DE3781062T2

DE3781062T2 - Anstreifring mit keramischer verschleissschicht fuer eine turbine.

Info

Publication number: DE3781062T2
Application number: DE8787306972T
Authority: DE
Inventors: Thomas E Strangman
Original assignee: AlliedSignal Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1986-08-07
Filing date: 1987-08-06
Publication date: 1993-07-01
Anticipated expiration: 2007-08-07
Also published as: JPS6341603A; EP0256790A2; JP2652382B2; CA1273298A; DE3781062D1; US4764089A; EP0256790B1; EP0256790A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Turbinenkränze, welche mit isolierenden und abschleifbaren keramischen Beschichtungen überzogen sind, und auf ein Verfahren zum Herstellen solcher Kränze.
Fachleute wissen, daß der Wirkungsgradverlust einer Hochdruckturbine rasch anwächst, wenn sich der Spalt zwischen Schaufelspitze und Kranz entweder als Ergebnis der Abnützung der Schaufelspitze auf Grund einer Berührung mit dem Turbinenkranz oder auf Grund der Konstruktion zur Vermeidung einer Schaufelspitzenabnützung und des Abschleifens des Kranzes vergrößert. Luft hohen Druckes, welche zwischen den Spitzen der Turbinenschaufeln und dem Turbinenkranz hindurchströmt, ohne Arbeit zum Drehen der Turbine zu leisten, stellt offensichtlich einen Systemverlust dar. Wenn eine isolierende Kranztechnologie entwickelt werden könnte, um die Spalte an den Schaufelspitzen während der Lebensdauer der Turbine klein zu halten, würde sich eine Vergrößerung der Gesamtleistung der Turbine, eingeschlossen einer höheren Ausgansleistung bei geringeren Betriebstemperaturen, einer besseren Ausnützung des Brennstoffes, längerer Betriebslebensdauer und verminderten Anforderungen an die Kühlung des Kranzes ergeben.
Zu diesem Zwecke sind in der Gasturbinenindustrie Anstrengungen unternommen worden, abschleifbare Turbinenkränze zu entwickeln, um die Spaltgröße und die damit verbundenen Leckverluste zwischen den Schaufelspitzen und dem Turbinenkranz zu vermindern. Versuche der Industrie, abschleifbare keramische Kranzbeschichtungen herzustellen, bedeuteten im allgemeinen, eine Schicht von Ytteroxyd-stabilisiertem-Zirkonoxyd (YSZ) an ein hochlegiertes Kranzsubstrat unter Verwendung verschiedener Techniken anzulagern. Ein Weg ist es, ein hochlegiertes metallisches Gitter an einen hochlegierten Metallkranz aufzulöten. Die "Porenzwischenräume" in dem hochlegierten Gitter werden mit Zirkonoxyd gefüllt, das Füllpartikel enthält, um die Porosität zu kontrollieren. Diese Verfahren haben gewisse Probleme aufgezeigt, beispielsweise fällt Zirkonoxyd manchmal aus der hochlegierten Wabenstruktur aus, wobei sich die Wirksamkeit der Einschmelzung und die Isolationseigenschaften der keramischen Beschichtung verschiedentlich verschlechtern.
Ein weiterer zur Erzielung einer abschleifbaren keramischen Auskleidung oder Beschichtung für einen Turbinenkranz benützter Lösungsansatz bringt die Anwendung eines komplexen Systems mit sich, das typischerweise drei bis fünf Keramik- und Cermet-Schichten auf einer Metallschicht umfaßt, die an das hochlegierte Kranzsubstrat angelagert sind. Ein Hauptproblem bei dieser, einen graduellen Übergang der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von dem des Metalles bis zu dem der äußeren Zirkonoxydschicht anwendenden Lösung liegt darin, daß eine Oxydation der metallischen Komponenten des Cermet eine starke volumetrische Expansion und eine Zerstörung des sanften Gradienten der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Schichten ergibt. Der Endeffekt ist ein Absplittern des Zirkonoxyds, eine Verwindung des Kranzes, eine Veränderung des Spaltes zwischen Schaufelspitze und Kranz, ein Leistungsverlust und teure Reparaturen.
Eine andere, bisher verwendete Lösung liegt im wesentlichen in einer Kombination der beiden oben erwähnten Lösungsansätze, wobei eine Reihe von Haken des Substrates des hochlegierten Kranzes von Bereichen einwärts ragen, welche mit einem System einer YSZ/NiCrAlY-Qualität ausgefüllt sind. Bei diesem System haben sich Probleme mit der Oxydation des NiCrAlY innerhalb der Keramik und mit der Abschälung der Keramik vom Substrat herausgestellt, die ein Absplittern des YSZ verursachten. Ein weiteres Problem liegt darin, daß die hochlegierten Haken an den Schaufeln reiben, so daß die Abnützung der Schaufelspitzen hoch war, was zu einem raschen Leistungsverlust führte und die Notwendigkeit der Ersetzung des Kranzes und der Schaufeln mit sich brachte.
Die GB-A-2061397 beschreibt einen Gasturbinenmaschine mit einem metallischen Substrat und einer mechanisch angebrachten keramischen Versiegelungsschicht, die auf einer Bindezwischenschicht durch Plasmasprühen aufgebracht ist.
Ein weiterer Grund dafür, daß Auskleidungen für Turbinenkränze von Interesse sind, ist die keramischen Materialien innewohnende geringe thermische Leitfähigkeit. Die Isoliereigenschaften gestatten erhöhte Betriebstemperaturen der Turbine und führen zu verminderten Anforderungen an die Kranzkühlung.
