DE102015108186A1

DE102015108186A1 - Gasturbinenkomponente und Verfahren zur Herstellung der Gasturbinenkomponente

Info

Publication number: DE102015108186A1
Application number: DE102015108186.5A
Authority: DE
Inventors: Paul Stephen DiMascio; Jason Robert Parolini; Frederic Woodrow Roberts; Jacob John Kittleson; Victor John Morgan; Glenn Curtis Taxacher; John McConnell Delvaux
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2014-06-02
Filing date: 2015-05-22
Publication date: 2015-12-03
Also published as: CN105177392A; JP6862080B2; JP2016006319A; US9719420B2; CH709764A2; CN105177392B; US20150345388A1

Abstract

Es ist ein Verfahren zur Herstellung einer Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix und eine Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix vorgesehen. Das Verfahren beinhaltet das Modifizieren einer Oberfläche der Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix zur Herstellung einer modifizierten Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit von weniger als 6 Mikrometern. Das Modifizieren wird aus der Gruppe von Techniken ausgewählt, die aus dem Auftragen von unverstärkten Matrixschichten auf die Oberfläche, dem Gasphasenabscheiden von Silizium auf der Oberfläche, dem Honen der Oberfläche, dem Auftragen von Lötpaste auf die Oberfläche und Kombinationen davon besteht. Die Komponente beinhaltet eine modifizierte Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit von weniger als 6 Mikrometern. Das Modifizieren wird aus der Gruppe ausgewählt, die aus auf eine Oberfläche der Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix aufgetragenen unverstärkten Matrixschichten, durch Gasphasenabscheiden auf die Oberfläche aufgebrachtem Silizium, einer gehonten Oberfläche, einer auf die Oberfläche aufgetragenen Lötpaste und Kombinationen davon besteht.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbinenkomponente und ein Verfahren zur Herstellung einer Gasturbinenkomponente. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung eine Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix und ein Verfahren zur Herstellung einer Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Gewisse Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix (CMC) beinhalten eine Zusammensetzung, die eine mit beschichteten Fasern verstärkte keramische Matrix hat. Die Zusammensetzung bietet starke, leichte und wärmebeständige Eigenschaften mit möglichen Anwendungen in vielen verschiedenen Systemen. Freiliegende Fasern, beispielsweise in einer Dichtungsspaltregion einer Turbinenkomponente, sind aber schwer zu bearbeiten und machen es daher schwierig, die für eine Abdichtung erforderliche hohe Oberflächengüte zu erzielen.
Wenn die Turbinenkomponente in einem Heißgasweg einer Gasturbine liegt, kann die Dichtungsspaltregion hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt sein. Freiliegende Fasern in diesem Hochtemperaturbereich sind unerwünscht und können zu einer verringerten Komponentenstandzeit führen.
Ein Verfahren und ein Artikel, die gegenüber dem Stand der Technik eine oder mehr Verbesserungen aufweisen, wären in der Technik erwünscht.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung einer Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix das Modifizieren einer Oberfläche der Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix zur Herstellung einer modifizierten Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit von weniger als 6 Mikrometern. Das Modifizieren wird aus der Gruppe von Techniken ausgewählt, die aus dem Auftragen von unverstärkten Matrixschichten auf die Oberfläche, dem Gasphasenabscheiden von Silizium auf der Oberfläche, dem Honen der Oberfläche, dem Auftragen von Lötpaste auf die Oberfläche und Kombinationen davon besteht.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die Oberfläche in einem Dichtungsspalt an einem Heißgasweg der Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix positioniert ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass das Modifizieren der Oberfläche Leckage im Dichtungsspalt verringert.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass das Verfahren ferner das Positionieren einer Dichtung in dem Dichtungsspalt aufweist.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die modifizierte Oberfläche Reaktionen zwischen freiem Silizium in der Matrix der Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix und Metall in der Dichtung unterbindet.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die Dichtung einen Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix beinhaltet.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die Dichtung eine Legierung auf Nickelbasis beinhaltet.