DE102017219639A1 - Schichtsystem mit harten und weichen Schichten und Schaufel - Google Patents

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Abstract

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

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem mit harten und weichen Schichten und eine Schaufel.
  • Schaufeln, wie z. B. Kompressorschaufeln, für den Einsatz in korrosiven und erosiven Umgebungen werden geschützt durch einlagige oder zweilagige Schichten auf der Basis von Chromphosphaten.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung den Schutz zu verbessern.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schichtsystem gemäß Anspruch 1 und einer Schaufel gemäß Anspruch 16.
  • In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
  • Es zeigen:
    • 1 schematisch die Struktur der Haifischhaut,
    • 2 eine Lotusblütenoberfläche,
    • 3 eine Mehrfachschicht und
    • 4 eine beispielhafte Turbinenschaufel mit Anwendungsfällen.
  • Oft wird nur eine Beschichtung zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften in Betracht gezogen. Eine Oberflächenstrukturierung wird derzeit nicht eingebracht, da diese in den bisherigen Beschichtungen aufwändig eingebracht werden konnte.
  • Vorzugsweise erzeugt die Struktur einer äußeren Schicht einen Haifischhauteffekt. Daher weist sie 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 aufgetragen wird auf einem Substrat, umgeben von einer aluminiumchrombasierten Basisschicht und einer äußeren Aluminiumchromoxidbeschichtung.
  • Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
  • Die 1 zeigt einen Querschnitt durch eine dreieckförmige Bahn 11', 11'' einer Schicht 3 als ein vorteilhaftes Beispiel einer im Querschnitt dreieckförmige Erhebung.
  • Die Schicht 3 hat eine Mindestdicke h2, von der sich ausgehend eine im Querschnitt dreieckförmige Bahn 11', 11'' mit der Höhe h1 erstreckt. Diese dreieckförmigen Bahnen 11', 11'' sind mehrfach vorhanden und die Spitzen der dreieckförmigen Bahnen 11', 11'' weisen einen Abstand s auf.
  • Der zugrundeliegende Schichtbereich der Schicht 3, in der die Bahn 11 vorhanden ist, weist eine Mindestdicke oder Restdicke von h2 auf.
  • Vorzugsweise stellen die dreieckförmigen Bahnen 11 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 bzw. legt ein Substrat 4 nicht offen.
  • Im Falle einer mehrlagigen oder zweilagigen Schicht ist die Struktur vorzugsweise nur in der äußersten Beschichtung 3 vorhanden und legt die darunter liegende Schicht nicht offen.
  • Vorzugsweise beträgt die Höhe h1 ≥ 4µm und die Höhe h2 ≥ 2µm, wobei gelten soll h2 ≥ 2*h1.
  • Eine solche Struktur kann auf eine Verdichterschaufel 20 (4) aufgebracht werden, wobei der Schwerpunkt vorzugsweise im vorderen Bereich um die Anströmkante 22 vorhanden ist, mit dem Ziel, Verwirbelungen zu reduzieren und den Wirkungsgrad des Verdichters zu steigern.
  • 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 eine Mehrfachschicht 46 aus harten 40 und weicheren Schichten 43.
  • Die dreieckförmigen Erhebungen 11', 11'', ...; 33, ... sind insbesondere nur in den harten Schichten 40, insbesondere in den keramischen Schichten, wie insbesondere TiAlN ausgebildet, die insbesondere auch die äußerste Schicht darstellt.
  • Die harte Schicht 40 ist mindestens 10%, insbesondere mindestens 20% härter ausgebildet als die weiche Schicht 43.
  • Die weiche Schicht 43 ist insbesondere metallisch, ganz insbesondere aus AlTiN.
  • Die weiche Schicht 43 gleicht die Unebenheiten aus und weist insbesondere keine Strukturierung auf.
  • Direkt auf dem Substrat 41 ist vorzugsweise eine kathodische Schutzschicht 49 vorhanden, die vorzugsweise eine Aluminium- oder Aluminiumchromlegierung aufweist.
  • Vorzugsweise weist nur die äußerste harte Schicht die Strukturen der 1 oder 2 auf.
  • 4 zeigt beispielhaft eine Kompressorschaufel 20 mit einem Schaufelfuß 28, einem Schaufelblatt 23 mit einer Anströmkante 22 und zwei verschiedenen Oberflächenstrukturen 24, 26 in Strömungsrichtung gesehen.
  • Im vorderen Bereich der Verdichterschaufel (Eintrittskante) wird durch Überlagerung zweier interferierender Laserstrahlen eine Mikrostruktur zur Reduzierung des Strömungswiderstandes (ähnlich einer Haifischhaut) generiert.
  • Im Anströmbereich um die Anströmkante 22 und dahinter 24 ist die bereits beschriebene Haifischhaut gemäß 1 auf Saug- und Druckseite vorhanden.
  • In Strömungsrichtung gesehen, etwa auf der Hälfte 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 und damit kegelförmig hervorstehende Strukturen aufweist.
  • Im hinteren Bereich 26 der Verdichterschaufel 20 wird eine Oberflächenstruktur geschaffen, 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.
  • Die Basis für die Schicht 7; 3', 3'' stellt vorzugsweise eine PVD-Schicht dar.
  • Das Substrat 4 ist vorzugsweise Chromstahl mit mindestens 9% Chrom (Cr), insbesondere mit einer Rauigkeit <=2µm.
  • 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.
  • 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.

