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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Abdeckvorrichtungen.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf nicht haftende
Vorrichtungen, die nützlich
sind, um selektiv Teilbereiche eines Werkstücks abzudecken, während eine
Beschichtung auf dem Werkstück
aufgebracht wird, und Verfahren, um Vorrichtungen für solche Zwecke
zu bereiten.
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Hintergrund der Erfindung
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Gasturbinenmaschinen
werden seit langem verwendet, um chemische potentielle Energie in
der Form von Brennstoff in thermische Energie und dann in mechanische
Energie zur Verwendung beim Antrieb von Flugzeugen, bei der Erzeugung
von elektrischer Leistung, beim Pumpen von Fluiden, etc. umzuwandeln.
Die Effizienz von Gasturbinenmaschinen steigt mit ansteigenden Betriebstemperaturen.
Daher gibt es einen starken Anreiz, die Verbrennungs- und Abgastemperaturen
von solchen Maschinen zu steigern. Jedoch werden die metallischen
Materialien, die in den Komponenten in den heißen Abschnitten von solchen
Maschinen derzeit verwendet werden, bei Temperaturen betrieben,
die sich sehr nahe an den oberen Grenzen ihrer thermischen Stabilität befinden.
Tatsächlich
werden in den heißesten
Abschnitten von modernen Gasturbinenmaschinen metallische Marerialien
in den Heißgaspfaden
bei Temperaturen verwendet, die über
ihren Schmelzpunkten liegen. Diese metallischen Materialien überstehen solche
Temperaturen nur, da sie luftgekühlt
sind oder da sie keramische Beschichtungen aufweisen, die die thermische
Leitfähigkeit
der Komponente verringern und es damit ermöglichen, dass die Komponenten
bei höheren
Temperaturen betrieben werden und gleichzeitig weniger Kühlluft verwenden.
Solche keramischen Beschichtungen können zusätzlich oder alternativ Umgebungsschutz
für die
metallischen Komponenten gewährleisten
und die Komponenten dabei gegen oxidierende und korrodierende Auswirkungen
der heißen
Gase schützen,
die durchströmen oder
vorbeiströmen.
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Während des
Maschinenbetriebes sind die Strömungsprofil-
und die inneren Überbrückungsoberflächen der
Turbinenleitschaufeln direkt den heißen Gasen ausgesetzt und sind
daher für
beschleunigte Oxidation und Korrosion anfällig. Demgemäß wird üblicherweise
eine keramische Beschichtung auf die Strömungsprofilflächen und
die inneren Überbrückungsoberflächen dieser
Leitschaufeln aufgebracht. Im Gegensatz dazu sind die verbleibenden Oberflächen dieser
Leitschaufeln den heißen
Gasen nicht direkt ausgesetzt, und ein Beschichten dieser verbleibenden
Oberflächen
kann tatsächlich
nachteilig sein und die Ermüdungslebensdauer
der Befestigungsmechanismen und anderer hoch belasteter Bereiche
davon verringern. Daher werden diese verbleibenden Oberflächen üblicherweise
unbeschichtet gelassen.
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Vorrichtungen
werden oft verwendet, um die ausgewählten Teilbereiche der Leitschaufel
abzudecken, die nicht beschichtet werden. Jedoch tritt bei solchen
Vorrichtungen oft eine Brückenbildung
der keramischen Beschichtung, die auf die Leitschaufel aufgebracht
wird, zwischen der Leitschaufel und der Vorrichtung selbst auf.
Diese Brückenbildung
kann bewirken, dass ein Teil der keramischen Beschichtung von der
Leitschaufel absplittert oder zusätzliche keramische Beschichtung
an der Leitschaufel haftet, wenn die Leitschaufel aus der Vorrichtung
entfernt wird. In beiden Fällen
ist ein erheblicher Aufwand an Handarbeit oder Nacharbeit erforderlich,
um die Leitschaufel zur Verwendung in einer Gasturbinenmaschine
vorzubereiten.