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die Legierung auf Nickelbasis eine gewichtsmäßige Zusammensetzung von etwa 0,015 % Bor, etwa 0,05 % bis etwa 0,15 % Kohlenstoff, etwa 20 % bis etwa 24 % Chrom, etwa 3 % Eisen, etwa 0,02 % bis etwa 0,12 % Lanthan, etwa 1,25 % Mangan, etwa 20 % bis etwa 24 % Nickel, etwa 0,2 % bis etwa 0,5 % Silizium, etwa 13 % bis etwa 15 % Wolfram und dem Rest Kobalt hat.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die Legierung auf Nickelbasis eine gewichtsmäßige Zusammensetzung von zwischen etwa 19 % und etwa 21 % Chrom, etwa 15 % Wolfram, zwischen etwa 9 % und etwa 11 % Nickel, etwa 3 % Eisen, zwischen etwa 1 % und etwa 2 % Mangan, etwa 0,40 % Silizium, etwa 0,030 % Schwefel und dem Rest Kobalt hat.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die Oberfläche aus der Gruppe bestehend aus einer Klappenhohlraumoberfläche für einen Klappenbolzen in der Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix, einer Schwalbenschwanzanbringungsseite eines rotierenden Gasturbinenschaufelblatts aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix und der Schwalbenschwanzanbringungsseite eines nichtrotierenden Gasturbinenschaufelblatts aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix ausgewählt ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass das Modifizieren das Honen der Oberfläche beinhaltet und das Honen der Oberfläche ferner das maschinelle Bearbeiten der Oberfläche mit einem Abrasivstoff aufweist.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass das maschinelle Bearbeiten das Honen der Oberfläche beinhaltet und das Honen der Oberfläche ferner das machinelle Bearbeiten der Oberfläche mit einem nichtabrasiven Stoff aufweist.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass das maschinelle Bearbeiten der Oberfläche mit dem nichtabrasiven Stoff ferner das Einbringen von Material in Spalten an der Oberfläche aufweist.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die Spalten von Schichten gebildet werden, die aus der Gruppe bestehend aus unverstärkten Matrixschichten und verstärkten Matrixschichten ausgewählt sind.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass das Einbringen von Material in die Spalten an der Oberfläche einen Reibungskoeffizienten der Oberfläche verringert.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die Oberflächenrauheit weniger als 3 Mikrometer beträgt.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die Oberflächenrauheit zwischen 1 Mikrometer und 2 Mikrometern beträgt.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass das Verfahren ein Herstellungsverfahren ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass das Verfahren ein Reparaturverfahren ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die modifizierte Oberfläche im Wesentlichen frei von Fasern ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die modifizierte Oberfläche ein aufgebrachtes Material beinhaltet, das eine gewichtsmäßige Zusammensetzung von etwa 0,015 % Bor, etwa 0,05 % bis etwa 0,15 % Kohlenstoff, etwa 20 % bis etwa 24 % Chrom, etwa 3 % Eisen, etwa 0,02 % bis etwa 0,12 % Lanthan, etwa 1,25 % Mangan, etwa 20 % bis etwa 24 % Nickel, etwa 0,2 % bis etwa 0,5 % Silizium, etwa 13 % bis etwa 15 % Wolfram und dem Rest Kobalt hat.
In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung einer Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix das Modifizieren einer Oberfläche, die sich in einem Dichtungsspalt an einem Heißgasweg der Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix entlang befindet zur Herstellung einer modifizierten Oberfläche mit einer Oberflächrauheit von weniger als 3 Mikrometern, und das Positionieren einer Dichtung in dem Dichtungsspalt. Die modifizierte Oberfläche ist im Wesentlichen frei von Fasern. Das Modifizieren wird aus der Gruppe von Techniken ausgewählt, die aus dem Auftragen von unverstärkten Matrixschichten auf die Oberfläche, dem Gasphasenabscheiden von Silizium auf der Oberfläche, dem Honen der Oberfläche, dem Auftragen von Lötpaste auf die Oberfläche und Kombinationen davon besteht.
In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet eine Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix eine modifizierte Oberfläche mit einer Oberflächrauheit von weniger als 6 Mikrometern. Die modifizierte Oberfläche ist aus der Gruppe bestehend aus auf eine Oberfläche der Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix aufgetragenen unverstärkten Matrixschichten, durch Gasphasenabscheiden auf der Oberfläche aufgebrachtes Silizium, einer gehonten Oberfläche, einer auf die Oberfläche aufgetragenen Lötpaste und Kombinationen davon ausgewählt.
