DE102020000848A1

DE102020000848A1 - Verfahren zur Beschichtung von Schaufeln von Kompressoren, Turbinen und Propellern

Info

Publication number: DE102020000848A1
Application number: DE102020000848.8A
Authority: DE
Inventors: Carsten J. O. Pauls; Jürgen Schneider; Franz Kollipost; Gordon Sommer; Michael Funke
Original assignee: Ot Oberflaechentechnik & Co Kg GmbH
Current assignee: Ot Oberflaechentechnik & Co Kg GmbH
Priority date: 2020-02-05
Filing date: 2020-02-05
Publication date: 2021-08-05
Anticipated expiration: 2040-02-06
Also published as: DE102020000848B4

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Beschichtung von Schaufeln (1) von Turbinen aller Art sowie von Kompressoren und Propellern jeweils aus Stahl, bei dem mindestens eine niedrig schmelzende Keramik auf Silikat- und Oxidbasis unter Zusatz von mindestens Aluminiumpartikeln als Slurries auf die zu beschichtenden Schaufeln (1) oder Teilen von den Schaufeln (1) aufgespritzt oder durch Tauchen aufgebracht wird, nach einer Lufttrocknung ein Einbrennen in einem Ofen (4) bei Temperaturen zwischen 500°C - 550°C über eine Mindestzeitdauer von 5 - 10 Minuten vorgenommen wird und abschließend eine Luftabkühlung erfolgt. Das Verfahren verzichtet auf die Verwendung von Chrom-6-oxid und erhält das martensitische Gefüge des Vergütungsstahls der Schaufeln (1).