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Es
wäre daher
wünschenswert,
Vorrichtungen zum selektiven Abdecken von Turbinenleitschaufeln
oder anderen Werkstücken
vor dem Beschichten ihrer nicht abgedeckten Teilbereiche zur Verfügung zu
haben. Weiterhin wäre
es wünschenswert,
Vorrichtungen zu haben, die das Beschichten von solchen Werkstücken ermöglichen,
ohne dass eine Brückenbildung
der Werkstückbeschichtung zwischen
der Vorrichtung und dem Werkstück
während
des Aufbringens einer Werkstoffbeschichtung auftritt. Es wäre besonders
wünschenswert,
solche Vorrichtungen nicht haftend bezüglich der Werkstoffbeschichtung
zu haben, die auf dem Werkstück
aufgebracht wird, so dass weniger Handarbeit und/oder Nacharbeit
als derzeit erforderlich notwendig wäre.
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Eine
Metallmaske zur Verwendung bei gedruckten Leiterplatten ist in
JP 2004 167713 A offenbart.
Ein Verfahren zum Abdecken von Turbinenkomponenten ist in
US 6,579,567 offenbart.
Die Behandlung einer Molybdän-Maske
ist in
US 4,603,056 offenbart.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Demgemäß werden
die im vorgenannten identifizierten Nachteile bestehender Abdeckvorrichtungen
durch Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung behoben, die sich auf Abdeckvorrichtungen
bezieht, die mit Bezug auf die Werkstückbeschichtung, die auf einem
darin befindlichen Werkstück
aufgebracht wird, nicht haftend sind, so dass eine Brückenbildung
der Werkstückbeschichtung
weniger wahrscheinlich zwischen der Vorrichtung und dem Werkstück auftritt,
womit der Umfang an Handarbeit und/oder Nacharbeit, der erforderlich
ist, nachdem das Werkstück
beschichtet ist, minimiert wird. Diese Vorrichtungen verwenden kontrollierte
mittlere Oberflächenrauhigkeiten,
um sicherzustellen, dass die Werkstückbeschichtung nicht an den
Vorrichtungen haftet, und kontrollierte Rockwellhärten, um
sicherzustellen, dass die Vorrichtungen diese gewünschten
Oberflächenrauhigkeiten
in den rauen, aggressiven Beschichtungsumgebungen über die Zeit
aufrecht erhalten können,
in denen sie verwendet werden.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt,
um ein darin befindliches Werkstück
selektiv abzudecken, wie in Anspruch 1 beansprucht.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt,
um eine Vorrichtung zu bereiten, um ein Werkstück während dem Auf bringen einer
Werkstückbeschichtung
selektiv abzudecken, wie in Anspruch 7 beansprucht.
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Der
Beschichtungsschritt kann das Aufbringen der Vorrichtungsbeschichtung
durch physikalische Dampfabscheidung, chemische Dampfabscheidung
oder jedes andere geeignete Vorrichtungsbeschichtungsverfahren aufweisen.
Der Behandlungsschritt kann das Härten zumindest der vorbestimmten
Oberflächen
der Vorrichtung mit einem Nitrierverfahren, einem Plattierungsverfahren
oder jedem anderen geeigneten Oberflächenbehandlungsverfahren aufweisen.
Die Vorrichtungsbeschichtung kann TiN, TiAlN oder jedes andere geeignete
Material aufweisen.
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Die
vorbestimmten Oberflächen
können
zumindest einen Teilbereich irgendwelcher Vorrichtungsoberflächen umfassen,
wo eine Brückenbildung von
Werkstoffbeschichtung zwischen der Vorrichtung und dem Werkstück auftreten
kann. Die vorbestimmten Oberflächen
können
zumindest irgendwelche Vorrichtungsoberflächen umfassen, die Werkstückbeschichtung
ausgesetzt sind, wenn das Werkstück beschichtet
wird. Diese Vorrichtungen sollten zur Verwendung in einem thermischen
Sprühverfahren imstande
sein. Diese Vorrichtungen können
aus Werkzeugstahl A2 hergestellt sein, der zumindest teilweise mit
TiN oder TiAlN beschichtet ist. Das Werkstück kann eine Gasturbinenmaschinenkomponente
sein.