In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Honen einer Oberfläche eines Verbundwerkstoffs mit keramischer Matrix das Bereitstellen eines nichtabrasiven Stoffs, Positionieren des nichtabrasiven Stoffs angrenzend an die Oberfläche des Verbundwerkstoffs mit keramischer Matrix und Aufbringen wenigstens eines Teils des nichtabrasiven Stoffs auf die Oberfläche des Verbundwerkstoffs mit keramischer Matrix durch Durchführen von wenigstens etwa 300 Honzyklen. Jeder Honzyklus weist das Bewegen des nichtabrasiven Stoffs und/oder der Oberfläche des Verbundwerkstoffs mit keramischer Matrix relativ zueinander auf.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass das Verfahren ferner das Durchführen von zwischen etwa 500 und etwa 10.000 Honzyklen aufweist.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass das Aufbringen des nichtabrasiven Stoffs einen Reibungskoeffizienten der Oberfläche des Verbundwerkstoffs mit keramischer Matrix verringert.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass das Aufbringen des nichtabrasiven Stoffs eine Rauheit der Oberfläche des Verbundwerkstoffs mit keramischer Matrix verringert.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass das Aufbringen des nichtabrasiven Stoffs eine Nachgiebigkeit der Oberfläche des Verbundwerkstoffs mit keramischer Matrix verringert.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass eine Hontemperatur zwischen etwa 450°F und 1200°F vorgesehen ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass das Erhöhen der Hontemperatur einen Reibungskoeffizienten der Oberfläche des Verbundwerkstoffs mit keramischer Matrix mit einer verringerten Anzahl der Honzyklen verringert.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass der Prozess ferner das Bereitstellen eines Honkontaktdrucks zwischen etwa 40.000 psi und etwa 80.000 psi aufweist.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass das Erhöhen des Honkontaktdrucks einen Reibungskoeffizienten der Oberfläche des Verbundwerkstoffs mit keramischer Matrix mit einer verringerten Anzahl von Honzyklen verringert.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass die Honzyklen jeweils eine Honverlagerung zwischen etwa 0,0005 Zoll und 0,040 Zoll beinhalten.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass der nichtabrasive Stoff eine Legierung auf Nickelbasis aufweist.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden ausführlicheren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den Begleitzeichnungen offensichtlich, die die Grundsätze gewisser Aspekte der Erfindung beispielhaft veranschaulichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht eines Verfahrens zur Herstellung einer Gasturbinenkomponente gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
2 ist eine schematische Ansicht einer mit Matrixschichten modifizierten Oberfläche einer Gasturbinenkomponente gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
3 ist eine schematische Ansicht einer durch chemische Gasphasenabscheidung modifizierten Oberfläche einer Gasturbinenkomponente gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
4 ist eine schematische Ansicht einer gehonten Oberfläche einer Gasturbinenkomponente gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
In den Zeichnungen werden möglichst immer die gleichen Bezugszeichen durchgehend zur Darstellung der gleichen Teile verwendet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Gasturbinenkomponente und ein Verfahren zur Herstellung einer Gasturbinenkomponente vorgesehen. Zum Beispiel gegenüber Konzepten, die eines oder mehr der hierin beschriebenen Merkmale nicht beinhalten, erhöhen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Bearbeitbarkeit einer Komponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix, erhöhen die Intervall-Lebensdauer einer Komponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix, stellen ein Verfahren zur Reparatur von Bauteilen aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix ohne Erhöhung der Zahl der freiliegenden Fasern bereit, verringern den Kontakt von Fasern des Verbundwerkstoffs mit keramischer Matrix mit einer Heißgaswegumgebung, verringern die Oxidation von Fasern des Verbundwerkstoffs mit keramischer Matrix, stellen eine verringerte Oberflächenrauheit bereit, verringern Leckage, verringern die Dichtungsabnutzung, verringern die Faserbeschichtungsbelastung oder eine Kombination davon.
