionsbeständigkeit eines unbeschichteten Substrat bei kleinen Auftreffwinkeln wie einem Auftreffwinkel von 20° beträgt; eine Härte, sodass die Beschichtung eine Härte von mehr als 1100 HV aufweisen muss; und die Härte des Schaufelsubstrat darf durch die Aufbringung der Beschichtung um nicht mehr als 4 HRC reduziert worden sein.
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Eine geeignete Technik ist das plasmagestützte Magnetronsputter(PEMS)-Verfahren. Das PEMS-Verfahren ist in der US-Patentanmeldung mit Veröffentlichungsnummer US2009/0214787A1 an Wei et al. und der Bezeichnung EROSION RESISTANT COATINGS dargestellt und beschrieben. Ferner ist das PEMS-Verfahren in dem Artikel von Wei et al., „Deposition of thick nitrides and carbonitrides for sand erosion protection”, Surface & Coatings Technology, 201 (2006), S. 4453–4459, dargestellt und beschrieben.
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Ein weiteres geeignetes Verfahren ist in der
US 4 427 445 A mit der Bezeichnung TUNGSTEN ALLOYS CONTAINING A15 STRUCTURE AND METHOD FOR MAKING SAME dargestellt.
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Das Verfahren, das zum Aufbringen des Beschichtungssystems angewendet wird, wird bei einer Temperatur von nicht mehr als etwa 600°C betrieben. Als Alternative wird das Verfahren, das zum Aufbringen des Beschichtungssystems angewendet wird, bei einer Temperatur von nicht mehr als etwa 550°C betrieben.
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Nachstehend sind spezifische Ausführungsformen der Erfindung dargelegt.
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Für Beispiel 1 umfasste der beschichtete Gegenstand ein geschlossenes Laufrad aus Edelstahlguss mit einem effektiven Durchmesser von etwa 8 Zoll (20 Zentimeter) und einer Reihe von fünf Schaufeln, wobei jede Schaufel eine effektive Bogenlänge von etwa 6,2 Zoll (16 Zentimeter) aufwies. Dieses geschlossene Laufrad wurde mittels einer CVD-Technik bei niedrigen Temperaturen mit einer harten, jedoch zähen Beschichtung beschichtet, die Wolframcarbid und Wolfram umfasste. Die CVD-Technik bei niedrigen Temperaturen umfasste die folgenden Grundschritte: Aufbringen weniger Mikrometer Nickelmetall auf das eisenbasierte Substrat, Erwärmen des Teils auf etwa 500 bis 520°C in einem Vakuum, Strömenlassen erwärmter gasförmiger Reaktionsprodukte über das Teil, dann Abkühlen bei Raumtemperatur in einer inerten Atmosphäre.
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Für Beispiel 1 wies die resultierende Beschichtung eine gleichmäßige Beschichtungsdicke bei ähnlichen Abständen entlang jeder Schaufel auf, die von dem distalen Einlassende der Schaufel gemessen wurden. Die Beschichtungsdickenvariation entlang der Hochdruckseite einer Schaufel wies eine maximale Beschichtungsdicke von etwa 60 Mikrometer nahe den Enden mit einer minimalen Beschichtungsdicke von etwa 20 Mikrometer nahe dem Mittelpunkt auf.
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Für Beispiel 2 umfasste der beschichtete Gegenstand ein geschlossenes Laufrad aus Edelstahlguss mit einem effektiven Durchmesser von etwa 8 Zoll (20 Zentimeter) und einer Reihe von fünf Schaufeln, wobei jede Schaufel eine effektive Bogenlänge von etwa 6,2 Zoll (16 Zentimeter) aufwies. Dieses geschlossene Laufrad wurde mit einer harten, jedoch zähen Beschichtung unter Verwendung der gleichen CVD-Technik bei niedrigen Temperaturen wie oben beschrieben, jedoch in einer separaten Charge beschichtet.
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Für Beispiel 2 wies die resultierende Beschichtung eine gleichmäßige Beschichtungsdicke bei ähnlichen Abständen entlang jeder Schaufel auf, die von dem distalen Einlassende der Schaufel gemessen wurden. Die Dickenvariation entlang der Hochdruckseite der Schaufel wies im Vergleich zu den Einlass- und Auslassenden nahe dem Mittelpunkt eine minimale Beschichtungsdicke von etwa vierzehn Prozent (14%) auf. Auf der Niederdruckseite dieser Schaufel variierte die Beschichtungsdicke im Vergleich zu den Einlass- und Auslassenden an dem Mittelpunkt um fünfzig Prozent (50%).