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Weitere
Merkmale, Aspekte und Vorzüge
der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten im Verlauf der nun
folgenden Beschreibung klar, wobei auf die beigefügten Figuren
Bezug genommen wird, die einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung darstellen und worin gleiche Bezugszeichen gleiche Teile
in den Zeichnungen kennzeichnen.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Das
System und die Verfahren der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden
mit Bezug auf verschiedene Figuren beschrieben:
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1 ist
ein Schemadiagramm, welches eine Turbinenleitschaufel zeigt, wenn
beschichtet in einer beispielhaften Abdeckvorrichtung gemäß dieser
Erfindung; und
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2 ist
eine Explosionsdarstellung, die die Turbinenleitschaufel von 1 teilweise
in eine beispielhafte Abdeckvorrichtung gemäß dieser Erfindung eingeschlossen
zeigt.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Zum
Zwecke der Förderung
eines Verständnisses
der Erfindung wird nun auf einige bevorzugte Ausführungsformen
dieser Erfindung Bezug genommen, wie in den 1–2 dargestellt,
und Fachausdrücke
werden zu ihrer Beschreibung verwendet. Die hierbei verwendete Terminologie
dient der Beschreibung, nicht der Beschränkung. Spezielle strukturelle
und funktionelle Details, die hier offenbart werden, sollten nicht
als beschränkend
ausgelegt werden, sondern lediglich als eine Grundlage für die Ansprüche als
eine repräsentative
Grundlage, um einem Fachmann zu erläutern, die vorliegende Erfindung
in verschiedener Art und Weise zu verwenden. Jegliche Modifikationen
oder Variationen an den abgebildeten Strukturen und Verfahren und
solche weiteren Anwendungen der Prinzipien der Erfindung, wie sie
hier dargestellt sind, die normalerweise einem Fachmann einleuchten
werden, werden als innerhalb des Umfangs der Erfindung liegend betrachtet.
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Diese
Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen, die nützlich sind, um ausgewählte Teilbereiche eines
Werkstücks
während
des Aufbringens einer Werkstückbeschichtung
darauf abzudecken, und auf Verfahren zum Bereiten von Vorrichtungen
für solche Zwecke.
Diese Vorrichtungen verwenden eine kontrollierte mittlere Oberflächenrauhigkeit,
um die Vorrichtungen mit Bezug auf die Werkstückbeschichtungen, die auf darin
befindliche Werkstücke
aufgebracht werden, nicht haftend zu machen, was es weniger wahrscheinlich
macht, dass eine Brückenbil dung
der Werkstückbeschichtung
zwischen der Vorrichtung und dem Werkstück auftritt, und den Umfang an
Handarbeit und/oder Nacharbeit minimiert, der erforderlich ist,
nachdem das Werkstück
beschichtet ist. Diese Vorrichtungen verwenden auch kontrollierte
Rockwellhärten,
um sicherzustellen, dass die Vorrichtungen die gewünschten
Oberflächenhärten in den
rauen Beschichtungsumgebungen aufrechterhalten können, in denen sie verwendet
werden.
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Mit
Bezug auf 1 wird ein Schemadiagramm einer
Turbinenleitschaufel 10 gezeigt, wenn beschichtet in einer
beispielhaften nicht haftenden Abdeckvorrichtung gemäß dieser
Erfindung. Diese beispielhafte Turbinenleitschaufel 10 weist
ein Strömungsprofil 12,
eine innere Überbrückung 20,
die eine innere Oberfläche 22 und
eine Passfläche 24 aufweist,
und eine äußere Überbrückung 30 auf,
die eine innere Oberfläche 32 und
eine Passfläche 34 aufweist.
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Üblicherweise
werden nur das Strömungsprofil 12 und
die inneren Oberflächen 22, 32 beschichtet
(z. B. mit 7YSZ), während
die äußeren Oberflächen der
Turbinenleitschaufel unbeschichtet bleiben. Die Teilbereiche der
Leitschaufel, die nicht beschichtet werden müssen (d. h. Passflächen 24, 34,
etc.) werden üblicherweise
selektiv abgedeckt, bevor sie in einer Beschichtungsvorrichtung
platziert werden. Dies kann durch Verwendung einer Abdeckvorrichtung
erreicht werden. Wie vorher festgestellt, sind bestehende Abdeckvorrichtungen
nicht optimal. Jedoch bieten die Vorrichtungen dieser Erfindung
einen kostenwirksamen, arbeitssparenden Weg, ausgewählte Teilbereiche
einer Turbinenleitschaufel während
ihres Beschichtens abzudecken. Die nicht haftenden Abdeckvorrichtungen
gemäß dieser
Erfindung verringern die Bearbeitungszeit einer Turbinenleitschaufel
wesentlich durch Verringerung des Aufwands an Handarbeit und/oder
Nacharbeit, der erforderlich ist, um die Leitschaufeln zur Verwendung
in einer Gasturbinenmaschine vorzubereiten.