Somit verbleibt also ein bisher unerfülltes Bedürfnis nach einer höchst zuverlässigen, abschleifbaren Keramikauskleidung oder -beschichtung für einen Turbinenkranz, bei der ein massives Absplittern der Keramik auf Grund der thermischen Belastung ebenso vermieden wird, wie Schwächungen auf Grund einer Oxydation metallischer Komponenten des Kranzes, und bei der das Abschleifen des Turbinenspitzenmateriales an der keramischen Kranzauskleidung minimalisiert wird.
Demgemäß ist es ein Ziel der Erfindung, eine verbesserte Hochdruck-Gasturbine zuschaffen, die zu einem Betrieb mit wesentlich höherem Wirkungsgrad über eine längere Lebensdauer als bisherige Gasturbinen im Stande ist.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine abschleifbare Turbinenkranzbeschichtung zu schaffen, welche verringerte Spalte zwischen Schaufelspitze und Kranz erlaubt und die daher einen wesentlich höheren Wirkungsgrad zur Folge hat.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, die Oxydationbeständigkeit eines abschleifbaren Turbinenkranzes zu erhöhen und ein massives Absplittern der Keramikschicht auf Grund hoher thermischer Spannung zwischen der Keramikschicht und dem hochlegierten Substrat des Turbinenkranzes zu vermeiden.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine abschleifbare Turbinenkranzauskleidung oder -beschichtung zu schaffen, die eine hohe Dichte an der Metallbindungsfläche und eine geringe Dichte und eine höhere Abschleifbarkeit an der Fläche des Gasströmungsweges ergibt.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine gegenüber Reibung tolerante keramische Turbinenkranzbeschichtung zu schaffen, welche die Anforderungen an die Kranzkühlung herabsetzt, die Spannungen am Kranz und an Befestigungseinrichtungen, und damit die Kranzverwindung, vermindert, die Leckverluste minimiert und den Beginn der Schaufelspitzenabnützung verzögert.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, eine Isolierbeschichtung zu schaffen, bei der das Absplittern von einem Substrat vermieden wird, das starken Hochtemperaturschwankungen ausgesetzt ist.
Erfindungsgemäß ist ein mit einer Auskleidung versehener Turbinenkranz vorgesehen, der ein Kranzsubstrat aufweist, dessen Innenfläche mit einer Schicht aus Keramikmaterial ausgekleidet ist, und der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Innenfläche des Substrats mit einer Reihenanordnung von Oberflächenunstetigkeiten ausgebildet ist, von denen eine jede eine Steilkante aufweist, wobei die keramische Schicht eine Mehrzahl von abgeschatteten Zwischenräumen umfaßt, von denen jeder abgeschattete Zwischenraum einen Bereich lose gebundener Partikel des Keramikmateriales und/oder einen unausgefüllten Bereich besitzt und sich von der jeweiligen Steilkante aus durch einen wesentlichen Teil der Stärke der Keramikschicht erstreckt.
Die abgeschatteten Zwischenräume unterteilen die Keramikschicht, um das Absplittern zu minimieren, indem sie Belastungen und Spannungen innerhalb der Keramikschicht aufnehmen, und die Oberfläche ist abreibbar.
Die Reihenanordnung von Oberflächenunstetigkeiten kann regelmäßig oder unregelmäßig sein. Vorzugsweise sind die Unstetigkeiten in der Form einer Reihenanordnung von Stufen ausgebildet, wovon jede Stufe eine erste Fläche mit einem relativ geringen Gefälle und eine an die erste Fläche an einer Ecke anschließende zweite Fläche aufweist, die eine annähernd vertikale Neigung aufweist und damit die Steilkante bildet, wobei die jeweiligen Stufen voneinander durch eine Reihenanordnung einander kreuzender Nuten innerhalb der Innenfläche dem Kranzes getrennt sind. Vorzugsweise ist jede Stufe eine Schrägstufe, wobei die Maximalhöhe annähernd 200 Mils (5mm) beträgt, wogegen die Maximaltiefe der Nuten ebenfalls annähernd 200 Mils (5mm) ausmacht. Vorzugsweise hat jede der ersten Flächen eine untere Kante, die an eine untere Kante der zweiten Fläche einer anderen Stufe anschließt.
Vorzugsweise erstreckt sich jeder der abgeschatteten Zwischenräume über die gesamte Länge einer Ecke einer Stufe oder Nut. Bevorzugt hat das Kranzsubstrat kreisförmige Querschnitte, und jede der Nuten liegt in einer gesonderten Ebene, die eine Achse der kreisförmigen Querschnitte schneidet. Somit schafft die Erfindung gemäß einer Ausführungsform eine abschleifbare Beschichtung samt Kranzsubstrat eines Turbinenkranzes, wobei die Reihenanordnung von Stufen an der Innenfläche des Kranzsubstrates vorgesehen und eine unterteilte Beschichtung auf den Stufen derart angeordnet ist, daß einander benachbarte Stufen voneinander durch abgeschattete Zwischenräume oder Lücken segmentiert sind, welche sich von den Stufen aufwärts zur Gänze oder nahezu durch die Beschichtung hindurch ausbreiten.
Die abgeschatteten Zwischenräume können durch Plasmasprühen von Keramikmaterial auf die Stufen unter einem Plasmasprühwinkel erzeugt werden, welcher die Beschichtung daran hindert, unmittelbar auf Steilflächen der Stufen abgelagert zu werden, die im beschriebenen Ausführungsbeispiel Schrägstufen sind. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden parallele, kreisförmige Längsnuten und Schrägstufen mit denselben oder ähnlichen Höhen oder Tiefen an der Innenfläche des Kranzsubstrates (durch Bearbeiten, Gießen etc.) gebildet. Abgeschattete Zwischenräume breiten sich während des Ablagerns nach oben hin in die Beschichtung aus und segmentieren einander benachbarte Stufen voneinander.