In Bezug auf 1 beinhaltet ein Verfahren 100 in einer Ausführungsform einen Herstellungsprozess zur Herstellung einer Komponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix (CMC), wie etwa eine CMC-Gasturbinenkomponente 110. In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Verfahren 100 das Modifizieren einer Oberfläche 111 der CMD-Gasturbinenkomponente 110 zur Herstellung einer modifizierten Oberfläche 113 mit einer verringerten Oberflächrauheit. In einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren 100 ein Reparaturverfahren zur Herstellung der modifizierten Oberfläche 113 und zur Erhöhung einer Intervall-Lebensdauer der CMC-Komponente. Das Modifizieren der Oberfläche 111 der CMC-Gasturbinenkomponente 110 beinhaltet eine beliebige geeignete Technik, wie etwa unter anderem das Auftragen von unverstärkten Matrixschichten 201 (2) auf die Oberfläche 111, das Aufbringen eines Stoffs 301 (3) auf der Oberfläche 111, das Honen (4) der Oberfläche 111, das Auftragen von Lötpaste auf die Oberfläche 111 oder eine Kombination davon. Gemäß dem Verfahren 100 umfasst der Begriff „Honen“ Honen, Druckpolieren und/oder Polieren der Oberfläche 111. Zu geeigneten Werten für die verringerte Oberflächenrauheit zählen unter anderem eine Oberflächenrauheit von weniger als 6 Mikrometer, weniger als 3 Mikrometer, zwischen etwa 3 Mikrometer und etwa 6 Mikrometer, weniger als 2 Mikrometer, zwischen etwa 1 Mikrometer und etwa 3 Mikrometer, zwischen etwa 1 Mikrometer und etwa 2 Mikrometer oder eine(n) beliebige(n) Kombination, Teilkombination, Bereich oder Teilbereich davon.
Die Oberfläche 111 beinhaltet eine Oberfläche, die freiliegende CMD-Fasern haben kann, wie etwa unter anderem eine Oberfläche einer Heißgaswegkomponente, eine Turbinendeckbandoberfläche, eine Dichtungsfläche, eine Dichtungsspaltoberfläche, eine Schlitzseitenwand-Dichtungsspaltfläche, eine Klappenhohlraumoberfläche für einen Klappenbolzen in der CMC-Gasturbinenkomponente 110, eine Oberfläche an einer Schwalbenschwanzanbringungsseite der CMC-Gasturbine 110, eine Oberfläche einer weiteren Komponente oder eines weiteren Merkmals, die/das freiliegende CMC-Fasern haben kann, oder eine Kombination davon. Zum Beispiel beinhaltet die Oberfläche 111 in einer Ausführungsform die Dichtungsspaltoberfläche an dem Heißgasweg der CMC-Gasturbinenkomponente 110 entlang. In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet die Oberfläche 111 die Schwalbenschwanzanbringungsseite eines rotierenden oder eines nichtrotierenden CMC-Gasturbinenschaufelblatts.
Zu geeigneten Werkstoffen für die Oberfläche 111 zählen unter anderem ein CMC-Material, eine Legierung auf Nickelbasis oder eine Kombination davon. In einem Beispiel hat die Legierung auf Nickelbasis eine gewichtsmäßige Zusammensetzung von etwa 0,015 % Bor, etwa 0,05 % bis etwa 0,15 % Kohlenstoff, etwa 20 % bis etwa 24 % Chrom, etwa 3 % Eisen, etwa 0,02 % bis etwa 0,12 % Lanthan, etwa 1,25 % Mangan, etwa 20 % bis etwa 24 % Nickel, etwa 0,2 % bis etwa 0,5 % Silizium, etwa 13 % bis etwa 15 % Wolfram und dem Rest Kobalt. In einem weiteren Beispiel hat die Legierung auf Nickelbasis eine gewichtsmäßige Zusammensetzung von zwischen etwa 19 % und etwa 21 % Chrom, etwa 15 % Wolfram, zwischen etwa 9 % und etwa 11 % Nickel, etwa 3 % Eisen, zwischen etwa 1 % und etwa 2 % Mangan, etwa 0,40 % Silizium, etwa 0,030 % Schwefel und dem Rest Kobalt.
Die modifizierte Oberfläche 113 beinhaltet eine geeignete Oberfläche mit einer verringerten Oberflächenrauheit. In einer Ausführungsform ist eine Zusammensetzung der modifizierten Oberfläche 113 der Oberfläche 111 ähnlich oder im Wesentlichen ähnlich. In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet die modifizierte Oberfläche 113 die Oberfläche 111 mit darauf aufgebrachtem Material 301. Ein geeignetes Material zur Aufbringung auf der Oberfläche 111 beinhaltet Silizium. Andere geeignete Materialien zur Aufbringung auf der Oberfläche 111 beinhalten unter anderem ein Material mit einer gewichtsmäßigen Zusammensetzung von etwa 0,015 % Bor, etwa 0,05 % bis etwa 0,15 % Kohlenstoff, etwa 20 % bis etwa 24 % Chrom, etwa 3 % Eisen, etwa 0,02 % bis etwa 0,12 % Lanthan, etwa 1,25 % Mangan, etwa 20 % bis etwa 24 % Nickel, etwa 0,2 % bis etwa 0,5 % Silizium, etwa 13 % bis etwa 15 % Wolfram und dem Rest Kobalt; ein Material mit einer gewichtsmäßigen Zusammensetzung zwischen etwa 50 % und etwa 55 % Nickel, zwischen etwa 17 % und etwa 21 % Chrom, zwischen etwa 2,80 % und etwa 3,30 % Molybdän, etwa 0,35 % Silizium, etwa 0,08 % Kohlenstoff und dem Rest Eisen oder eine Kombination davon. In einer weiteren Ausführungsform wird das Material 301 in Spalten von Faserschichten in der Oberfläche 111 zur Herstellung der modifizierten Oberfläche 113 und zum Reduzieren eines Reibungskoeffizienten, der Oberflächenrauheit, einer Abnutzung der Dichtung oder einer Kombination davon aufgebracht.