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Die
nicht haftenden Abdeckvorrichtungen dieser Erfindung können jede
geeignete Form oder jedes geeignete Format aufweisen, solange die
Vorrichtung in angemessener Weise verhindert, dass ausgewählte Teilbereiche
der Leitschaufel 10 oder eines anderen darin befindlichen
Werkstücks
beschichtet werden. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Vorrichtung
zwei Teile aufweisen: eine obere Vorrichtung 50 und eine
untere Vorrichtung 60, wie in 2 gezeigt.
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Die
obere Vorrichtung 50 kann ein konventionelles metallenes
Beschichtungsgehäuse
umfassen, das eine Endplatte 51 und vier Wände 52 aufweist,
die sich von der Endplatte erstrecken, um eine fünfseitige Umschließung mit
einem teilweise offenen Ende 53 entgegengesetzt der Endplatte 51 zu
bilden. Das teilweise offene Ende 53 kann eine Öffnung darin
aufweisen, die ausgelegt ist, im Wesentlichen bündig an ihrer äußeren Oberfläche mit
der inneren Oberfläche 22 der
inneren Überbrückung 20 zusammenzupassen.
Wenn die innere Überbrückung 20 der
Leitschaufel 10 in die obere Vorrichtung 50 eingebracht
ist, kann die obere Vorrichtung 50 auf jede geeignete Art
und Weise in der Position befestigt werden, wie z. B. durch eine
Feststellschraube 58.
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Die
untere Vorrichtung 60 kann auch ein konventionelles metallenes
Beschichtungsgehäuse
umfassen, das eine Endplatte 61 und vier Wände 62 aufweist,
die sich von der Endplatte erstrecken, um eine fünfseitiges Umschließung mit
einem teilweise offenen Ende 63 entgegengesetzt der Endplatte 61 zu bilden.
Das teilweise offene Ende 63 kann eine Öffnung darin aufweisen, die
ausgelegt ist, im Wesentlichen bündig
an ihrer äußeren Oberfläche mit
der inneren Oberfläche 32 der äußeren Überbrückung 30 zusammenzupassen.
In Ausführungsformen
kann die untere Vorrichtung 60 einen entfernbaren Teilbereich 64 aufweisen,
der von der unteren Vorrichtung 60 entfernt werden kann,
um ein einfacheres Einfügen
der äußeren Überbrückung 30 der
Leitschaufel 10 in die untere Vorrichtung 60 zu
ermöglichen. Wenn
die äußere Überbrückung 30 der
Leitschaufel 10 in die untere Vorrichtung 60 eingebracht
ist, kann der entfernbare Teilbereich 64 auf jede geeignete
Art und Weise ersetzt und in der Position befestigt werden, wie
z. B. über
eine Mutter und einen Bolzen 65 und eine Verankerungsvorrichtung 66.
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In
Ausführungsformen
haben vorbestimmte Oberflächen
an den Vorrichtungen dieser Erfindung eine mittlere Oberflächenrauhigkeit
von ungefähre
25 Ra, oder weniger und eine Rockwellhärte von mindestens ungefähr 65 bis
85 Rc oder mehr. Die vergleichsweise glatten Oberflächen minimieren
die Menge von Werk stückbeschichtung,
die an der Vorrichtung haftet und sich an ihr während des Beschichtens des
darin befindlichen Werkstücks
aufbaut, und die Härte
stellt sicher, dass die gewünschte
Oberflächenrauhigkeit/Glätte während der
wiederholten Verwendung der Vorrichtung in einer Werkstückbeschichtungsumgebung
beibehalten werden kann. Da diese Vorrichtungen mit Bezug auf die
Werkstückbeschichtung
nicht haftend sind, verhindern sie oder minimieren sie zumindest
Brückenbildung
der Werkstückbeschichtung
zwischen der Vorrichtung und dem Werkstück.