Die Keramikschicht kann am Substrat über eine Bindeschicht angebracht werden, die aus NiCrAlY zusammengesetzt ist. Das Keramikmaterial ist vorzugsweise Zirkonoxyd, beispielsweise Ytteroxyd-stabilisiertes Zirkonoxyd. Vorzugsweise ist die Bindeschicht weniger als etwa 0,1 inch (2,5mm) dick, wobei die Keramikschicht weniger als annähernd 0,5 inch (12,7mm) dick ist. Noch mehr bevorzugt ist es, wenn die Bindeschicht annähernd 3-5 Mils (0,076 bis 0,127mm) dick ist, und wobei die Keramik annähernd 40 bis 60 Mils (1,0 bis 1,5mm) dick ist.
Deshalb wird vorzugsweise nach einem entsprechenden Reinigungsvorgang eine dünne Schicht von Bindematerial auf die Schrägstufen plasmagesprüht. Das Keramikmaterial wird dann auf die Metallbindeschicht unter einem Ablagerungswinkel plasmagesprüht, der die Ausbildung der abgeschatteten Zwischenräume verursacht. Die Metallbindeschicht ist vorzugsweise aus NiCrAlY (oder einer anderen geeigneten oxydationsfesten Metallschicht) zusammengesetzt, wogegen die Keramikschicht vorzugsweise aus Ytteroxyd-stabilisiertes Zirkonoxyd zusammengesetzt ist.
Die bevorzugte Höhe der Schrägstufen ist 20 Mils (0,51mm) und der bevorzugte Sprühwinkel für das Plasma ist 45 Grad, woraus eine Höhe der abgeschatteten Zwischenräume von etwa dem Doppelten der Höhe der Schrägstufen, oder annähernd 40 Mils (1,0mm) resultiert. Die bevorzugte Dicke der Keramikschicht nach dem Bearbeiten zur Erzielung einer glatten zylindrischen Oberfläche ist etwa 50 Mils (1,27mm).
Vorzugsweise ist die frei liegende Fläche der Keramikschicht eine glatte Zylinderfläche.
Demgemäß kann die Erfindung in einem mit einer Auskleidung versehenen Kranz erblickt werden, der in Kombination aufweist: Ein Kranzsubstrat mit einer Innenfläche; eine Reihenanordnung von Oberflächenunstetigkeiten an der Innenfläche, von denen eine jede Oberflächenunstetigkeit eine Mehrzahl von Nuten aufweist, die eine Reihenanordnung von erhabener Bereiche voneinander trennen, und wobei jede Oberflächenunstetigkeit eine Steilkante aufweist; eine keramische, an den erhabenen Bereichen angebrachte Schicht; und eine Mehrzahl von abgeschatteten Zwischenräumen innerhalb der Keramikschicht, von denen jeder abgeschattete Zwischenraum sich von einer Steilkante aus durch einen wesentlichen Teil des Weges durch die Keramikschicht hindurcherstreckt und die Keramikschicht wirksam unterteilt.
Fehlanpassungsspannungen bei Wärmedehnungen zwischen dem Keramikmaterial und dem Substrat verursachen eine Ausbreitung von segmentierenden Ritzen von den Oberseiten der abgeschatteten Zwischenräume bis zur bearbeiteten Keramikfläche. Die abgeschatteten Zwischenräume nehmen so Fehlanpassungsspannungen bei Wärmedehnungen zwischen dem Metall und der Keramik auf und verhindern auf diese Weise massive Absplitterungen der Keramikschicht. Die Plasmasprühparameter werden so gewählt, um eine ausreichende Mikroporosität an der Außenfläche der Keramikschicht zu schaffen, um eine Abschleifbarkeit durch die Turbinenblattspitzen zu gestatten. Falls erforderlich, werden die Sprühparameter so gewählt, daß eine höhere Dichte an der Keramik-Metall-Grenzfläche als benötigt geschaffen wird, um eine entsprechende Haftung zu erhalten. Die Turbinenblattspitze kann gehärtet werden, um ein wirksames Abschleifen der Keramikfläche zu erreichen und damit einen sehr engen Spalt zwischen Radkranz und Schaufelspitze zu erzielen, ohne daß Schaufelmaterial auf die Keramikschicht gestrichen wird. Damit wird ein hoher Wirkungsgrad und ein Turbinenbetrieb mit geringen Verlusten ohne dem Risiko des Absplitterns der Keramik auf Grund der thermischen Belastung erzielt.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf eine Gasturbine, die ein Kranzsubstrat mit einer Innenfläche umfaßt; einer Reihenanordnung erhabener Bereiche an der Innenfläche, von denen jeder erhabene Bereich eine Steilkante aufweist; einer Reihenanordnung von Nuten zwischen den jeweiligen erhabenen Bereichen, welche die jeweiligen erhabenen Bereiche voneinander trennen; einer an der Innenfläche angebrachten Schicht aus Keramikmaterial, wobei die Reihenanordnung von Nuten die Innenfläche wirksam unterteilt; einer Mehrzahl von abgeschatteten Zwischenräumen in der Keramikschicht, von denen jeder abgeschattete Zwischenraum sich von einer Steilkante über einen wesentlichen Teil des Weges durch die Keramikschicht hindurch erstreckt, wobei die Schicht aus Keramikmaterial und die abgeschatteten Zwischenräume darin eine unterteilte, abschleifbare, keramische Turbinenkranzauskleidung bilden; einer Mehrzahl von Turbinenschaufeln, die von der unterteilten, abschleifbaren, keramischen Turbinenkranzauskleidung umgeben sind; und gehärteten, an der äußeren Spitze einer jeden der Turbinenschaufeln angeordneten Einrichtungen zum Abschleifen der Hauptfläche der Keramikschicht.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines ausgekleideten Turbinenkranzes vorgesehen, das die Auskleidung eines Substrates mit einem Keramikmaterial umfaßt und dadurch gekennzeichnet ist, daß an der Innenfläche des Substrates eine Reihenanordnung von Unstetigkeiten einschließlich einer Reihenanordnung von einander kreuzenden Nuten gebildet wird, die eine Reihenanordnung von erhabenen Bereichen voneinander trennen, wobei jede Unstetigkeit eine Steilkante aufweist, und daß eine gleichmäßige Ablagerung von Keramikmaterial auf der Innenfläche in einer Visierlinie unter einem Sprühwinkel durchgeführt wird, der das Keramikmaterial daran hindert, direkt auf den Steilkanten abgelagert zu werden, so daß beim Ablagern eine Mehrzahl von abgeschatteten Zwischenräumen in der Keramikschicht gebildet werden, wovon jeder abgeschattete Zwischenraum einen Bereich lose gebundener Partikel des Keramikmateriales und/oder einen unausgefüllten Bereich besitzt und sich von der jeweiligen Steilkante aus durch einen wesentlichen Teil der Keramikschicht erstreckt und die Keramikschicht unterteilt.
