DE2930465C2

DE2930465C2 -

Info

Publication number: DE2930465C2
Application number: DE2930465A
Authority: DE
Inventors: Robert Keith Cincinnati Ohio Us Betts; John Joseph Middletown Us Grisik; John William West Chester Ohio Us Zelahy
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-11-02
Filing date: 1979-07-27
Publication date: 1990-03-01
Also published as: JPS5564103A; IT1122253B; GB2033022A; US4257741A; IL57353A; IL57353A0; JPS6228282B2; FR2440466B1; GB2033022B; DE2930465A1; FR2440466A1; IT7924547A0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbinenschaufel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3. Eine derartige Turbinenschaufel und ein derartiges Verfahren sind aus der GB-PS 10 78 153 bekannt.

Eine Vielfalt von Turbomaschinen, wie Gasturbinen, die Axialverdichter oder -gebläse oder Bypassanordnungen aufweisen, benutzen Vorsprünge, wie Mittel- oder Spitzenmantelringe oder andere Dämpfungsmittel, um die Vibrationsbelastungen auf die Schaufeln zu reduzieren. Da benachbarte Oberflächen solcher Vorsprünge oder Mantelringe sich während des Maschinenbetriebes in direktem Kontakt befinden, tritt an den Kontaktpunkten eine Schlag- und eine Art von Gleitreibung auf, die manchmal als Adhäsionsabrieb bezeichnet wird. Es wird allgemein angenommen, daß der Adhäsionsabrieb aufgrund einer Kombination von Schlagen und Reiben geschehen kann, das eine wiederholte Wirkung des Fressens von der Art erzeugt, wie sie durch Vibrationsbelastung während des Betriebes der Gasturbine entsteht. Ein solcher Adhäsionsabrieb kann zwischen der Art von Vorsprüngen auftreten, wie sie oben erwähnt sind. Dabei soll der Begriff "Vorsprung" eine Vielfalt von Höckern oder Vorsprüngen auf einer Schaufel einschließen, die zumindest einen Teil eines Mantelringes, einer Plattform oder eines Dämpfungsteiles bilden.

Wie aus der eingangs genannten GB-PS 10 78 153 hervorgeht, wurden die Kontaktoberflächen zwischen solchen Teilen mit einem Überzug versehen, typischerweise aus Wolframkarbid in einem Binder, wie Kobalt, der durch Sprühen oder Elektroplattieren aufgebracht wurde. Es wurde jedoch festgestellt, daß während des Betriebes der Gasturbine mit einem solchen Überzug ein unerwünschtes Abspalten, Absplittern und Abreiben solcher Überzüge zur vorzeitigen Beschädigung des Vorsprunges führt, auf den er aufgebracht war. Es wurde ferner festgestellt, daß die Zusammensetzung und Struktur des Abriebmaterials während des Aufsprühens schwer kontrollierbar sein kann, um reproduzierbare Abriebeigenschaften aufrechtzuerhalten. Auch kann die Steuerung der Dicke und des Oberflächenbildes schwierig sein.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Turbinenschaufel und ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß ein Adhäsionsabrieb dauerhaft vermieden wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 3 gelöst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel ist im Patentanspruch 2 gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ein plättchenförmiger Preßling als diskretes Bauteil auf der stark beanspruchten Kontaktoberfläche der Turbinenschaufel befestigt wird. Dadurch wird ein verbesserter Adhäsionsabrieb und Schlagzähigkeit über lange Betriebszeiten erreicht.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Gasturbinenschaufel mit einem Mantelring in ihrer Mitte,

Fig. 2 eine vergrößerte Draufsicht auf die Schaufel nach Fig. 1 längs der Linien 2-2,

Fig. 3 eine Teilansicht der Schaufel nach Fig. 2 und

Fig. 4 einen graphischen Vergleich zwischen dem Abriebkissen nach der Erfindung und anderen Oberflächeneinrichtungen zur Vermeidung des Adhäsionsabriebes.

In den Fig. 1 bis 3 ist eine typische Schaufel 12 einer Gasturbine gezeigt, die zwei in der Schaufelmitte befindliche Mantelringvorsprünge 10 aufweist. Während des Betriebes sollen solche Mantelringe oder Vorsprünge an der Oberfläche 14 (Fig. 1) mit ähnlichen Vorsprüngen von benachbarten Schaufeln zusammenarbeiten, aneinanderliegen oder aneinanderpassen.