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Diese
vorbestimmten Oberflächen
umfassen zumindest Teilbereiche der Oberflächen, wo Brückenbildung der Werkstückbeschichtung
zwischen der Vorrichtung und dem Werkstück auftreten kann. In der gezeigten
Ausführungsform
enthält
dies zumindest diejenigen Teilbereiche der teilweise offenen Enden 53, 63,
die der darin befindlichen Leitschaufel 10 am nächsten sind.
Regulieren der mittleren Oberflächenrauhigkeit
und der Rockwellhärte
dieser vorbestimmten Oberflächen
macht es weniger wahrscheinlich, dass eine Brückenbildung der Werkstückbeschichtung
zwischen der Vorrichtung und dem darin befindlichen Werkstück auftritt.
Einige oder alle der anderen äußeren Oberflächen (d.
h. diejenigen Flächen,
die Werkstückbeschichtung
ausgesetzt sein können,
wenn das Werkstück
beschichtet wird – Wände 52, 62;
Endplatten 51, 61, etc.) können auch eine kontrollierte
mittlere Oberflächenrauhigkeit
und Rockwellhärte
aufweisen, um einen grösseren
Teil der Vorrichtung nicht haftend in Bezug auf die Werkstückbeschichtung
zu machen. Sogar die inneren Flächen
der Vorrichtungen könnten
eine kontrollierte Oberflächenrauhigkeit
und Härte
aufweisen, wenn dies gewünscht
wird. Es ist jedoch von größter Bedeutung,
die Oberflächen
zu regulieren, wo Brückenbildung
der Werkstückbeschichtung
auftreten kann.
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In
einigen Ausführungsformen
weisen nur die äußeren Oberflächen der
teilweise offenen Enden 53, 63 eine kontrollierte
Oberflächenrauhigkeit
und Härte
auf. In anderen Ausführungsformen
haben die äußeren Oberflächen der
teilweise offenen Enden 53, 63 und auch die äußeren Oberflächen der
Wände 52, 62 eine
kontrollierte Oberflächenrauhigkeit
und Härte.
In noch anderen Ausführungsformen
haben alle äußeren Oberflächen der
Vorrichtung, die Werkstückbeschich tung
ausgesetzt sind, eine kontrollierte Oberflächenrauhigkeit und Härte. Viele
andere Ausführungsformen
sind innerhalb des Umfangs dieser Erfindung ebenso möglich.
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Die
vorbestimmten Oberflächen
der Vorrichtung können
auf eine mittlere Oberflächenrauhigkeit von
ungefähr
25 Ra oder weniger auf verschiedene Arten bereitet werden, wie z.
B. durch manuelles Polieren der Oberflächen mit einer Schleifscheibe,
einem Streifenrad oder Schleifpapier oder auf jede andere geeignete
Weise.
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Wenn
die gewünschte
mittlere Oberflächenrauhigkeit
erreicht ist, kann eine Rockwellhärte von ungefähr 65 bis
85 Rc oder mehr zumindest an den vorbestimmten Oberflächen auf
verschiedene Weise erreicht werden. Falls die vorbestimmten Oberflächen der
Vorrichtung eine Rockwellhärte
von ungefähr
65 Rc aufweisen, funktionieren sie gut, halten jedoch wahrscheinlich
nicht so lange wie Oberflächen mit
einer Rockwellhärte
näher an
80 bis 85 Rc. In Ausführungsformen
kann die gewünschte
Härte durch
Aufbringen einer Vorrichtungsbeschichtung auf die vorbestimmten
Oberflächen
der Vorrichtung erreicht werden. In anderen Ausführungsformen kann die gewünschte Härte durch
Behandeln der vorbestimmten Oberflächen der Vorrichtung erreicht
werden. In noch anderen Ausführungsformen
kann die gewünschte
Härte durch
Herstellen der Vorrichtung aus einem Material erreicht werden, das
eine Rockwellhärte
von ungefähr
65 Rc oder mehr aufweist, so dass keine Oberflächenbeschichtung oder Oberflächenbehandlung
notwendig ist, um die Vorrichtungsoberflächen zu härten. Wie vorher festgestellt,
stellt das Regulieren der Härte
von zumindest den vorbestimmten Oberflächen der Vorrichtung sicher,
dass die gewünschte
Oberflächenrauhigkeit
während
der wiederholten Verwendung der Vorrichtungen beibehalten werden
kann und dabei die nicht haftenden Eigenschaften der Vorrichtung
beibehalten werden können.