Das Verfahren kann die Bearbeitung einer größeren freien Oberfläche der Keramikschicht beinhalten, um eine glatte innere Keramikfläche zu schaffen. Vorzugsweise umfaßt das Verfahren die Anbringung einer Schicht von Bindematerial an der Innenfläche des Kranzsubstrates, um jeden der erhabenen Bereiche vor dem Ablagern des Keramikmateriales zu beschichten. Bevorzugt werden sowohl die Bindeschicht, wie auch die Keramikschicht durch Plasmasprühen aufgebracht. Das Plasmasprühen des Keramikmateriales kann eine ausreichend hohe Mikroporosität in der Keramikschicht hervorrufen, daß die Keramikschicht durch die Spitzen der Turbinenschaufeln während des Betriebes der Turbine abschleifbar sind. Das Plasmasprühen des Keramikmateriales kann einen geringeren Grad an Mikroporosität als an der Außenfläche der Keramikschicht in jenem Teil der Keramikschicht hervorrufen, der den Schrägstufen benachbart ist, wodurch eine Kombination hoher Abschleifbarkeit der Außenfläche der Keramikschicht und einer hohen Anhaftung der Keramikschicht an den ersten Flächen der Stufen geschaffen wird.
Das Verfahren kann auch das Drehen einer Mehrzahl von Turbinenschaufeln innerhalb des Kranzes umfassen, um einen genau vorherbestimmten Anteil an Keramikmaterial von der Keramikschicht abzuschleifen, um einen genauen Minimalspalt zwischen den Spitzen der Turbinenschaufeln und der Keramikschicht zu erzeugen. In einem solchen Falle kann es notwendig sein, eine gehärtete Beschichtung an der äußeren Spitze jeder der Turbinenschaufeln vorzusehen, die zum Abschleifen der Keramik fähig ist, ohne hochlegiertes Metall der Turbinenschaufeln auf die Keramik aufzustreichen.
Demgemäß weist ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen eines Gasturbinenkranzes folgende Schritte auf: Schaffung eines Kranzsubstrates mit einer glatten Innenfläche; Bilden einer Reihenanordnung von Stufen an der Innenfläche, so daß jede Stufe eine erste Fläche mit einem geringen Gefälle und eine an die erste Fläche an einer Ecke anschließende zweite Fläche mit einer annähernd vertikalen Neigung aufweist, und ebenso Bilden einer Reihenanordnung von einander kreuzenden Nuten, die die Stufen voneinander trennen; Durchführen einer gleichmäßigen Ablagerung von Keramikmaterial über die Stufen in einer Visierlinie unter einem Sprühwinkel, der die Keramik daran hindert, direkt auf den zweiten Flächen abgelagert zu werden, so daß beim Ablagern eine Mehrzahl von abgeschatteten Zwischenräumen in der Keramikschicht gebildet werden, wovon jeder abgeschattete Zwischenraum sich von einer Kante der Stufe aus durch einen wesentlichen Teil der Keramikschicht erstreckt; und Bearbeiten einer größeren freien Oberfläche der Keramikschicht, um eine glatte, zylindrische, konische oder toroidförmige keramische Innenfläche und so eine abschleifbare Keramikauskleidung an der Innenfläche des Kranzsubstrates zu schaffen.