In einer Ausführungsform, Bezug nehmend auf 2, beinhaltet das Auftragen der unverstärkten Matrixschichten 201 das Legen einer geeigneten Anzahl von nur Matrix enthaltenden Schichten an der Dichtfläche der CMC-Gasturbinenkomponente 110. Zu geeigneten Zahlen von nur Matrix enthaltenden Schichten zählen zum Beispiel wenigstens 3 Schichten, wenigstens 4 Schichten, wenigstens 5 Schichten, zwischen 3 und 5 Schichten oder irgendein(e) Kombination, Teilkombination, Bereich oder Teilbereich davon. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „nur Matrix enthaltend“ auf das Unverstärktsein durch das Fehlen oder wesentliche Fehlen von Fasern. In einer weiteren Ausführungsform sind die auf die CMC-Gasturbinenkomponente aufgetragenen unverstärkten Matrixschichten 201 in die Dichtfläche integriert. Zum Beispiel bildet in einer weiteren Ausführungsform das Verflechten der unverstärkten Matrixschichten 201 in die CMC-Gasturbinenkomponente 110 einen integrierten Bestandteil der CMC-Gasturbinenkomponente 110.
In einer Ausführungsform, Bezug nehmend auf 3, beinhaltet das Aufbringen des Materials 301 auf der Oberfläche 111 das Dampfabscheiden des Materials 301, z.B. chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder physikalische Gasphasenabscheidung (PVD). In einer weiteren Ausführungsform wird Silizium unter Verwendung von CVD bei Atmosphärendruck, Niederdruck-CVD, Ultrahochvakuum-CVD, plasmaunterstützter CVD, physikalisch-chemischer Hybrid-CVD, Diffusion oder einer Kombination davon auf die Oberfläche 111 in einem Dichtungsspalthohlraum aufgebracht.
In einer Ausführungsform, Bezug nehmend auf 4, beinhaltet das Honen der Oberfläche 111 das maschinelle Bearbeiten der Oberfläche 111 mit einem Abrasivstoff und/oder einem nichtabrasiven Stoff zum Bilden einer gehonten Oberfläche 401. Zu Beispielen für den Abrasivstoff zählen unter anderem ein Schleifstein mit Körnern aus Korund, Siliziumkarbid, kubischer Bornitrid, Diamant und Kombinationen davon. In einer Ausführungsform beinhaltet das Honen der Oberfläche 111 mit dem Abrasivstoff die Verwendung einer vibrierenden Diamantscheibe zum Verringern der Rauheit der Oberfläche 111 im Dichtungsspalt und zum Bilden der gehonten Oberfläche 401. Zu Beispielen für den nichtabrasiven Stoff zählen unter anderem die Legierung auf Nickelbasis mit der gewichtsmäßigen Zusammensetzung von etwa 0,015 % Bor, etwa 0,05 % bis etwa 0,15 % Kohlenstoff, etwa 20 % bis etwa 24 % Chrom, etwa 3 % Eisen, etwa 0,02 % bis etwa 0,12 % Lanthan, etwa 1,25 % Mangan, etwa 20 % bis etwa 24 % Nickel, etwa 0,2 % bis etwa 0,5 % Silizium, etwa 13 % bis etwa 15 % Wolfram und dem Rest Kobalt; die Legierung auf Nickelbasis mit der gewichtsmäßigen Zusammensetzung von zwischen etwa 19 % und etwa 21 % Chrom, etwa 15 % Wolfram, zwischen etwa 9 % und etwa 11 % Nickel, etwa 3 % Eisen, zwischen etwa 1 % und etwa 2 % Mangan, etwa 0,40 % Silizium, etwa 0,030 % Schwefel und dem Rest Kobalt; andere Superlegierungen auf Nickelbasis und Kombinationen davon. Das Honen der Oberfläche 111 mit dem nichtabrasiven Stoff trägt Material in Spalten der unverstärkten Matrixschichten 201 und/oder faserverstärkten Schichten ein, um die Rauheit zu verringern und/oder die Nachgiebigkeit der Oberfläche 111 zu erhöhen. In einer weiteren Ausführungsform verringert das Aufbringen des nichtabrasiven Stoffs auf der Oberfläche 111, wie etwa z.B. der Schwalbenschwanzanbringungsseite des rotierenden oder nichtrotierenden Schaufelblatts, den Reibungskoeffizienten der Oberfläche 111.
