DE102016202027A1

DE102016202027A1 - Laufrad für eine Turbomaschine

Info

Publication number: DE102016202027A1
Application number: DE102016202027.7A
Authority: DE
Inventors: Ralf Bode
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-02-11
Filing date: 2016-02-11
Publication date: 2017-08-17

Abstract

Laufrad für eine Turbomaschine, mit einem aus einer Stahllegierung hergestellten Grundkörper, der mit einer korrosionsbeständigen Beschichtung versehen ist, wobei die Beschichtung eine Emaillierung ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laufrad für eine Turbomaschine, mit einem aus einer Stahllegierung hergestellten Grundkörper, der mit einer korrosionsbeständigen Beschichtung versehen ist.
Der in dieser Anmeldung verwendete Begriff „Turbomaschine“ umfasst unter anderem Radialverdichter und Radialexpander. Diese Turbomaschinen umfassen Laufräder, die in Abhängigkeit der Einsatzbedingungen Medien mit aggressiven und/oder korrosiven Bestandteilen ausgesetzt sein können, die die Werkstoffe der Laufräder angreifen. Bisher hat man Laufräder für Turbomaschinen daher aus entsprechend korrosionsbeständigen Werkstoffen hergestellt. Allerdings sind einige dieser Werkstoffe ausgesprochen schwierig herzustellen, zu verarbeiten oder zu fügen, dementsprechend ist die Herstellung herkömmlicher Laufräder kostenintensiv. Es ist auch bekannt, Laufräder durch spezielle Verfahren zur Oberflächenbearbeitung oder Beschichtungen vor Korrosion zu schützen. Dazu werden z. B. metallische oder polymere Beschichtungen eingesetzt. Allerdings besteht dabei das Problem, dass metallische Beschichtungen oft edler sind als die Stahllegierung, aus der ein Grundkörper des Laufrads hergestellt ist, so dass durch den damit verbundenen Potentialunterschied bei einer Beschädigung der Beschichtung eine erhöhte Korrosion auftritt. Polymere Beschichtungen haben sich in der Praxis als zu weich erwiesen und werden durch Erosion rasch abgetragen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Laufrad anzugeben, das einerseits den im Betrieb auftretenden korrosiven Einflüssen standhält und andererseits kostengünstig herstellbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Laufrad der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Beschichtung eine Emaillierung ist.
Eine Emaillierung ist ein festhaftender anorganischoxidischer Überzug in Form einer Schicht oder in Form mehrerer Schichten auf einem metallischen Grundkörper. Bei dem erfindungsgemäßen Laufrad ist die Emaillierung durch Aufbringen eines glasig-silikatischen Materials, des sogenannten Emails, auf einen vorbehandelten metallischen Grundkörper hergestellt.
Das erfindungsgemäße, die Emaillierung aufweisende Laufrad weist den Vorteil auf, dass diese Beschichtung in hohem Maße korrosionsbeständig und erosionsbeständig ist. Da kein Potentialunterschied zum metallischen Grundkörper besteht, führen selbst Beschädigungen nicht zu einer nennenswerten Erosion.
Mit besonderem Vorteil kann es bei dem erfindungsgemäßen Laufrad vorgesehen sein, dass der Grundkörper aus einem martensitischen nichtrostenden Stahl gemäß der Norm EN 10250-4, Tabelle 1, in der am Anmeldetag gültigen Fassung, hergestellt ist. Erfindungsgemäß wurde überraschend festgestellt, dass sich martensitische, nichtrostende Stähle besonders gut für eine Emaillierung und für einen Einsatz als Laufrad einer Turbomaschine eignen, da derartige Stähle auch bei langsamer Abkühlung die gewünschten und benötigten mechanischen Eigenschaften erreichen, ohne dass Thermoschockrisse in der Emaillierung auftreten.
Bei dem erfindungsgemäßen Laufrad wird es besonders bevorzugt, dass der Grundkörper aus der Stahllegierung X3CrNiMo13-4 (Werkstoffnummer 1,4313) oder X4CrNiMo16-5-1 (Werkstoffnummer 1,4418) hergestellt ist. Bei diesen Stahllegierungen handelt es sich um einen legierten Edelstahl, insbesondere um einen nichtrostenden Stahl mit einem Nickelanteil ≥ 2,5 %.
Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Laufrads für eine Turbomaschine, mit den folgenden Schritten:

– Herstellen eines Grundkörpers aus einer Stahllegierung;
– Strahlen des Grundkörpers mit einem Strahlmittel zum Einstellen einer festgelegten Oberflächenrauheit;
– Eintauchen des Grundkörpers in eine Emaillefritte oder Aufbringen von Emaillefritte auf den Grundkörper;
– Herstellen einer Emailschicht durch Brennen der Emaillefritte bei einer Temperatur, die zur Austenitisierung der Stahllegierung geeignet ist; und
– Abkühlen und Anlassen bei einer festgelegten Temperatur.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt, dass das Brennen bei einer Temperatur zwischen 850 °C und 1.050 °C erfolgt. Dieser Temperaturbereich ist zur Austenitisierung des aus der Stahllegierung bestehenden Grundkörpers geeignet.
Vorzugsweise erfolgt das Anlassen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bei einer Temperatur zwischen 520 °C und 620 °C. Durch das Anlassen erhält der metallische Grundkörper die benötigten Eigenschaften wie eine bestimmte Oberflächenhärte oder eine bestimmte Bruchdehnung.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es bevorzugt vorgesehen, dass der Grundkörper aus einem martensitischen nichtrostenden Stahl gemäß der Norm EN 10250-4, Tabelle 1, in der am Anmeldetag gültigen Fassung, hergestellt wird. Vorzugsweise wird der Grundkörper aus der Stahllegierung X3CrNiMo13-4 (Werkstoffnummer 1,4313) oder X4CrNiMo16-5-1 (Werkstoffnummer 1,4418) hergestellt.
Die chemischen Zusammensetzungen (Massenanteil in %) sind jeweils im Einzelnen: X3CrNiMo13-4 (1.4313):

C ≤ 0,05

Si ≤ 0,7

Mn ≤ 1,5

P ≤ 0,04

S ≤ 0,015

12 ≤ Cr ≤ 14

0,3 ≤ Mo ≤ 0,7

3,5 ≤ Ni ≤ 4,5

0,02 ≤ N

X4CrNiMo16-5-1 (1.4418):