Die Erfindung mag auf verschiedene Weise in die Praxis umgesetzt werden, und einige Ausführungsbeispiele werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
Fig. 1 ein Turbinenkranzsubstrat zeigt;
Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Kranzsubstrates der Fig. 1 ist, die das Muster aus Schrägstufen und isolierenden Längsnuten an seiner Innenfläche veranschaulicht;
Fig. 2A ein Schnitt nach der Schnittlinie 2A-2A der Fig. 2 ist;
Fig. 2B ein Schnitt nach der Schnittlinie 2B-2B der Fig. 2 ist;
Fig. 3 ein der Fig. 2A ähnliche, vergrößerter Querschnitt ist, der das Plasmasprühen einer NiCrAlY-Bindeschicht auf die Schrägstufen und Nuten darstellt;
Fig. 4 ein der Fig. 3 ähnlicher Querschnitt ist, der das Plasmasprühen einer einer Zirkonoxydschicht auf die NiCrAlY-Bindeschicht der Fig. 3 zeigt;
Fig. 5 ein der Fig. 3 ähnlicher Querschnitt ist, der die Struktur gemäß Fig. 4 nach dem Bearbeiten der oberen Fläche der Zirkonoxydschicht zu einer glatten Oberflächengüte veranschaulicht;
Fig. 6 ein Diagramm ist, das die Resultate von Versuchen darstellt, um die Höhe der abgeschatteten Zwischenräume als Funktion der Stufenhöhe und der Nutentiefe für verschiedene Keramikplasma-Sprühwinkel zeigt; und
Fig. 7 eine perspektivische Teilansicht ist, welche eine gehärtete Turbinenschaufelspitze zum Abschleifen der keramischen Turbinenkranzbeschichtung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Unter Bezugnahme nun auf die Fig. 1 wird die isolierende abschleifbare keramische Kranzbeschichtung auf einen Ring oder ein Ringsegment 1 mit metallischer (d.i. HS 25, Mar-M 509) oder keramischer (d.i. Siliziumnitrid) Hochtemperaturstruktur aufgebracht, der ein Muster von Schrägstufen und/oder Nuten an der zu beschichtenden Innenfläche 2 aufweist. In Abhängigkeit vom Strukturmaterial können die Stufen und Nuten durch die verschiedensten Verfahren, wie Bearbeiten, Elektroentladungsbearbeitung, elektrochemisches Bearbeiten und Laserbearbeitung, gebildet werden. Falls der Kranz durch ein Gießverfahren hergestellt wird, kann das Stufen- und Nutenmuster in das Gießmuster eingegliedert werden. Falls der Kranz durch einen Walzvorgang hergestellt wird, kann das Stufen- und Nutenmuster in die zu beschichtende Oberfläche eingewalzt werden. Falls der Kranz durch ein Pulververfahren hergestellt wird, kann das Stufen- und Nutenmuster in das Formwerkzeug eingearbeitet werden.
Als nächstes bezugnehmend auf die Fig. 2, 2A und 2B wird die Innenfläche des Turbinenkranzes 1 derart hergestellt, daß ein Gitter von Schrägstufen 3 geschaffen wird, das die gesamte Innenfläche 2 des Turbinenkranzes bedeckt. Die Länge 6 der Seiten jeder der Schrägstufen 3 beträgt annähernd 100 Mils (2,5mm). Die vertikale oder nahezu vertikale Kante 4 jeder Stufe ist angenähert 20 Mils (0,51mm) hoch, wie in Fig. 2A durch das Bezugszeichen 5 angegeben ist.
Die Seiten der Schrägstufen 3 werden durch fortlaufende, voneinander beabstandete und zueinander parallele V-Nuten 14 miteinander verbunden, die - gemessen von den Spitzen 4A der Schrägstufen - ebenfalls 20 Mils (0,51mm) tief sind. (Die Nuten brauchen jedoch nicht unbedingt V-förmig sein.) Nach einem herkömmlichen Schleifreinigungsvorgang wird eine dünne Schicht von oxydationsfestem Metallmaterial, wie NiCrAlY mit einer Zusammensetzung von 31 Teilen Chrom, 11 Teilen Aluminium, 0,5 Teilen Yttrium und dem Rest an Nickel, auf das Schrägstufensubstrat 1 plasmagesprüht, wie in Fig. 3 gezeigt ist, wodurch eine Metallschicht 8 gebildet wird. Dies erfolgt mittels einer Plasmaspritzpistole 10, die im Sinne der strichlierten Linie 12 unter einem Winkel 13 zu einer Bezugslinie 11 ausgerichtet ist, die annähernd normal zur Ebene des Substrates 1 (oder radial zu ihrer Gesamtkrümmung) liegt. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt der Sprühwinkel 13 etwa 15 Grad, um zu sichern, daß die vertikalen Wände 4 der Schrägstufen 3 und die mit 100 Mil (2,5mm) im Quadrat bemessenen Schrägstufen mit der Bindeschichtmaterial aus oxydationsfestem Metall (NiCrAlY) bedeckt wird, während das Kranzsubstrat mit gleichmäßiger Geschwindigkeit gedreht wird. Die Stärke der NiCrAlY-Bindeschicht 8 beträgt 3 bis 5 Mils (0,076 bis 0,127mm). Ein geeignetes Material für die NiCrAlY-Metall-Bindeschicht 8 wird von verschiedenen Lieferfirmen hergestellt, beispielsweise eine Chromlegierung.
Die NiCrAlY-Schicht 8 ergibt einen hohen Grad an Anhaftung an das Metallsubstrat 1, und die nachfolgende Schicht von stabilisiertem Zirkonoxyd-Keramikmaterial hochanhaftend an der NiCrAlY-Bindeschicht 8.
Danach wird eine Schicht von Ytteroxyd-stabilisiertem- Zirkonoxyd mit einer Stärke von etwa 50 Mils (1,27mm) von einer Pistole 15 auf die obere Fläche der NiCrAlY-Bindeschicht 8 plasmagesprüht, wie in Fig. 4 gezeigt ist, wobei das Kranzsubstrat mit gleichmäßiger Geschwindigkeit gedreht wird. Die Spritzrichtung ist durch die strichlierte Linie 16 angezeigt und nimmt einen Winkel 18 relativ zur Referenzlinie 17 ein, die senkrecht zur Tangentialebene auf das Kranzsubstrat 1 liegt. Gegenwärtig wurde ein Spritzwinkel von 45 Grad in der in Fig. 4 gezeigten Richtung ziemlich zufriedenstellend in der Verursachung "abgeschatteter Zwischenräume" oder Leerstellen 22 in der resultierenden Zirkonoxydschicht 19 befunden. Die Leerstellen ergeben sich, weil der Plasmaspritzwinkel 18 ausreichend groß ist, daß sich das aufgesprühte Zirkonoxyd nicht wirksam an den steil abfallenden Flächen 9 der Metallbindeschicht oder an einer der nahezu vertikalen Wände jeder der Nuten 14 ablagert oder anhaftet. Diese Art der Ablagerung wird als "Visierlinien"-Ablagerung bezeichnet. Somit baut sich ein hochinteger gebundenes Zirkonoxydmaterial auf den Schrägstufenflächen 8A der NiCrAlY-Metall-Bindeschicht 8 auf und haftet an ihnen, jedoch weder an-den beinahe vertikalen Flächen 9, noch an einer der nahezu vertikalen Wände jeder der Nuten 14. Dies wirkt sich in der Bildung jeweils abgeschatteter Zwischenräume aus, die aus Leerstellen und Bereichen von schwachem, relativ lose zusammengefügtem Keramikmaterial zusammengesetzt sind. Diese "abgeschatteten Zwischenräume" pflanzen sich nach oben über den größten Teil des Weges durch die Zirkonoxydschicht 19 fort, wobei sie die Schrägstufen von 100 Mil im Quadrat wirksam segmentieren.