In einer Ausführungsform beinhaltet das Honen der Oberfläche 111 eine Hontemperatur von wenigstens etwa 400°F, zwischen etwa 400° und etwa 1300°F, zwischen etwa 450° und etwa 1200°F, zwischen etwa 550° und etwa 1200°F, zwischen etwa 550° und etwa 850°F, zwischen etwa 850° und etwa 1200°F, zwischen etwa 1000° und etwa 1200°F oder eine(n) Kombination, Teilkombination, Bereich oder Teilbereich davon. Das Erhöhen der Hontemperatur verringert den Reibungskoeffizienten der durch das Honen der Oberfläche 111 gebildeten modifizierten Oberfläche 113 weiter. In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Honen der Oberfläche 111 einen Honkontaktdruck von wenigstens etwa 30.000 psi, zwischen etwa 30.000 psi und etwa 100.000 psi, zwischen etwa 40.000 und etwa 80.000 psi, zwischen etwa 60.000 und etwa 80.000 psi, zwischen etwa 70.000 und etwa 80.000 psi oder eine(n) Kombination, Teilkombination, Bereich oder Teilbereich davon. Der Honkontaktdruck ist die normale auf die Oberfläche 111 wirkende Kraft geteilt durch eine Kontaktfläche. In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Honen der Oberfläche 111 eine Honverlagerung zwischen etwa 0,0001 und etwa 0,050 Zoll, zwischen etwa 0,0001 und etwa 0,040 Zoll, zwischen etwa 0,0005 und etwa 0,040 Zoll, zwischen etwa 0,001 und etwa 0,040 Zoll oder eine(n) Kombination, Teilkombination, Bereich oder Teilbereich davon. Die Honverlagerung ist die relative Bewegung zwischen dem Abrasivstoff oder dem nichtabrasiven Stoff und der Oberfläche 111.
Eine Anzahl von Honzyklen wird auf Basis von wenigstens der Hontemperatur, des Hondrucks und/oder der Honverlagerung ausgewählt. In einem Beispiel sieht eine Erhöhung der Hontempeatur und/oder des Honkontaktdrucks einen ähnlichen oder im Wesentlichen ähnlichen Reibungskoeffizienten der Oberfläche 111 mit einer verringerten Anzahl von Honzyklen vor. In einem weiteren Beispiel wird die Zahl der Honzyklen mit Variationen in der Honverlagerung variiert. Eine geeignete Anzahl von Honzyklen beinhaltet wenigstens etwa 300 Zyklen, wenigstens etwa 500 Zyklen, zwischen etwa 100 und etwa 10.000 Zyklen, zwischen etwa 300 und etwa 10.000 Zyklen, zwischen etwa 500 und etwa 10.000 Zyklen oder eine(n) Kombination, Teilkombination, Bereich oder Teilbereich davon.
Das Modifizieren der Oberfläche 111 der CMC-Gasturbinenkomponente 110 reduziert oder beseitigt die freiliegenden CMC-Fasern. In einer Ausführungsform ergibt das Modifizieren eine separate freiliegende Oberfläche an der Oberfläche 111 durch das Auftragen der unverstärkten Matrixschichten 201, die Gasphasenabscheidung des Siliziums 301, das Auftragen der Lötpaste oder jedwede andere geeignete Technik zum Bereitstellen der separaten freiliegenden Oberfläche. In einer weiteren Ausführungsform wird die separate freiliegende Oberfläche durch eine geeignete Veredelungstechnik, wie etwa unter anderem das Honen der Oberfläche 111, Funkenerodieren (EDM) oder eine Kombination davon veredelt. In einer anderen Ausführungsform entfernt das Honen der Oberfläche 111 freiliegende Teile der CMC-Fasern, um die freiliegenden CMC-Fasern an der Oberfläche 111 zu reduzieren oder zu beseitigen, ohne die separate freiliegende Oberfläche bereitzustellen.
