DE102013224566A1 - Vorrichtung zur Maskierung auf Wolframlegierungsbasis und eine Wolframlegierung - Google Patents

Vorrichtung zur Maskierung auf Wolframlegierungsbasis und eine Wolframlegierung Download PDF

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Abstract

Durch Wolfram als eine Maskierung wird ermöglicht, dass sich auf der Maske kein Beschichtungsmaterial aufbaut.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit Maskierung, die beim Beschichten von Komponenten verwendet wird und eine Wolframlegierung.
  • Komponenten wie Turbinenschaufeln werden oft mit metallischen und/oder keramischen Schutzschichten versehen.
  • Dabei wird aber nur ein Teil der Komponente beschichtet, so dass beim Beschichten der andere Teil vor Beschichtung geschützt werden muss. Dies erfolgt oft dadurch, dass die nicht zu beschichtenden Oberflächen mit einem Klebeband abgedeckt werden.
  • Dies ist jedoch sehr aufwändig oder führt immer wieder zu Abständen zwischen dem Bauteil und der Maskierung und damit doch zu unerwünschter Beschichtung.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung Möglichkeiten aufzuzeigen, wie während der Beschichtung Bauteile besser geschützt werden können.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und durch eine Wolframlegierung gemäß Anspruch 9.
  • In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
  • Die Vorteile liegen in einer besseren Maskierung durch eine Verhinderung von Brückenbildung des Beschichtungsmaterials zwischen Maske und Komponente und längerer Lebensdauer der Maskierung.
  • Es zeigen:
  • 1 eine Halterung mit einer Maskierung,
  • 2 eine Liste von Superlegierungen,
  • 3 eine Turbinenschaufel.
  • Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
  • In der 1 ist ein Teil einer Vorrichtung 1 mit einer Maskierung für eine Beschichtung dargestellt.
  • In einer nicht näher dargestellten Beschichtungsanlage soll eine Komponente 4, insbesondere eine Turbinenschaufel 120, 130 (3) beschichtet werden.
  • Das Material der Komponente 4, 120, 130 ist metallisch, insbesondere nickel- oder kobaltbasiert, ganz insbesondere eine Legierung gemäß 2.
  • Die Komponente 4, 120, 130 weist eine zu beschichtende Oberfläche 10 auf, auf der eine oder mehrere Schutzschichten 19 aufgebracht werden. Dies sind bei einer Turbinenschaufel 120, 130 ein Schaufelblatt 406 (3) sowie die Oberseite einer Schaufelplattform 403 (3).
  • Die Schutzschichten 19 sind metallisch und/oder keramisch.
  • Ebenso gibt es nicht zu beschichtende Oberflächen 7 bei einer Turbinenschaufel 120, 130, insbesondere die Seitenflächen der Schaufelplattform 403, die nicht beschichtet werden sollen und dementsprechend maskiert oder geschützt werden müssen.
  • Die Komponente 4, 120, 130 wird in und/oder durch ein Gehäuse 13 gehalten.
  • Eine Seitenwand 22 des Gehäuses 13 erstreckt sich vorteilhafterweise mit einem gewissen Abstand 25 zu der nicht zu beschichtenden Oberfläche 7 und kann in der Höhe h bezüglich der zu beschichtenden Oberfläche 10 so hochgezogen werden, dass kein Maskierungsmaterial auf die nicht zu beschichtende Oberfläche 7 gelangt, wenn das Beschichtungsmaterial senkrecht zur nicht zu beschichtenden Oberfläche 7 und auf die Seitenwand 22 trifft (in „Blickrichtung“). Ebenso kann die Seitenwand 22 tiefer angeordnet sein. Der Abstand 25 beträgt mindestens 2mm.
  • Ebenso kann das Gehäuse 13 keine Seitenwand 22 aufweisen und direkt auf der Komponente 4, 120, 130 ist ein Wechselblech als Maskierung 16 vorhanden, das die nicht zu beschichtenden Oberflächen 7 hinreichend abdeckt.
  • Das Wechselblech als Maskierung 16 weist, insbesondere bei höheren Temperaturen, einen geringeren, d. h. vorzugsweise mindestens 10% geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf als das Komponentenmaterial der zu beschichtenden Komponente 4, 120, 130.
  • Ein Ende 17 des Wechselblechs 16 schließt vorzugsweise bündig mit der zu beschichtenden Oberfläche 10 der Komponente 4, 120, 130 ab und wird bei Raumtemperatur auf die Komponente 4, 120, 130 aufgebracht.
  • Bei nickelbasierten Superlegierungen ist das Material der Maskierung 16 vorzugsweise eine Wolfram-Eisen-Legierung mit einem relativ hohen Wolframanteil, insbesondere ≥ 80 Gew-%, so dass während der sich ergebenden bzw. notwendigen Erwärmung der Komponente 4, 120, 130 die sich ausbildende keramische oder metallische Schicht stets stärker thermisch gestreckt und gestaucht wird als das Wolframmaterial und so eine Schicht auf dem Wolframteil nicht ausgebildet werden kann und ablöst.
  • Die Wolfram-Eisen-Legierung weist insbesondere einen Eisenanteil (Fe) von 5 Gew-% bis 20 Gew-%, insbesondere 10 Gew-% ± 10% auf.
  • Ebenso kann die Wolfram-Eisen-Legierung Nickel (Ni) zur verbesserten Verarbeitbarkeit aufweisen. Der Anteil von Nickel (Ni) beträgt vorzugsweise maximal 5 Gew-% und weist vorzugsweise einen Minimalwert von 0,5 Gew-% auf.
  • Die Wolfram-Eisen-Nickel-Legierung verwendet insbesondere einen Anteil von Eisen (Fe) und Nickel (Ni) von 5 Gew-% bis 20 Gew-%, ganz insbesondere von 10 Gew-% ± 10%.
  • Ebenso können Wechselblech als Maskierung 16 und Gehäusewand 22 zusammen als Maskierung verwendet werden (1).
  • Die 3 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
  • Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
  • Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf. Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt).
  • Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt).
  • Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich. Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.
  • Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet. Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt. Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
  • Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind. Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichtemachen. Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures). Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 A1 bekannt.
  • Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 . Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte. Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer).
  • Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr-8Al-0,6Y-0,7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0,6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al-0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-11Al-0,4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr-10Al-0,4Y-1,5Re.
  • Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt. Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.
  • Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.
  • Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeutet) auf.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • EP 1306454 A1 [0037]