Description

Die Erfindung betrifft die Beschichtung von Turbinenschaufeln aus Stahl, vor allem Schaufeln und Bauteile von stationären Gasturbinen und Wasserkraftturbinen, aber auch Flugturbinen, Industriegas- und Dampfturbinen sowie Luftkompressoren. Insbesondere geht es um Kompressorschaufeln, die der Brennkammer von Turbinen vorgeschaltet sind. Dabei kann es sich um gebrauchte Bauteile (Reparatur) oder neue Bauteile handeln.
Darüber hinaus ist die Beschichtung auch einsetzbar bei Verdichteranlagen (Axial- und Radialkompressoren) und Propellern in maritimen Bereich oder der Luftfahrt.
Traditionell werden Kompressorschaufeln mit einer Chrom-6-oxid enthaltenden Beschichtung vor Oxidation, Korrosion und Erosion geschützt. Bei der Beschichtung werden Slurries eingesetzt, die atmosphärisch aufgespritzt und anschließend im Ofen eingebrannt werden.
Die Slurries bestehen aus Suspensionen von Aluminiumpartikeln in Phosphatlösungen, die durch Chrom-6-oxid stabilisiert werden. Nach dem Brennen besteht die Beschichtung aus einer elektrisch leitfähigen Aluminiumschicht, die in einer festen Phosphatmatrix gehalten wird. Durch den kathodischen Schutz wird der Schaufelwerkstoff vor Oxidation und Korrosion geschützt. Versiegelt wird diese Schicht mit einer festen Phosphat-Deckschicht, die vor Erosion schützt.
Aufgrund der gesundheitsgefährdenden Eigenschaften von Chrom-6-oxid scheidet die Verwendung dieses Werkstoffes künftig aus, mit der Folge, dass nach Alternativen gesucht wird.
Der Ersatz von Chrom-6-oxid durch Inhibitoren hat nicht zu dem erwarteten Ergebnis geführt. Hier stieg der apparative Aufwand, ohne das zusätzliche technische Fortschritte erreicht wurden.
Die naheliegende Verwendung von Keramik als Beschichtung hat den Nachteil, dass mit Einbrenntemperaturen von mehr als 700°C gearbeitet werden muss, was zu Gefügeumwandlungen und damit Festigkeitsverlusten des martensitischen Vergütungsstahls (z.B. X20Cr13) der Schaufeln führen würde.
Die WO 2018/189 380 A1 beschreibt ein Beschichtungsverfahren für Komponenten von Strömungsmaschinen, das auf einem Keramikprozess beruht und das abweichend vom üblichen Ofenprozess die induktive Erwärmung im Scanverfahren nutzen soll, wobei das Schmelzgemisch mindestens zwei Bestandteile aus der Gruppe SiO₂, B₂O₃, Na₂O, K₂O, und Al₂O₃ mit Zuschlagstoffen, wie Haftoxide und/oder Farbkomponenten enthält.
Bei der Verwendung von bei ca. 500°C einbrennbarer Keramik für die Beschichtung ist für hochbelastete Teilbereiche jedoch eine zusätzliche Beschichtung mit besonders harter Emaille vorgesehen, wobei bei Stahl als Schaufelwerkstoff die Arbeitstemperatur von 850°C benannt wird. Gefügeveränderungen sollen durch das lokale Einbringen der Wärme durch Induktion begrenzt werden.
In der Praxis hat sich dieses Beschichtungsverfahren nicht durchgesetzt, da die Produktivität nicht ausreichend ist. Hinzu kommt ein zusätzlicher apparativer Aufwand und eine inhomogene Beschichtung.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Beschichtungssystem zu entwickeln, das bei hoher Produktivität die Chrom-6-oxid enthaltene Beschichtung ablöst und mit dem höhere Standzeiten realisierbar sind, so dass Beschichtung und Austausch von Kompressorschaufeln den Heißgasteilen in Bezug auf die Betriebsstunden nahezu angeglichen werden.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Verfahrensanspruches 1. Anspruch 13 betrifft die Verwendung für Teile im Heizgasbereich z. B. Abgasteile. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Beschichtung von Schaufeln von Turbinen aller Art sowie von Kompressoren und Propellern jeweils aus Stahl sieht vor, dass mindestens eine niedrig schmelzende Keramik auf Silikat- und Oxidbasis unter Zusatz von mindestens Aluminiumpartikeln als Slurries auf die zu beschichtenden Schaufeln oder Teilen von Schaufeln aufgespritzt oder durch Tauchen aufgebracht wird, nach einer Lufttrocknung über eine Zeit von 20 - 30 Minuten ein Einbrennen in einem Ofen bei Temperaturen zwischen 500°C - 550°C über eine Mindestzeitdauer von 5 - 10 Minuten vorgenommen wird und abschließend eine Luftabkühlung erfolgt.
Der Vorgang ist wiederhohlbar mindestens unter Einhaltung der Einbrenntemperatur, so dass nach einer Basiscoat eine Topcoat aufgebracht werden kann.
Vorteilhafterweise wird der Stahlwerkstoff vor dem Aufbringen der Basiscoat gestrahlt, um ihn aufzurauen.
Durch die Temperaturbegrenzung auf ca. 550°C bleibt die martensitische Gefügestruktur des Stahls der Schaufeln, vorzugsweise X20Cr13, in Bezug auf die Festigkeit und Elastizität erhalten.
Neben den Schaufeln oder Teilen davon können in die Beschichtung auch beschaufelte Leitscheiben und/oder Laufräder aus unlegierten Stählen einbezogen sein, ohne dass deren Demontage notwendig ist.
Ebenso können beschaufelte Rotoren beschichtet werden. Für diesen Fall sieht das Verfahren vor, dass ein mobiler Ofen um den Läufer montiert wird.
Die mit dem Verfahren erreichbaren Eigenschaften der Beschichtung fallen günstiger aus als bei dem bisherigen Verfahren mit Chrom-6-oxid:

Die gemittelte Rautiefe der Oberfläche der Beschichtung liegt bei 2 µm oder weniger, was sich positiv auf die Strömungsgeschwindigkeit auswirkt.
Die Haftzugfestigkeit der Beschichtung ist größer als 10 MPa.