Durch Reduzieren oder Beseitigen der freiliegenden CMC-Fasern bildet das Verfahren 100 die modifizierte Oberfläche 113, die frei oder im Wesentlichen frei von CMC-Fasern und/oder den freiliegenden CMC-Fasern sind. In einer Ausführungsform verringert die modifizierte Oberfläche 113 die Oberflächenrauheit der CMC-Gasturbinenkomponente 110, verringert den Kontakt der CMC-Fasern mit Hochtemperatur-Sauerstoffumgebungen, um Faserbeschichtungsbelastung zu verringern, oder eine Kombination davon. In einer weiteren Ausführungsform erleichtert die verringerte Oberflächenrauheit der modifizierten Oberfläche 113 das maschinelle Bearbeiten, um eine hohe Oberflächengüte zu erzielen. In einer weiteren Ausführungsform verringern die verringerte Oberflächenrauheit und/oder die hohen Oberflächengüten eine Leckrate der Komponente, verringern Bearbeitungsschnitte, erhöhen die Dichtungsabnutzungsbeständigkeit oder eine Kombination davon. Außerdem verringert in einer Ausführungsform das Modifizieren der Oberfläche 111 die Abnutzungspaare zwischen einer harten CMC-Grenzfläche und einer formbaren Dichtung, verhindert Reaktionen zwischen freiem Silizium in der Matrix der CMC-Gasturbinenkomponente 110 und Metall in der Dichtung oder eine Kombination davon.
Die Erfindung wurde zwar mit Bezug auf eine oder mehrere Ausführungsformen beschrieben, der Fachmann versteht aber, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können und Äquivalente Elemente davon ersetzen können ? ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Außerdem können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von ihrem wesentlichen Umfang abzuweichen. Daher ist vorgesehen, dass die Erfindung nicht auf die jeweilige Ausführungsform beschränkt wird, die als die beste Ausführungsart offengelegt wird, die zur Ausführung dieser Erfindung in Betracht gezogen wird, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen beinhaltet, die in den Umfang der angehängten Ansprüche fallen.
Es ist ein Verfahren zur Herstellung einer Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix und eine Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix vorgesehen. Das Verfahren beinhaltet das Modifizieren einer Oberfläche der Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix zur Herstellung einer modifizierten Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit von weniger als 6 Mikrometern. Das Modifizieren wird aus der Gruppe von Techniken ausgewählt, die aus dem Auftragen von unverstärkten Matrixschichten auf die Oberfläche, dem Gasphasenabscheiden von Silizium auf der Oberfläche, dem Honen der Oberfläche, dem Auftragen von Lötpaste auf die Oberfläche und Kombinationen davon besteht. Die Komponente beinhaltet eine modifizierte Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit von weniger als 6 Mikrometern. Das Modifizieren wird aus der Gruppe ausgewählt, die aus auf eine Oberfläche der Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix aufgetragenen unverstärkten Matrixschichten, durch Gasphasenabscheiden auf die Oberfläche aufgebrachtem Silizium, einer gehonten Oberfläche, einer auf die Oberfläche aufgetragenen Lötpaste und Kombinationen davon besteht.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix, wobei das Verfahren aufweist: Modifizieren einer Oberfläche der Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix zur Herstellung einer modifizierten Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit von weniger als 6 Mikrometern, wobei das Modifizieren aus der Gruppe von Techniken ausgewählt wird, die aus dem Auftragen von unverstärkten Matrixschichten auf die Oberfläche, dem Gasphasenabscheiden von Silizium auf der Oberfläche, dem Honen der Oberfläche, dem Auftragen von Lötpaste auf die Oberfläche und Kombinationen davon besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche in einem Dichtungsspalt an einem Heißgasweg der Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix positioniert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner das Positionieren einer Dichtung in dem Dichtungsspalt aufweist, wobei die modifizierte Oberfläche Reaktionen von freiem Silizium in der Matrix der Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix und Metall in der Dichtung unterbindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner das Positionieren einer Dichtung in dem Dichtungsspalt aufweist, wobei die