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Eine
Vorrichtungsbeschichtung kann zumindest auf die vorbestimmten Oberflächen der
Vorrichtung aufgebracht werden, um diejenigen Oberflächen auf
eine Rockwellhärte
von ungefähr
65 bis 85 Rc oder mehr zu härten.
Bei der Verwendung einer Vorrichtungsbeschichtung kann die Vorrichtung
selbst aus jedem ge eigneten Material hergestellt sein, das hart
genug ist, um der Vorrichtungsbeschichtung strukturelle Unterstützung zu
gewährleisten,
so dass die Vorrichtungsbeschichtung nicht für Brechen, Absplittern oder
andere vorzeitige Versagensarten empfindlich ist. In Ausführungsformen
können
diese Vorrichtungen aus gehärtetem
Werkzeugstahl hergestellt sein, wie z. B. Werkzeugstahl A2. Vorzugsweise hat
das nicht beschichtete Vorrichtungsmaterial eine minimale Rockwellhärte von
ungefähr
45 Rc. Die Vorrichtungsbeschichtung kann jedes geeignete Material
umfassen, das die Vorrichtungsoberflächen ausreichend härtet, um
darauf die gewünschte
Oberflächenrauhigkeit
aufrechtzuerhalten. In Ausführungsformen
weist die Vorrichtungsbeschichtung TiN oder TiAlN auf. Die Vorrichtungsbeschichtung
kann jede geeignete Dicke haben und ist in Ausführungsformen ungefähr 3 bis
5 μm dick.
Diese Vorrichtungsbeschichtung kann auf jede geeignete Weise aufgebracht
werden, wie z. B. durch physikalische Dampfabscheidung ("physical vapor deposition", PVD) oder chemische
Dampfabscheidung ("chemical
vapor deposition",
CVD).
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Die
Härte der
vorbestimmten Oberflächen
an der Vorrichtung und die Härte
des darunter liegenden Materials, aus dem die Vorrichtung selbst
hergestellt ist, sind beide wichtig. Wenn eine Vorrichtungsbeschichtung
aufgebracht wird, ist es am besten, sie auf die härtest-möglichen
Oberflächen
aufzubringen, um die Lebensdauer der Vorrichtung zu maximieren.
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Oberflächenbehandlungen
können
auch verwendet werden, um zumindest die vorbestimmten Oberflächen der
Vorrichtung auf eine Rockwellhärte von
ungefähr
65 Rc oder mehr zu härten.
Wenn Oberflächenbehandlungen
verwendet werden, kann die Vorrichtung selbst aus jedem geeigneten
Material hergestellt sein, das hart genug ist, um auf eine Rockwellhärte von
ungefähr
65 Rc oder mehr mit Oberflächenbehandlungen
gehärtet
zu werden. In Ausführungsformen
können
diese Vorrichtungen aus gehärtetem
Werkzeugstahl, wie z. B. Werkzeugstahl A2, oder aus jedem anderen
Material, das eine minimale Rockwellhärte von ungefähr 45 Rc
aufweist, hergestellt sein. Solche Oberflächenbehandlungen können Nitrieren
und/oder Plattieren umfassen.
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Um
die Vorrichtungen dieser Erfindung zu verwenden, wird ein unbeschichtetes
Werkstück
in der Vorrichtung befestigt, so dass ausgewählte Teilbereiche des Werkstücks durch
die Vorrichtung abgedeckt werden. Wenn die Werkstückbeschichtung aufgebracht
wird, bleibt der Teilbereich des Werkstücks innerhalb der Vorrichtung
im Wesentlichen unbeschichtet.
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Bestehende
Vorrichtungen erfordern oft, dass große Spalte (manchmal bis zu
0,060 Zoll (1,52 mm)) zwischen der Vorrichtung und dem darin befindlichen
Werkstück
aufrechterhalten werden, so dass Brückenbildung der Werkstückbeschichtung weniger
wahrscheinlich auftritt. Diese großen Spalte ermöglichen
jedoch das Anhäufen
von wesentlichen Mengen von Querspray bzw. Übersprühmaterial auf Teilbereichen
des Werkstücks,
die unbeschichtet bleiben sollen (z. B. auf Passflächen 24, 34).