Um das durch Flammsprühen aufgebrachte Abriebschutzsystem auf WC-Basis auf Mantelringen in der Schaufelmitte, wie es in gewissen Gasturbinen benutzt wird, zu verbessern, wurde eine Vielfalt von Materialien einschließlich zusätzlich durch Flammsprühen aufgebrachter Materialien und gesinterter Abriebkissen 15 aus WC-Co untersucht. Anfängliche Tests vor den tatsächlichen Maschinentests wurden auf Proben in einer Vorrichtung ausgeführt, die Testoberflächen einer Kombination aus Schlagen und Reiben aussetzte und dabei eine wiederholende Aktion des Festfressens unter einstellbaren Parametern der Aufschlaggeschwindigkeit, der Reibungsverschiebung, des nominellen Kontaktdruckes und der Massentemperatur des Probekörpers für eine gegebene Anzahl von Schlag/Reibungszyklen erzeugte. In ersten Auswertungen wurde erkannt, daß Abriebkissen 16 in Form von im wesentlichen vollkommen dicht gesinterter Preßlinge aus WC-Co eine deutliche Verbesserung in der Kombination aus Beständigkeit gegenüber Adhäsionsabrieb und Schlagzähigkeit aufwiesen, verglichen mit der durch Flammsprühen hergestellten WC-Oberfläche. Dies ist in Fig. 4 durch die ausgezogenen Linien dargestellt. Die Erkenntnis der ungewöhnlichen Verbesserung in solchen Eigenschaften durch gesinterte Preßlinge führte zu einer zusätzlichen Auswertung der Zusammensetzung Wolframkarbid-Kobalt. In der folgenden Tabelle sind einige der bei der Auswertung erhaltenen Daten zusammengefaßt.

Tabelle

Eigenschaften verschiedener Grade von gepreßtem und gesintertem WC-Co

Die gepreßten und gesinterten WC-Co-Proben, aus denen die Daten der vorstehenden Tabelle gewonnen wurden, hatten eine Dichte im Bereich von 14,2-15,0 g/cm³, was anzeigt, daß sie im wesentlichen vollkommen dicht waren. Außerdem lag ihr thermischer Ausdehnungskoeffizient α über den beabsichtigten Betriebstemperaturbereich von bis zu etwa 205°C im Bereich von etwa 4,87 bis zu 5,4×10^-6 cm/cm/°C, was ihre Verträglichkeit mit dem Grundmetall anzeigt, mit dem sie verbunden waren (dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient beträgt 8,47×10^-6 cm/cm/°C). Bei dieser Probenserie bestand die Titanlegierung nominell aus 6 Gew.-% Aluminium, 4 Gew.-% Vanadium und als Rest Titan (Ti-6-4-Legierung), und diese Titanlegierung war das Grundmetall, an das die Proben hartgelötet wurden.

Ein Vergleich der Daten der Beispiele 3 und 5, für die die gleiche Zusammensetzung, aber Unterschiede hinsichtlich der Teilchengröße und Verteilkung sowie der Verarbeitung gelten, zeigt, daß das bevorzugte Ausführungsbeispiel mit mehr als 91 bis zu 95 Gew.-% WC und als Rest Co zu einer beträchtlich verbesserten Abriebbeständigkeit führt. Die Probenkissen aus dem WC-Co-Material wurden durch Induktionshartlöten mit Stützteilen aus der Ti-6-4-Legierung unter Verwendung eines Hartlotes aus einer Titanlegierung verbunden.