Dichtung Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix oder eine Legierung auf Nickelbasis beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die nickelbasierte Legierung eine Zusammensetzung nach Gewicht von etwa 0,015 % Bor, etwa 0,05 % bis etwa 0,15 % Kohlenstoff, etwa 20 % bis etwa 24 % Chrom, etwa 3 % Eisen, etwa 0,02 % bis etwa 0,12 % Lanthan, etwa 1,25 % Mangan, etwa 20 % bis etwa 24 % Nickel, etwa 0,2 % bis etwa 0,5 % Silizium, etwa 13 % bis etwa 15 % Wolfram und dem Rest Kobalt hat oder wobei die Legierung auf Nickelbasis eine gewichtsmäßige Zusammensetzung von zwischen etwa 19 % und etwa 21 % Chrom, etwa 15 % Wolfram, zwischen etwa 9 % und etwa 11 % Nickel, etwa 3 % Eisen, zwischen etwa 1 % und etwa 2 % Mangan, etwa 0,40 % Silizium, etwa 0,030 % Schwefel und dem Rest Kobalt hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Modifizieren das Honen der Oberfläche beinhaltet und wobei das Honen der Oberfläche ferner das maschinelle Bearbeiten der Oberfläche mit einem Abrasivstoff oder einem nichtabrasiven Stoff aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das maschinelle Bearbeiten der Oberfläche mit dem nichtabrasiven Stoff ferner das Einbringen von Material in Spalten an der Oberfläche aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die modifizierte Oberfläche im Wesentlichen frei von Fasern ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die modifizierte Oberfläche ein aufgebrachtes Material beinhaltet, das eine Zusammensetzung nach Gewicht von etwa 0,015 % Bor, etwa 0,05 % bis etwa 0,15 % Kohlenstoff, etwa 20 % bis etwa 24 % Chrom, etwa 3 % Eisen, etwa 0,02 % bis etwa 0,12 % Lanthan, etwa 1,25 % Mangan, etwa 20 % bis etwa 24 % Nickel, etwa 0,2 % bis etwa 0,5 % Silizium, etwa 13 % bis etwa 15 % Wolfram und dem Rest Kobalt hat.
Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix, hergestellt mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das die modifizierte Oberfläche hat.
Verfahren zur Herstellung einer Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix, wobei das Verfahren aufweist: Modifizieren einer Oberfläche, die in einem Dichtungsspalt an einem Heißgasweg der Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix entlang positioniert ist, zur Herstellung einer modifizierten Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit von weniger als 3 Mikrometern und Positionieren einer Dichtung in dem Dichtungsspalt, wobei die modifizierte Oberfläche im Wesentlichen frei von Fasern ist und wobei das Modifizieren aus der Gruppe von Techniken ausgewählt wird, die aus dem Auftragen von unverstärkten Matrixschichten auf die Oberfläche, dem Gasphasenabscheiden von Silizium auf der Oberfläche, dem Honen der Oberfläche, dem Auftragen von Lötpaste auf die Oberfläche und Kombinationen davon besteht.
Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix, umfassend: eine modifizierte Oberfläche mit einer Oberflächrauheit von weniger als 6 Mikrometern, wobei die modifizierte Oberfläche aus der Gruppe bestehend aus auf eine Oberfläche der Gasturbinenkomponente aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix aufgetragenen unverstärkten Matrixschichten, durch Gasphasenabscheiden auf der Oberfläche aufgebrachtes Silizium, einer gehonten Oberfläche, einer auf die Oberfläche aufgetragenen Lötpaste und Kombinationen davon ausgewählt ist.
Verfahren zum Honen einer Oberfläche aus Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines nichtabrasiven Stoffs, Positionieren des nichtabrasiven Stoffs angrenzend an die Oberfläche des Verbundwerkstoffs mit keramischer Matrix und Einbringen wenigstens eines Teils des nichtabrasiven Stoffs in Spalten an der Oberfläche des Verbundwerkstoffs mit keramischer Matrix durch Durchführen von wenigstens etwa 300 Honzyklen, wobei jeder der Honzyklen das Bewegen des nichtabrasiven Stoffs und/oder der Oberfläche des Verbundwerkstoffs mit keramischer Matrix relativ zu dem bzw. der anderen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner das Vorsehen einer Hontemperatur zwischen etwa 450°F und 1200°F aufweist und/oder ferner das Vorsehen eines Honkontaktdrucks zwischen etwa 40.000 psi und etwa 80.000 psi aufweist und/oder wobei jeder der Honzyklen eine Honverlagerung zwischen etwa 0,0005 Zoll und 0,040 Zoll aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei das nichtabrasive Material eine Legierung auf Nickelbasis aufweist.