Das Zirkoniumoxyd der oben angegebenen Zusammensetzung wird mit 8 Prozent Ytteroxyd stabilisiert, um die Bildung von Anteilen großen Volumens an Material monokliner Phase zu verhindern. Diese besondere Zirkonoxydzusammensetzung hat eine gute Belastungstoleranz bei Anwendung als Hitzeschildbeschichtung gezeigt. Die Segmentierung der Keramikschicht wird eine große Anzahl von Keramikzusammensetzungen für abschleifbare Kranzbeschichtungen potentiell brauchbar machen. Die Chromlegierungs-Forschung-und-Technologie kann die keramische Plasmasprühbeschichtung des Kranz es durchführen, indem dem Sprühwinkel von 45 Grad verwendet und die Plasmasprühparameter so gewählt werden, daß die Zirkonoxydbeschichtung mit einer spezifischen Mikroporosität aufgebracht wird, um eine gute Abschleifbarkeit zu sichern.
In Fig. 4 stellt das Bezugszeichen 25 die schließliche Konturlinie dar. Die gewellte Oberfläche 20 der Zirkonoxydschicht 19 wird anschließend bis zum Niveau der Bearbeitungslinie 25 hinunter bearbeitet, so daß die Innenfläche des abschleifbaren, keramikbeschichteten Turbinenkranzes gemäß der vorliegenden Erfindung glatt ist.
Im vorliegenden erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel besitzen die abgeschatteten Zwischenräume 22 eine Zwischenraumhöhe von annähernd 40 Mils (1,0mm), wie durch die Dimension 23 in Fig. 4 angezeigt ist.
Fig. 5 zeigt die endbearbeitete, glatte Innenfläche 25 der abschleifbaren, keramischen Kranzbeschichtung nach der vorliegenden Erfindung.
Es wurde eine Anzahl von Versuchen mit unterschiedlichen Zirkonoxyd-Plasmasprühparametern durchgeführt, um jeweils einen geeigneten Sprühwinkel, eine Abseitspositionsentfernung und Dicke der Zirkonoxydschicht zu bestimmen. Fig. 6 ist eine Darstellung, die die Höhe der abgeschatteten Zwischenräume als Funktion zur Stufenhöhe 5 (Fig. 2) zeigt. Die Versuche veranschaulichten, daß die Tiefen der V-förmigen Längsnuten 14 (Fig. 2) zumindest so groß sein sollten, wie die Stufenhöhe 5. In Fig. 6 entsprechen die Bezugszeichen 27, 28 und 29 jeweils Zirkonoxyd-Plasma-Sprühwinkeln 18 (Fig. 4) von 45 Grad, 30 Grad und 15 Grad. Die experimentellen Ergebnisse der Fig. 6 zeigen, daß die Höhen des abgeschatteten Zwischenraumes 22 (Fig. 4) annähernd proportional der Stufenhöhe und Nutentiefe, und auch abhängig vom Sprühwinkel 18 sind. In den durchgeführten Versuchen ergaben ein Sprühwinkel von 45 Grad und Stufenhöhen (und Nutentiefen) von 20 Mils (0,51mm) (die maximalen überprüften Werte) Höhen der abgeschatteten Zwischenräume von 40 Mils (0,1mm) oder größer, was angemessen war, um die gewünschte Segmentierung zu erzielen. Es wird erwartet, daß größere Sprühwinkel und größere Stufenhöhen eine wirksame Segmentierung von viel dickeren Isolierbarriereschichten und Kranzbeschichtungen, als oben beschrieben, ergeben werden.
Veränderungen der Entfernung der Plasmaspritzpistole von dem Substrat während des Plasmasprühens des Ytteroxyd-stabilisierten-Zirkonoxyds schienen die Höhe der abgeschatteten Zwischenräume für die untersuchten Bereiche nicht zu beeinflussen.
Um die oben beschriebene abschleifbare, segmentierte, keramische Turbinenkranzbeschichtung angemessen zu überprüfen, war es notwendig, die Spitzen der Schaufeln einer als Testfahrzeug verwendeten Turbinenmaschine zu verändern, indem die Schaufelspitzen erweitert und gehärtet wurden, um die Abnützung des Metalles der Turbinenschaufelspitzen an der Keramikkranzbeschichtung zu minimieren. In Fig. 7 besitzt die Schaufel 34 eine dünne Spitzenschicht 40 aus gehärtetem Material. Gehärtete Turbinenschaufelspitzen sind wohlbekannt und werden daher im einzelnen nicht beschrieben.
Eine Reihe von zwei Tests wurden mit der oben beschriebenen Struktur durchgeführt. Der erste Test schloß einige Betriebszyklen ein, die insgesamt etwa 25 Stunden ausmachten. Der Zweck dieses Tests war es, zu überprüfen, daß die Morphologie der segmentierten Keramikschicht allen thermischen Belastungen ohne Absplittern widerstehen und sich als hoch widerstandsfähig gegen die Erosion durch Gas hoher Geschwindigkeit bei Betriebstemperaturen erweisen würde.