C ≤ 0,06

Si ≤ 0,7

Mn ≤ 1,5

P ≤ 0,04

S ≤ 0,03

15 ≤ Cr ≤ 17

0,8 ≤ Mo ≤ 1,5

4 ≤ Ni ≤ 6

0,02 ≤ N
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass der Grundkörper vor dem Strahlen spannungsarm geglüht wird. Auf diese Weise wird eine hohe Maßgenauigkeit des die Emaillierung aufweisenden erfindungsgemäßen Laufrads sichergestellt.
Besonders bevorzugt wird es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, dass das Abkühlen so langsam erfolgt, dass keine Thermoschockrisse in der Emaillierung auftreten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.
Zur Herstellung eines Laufrads wird in einem ersten Schritt ein Grundkörper aus einer Stahllegierung hergestellt. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um die Stahllegierung X3CrNiMo13-4, die zu den martensitischen, nichtrostendenden Stählen gehört, die in der EN 10250-4, Tabelle 1, angegeben sind. Es handelt sich dabei um martensitische, nichtrostendende Stähle, die nicht ausscheidungshärtbar sind. Der aus diesem Werkstoff hergestellte Grundkörper wird mechanisch vorbearbeitet, so dass er der Laufradkontur mit Aufmaß entspricht. Als nächster Schritt erfolgt das Spannungsarmglühen des mechanisch vorbearbeiteten Grundkörpers. Durch diesen Verfahrensschritt werden innere Spannungen im Werkstück abgebaut.
Anschließend erfolgt eine weitere mechanische Bearbeitung (Fertigbearbeitung) aller Oberflächen, die im Betrieb in Kontakt mit einem Medium sind. Die mechanische Fertigbearbeitung erfolgt durch herkömmliche Bearbeitungsverfahren wie z. B. Drehen, Fräsen, Schleifen, Hohnen, Läppen oder Polieren. Anschließend werden diejenigen Oberflächen des Grundkörpers, die keine Emaillierung erhalten sollen, abgedeckt. Danach erfolgt das Strahlen der zu emaillierenden Flächen mit einem Strahlmittel, um eine gewünschte, festgelegte Rauigkeit der Oberfläche zu erzeugen. Diese Vorbehandlung ist wichtig, um eine gute Haftung der Emaillierung sicherzustellen.
Im nächsten Schritt wird der auf diese Weise vorbehandelte metallische Grundkörper in Emaillefritte eingetaucht. Emaillefritte ist durch Schmelzen oder Sintern eines Rohstoffgemenges entstandenes abgekühltes, glasig erstarrtes und inhomogenes Emaille. Die Emaillefritte umfasst je nach Technologie Granalien, Flocken oder Schuppen, deren Größe typischerweise weniger als 10 µm beträgt. Durch das Eintauchen des vorbehandelten Grundkörpers in die Emaillefritte wird die Oberfläche des Grundkörpers mit Emaillefritte versehen. Anschließend erfolgt das Brennen der Emailleschicht bei einer Temperatur, die in diesem Ausführungsbeispiel zwischen 850 °C und 1.050 °C beträgt. Wesentlich ist dabei, dass die Brenntemperatur zur Herstellung der Emaillierung mit der verwendeten Stahllegierung verträglich ist. Die Brenntemperatur ist daher so gewählt, dass sie zur Austenitisierung geeignet ist. Nach dem Brennen der Emailschicht erfolgt ein langsames Abkühlen, um Thermospannungen und Thermoschockrisse der Emailschicht zu vermeiden. Schließlich erfolgt das Anlassen des aus der Stahllegierung hergestellten Grundkörpers, in diesem Ausführungsbeispiel bei einer Temperatur zwischen 520 °C und 620 °C. Diese Wärmebehandlung der Stahllegierung durch Anlassen bewirkt, dass sich die erforderlichen Eigenschaften der Stahllegierung einstellen. Herkömmliche Stahllegierungen benötigen eine Wärmebehandlung, die ein Abschrecken aus dem Austenitgebiet fordert, daher sind sie nicht für eine Emaillierung geeignet.
Schließlich erfolgt als letzter Schritt zur Herstellung des Laufrads eine mechanische Fertigbearbeitung der Oberflächen, die nicht dem Medium ausgesetzt sind. Durch die beschriebenen Herstellungsschritte wird ein Laufrad für eine Turbomaschine hergestellt, das eine Beschichtung in Form einer Emaillierung aufweist, wodurch es besonders korrosionsbeständig ist. Dabei kann die Beschichtung in Form der Emaillierung vergleichsweise einfach hergestellt werden, so dass das erfindungsgemäße Laufrad kostengünstig gefertigt werden kann.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm EN 10250-4 [0007]
Norm EN 10250-4 [0012]
EN 10250-4 [0017]

Claims

Laufrad für eine Turbomaschine, mit einem aus einer Stahllegierung hergestellten Grundkörper, der mit einer korrosionsbeständigen Beschichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Emaillierung ist.
Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper aus der Stahllegierung X3CrNiMo13-4 oder X4CrNiMo16-5-1 hergestellt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Laufrads für eine Turbomaschine, mit den folgenden Schritten: – Herstellen eines Grundkörpers aus einer Stahllegierung; – Strahlen des Grundkörpers mit einem Strahlmittel zum Einstellen einer festgelegten Oberflächenrauheit; – Eintauchen des Grundkörpers in Emaillefritte oder Aufbringen von Emaillefritte auf den Grundkörper; – Herstellen einer Emailleschicht durch Brennen der Emaillefritte bei einer Temperatur, die zur Austenitisierung der Stahllegierung geeignet ist; und – Abkühlen und Anlassen bei einer festgelegten Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennen bei einer Temperatur zwischen 850 °C und 1.050 °C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlassen bei einer Temperatur zwischen 520 °C und 620 °C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper aus der Stahllegierung X3CrNiMo13-4 oder X4CrNiMo16-5-1 hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper vor dem Strahlen spannungsarm geglüht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen so langsam erfolgt, dass keine Thermoschockrisse in der Emaillierung auftreten.