Einige eliminieren diesen Querspray durch Abkleben dieser unbeschichteten
Oberflächen
des Werkstücks
mit Hochtemperatur-Band vor dem Einbringen des Werkstücks in die
Vorrichtung. Andere eliminieren diesen Querspray durch Handbearbeitung
(d. h. mittels einer Schleifscheibe, einer Handschleifeinrichtung,
etc.) des Werkstücks,
um den Querspray von den beschichteten Werkstücken zu entfernen, wenn nötig. Jedoch
erzeugt eine solche Handbearbeitung oft weitere Absplitterungs-
und Mischprobleme, was dann weitere Nacharbeit (z. B. Ablösen der
Werkstückbeschichtung
von dem Werkstück
und dann nochmaliges Beschichten des Werkstücks) erfordert. Diese beiden
Maßnahmen
gegen das Querspray-Problem sind handarbeitsintensiv und erhöhen die
Durchlaufzeit für
die Werkstücke.
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Im
Gegensatz zu bestehenden Vorrichtungen ermöglichen die Vorrichtungen gemäß dieser
Erfindung viel kleinere Spalte, ungefähr 0,51 mm (0,020 Zoll), die
zwischen der Vorrichtung und dem darin befindlichen Werkstück eingehalten
werden. Dies verhindert oder minimiert den Querspray wesentlich,
der an Werkstücken
beim Beschichten auftritt, und verringert dabei wesentlich den Umfang
an Handarbeit und/oder Nacharbeit, die an einem beschichteten Werkstück ausgeführt werden
muss, bevor es für
seinen gewünschten
Zweck verwendet werden kann. Dies verbessert auch die Ausbeute,
erhöht
den Durchsatz und verringert die Durchlaufzeit für Werkstücke, die in den Vorrichtungen
gemäß dieser
Erfindung beschichtet werden.
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Diese
Erfindung umfasst auch Verfahren zum Bereiten von Vorrichtungen
zur Verwendung in jedem geeigneten Werkstückbeschichtungsverfahren, wie
z. B. thermischen Sprühverfahren,
wie z. B. Luftplasmasprühen
("air plasma spray", APS). Zuerst sollte
jede Oberfläche,
die ermöglichen
könnte,
dass Brückenbildung
der Werkstoffbeschichtung zwischen der Vorrichtung und dem darin
befindlichen Werkstück
auftritt, auf eine mittlere Oberflächerauhigkeit von ungefähr 25 Ra
oder weniger bereitet werden. Zusätzliche Vorrichtungsoberflächen oder
sogar alle Vorrichtungsoberflächen
können
auf diese mittlere Oberflächerauhigkeit
bereitet werden, wenn dies gewünscht
wird. Danach sollten die kritischen Oberflächen der Vorrichtung auf eine
Rockwellhärte
von zumindest ungefähr
65 Rc, bevorzugterweise ungefähr 80
bis 85 Rc, gehärtet
werden. Diese Härte
kann auf allen gewünschten
Vorrichtungsoberflächen
erstellt werden und kann sogar alle Vorrichtungsoberflächen enthalten.
Die kritischen Oberflächen
enthalten zumindest Teilbereiche von allen Oberflächen, die
ermöglichen
könnten,
dass Brückenbildung
der Werkstückbeschichtung
zwischen der Vorrichtung und dem darin befindlichen Werkstück auftritt.
Das Bereiten und Härten
der Oberflächen
auf diese Weise ermöglicht
das Beibehalten der gewünschten
Oberflächenrauhigkeit
in der rauen Werkstoffbeschichtungsumgebung, in der die Vorrichtungen
eingesetzt werden.
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Mehrere
Musterabdeckvorrichtungen wurden erzeugt und in einer thermischen
Sprühumgebung
getestet. Diese Vorrichtungen waren aus rostfreiem Stahl 340 in
einer ersten Ausführungsform
und aus Werkzeugstahl A2 in einer zweiten Ausführungsform hergestellt. Vorbestimmte
Oberflächen
der Vorrichtungen (z. B. die teilweise offenen Enden 53, 63, und
Teilbereiche der Wände 52, 62)
waren auf eine mittlere Oberflächenrauhigkeit
von ungefähr
25 Ra oder weniger durch Feinschleifen und Polieren bereitet. Danach
wurde eine Oberflächenbeschichtung, die
TiN aufweist, auf dem rostfreien Stahl 340 und dem Werkzeugstahl
A2 über
PVD im Vakuum bei ungefähr
454°C (850°F) für ungefähr 1,5 Stunden
aufgedampft. Diese Vorrichtungsbeschichtungen waren ungefähr 3 bis
5 μm dick.