Die Spalte waren genügend breit, um bei diesem anfänglichen Test ein Reiben zu vermeiden. Wie erwartet, gab es keinen Beweis für eine Gaserosion, und keinen Beweis für eine Absplitterung eines der Zirkonoxydsegmente von 100 Mil (2,5mm) im Quadrat, die durch die abgeschatteten Zwischenräume voneinander isoliert waren. Es gab auch keinen Beweis für eine Verwindung der metallischen Kranzstruktur.
Im zweiten Test wurden die Spalte zwischen Schaufelspitzen und Kranz verringert, um ein Reiben und Einschneiden in die Oberfläche der Zirkonoxydbeschichtung zu gestatten, um ihre Abschleifbarkeit zu überprüfen. Eine visuelle Überprüfung des keramikbeschichteten Kranz es nach diesem Test zeigte, daß er bis zu einer Tiefe von etwa 10 Mils (0,25mm) abgeschliffen war. Während des Schneidens wurde eine geopferte, die abrasiven Partikel enthaltende Schaufelspitzenbeschichtung aufgezehrt, und es schliff ein geringer Anteil an Schaufelspitzenmetall auf der abgeschliffenen Keramikbeschichtung. Das relativ starke Schleifen bewirkte keinerlei Absplittern, wodurch die überragende Belastungstoleranz der oben beschriebenen segmentierten, keramischen Turbinenkranzbeschichtung weiter unter Beweis gestellt worden war.
An der oben beschriebenen segmentierten, keramischen Turbinenkranzbeschichtung wurde gezeigt, daß sie den Wirkungsgrad einer Turbinenmaschine wesentlich erhöht, indem sie den Spalt und die damit verbundenen Leckverlustprobleme zwischen den Schaufelspitzen und dem Turbinenkranz vermindert.
Die oben beschriebenen Techniken gestatten die Ausbildung signifikant engerer ursprünglicher Spalte zwischen Schaufelspitzen und Kranz für eine verbesserte Maschinenleistung, und gestattet es, daß der Spalt über eine lange Betriebslebensdauer aufrecht erhalten bleibt, weil die Abschleifbarkeit der keramischen Deckschicht ein übermäßiges Abschleifen der Turbinenschaufelspitzen verhindert, was offensichtlich die Spalte rund um den gesamten Kranzumfang vergrößert (und damit auch die Verluste). Die Verwendung eines Keramikmateriales isoliert den Kranz und vermindert daher die Anforderungen an die Turbinenkranzkühlung, und vermindert die Kranz- und Befestigungsspannungen sowie die damit verbundene Kranzringverwindung, was alles die Leckverluste minimiert und den Beginn des Schaufelspitzenabriebes und den Verlust des Wirkungsgrades verzögert.
Ganz allgemein schafft die Erfindung dicke, segmentierte Keramikbeschichtungen, die auch für andere Anwendungen als die oben beschriebenen verwendet werden können, wo etwa die Abschleifbarkeit kein Erfordernis ist. Beispielsweise kann die beschriebene segmentierte Isolationsbarriere in Brennern von Turbinenmaschinen, in Kanalführungen zwischen Turbinenstufen, an Ausgangsauskleidungen und an Düsen od. dgl. angewandt werden. Die durch die vorliegende Erfindung geschaffene Segmentierung minimiert das Absplittern auf Grund thermischer Belastungen an der beschichteten Fläche.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf ein besonderes Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, werden Fachleute in der Lage sein, verschiedene Abänderungen der beschriebenen Struktur bzw. des Verfahrens durchzuführen, ohne aus dem Rahmen der Erfindung zu treten. Beispielsweise gibt es zahlreiche andere Keramikmaterialien als Zirkonoxyd, die verwendet werden könnten. Ferner gibt es zahlreiche andere Elemente als Ytteroxyd, welche zum Stabilisieren von Zirkonoxyd eingesetzt werden mögen. Obwohl in den bis nun untersuchten Zirkonoxydschichten eine einzige Mikroporosität gewählt worden ist, kann erwartet werden, daß eine erhöhte Mikroporosität durch weitere Veränderung der Plasmasprühparameter erhalten werden kann, wodurch eine zusätzliche Abschleifbarkeit erzielt wird. Falls erforderlich, kann auch eine abgestufte Mikroporosität durch Veränderung der Plasmasprühparameter vom Grunde der Zirkonoxydschicht bis zur Oberseite geschaffen werden, wodurch sich eine gute Abschleifbarkeit an der Oberseite und eine extrem starke Anhaftung an der NiCrAlY-Binde-Metallschicht am Grunde der Zirkonoxydschicht ergibt.
Weiterhin könnte eine weite Auswahl von anderen regelmassigen oder unregelmäßigen Stufenflächen oder Oberflächen-"Unstetigkeits"-Konfigurationen als Schrägstufen gemäß der beschriebenen Ausführungsform verwendet werden, die wegen der Gelegenheit, sie am konstruierten Prototypen zu formen, gewählt worden ist. Solange Stufen auf der Substratoberfläche oder Unstetigkeiten in der Substratfläche steile Kantenwände aufweisen, von deren Abschattungen sich Leerstellen während des Plasmasprühens bei einem weiten Sprühwinkel ausbreiten, so daß die keramische Auskleidung in kleine Abschnitte unterteilt wird, können solche Stufen oder Unstetigkeiten gebraucht werden. Eine Auswahl herkömmlicher Techniken kann zum Bilden der Stufen herangezogen werden, inklusive Ringwalzen, Gießen des Stufenmusters an der Innenfläche des Kranzsubstrates, elektrochemischer Bearbeitung und elektrischer Entladungsbearbeitung sowie Laserbearbeitung. Abwechselnde Streifen von Visier-Flammsprühverfahren und Verdampfungsablagerungsverfahren (z. B. Elektronenstrahlverdampfung/physische Verdampfungsablagerung) können ebenfalls Keramikbeschichtungen mit abgeschatteten Zwischenräumen aufbringen.