Claims (10)

  1. Vorrichtung (1) zur Maskierung beim Beschichten einer Komponente (4, 120, 130) aus einem Komponentenmaterial, bei dem für die Maskierung (16) der Komponente (4, 120, 130) oder für ein Gehäuse (13) zur Halterung der Komponente (4, 120, 130) und Maskierung (16) eine Wolframlegierung verwendet wird, die einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der des Komponentenmaterials, insbesondere mindestens 10% geringer ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem eine Wolfram-Eisen-Legierung verwendet wird, die insbesondere einen Eisenanteil (Fe) von 5 Gew-% bis 20 Gew-%, insbesondere von 10 Gew-% ± 10% aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem eine Wolfram-Eisen-Nickel-Legierung verwendet wird, die insbesondere einen Anteil von Eisen (Fe) und Nickel (Ni) von zusammen 5 Gew-% bis 20 Gew-%, ganz insbesondere von 10 Gew-% ± 10% aufweist.
  4. Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 3, bei dem eine Wolfram-Eisen-Nickel-Legierung verwendet wird, die insbesondere einen Anteil von Nickel (Ni) von maximal 5 Gew-%, ganz insbesondere von mindestens 0,5 Gew-% Nickel (Ni) aufweist.
  5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei dem das Gehäuse (13) eine Seitenwand (22) aufweist, die eine nicht zu beschichtende Oberfläche (7) zumindest teilweise abdeckt, aber nicht an ihr (7) anliegt.
  6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, bei dem ein Wechselblech als Maskierung (16) direkt auf einer nicht zu beschichtenden Oberfläche (7) der Komponente (4, 120, 130) anliegt, insbesondere wobei das Wechselblech kein Teil des Gehäuses (13) und kein Teil der Seitenwand (22) des Gehäuses (22) darstellt.
  7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem der thermische Ausdehnungskoeffizient der Maskierung (16) deutlich geringer, insbesondere mindestens 20% geringer, ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient der zu beschichtenden Komponente (4, 120, 130).
  8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem ein Wechselblech als Maskierung (16) mit ihrem Ende (17) an eine zu beschichtende Oberfläche (10) der Komponente (4, 120, 130) bündig angrenzt.
  9. Wolframlegierung für die Verwendung einer Maskierung (16) während eines thermischen Beschichtens, die einen Eisenanteil (Fe) von 5 Gew-% bis 20 Gew-% aufweist, insbesondere von 5 Gew-% bis 15 Gew-%, ganz insbesondere von 5 Gew-% bis 10 Gew-%.
  10. Wolframlegierung nach Anspruch 9, die einen Eisen- (Fe) und Nickelanteil (Ni) von 5 Gew-% bis 20 Gew-% aufweist.
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