Nach der Feststellung der bevorzugten Nominalzusammensetzung von 94 Gew.-% WC, Rest Co mit einer verbesserten Kombination von Beständigkeit gegenüber Adhäsionsabrieb und Schlagzähigkeit wurden weitere Vergleiche mit modifiziertem, durch Flammspritzen aufgebrachtem WC-Co ausgeführt. Wie sich aus dem Vergleich der Eigenschaften nach Fig. 4 ergibt, lagen die beiden flammgespritzten Modifikationen B und C unterhalb der derzeit in Gasturbinen angewendeten Modifikation A, während die Modifikation D etwas besser war als das WC-Co-Kissen des Beispiels 3 und die Modifikation E etwas besser war als die Modifikation A, aber schlechter als das gepreßte und gesinterte Kissen. Obwohl der flammgespritzte Überzug D eine gute Abriebbeständigkeit aufwies, die äquivalent dem Preßling gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, zeigte er doch Brüche sowie den Abfall von Teilen und dies zeigt eine ungenügende Schlagbeständigkeit oder -zähigkeit an. Ein solcher Überzug wurde daher als ungeeignet als ein Kontaktoberflächenmittel auf einer Turbomaschinenschaufel angesehen, um sowohl Beständigkeit gegenüber Adhäsionsabrieb und Schlageinwirkung zu liefern.

Die gesondert hergestellten, im wesentlichen vollkommen dicht gesinterten Preßlinge auf der Grundlage von Karbiden, Nitriden und Boriden sind im Handel erhältlich, z. B. zur Verwendung als Schneidwerkzeug. Das Hartlöten solcher Teile an eine Turbomaschinenschaufel aus einer Titanlegierung ergab jedoch einige ernste Probleme. Diese Probleme beruhten zumindest teilweise auf der Veränderung der mechanischen Eigenschaften aufgrund des Erhitzens der Titanlegierung, z. B. der Ti-6-4-Art oberhalb ihrer β-Übergangstemperatur, z. B. von etwa 954-982°C. Die üblichen Hartlotverfahren erhitzen die gesamte Schaufel über diese Temperatur hinaus, obwohl solche höheren Temperaturen nur an der Verbindungsstelle erforderlich sind. Die Anwendung eines lokalisierten Aufheizverfahrens, wie das Präzisionsvakuum-Induktionserhitzen zur Lokalisierung der Anwendung der Hartlotwärme genau an dem gewünschten Bereich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erwies sich als geeignet, die nachteilige Wirkung des Erhitzens einer Titanlegierung oberhalb ihrer β-Übergangstemperatur auf einen Minimalwert zu halten.

Eine verwendbare Induktionsheizvorrichtung ist in der US-PS 40 12 616 beschrieben, auch wenn sie dort in etwas anderer Weise benutzt wird. Durch Lokalisieren des im wesentlichen vollkommen dichten, gepreßten und gesinterten WC-Co-Kissens 16 in Fig. 2 auf der Oberfläche 14 des Mantelringes nach den Fig. 1 und 2 mit einer Hartlotlegierung 18, die gemäß Fig. 2 zwischen dem Kissen 16 und der Oberfläche 14 angeordnet ist, können Induktionsheizspulen 20 um diesen Mantelring 10 so angeordnet werden, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, um die geeignete Wärme lokal auf den Bereich des Kissens 16 anzuwenden, um das Kissen 16 an die Oberfläche 14 hart zu löten. Durch die Anwendung eines solchen lokalisierten Heizverfahrens kann die Bildung der β-Struktur, die durch Erhitzen der Legierung beim Hartlöten des Kissens 16 auf die Oberfläche 14 über die β-Übergangstemperatur hinaus erfolgt, im wesentlichen auf den Bereich an der Spitze des Mantelringes 10 begrenzt werden, wobei die gestrichelte Linie 22 die etwaige Grenze angibt. Die Heiztemperatur hängt von der Auswahl der Hartlotlegierung ab, die zum Verbinden benutzt wird. Es sind viele Hartlote im Handel erhältlich. Auf diese Weise wurde ein Abriebkissen mit der Kombination der Eigenschaften Beständigkeit gegenüber Adhäsionshaftung sowie Schlagzähigkeit an der Kontaktoberfläche eines Schaufelvorsprunges angebracht, ohne die mechanischen Eigenschaften der Schaufel zu beeinträchtigen, an der der die Kontaktoberfläche tragende Vorsprung angebracht ist oder mit der er einteilig ausgebildet ist.

