DE102017219638A1

DE102017219638A1 - Schicht mit Oberflächeneffekt, Schichtsystem, Schaufel und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102017219638A1
Application number: DE102017219638.6A
Authority: DE
Inventors: Torsten Neddemeyer; Bernd Burbaum
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-11-06
Filing date: 2017-11-06
Publication date: 2019-05-09

Abstract

Durch eine einfache geometrische Anordnung wird ein Haifischhauteffekt erreicht, der insbesondere bei Kompressorschaufeln eingesetzt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Struktur einer Oberfläche zur Erzielung von Effekten wie Haifischhaut und Lotusblüten, die bei Strömungsmaschinen oder bei Bauteilen für Strömungsmaschinen eingesetzt werden kann, sowie ein Verfahren zur Herstellung.
Der Einsatz von Haifischhäuten in der Flugzeugindustrie ist bekannt, jedoch liegt die Schwierigkeit darin, einfache Strukturen aufzuzeigen, die den Haifischhauteffekt erzeugen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung dieses Problem zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Schicht gemäß Anspruch 1, ein Schichtsystem gemäß Anspruch 9, einer Schaufel gemäß Anspruch 10 und ein Verfahren nach Anspruch 12.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Oft wird nur eine Beschichtung zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften in Betracht gezogen. Eine Oberflächenstrukturierung wird derzeit insbesondere bei Kompressorschaufeln nicht eingebracht, da diese in den bisherigen Beschichtungen aufwändig eingebracht werden konnte.
Vorzugsweise erzeugt die Struktur einer äußeren Schicht einen Haifischhauteffekt oder Lotusblüteneffekt.
Sie weist vorzugsweise eine PVD-Schicht und/oder entsprechend eine harte Beschichtung auf.
Bekannte Beschichtungen für Kompressorschaufeln wie lackartige Schichten, aufgebracht durch Schlicker, können diesen Effekt in der Regel nicht leisten.
Eine typische vorteilhafte PVD-Beschichtung basiert auf Aluminiumchrom und/oder Aluminiumchromoxid.
Weitere Unterschichten zur Anpassung von Wärmeausdehnungskoeffizienten oder Schutzfunktionen sind möglich.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist, dass eine Chromzwischenschicht aus Chrom-Chromnitrid auf einem Substrataufgetragen wird, umgeben von einer aluminiumchrombasierten Basisschicht und einer äußeren Aluminiumchromoxidbeschichtung.
Es zeigen:

1 schematisch die Struktur der Haifischhaut,
2 eine Lotusblütenoberfläche,
3 eine beispielhafte Turbinenschaufel mit Anwendungsfällen.

Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Die 1 zeigt einen Querschnitt durch eine dreieckförmige Bahn 11 einer Schicht 1 als ein vorteilhaftes Beispiel einer im Querschnitt dreieckförmigen Erhebung.
Eine äußere Schicht 3' hat eine Mindestdicke h2, von der sich ausgehend eine im Querschnitt dreieckförmige Bahn 11 mit der Höhe h1 erstreckt. Diese dreieckförmigen Bahnen 11 sind mehrfach vorhanden und die Spitzen der dreieckförmigen Bahnen 11 weisen einen Abstand s auf.
Die zugrundeliegende Schichtbereich 3, in der die Bahn 11 vorhanden ist, weist eine Mindestdicke oder Restdicke von h2 auf.
Vorzugsweise stellen die dreieckförmigen Bahnen 11 im Querschnitt ein gleichwinkliges Dreieck mit einem Winkel α dar.
Der Abstand s beträgt vorzugsweise mindestens 2* Maximum von h1, h2 und ein vorteilhafter Winkel α liegt zwischen 30° und 60°.
Diese Struktur ist vorzugsweise nur in der Schicht 3' vorhanden und insbesondere vollständig in dieser, d.h. berührt nicht bzw. legt ein Substrat 4 oder eine unterliegende Schicht 7 nicht offen.
Im Falle einer mehrlagigen oder zweilagigen Schicht ist die Struktur vorzugsweise nur in der äußersten Beschichtung 3', 3" (2) vorhanden und legt die darunter liegende Schicht 7 nicht offen.
Vorzugsweise beträgt die Höhe h1 ≥ 4µm und die Höhe h2 ≥ 2µm, wobei gelten soll h2 ≥ 2*h1.
2 zeigt eine Schicht 3'' mit einer Oberfläche 2' mit Lotusblüteneffekt.
Viele Kegel 33, insbesondere Stumpfkegel sind vorzugsweise rasterförmig angeordnet. Ein Kegel 33 ist im Querschnitt dreieckförmig.
Für die Kegel 33 gilt vergleichbares wie die Bahnen 11', 11'' bzw. der Höhe h1, der Höhe h2 und der Anordnung in der Schicht 3''.
Die Kegel 33 sind vollständig in der Schicht 3'' ausgebildet.
3 zeigt beispielhaft eine Kompressorschaufel 20 mit einem Schaufelfuß 28, einem Schaufelblatt 23 mit einer Anströmkante 22 und zwei verschiedenen Oberflächenstrukturen 24, 26.
Vorgeschlagen wird also eine graduierte Strukturierung einer PVD-Schicht an Verdichterschaufeloberflächen.
Vorzugsweise im vorderen Bereich um die Anströmkante 22 ist es das Ziel, Verwirbelungen zu reduzieren und den Wirkungsgrad des Verdichters zu steigern.
Im Anströmbereich 24 um und hinter der Anströmkante 22 ist daher die bereits beschriebene Haifischhaut gemäß 1 auf Saug- und Druckseite vorhanden und zwar vorzugsweise von der Schaufelspitze bis zur Plattform oder auch die Plattform.
In Strömungsrichtung gesehen, etwa auf der Hälfte 26 der Schaufelblattlänge in Umströmungsrichtung gesehen, verändert sich die Struktur auf Saug- und Druckseite, bei der eine Lotusblüteneffektbeschichtung erzeugt wird, die wie in 2 beispielhaft dargestellt ist, kegelförmig hervorstehende Strukturen aufweist.
In diesem hinteren Bereich 26 der Verdichterschaufel 20 wird eine Oberflächenstruktur bereitgestellt, durch die ein sogenanntes „dewetting“ (Entnetzung) bewirkt wird. Dadurch wird eine Tropfenbildung von Wasser an Oberflächen stark eingeschränkt. Durch die Strukturierung der Oberfläche wird die Gefahr der Tropfenbildung und Tropfenablösung verkleinert, so dass mit weniger Erosion aufgrund von Tropfenschlag zu rechnen ist.
Der Übergang der Oberflächenstrukturierung von „Haifischhaut“ zu „Dewetting-Effect“ erfolgt dabei graduiert über die Oberfläche der Verdichterschaufel, wobei sich der Übergangsbereich von der ersten auf die letzte Stufe des Verdichters in Richtung der Anströmkante verschiebt.
Eine solche Beschichtung kann vorzugsweise über das gesamte Schaufelblatt 23 aufgebracht oder erzeugt werden.
Solche Strukturen können nachträglich mittels Bearbeitung mittels Laserstrahlinterferenz eingebracht werden.
Die Oberflächenstrukturierung erfolgt dabei vorzugsweise in einem Bearbeitungsschritt mittels Laser Beam Interference Processing (LBIP). Bei der LBIP Technologie wird ein Laserstrahl in zwei oder mehrere Laserstrahlen aufgeteilt und anschließend auf der Werkstückoberfläche wieder überlagert. Dadurch kommt es zu einer periodischen Modulation der Laserintensität, welche die Strukturierung der Bauteiloberflächen ermöglicht. Im vorderen Bereich der Verdichterschaufel (Eintrittskante) wird durch Überlagerung zweier interferierender Laserstrahlen eine Mikrostruktur zur Reduzierung des Strömungswiderstandes (ähnlich einer Haifischhaut) generiert.
Die Basis für die Schicht 7; 3', 3'' stellt vorzugsweise eine PVD-Schicht dar. Die weist primär eine AlCr als unterliegende Schicht und eine außen- und überliegende Schicht auf, insbesondere aus AlCrO.
Das Substrat 4 ist vorzugsweise Chromstahl mit mindestens 9% Chrom (Cr), insbesondere mit einer Rauigkeit <=2µm.
Die PVD-Beschichtung hat folgende Schichtstruktur:

- Cr-Interlayer (aus Cr/CrN)
- AlCr-Schicht
- AlCrO-Schicht als äußere Schicht, die dann die Bahnen 11', 11'' oder Kegel 33 aufweist.

Claims

Schicht (3', 3'') mit einer Oberfläche (2', 2'', 24, 26), die mehrere im Querschnitt dreieckförmige Erhebungen (11', 11'' ...; 33, ...) aufweist.
Schicht nach Anspruch 1, bei dem die Schicht (3') dreieckförmige Bahnen (11', 11'', ...) als dreieckförmige Erhebungen aufweist, insbesondere geradlinige Bahnen.
Schicht nach Anspruch 2, bei der die Höhe der dreieckförmigen Bahnen (11', 11'', ...) h1 beträgt, wobei der Abstand zwischen zwei direkt benachbarten dreieckförmigen Bahnen (11', 11'') oder den Spitzen der dreieckförmigen Bahnen (11', 11'', ... ) s beträgt, und wobei der Abstand s ≥ 2*h1 ist.
Schicht nach einem oder beiden der Ansprüche 2 oder 3, bei der die dreieckförmigen Bahnen (11', 11'', ...) gleichschenklige Dreiecke darstellen, insbesondere mit einem Basiswinkel (α) zwischen 30° und 60°.
Schicht nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 2, 3 oder 4, bei der die dreieckförmigen Bahnen (11', 11'', ...) parallel zueinander verlaufen, insbesondere alle dreieckförmigen Bahnen (11', 11'', ...) parallel zueinander verlaufen.
Schicht nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Oberfläche (2'') der Schicht (3'') Kegel (33) als dreieckförmige Erhebungen aufweist.
Schicht nach Anspruch 6, wobei die Höhe der Kegel (33) h1 beträgt, wobei der Abstand zwischen zwei direkt benachbarten Kegeln (33) oder den Spitzen der Kegel (33) s beträgt, und wobei der Abstand s ≥ 2*h1 ist.
Schicht nach einem oder beiden der Ansprüche 6 oder 7, bei der die Kegel (33) rasterförmig angeordnet sind.
Schichtsystem, aufweisend ein metallisches Substrat, mit einer Schicht nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, insbesondere bei der die im Querschnitt dreieckförmigen Erhebungen (11', 11'', ...; 33, ...) nur in einer, insbesondere in einer äußersten Schicht (3', 3'') ausgebildet sind, ganz insbesondere vollständig nur in einer Schicht (3', 3'') ausgebildet ist.
Schaufel, insbesondere Kompressorschaufel, die zumindest teilweise, insbesondere vollständig eine Schicht nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 oder ein Schichtsystem nach Anspruch 9 darstellt.
Schaufel nach Anspruch 10, die ein Schaufelblatt (23) aufweist, und die in Strömungsrichtung gesehen um und hinter (24) einer Abströmkante (22) eine Schicht auf Saug- und Druckseite nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5 aufweist und ab Hälfte in Umströmungsrichtung (26) des Schaufelblatts (23) auf Saug- und Druckseite eine Schicht nach Anspruch 6, 7 oder 8 aufweist.
Verfahren zur Bearbeitung, insbesondere Herstellung von Schichten (3', 3'') gemäß Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, bei dem ein Laser Beam Interference Processing angewendet wird, um in der Schicht (3', 3'') Material abzutragen, um die dreieckförmigen Erhebungen (11', 11'', ...; 33, ...) zu erzeugen.