Claims (17)

  1. Schichtsystem als Mehrfachschicht (46), aufweisend ein Substrat (4, 41), insbesondere ein metallisches Substrat (4, 41), mit zumindest zwei weichen (43) und zumindest zwei harten (40) Schichten, die insbesondere alternierend angeordnet sind, wobei der Unterschied in der Härte mindestens 10%, insbesondere mindestens 20% beträgt.
  2. Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem die harte Schicht (40) TiAlN aufweist, insbesondere daraus besteht.
  3. Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die weiche Schicht (43) AlTiN aufweist, insbesondere daraus besteht.
  4. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, die vierlagig ausgebildet ist, insbesondere nur vierlagig ausgebildet ist, und bei der die harte Schicht (3', 3'', 40) die äußerste Schicht bildet.
  5. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4 bei der im Querschnitt dreieckförmige Erhebungen (11', 11'', ...; 33, ...) in den Oberflächen (3', 3'') der harten Schichten (40), insbesondere nur in einer, insbesondere in einer äußersten Schicht (3', 3'') ausgebildet sind, ganz insbesondere vollständig nur in einer harten Schicht (3', 3'') ausgebildet ist.
  6. Schichtsystem (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, mit einer Oberfläche (3', 3''), die mehrere im Querschnitt dreieckförmige Erhebungen (11', 11'', ...; 33, ...) aufweist.
  7. Schichtsystem nach Anspruch 6, bei dem die Schicht (3') dreieckförmige Bahnen (11', 11'', ...) als dreieckförmige Erhebungen aufweist, insbesondere geradlinige Bahnen (11', 11'', ...) aufweist.
  8. Schichtsystem nach Anspruch 7, bei der die Höhe der dreieckförmigen Bahnen (11', 11'', ...) h1 beträgt, wobei der Abstand zwischen zwei direkt benachbarten dreieckförmigen Bahnen (11', 11'', ...) oder der Spitzen der dreieckförmigen Bahnen (11', 11'', ...) s beträgt, und wobei der Abstand s ≥ 2*h1 ist.
  9. Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 7 oder 8, bei der die dreieckförmigen Bahnen (11', 11'', ...) gleichschenklige Dreiecke darstellen, insbesondere mit einem Basiswinkel (α) zwischen 30° und 60°.
  10. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 7, 8 oder 9, bei der die dreieckförmigen Bahnen (11', 11'', ...) parallel zueinander verlaufen, insbesondere alle dreieckförmigen Bahnen (11', 11'', ...) parallel zueinander verlaufen.
  11. Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 6 oder 7, bei dem die Oberfläche (2'') der Schicht (3'') Kegel (33) als dreieckförmige Erhebungen aufweist.
  12. Schichtsystem nach Anspruch 11, wobei die Höhe der Kegel (33) h1 beträgt, wobei der Abstand zwischen zwei direkt benachbarten Kegeln (33) oder der Spitzen der Kegel (33) s beträgt, und wobei der Abstand s ≥ 2*h1 ist.
  13. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 6, 11 oder 12, bei der die Kegel (33) rasterförmig angeordnet sind.
  14. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem das Material der weichen Schichten (43) dasselbe ist.
  15. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 13, bei dem das Material der harten Schichten (43) dasselbe ist.
  16. Schaufel, insbesondere Kompressorschaufel, die zumindest teilweise, insbesondere vollständig ein Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15 aufweist.
  17. Schaufel nach Anspruch 16, die in Strömungsrichtung gesehen um die Abströmkante (22) eine Schicht (24) auf Saug- und Druckseite gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 ,3 ,4, 6, 7, 9, 10, 14 oder 15 aufweist und ab Hälfte (26) in Umströmungsrichtung des Schaufelblatts (23) auf Saug- und Druckseite eine Schicht nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 8, 11, 12, 13, 14 oder 15 aufweist.
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