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In der obigen Beschreibung wurden die minimalen Beschichtungsdicken sowohl für die Niederdruckseite als auch die Hochdruckseite der Schaufel in Bezug auf die Beschichtungsdicken der maximalen Einlassdicke und der maximalen Auslassdicke ausgedrückt, wobei die maximalen Dicken gleich oder ungefähr gleich sind. Man muss verstehen, dass die minimalen Beschichtungsdicken in einigen Fällen in Bezug auf eine dieser maximalen Beschichtungsdicken definiert werden können. Daher wird in einem Bereich berücksichtigt, dass die minimale Niederdruckdicke im Bereich zwischen etwa 0,085 und etwa 0,8 entweder der maximalen Niederdruck-Auslassdicke an dem distalen Auslassende oder der maximalen Niederdruck-Einlassdicke an dem distalen Einlassende liegt und dass die minimale Hochdruckdicke im Bereich zwischen etwa 0,085 und etwa 0,8 entweder der maximalen Hochdruck-Auslassdicke an dem distalen Auslassende oder der maximalen Hochdruck-Einlassdicke an dem distalen Einlassende liegt.
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Es ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung ein Beschichtungssystem bereitstellt, das die Erosionsbeständigkeit und die Korrosionsbeständigkeit der beschichteten Schaufel des geschlossenen Laufrades verbessert, ohne die mechanische Leistung des geschlossenen Laufrades zu beeinträchtigen.
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Es ist ferner ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung einen Behandlungsweg für eine Komponente wie ein geschlossenes Laufrad bereitstellt, um die Nutzungsdauer davon zu verbessern. Es ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung einen Behandlungsweg für eine Komponente wie ein geschlossenes Laufrad bereitstellt, um die Nutzungsdauer davon zu verbessern, insbesondere wenn die schutzbedürftigen Bereiche schwer zu erreichen sind und/oder enge Abmessungstoleranzen erfordern.
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Es ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung eine Beschichtung auf einem geschlossenen Laufrad (und insbesondere der Schaufel eines geschlossenen Laufrades) bereitstellt, die eine ausgezeichnete Haftung aufweist. Es ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung eine Beschichtung auf einem geschlossenen Laufrad (und insbesondere der Schaufel eines geschlossenen Laufrades) bereitstellt, wobei das Beschichtungssystem an die Oberfläche des Substrats der Schaufel metallurgisch gebunden ist. Es ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung eine Beschichtung auf einem geschlossenen Laufrad (und insbesondere der Schaufel des geschlossenen Laufrades) bereitstellt, die keine unbeabsichtigten Variationen im Hinblick auf die Dicke der Beschichtung aufweist.
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Es ist ferner ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung eine Beschichtung auf einem geschlossenen Laufrad (und insbesondere der Schaufel des geschlossenen Laufrades) bereitstellt, die zur Aufbringung der Beschichtung keine hohe Wärme erfordert und somit die Geometrie der Komponenten, einschließlich der Schaufeln des geschlossene Laufrades nicht verzerrt. Es ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung einen Behandlungsweg für eine Komponente wie ein geschlossenes Laufrad bereitstellt, ohne höhere Abscheidungstemperaturen wie den bei typischen CVD- und PVD-Techniken existenten verwenden zu müssen.
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Es ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung einen Behandlungsweg für eine Komponente wie ein geschlossenes Laufrad (und insbesondere die Schaufeln davon) bereitstellt, sodass die Beschichtung auf schwer zu erreichende Bereiche aufgebracht werden kann, die durch Sichtlinientechniken nicht beschichtet werden können.
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Es ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung eine Beschichtung auf einem geschlossenen Laufrad (und insbesondere der Schaufel des geschlossenen Laufrades) bereitstellt, die eine ausreichende Dicke wie mindestens etwa 35 Mikrometer aufweist.
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Die hierin genannten Patente und anderen Dokumente werden hiermit durch Bezugnahme in das vorliegende Schriftstück aufgenommen. Andere Ausführungsformen der Erfindung sind für den Fachmann unter Berücksichtigung der Spezifikation oder einer praktischen Ausführung der hier offenbarten Erfindung ersichtlich. Die Spezifikation und die Beispiele sollen nur erläuternd sein und den Schutzbereich der Erfindung nicht einschränken. Der wahre Schutzbereich und Geist der Erfindung ist durch die folgenden Ansprüche angegeben.