In einem spezifischen Beispiel wurde ein Kissen, das allgemein die bei 16 in den Fig. 2 und 3 gezeigte Gestalt aufweist, aus dem Material des Beispiels 3 durch Hartlöten auf die Mantelringoberfläche 14 der Ti-6-4-Legierung bei einer Temperatur von etwa 954°C im Vakuum unter Verwendung einer Titanhartlotlegierung angebracht. Das Kissen wurde durch eine nicht-dargestellte Halteeinrichtung an Ort und Stelle gehalten, und die Induktionsspulen wurden etwa wie in Fig. 2 gezeigt angeordnet. Das Ergebnis war ein durch Hartlöten an dem Schaufelvorsprung befestigtes WC-Co- Kissen, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.

Es wird angenommen, daß die im wesentlichen vollkommen dicht gesinterten Preßlinge nach der vorliegenden Erfindung eine Dicke von mindestens etwa 0,25 mm erfordern, um das Brechen während der Handhabung zu vermeiden. Eine Dicke von mehr als 1,5 mm ist wegen der Beständigkeit des benutzten Kissens gegenüber Adhäsionsabrieb und Schlag nicht erforderlich. Die untersuchten Kissen hatten vorwiegend eine Dicke von 0,5 mm.

Zum Testen in einer Gasturbine wurden Abriebkissen aus dem Material des Beispiels 3 hergestellt und mit Schaufelmantelringen in deren Mitte, wie oben beschrieben, verbunden. Visuelle Inspektionen wurden ausgeführt nach erstem Maschinenlauf und nach 25 und 50 Stunden. Nach dem Auseinanderbauen ergab die Inspektion ein ausgezeichnetes Aussehen. Die Kontaktflächen auf dem Kissen waren nur zu einem hellen glatten Aussehen poliert. Es gab kein Anzeichen von Lot- oder Kissenbrüchen bei 10facher Vergrößerung.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch andere Prozeduren zum lokalisierten Erhitzen angewandt werden, wie Hartlöten mit einem Schweißbrenner, Widerstandshartlöten, Lasererhitzen, Elektronenstrahlerhitzen usw.

Auch kann eine Vielzahl von Hartlotlegierungen in Form von Pulver, Folie usw. bei der Durchführung des Vakuuminduktionshartlötens unter Anwendung bekannter Verfahren zum Halten der Hartlotlegierung an Ort und Stelle benutzt werden. So wird z. B. hierfür häufig Acrylzement benutzt.

Die Hartlotlegierung und das jeweilige Material des Kissens wird in Abhängigkeit von den Bedingungen beim beabsichtigten Einsatz und dem Material der Schaufel, an dem das Kissen befestigt werden soll, ausgewählt.

Claims

1. Turbinenschaufel mit einem stromlinienförmigen Abschnitt und einem davon vorstehenden Vorsprung, der eine Kontaktoberfläche aufweist, die an einer Oberfläche eines benachbarten Teiles anliegt und ein Adhäsionsabrieb vermeidendes Abriebkissen aufweist, das eine verbesserte Kombination aus Beständigkeit gegenüber Adhäsionsabrieb und Schlagzähigkeit aufweist und das thermische Ausdehnungseigenschaften hat, die mit dem Vorsprung über den beabsichtigten Betriebstemperaturbereich verträglich sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Abriebkissen als plättchenförmiger, vollkommen dicht gesinterter Preßling aus mehr als 91 bis zu etwa 95 Gew.-% WC und als Rest Co besteht, eine Dicke von mindestens 0,25 mm aufweist und gesondert hergestellt ist.

2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abriebkissen aus etwa 94 Gew.-% WC und als Rest Co besteht.

3. Verfahren zum Herstellen der Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2 durch Befestigen eines Abriebkissens an der Oberfläche eines Vorsprungs von dem stromlinienförmigen Schaufelabschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß als Abriebkissen ein vollkommen dicht gesinterter Preßling hergestellt wird, das Abriebkissen auf der Kontaktoberfläche mit einer Schweißlegierung zwischen dem Abriebkissen und der Kontaktoberfläche in seiner Lage gehalten wird und dann das Abriebkissen und die Kontaktoberfläche verbunden werden, indem Induktionsheizspulen um den Vorsprung herum in der Nähe des Abriebkissens und der Kontaktoberfläche angeordnet werden und dann in Vakuum Wärme lokalisiert um das Abriebkissen und die Kontaktoberfläche durch die Induktionsheizspulen aufgebracht wird.