NiCrAlY ist nur eines von vielen möglichen oxydationsfesten Bindeschichtmaterialien, welche angewandt werden können. Alternative Materialien umfassen CoCrAlY, NiCoCrAlY, FeCrAlY und NiCrAlY. Nicht-hochlegierte Substrate, wie Substrate aus Keramik, rostfreiem Stahl oder feuerfestem Material können in der Zukunft verwendet werden. Eine Bindeschicht kann sogar unnötig werden, falls das Struktursubstrat eine genügende Oxydationsfestigkeit unter Betriebsbedingungen besitzt und falls eine ausreichende Anhaftung zwischen den Keramikbeschichtungen und dem strukturellen Metall- oder Keramiksubstrat erzielt werden kann.
Das Substrat braucht nicht aus einem hochlegierten Material zu bestehen; in einigen Fällen kann Keramikmaterial verwendet werden. Das Kranzsubstrat kann ein ganzer Zylinder sein, oder kann teilzylindrische Segmente umfassen. Der Ausdruck "zylindrisch", wie er hier verwendet wird, schließt sowohl vollständige Kranzsubstrate in Form eines Zylinders ein, als auch zylindrische Segmente, welche nach dem Verbinden Ende an Ende einen Zylinder bilden. Für Anwendungen an Radialturbinen kann der Kranz toroidförmig sein. Für einige Anwendungen kann der Kranz konisch sein.

Claims

1. Mit einer Auskleidung versehener Turbinenkranz (1) mit einem Kranzsubstrat, dessen Innenfläche (2) mit einer Schicht (19) aus Keramikmaterial ausgekleidet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche (12) des Substrats mit - einer Reihenanordnung von Oberflächenunstetigkeiten (3) ausgebildet ist, von denen eine jede eine Steilkante (4) aufweist, wobei die keramische Schicht (19) eine Mehrzahl von abgeschatteten Zwischenräumen (22) umfaßt, von denen jeder abgeschattete Zwischenraum (22) einen Bereich lose gebundener Partikel des Keramikmateriales und/oder einen unausgefüllten Bereich besitzt und sich von der jeweiligen Steilkante (4) aus durch einen wesentlichen Teil der Stärke der Keramikschicht (19) erstreckt.

2. Kranz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unstetigkeiten in der Form einer Reihenanordnung von Stufen (3) ausgebildet sind, wovon jede Stufe eine erste Fläche mit einem relativ geringen Gefälle und eine an die erste Fläche an einer Ecke (4A) anschließende zweite Fläche aufweist, die eine annähernd vertikale Neigung aufweist und damit die Steilkante (4) bildet, wobei die jeweiligen Stufen (3) voneinander durch eine Reihenanordnung einander kreuzender Nuten (14) innerhalb der Innenfläche des Kranzes getrennt sind.

3. Kranz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stufe (3) eine Schrägstufe ist.

4. Kranz nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich jeder der abgeschatteten Zwischenräume (22) über die gesamte Länge einer Ecke einer Stufe (3) oder Nut (14) erstreckt.

5. Kranz nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kranzsubstrat kreisförmige Querschnitte hat, und jede der Nuten (14) in einer gesonderten Ebene liegt, die eine Achse der kreisförmigen Querschnitte schneidet.

6. Kranz nach einem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine Bindeschicht (8), die die Keramikschicht am Substrat anheftet.

7. Kranz nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial Zirkonoxyd ist.

8. Kranz nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindeschicht aus NiCrAlY zusammengesetzt ist.

9. Verfahren zum Herstellen eines ausgekleideten Turbinenkranzes, das die Auskleidung eines Substrates mit einem Keramikmaterial umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenfläche (2) des Substrates eine Reihenanordnung von Unstetigkeiten einschließlich einer Reihenanordnung von einander kreuzenden Nuten (14) gebildet wird, die eine Reihenanordnung von erhabenen Bereichen (3) voneinander trennen, wobei jede Unstetigkeit eine Steilkante (4) aufweist, und daß eine gleichmäßige Ablagerung von Keramikmaterial auf der Innenfläche in einer Visierlinie unter einem Sprühwinkel (18) durchgeführt wird, der das Keramikmaterial daran hindert, direkt auf den Steilkanten (4) abgelagert zu werden, so daß beim Ablagern eine Mehrzahl von abgeschatteten Zwischenräumen (22) in der Keramikschicht (19) gebildet werden, wovon jeder abgeschattete Zwischenraum (22) einen Bereich lose gebundener Partikel des Keramikmateriales und/oder einem unausgefüllten Bereich besitzt und sich von der jeweiligen Steilkante (4) aus durch einen wesentlichen Teil der Keramikschicht (19) erstreckt und die Keramikschicht (19) unterteilt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Bearbeitung einer größeren freien Oberfläche der Keramikschicht (19), um eine glatte innere Keramikfläche (25) zu schaffen.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch die Anbringung einer Schicht von Bindematerial (8) an der Innenfläche des Kranzsubstrates, um jeden der erhabenen Bereiche vor dem Ablagern des Keramikmateriales zu beschichten.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Bindeschicht (8), wie auch die Keramikschicht (19) durch Plasmasprühen aufgebracht werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch Drehen einer Mehrzahl von Turbinenschaufeln (34) innerhalb des Kranzes, um einen genau vorherbestimmten Anteil an Keramikmaterial von der Keramikschicht (19) abzuschleifen, um einen genauen Minimalspalt zwischen den Spitzen (40) der Turbinenschaufeln (34) und der Keramikschicht (19) zu erzeugen.