Nachdem die Vorrichtungsbeschichtung aufgebracht worden war, hatten
die vorbestimmten Oberflächen
auf beiden dieser Vorrichtungen eine Rockwellhärte von ungefähr 83 Rc. Diese
Vorrichtungen wurden verwendet, um ausgewählte Teilbereiche von Turbinenleitschaufeln
während
des Luftplasmasprühens
einer 7YSZWerkstückbeschichtung
darauf abzudecken. Diese Vorrichtungen zeigten wesentliche Verbesserungen
gegenüber
bestehenden Vorrichtungen durch die erhebliche Verringerung der
Menge von Querspray, die an den Leitschaufeln auftrat, und verhinderten
weitestgehend die Brückenbildung
der Vorrichtungsbeschichtung zwischen der Leitschaufel und der Vorrichtung.
Dieses wiederum reduzierte den Umfang an Handarbeit und Nacharbeit
wesentlich, der erforderlich war, um diese Schaufeln zur Verwendung
in einer Gasturbinenmaschine vorzubereiten. Weiterhin wurden diese
Vorrichtungen für
ungefähr 250
Durchläufe
eingesetzt und funktionierten immer noch gut. Dies stellt eine wesentliche
Verbesserung der Lebensdauer im Vergleich zu bestehenden Vorrichtungen
dar.
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Wie
oben beschrieben, stellt diese Erfindung Vorrichtungen zur Verwendung
bei der Abdeckung von ausgewählten
Teilbereichen von Werkstücken zur
Verfügung,
so dass eine Werkstoffbeschichtung nur auf deren bestimmten Oberflächen aufgebracht wird.
In vorteilhafter Weise minimieren diese Vorrichtungen die Menge
von Werkstückbeschichtungsbrückenbildung,
die zwischen einer Vorrichtung und einem darin befindlichen Werkstück auftritt.
Zusätzlich minimieren
diese Vorrichtungen die Menge des Querspray, die an dem Werkstück auftritt.
Daher ist der Umfang an Handarbeit und/oder Nacharbeit, die an den
beschichteten Werkstücken
erforderlich ist, erheblich reduziert. Dies wiederum verbessert
die Verfahrensausbeute und verringert die Durchlaufzeiten. Diese
Vorrichtungen sind auch wesentlich haltbarer als bestehende Vorrichtungen.
All diese Vorzüge
machen die Vorrichtungen gemäß dieser
Erfindung sehr erstrebenswert. Viele andere Vorzüge leuchten Fachleuten in der
relevanten Technik ein.
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Verschiedene
Ausführungsformen
dieser Erfindung wurden zur Erfüllung
verschiedener Erfordernisse beschrieben, denen die Erfindung entspricht. Es
ist festzuhalten, dass diese Ausführungsformen lediglich die
Prinzipien von verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung veranschaulichen. Zahlreiche Modifikationen und Anpassungen
der Erfindung leuchten Fachleuten ein, ohne über den Umfang der vorliegenden
Erfindung hinauszugehen. Während
sich z. B. Ausführungsformen, die
hier beschrieben werden, auf Vorrichtungen beziehen, um Turbinenleitschaufeln
selektiv abzudecken und zu beschichten, können diese Vorrichtungen einfach
zur Verwendung bei der Abdeckung und Beschichtung vieler anderer
Gasturbinenmaschinenkomponenten (d. h. äußere Luftdichtungen von Schaufeln,
etc.) und/oder Komponenten für
zahlreiche andere Anwendungen angepasst werden. Diese Erfindung
ist nicht auf Vorrichtungen zum Abdecken und Beschichten von Gasturbinenmaschinenkomponenten
beschränkt.
Diese Vorrichtungen können
bei jedem geeigneten Beschichtungsprozess für die Aufbringung von jeder
Werkstückbeschichtung
verwendet werden, die hauptsächlich
mechanisch an das Werkstück
gebunden wird. Damit wird beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung
alle geeigneten Modifikationen und Variationen abdeckt, die im Umfang der
beigefügten
Ansprüche
enthalten sind.