Es lassen sich optimale Schichtdicken der Beschichtung zwischen 50 und 150 µm generieren, wobei das Schichtgewicht der Beschichtung zwischen 2 und 3 g/cm³ beträgt.
In bekannter Weise bilden die Aluminiumpartikel beim Einbrennen eine elektrisch leitfähige Schicht, die die Aufgabe einer Opferanode beim Korrosionsschutz übernimmt.
Nicht zu beschichtende Abschnitte der Schaufeln der Turbinen sowie der Kompressoren und Propeller werden bevorzugt durch Abkleben geschützt.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass in der Beschichtung Logos und/oder Farbkennungen abgebildet werden. Die Beschichtung kann dazu durchsichtig ausgebildet sein.
Natürlich ist das vorab beschriebene Verfahren auch zur Beschichtung von weiteren Oberflächen im Heißgasteilbereich anwendbar. Da es sich hier z. B. um Abgasteile handelt, sind die Anforderungen an den Erhalt der Gefügestruktur nicht so hoch anzusetzen wie bei den Schaufeln, so dass auch Keramiken bei 700°C - 800°C verarbeitbar sind. Dies erfolgt im Ofen oder bei Großteilen durch Flammspritzen oder Lichtbogenspritzen.
Die Erfindung soll anhand der Zeichnung erläutert werden.
Die 1 zeigt die wesentlichen Verfahrensschritte bei einem einmaligen Beschichten der Schaufeln 1 - hier demontiert.
Im Verfahrensschritt A werden die demontierten Schaufeln 1 nach dem Aufrauen des Stahls durch Abstrahlen mit dem Fuß in ein palettenartiges Gestell 2 eingespannt. In diesem Gestell 2 durchlaufen die Schaufeln 1 dann die folgenden Arbeitsstationen.
Im Verfahrensschritt B erfolgt das Auftragen der Slurries aus niedrig schmelzender Keramik und mindestens Aluminiumpartikel durch aufspritzen. Ein gleichmäßiges Auftragen wird durch den Beschichter anhand des Spritzbildes sichergestellt.
Nach einer Lufttrocknung in einer Zeit von 20 - 30 Minuten im Verfahrensschritt C wird das Gestell 2 mit den Schaufeln 1 in einen vorzugsweise vorgeheizten Ofen 4 eingebracht und es erfolgt ein Einbrennen der Keramik mit den mindestens zugesetzten Aluminiumpartikeln im Verfahrensschritt D, bei einer Temperatur zwischen 500°C - 550°C über eine Mindestdauer von 5 - 10 Minuten.
Das Abkühlen der nunmehr beschichteten Schaufeln 1 erfolgt in der Luft, somit bei Temperaturen von 18°C - 30°C (Raumtemperaturen) im Verfahrensschritt E. Die Schaufeln 1 können nun entnommen und nach einer Qualitätskontrolle montiert werden.
Die Verfahrensschritte B - E werden wiederholt, wenn z. B. auf einer Basiscoat eine Topcoat aufgebracht werden soll.
Bezugszeichenliste

1: Schaufeln aus Stahl
2: Gestell
3: Spritzvorrichtung
4: Ofen

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 Patentliteratur

WO 2018/189380 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Beschichtung von Schaufeln (1) von Turbinen aller Art sowie von Kompressoren und Propellern jeweils aus Stahl, bei dem mindestens eine niedrig schmelzende Keramik auf Silikat- und Oxidbasis unter Zusatz von mindestens Aluminiumpartikeln als Slurries auf die zu beschichtenden Schaufeln (1) oder Teilen von den Schaufeln (1) aufgespritzt oder durch Tauchen aufgebracht wird, nach einer Lufttrocknung über eine Zeit von 20 - 30 Minuten ein Einbrennen in einem Ofen (4) bei Temperaturen zwischen 500°C - 550°C über eine Mindestzeitdauer von 5 - 10 Minuten vorgenommen wird und abschließend eine Luftabkühlung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlwerkstoff der zu beschichtenden Schaufeln (1) oder von Teilen der Schaufeln (1) gestrahlt wird, um ihn aufzurauen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte mindestens unter Einhaltung der Einbrenntemperatur wiederholt werden, um nach einer Basiscoat mindestens eine Topcoat aufzubringen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass neben den Schaufeln (1) oder Teilen davon in die Beschichtung auch beschaufelte Leitscheiben und/oder Laufräder ohne Demontage einbezogen sind.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein mobiler Ofen um den beschaufelten Läufer montiert wird, um das Einbrennen vorzunehmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gemittelte Rautiefe der Oberfläche der Beschichtung bei 2 µm oder weniger liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftzugfestigkeit der Beschichtung größer als 10 MPa beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Beschichtung bevorzugt zwischen 50 und 150 µm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtgewicht der Beschichtung zwischen 2 und 3 g/cm³ beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumpartikel beim Einbrennen eine elektrisch leitfähige Schicht bilden, die die Aufgabe einer Opferanode beim Korrosions- und Oxidationsschutz übernimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nicht zu beschichtende Abschnitte durch Abkleben geschützt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Beschichtung Logos und/oder Farbkennungen abgebildet werden.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 für die Beschichtung von Oberflächen im Heißgasteilebereich oder Beschichtung von Oberflächen im Heißgasteilebereich mit Keramiken ohne Aluminiumpartikel bei Temperaturen zwischen 700°C - 800°C im Ofen oder durch Flammspritzen oder Lichtbogenspritzen.