DE69402305T2 - METHOD FOR APPLYING AN ABRASIVE LAYER TO THE END OF A TURBINE BLADE - Google Patents
METHOD FOR APPLYING AN ABRASIVE LAYER TO THE END OF A TURBINE BLADEInfo
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Description
Diese Erfindung bezieht sich auf Schaufeln für Turbinen und Kompressoren, und insbesondere bezieht sie sich auf die Versiegelung von Schaufelspitzen.This invention relates to blades for turbines and compressors, and in particular it relates to blade tip sealing.
Es ist bekannt, an der Spitze einer Gasturbinenschaufel einen Spitzenbereich vorzusehen, der abrasive Teilchen aufweist, welche in eine Matrix eingebettet sind, wobei die Spitze gegen die Oberfläche eines Mantels aus einem Material laufen soll, welches weicher als die abrasiven Teilchen ist. Durch diese Anordnung ist es möglich, mittels der abrasiven Wirkung der Teilchen auf den Mantel einen Zwischenraum zwischen der Spitze und dem Mantel zu erzeugen, welcher sehr klein ist, wodurch Gasverluste minimiert werden. Bei einem speziellen Beispiel, bei welchem diese Techhik verwendet wird, umfaßt die Matrix als Hauptteil Kobalt und als geringere Anteile Chrom, Tantal und Aluminiumoxid, während das Auskleidungsmaterial des Mantels als Hauptteil Kobalt aufweist und als geringere Anteile Nickel, Chrom und Aluminium sowie eine kleine Menge Yttrium. Zum Herstellen solcher Spitzen wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen. Bei einem Beispiel wird der Matrixüberzug mittels Detonationsspritz- Beschichten hergestellt. Bei einem anderen Beispiel wird zuerst ein innerer Spitzenbereich aus hauptsächlich Nickel und Kobalt mit zusätzlichen Zusatzstoffen hergestellt, indem er als Einkristall gegossen wird, und der innere Spitzenbereich wird nach der Formgebung mittels Diffusion mit der Spitze des Schaufelkörpers verbunden. Der abrasive Bereich der Spitze wird dann auf dem inneren Spitzenbereich mittels Elektroabscheidung von alternierenden Lagen aus Chrom und Nickel um die abrasiven Teilchen herum gebildet. Der äußere Spitzenbereich kann dann aluminidiert werden, um eine Matrixlegierung aus NiCrAl zu erzeugen.It is known to provide a tip region at the tip of a gas turbine blade comprising abrasive particles embedded in a matrix, the tip being intended to run against the surface of a shroud made of a material which is softer than the abrasive particles. By this arrangement it is possible, by means of the abrasive action of the particles on the shroud, to create a gap between the tip and the shroud which is very small, thereby minimising gas losses. In a specific example in which this technique is used, the matrix comprises cobalt as a major part and chromium, tantalum and aluminium oxide as minor parts, while the lining material of the shroud comprises cobalt as a major part and nickel, chromium and aluminium as minor parts, and a small amount of yttrium. Various methods have been proposed for producing such tips. In one example, the matrix coating is produced by detonation spray coating. In another example, an inner tip region is first made of primarily nickel and cobalt with additional additives by casting it as a single crystal, and the inner tip region is bonded to the tip of the blade body by diffusion after forming. The abrasive region of the tip is then formed on the inner tip region by electrodeposition of alternating layers of chromium and nickel around the abrasive particles. The outer tip region can then be aluminided to produce a matrix alloy of NiCrAl.
In GB 2 241 506 wurde ein Verfahren zur Herstellung einer Gasturbinenschaufel mit einer abrasiven Spitze beschrieben, wobei ein Bindungsüberzug auf der Spitze des Schaufelkörpers mittels Elektroabscheidung hergestellt wird, wobei der Bindungsüberzug MCrAlY aufweist, wobei M mindestens ein aus Eisen, Nickel und Kobalt ausgewählter Stoff ist, grobe Teilchen aus einem abrasiven Material mittels Verbundelektroabscheidung aus einem Bad einer Plattierlösung, in welcher die abrasiven Teilchen suspendiert sind, mit dem Bindungsüberzug verbunden werden, und dann ein Füllstoff um die abrasiven Teilchen herum plattiert wird. Es stellte sich heraus, daß dieses Verfahren, dessen Schritte alle eine Metallplattierung sind und deshalb relativ kostengünstig und ohne weiteres steuerbar sind, eine sehr effektive abrasive Schaufelspitze erzeugt.GB 2 241 506 describes a process for producing a gas turbine blade with an abrasive tip, in which a bond coat is formed on the tip of the blade body by electrodeposition, the bond coat comprising MCrAlY, M being at least one selected from iron, nickel and cobalt, coarse particles of an abrasive material are bonded to the bond coat by composite electrodeposition from a bath of plating solution in which the abrasive particles are suspended, and then a filler is plated around the abrasive particles. This process, all of the steps of which are metal plating and therefore relatively inexpensive and readily controllable, has been found to produce a very effective abrasive blade tip.
Alle diese Verfahren zum Erzeugen von Schaufeln mit versiegelten Spitzen sind kostspielig und zeitaufwendig, und es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen von Schaufeln mit versiegelten Spitzen zu schaffen, welches billiger und befriedigender als die oben beschriebenen bekannten Verfahren ist.All of these methods for producing sealed tip blades are costly and time consuming and it is therefore an object of the present invention to provide a method for producing sealed tip blades which is cheaper and more satisfactory than the known methods described above.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Kompressor- oder Turbinenrotorschaufeln auf einer Kompressor- oder Rotorscheibe angebracht, und abrasive Spitzen werden auf den Spitzen der angebrachten Schaufeln mittels Elektroabscheidung oder stromloser Abscheidung erzeugt. Das Erzeugen der Spitzen auf den montierten Schaufeln hat verschiedene Vorteile, wobei der Hauptvorteil darin besteht, daß es möglich ist, verschiedene Herstellungsschritte auf den montierten Scheiben ohne nachfolgende Demontage auszuführen. Die gegenwärtige Praxis besteht darin, daß die Schaufeln auf der Scheibe montiert sind und die Schaufelspitzen bearbeitet werden, um eine ordnungsgemäß ausgewuchtete Scheibe zu erzeugen. Die Schaufeln werden dann markiert, von der Scheibe demontiert, auf einer Halterung montiert, mit Spitzen versehen, von der Halterung entfernt und dann in der gleichen Anordnung und den gleichen Positionen, die sie vorher einnahmen, wieder auf der Scheibe montiert. Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise wird einer der beiden Montageschritte Montage-auf-der-Halterung bzw. Aus-der-Halterung-lösen, das Markieren und die Demontage vermieden, und eine Unwucht aufgrund einer erneuten Montage der Schaufeln auf leicht unterschiedliche Weise oder in leicht unterschiedlichen Positionen, verglichen mit den vorher eingenommenen, wird verhindert.According to the present invention, compressor or turbine rotor blades are mounted on a compressor or rotor disk and abrasive tips are created on the tips of the mounted blades by means of electrodeposition or electroless deposition. Creating the tips on the mounted blades has several advantages, the main advantage being that it is possible to carry out various manufacturing steps on the mounted disks without subsequent disassembly. Current practice is for the blades to be mounted on the disk and the blade tips to be machined to produce a properly balanced disk. The blades are then marked, disassembled from the disk, mounted on a support, tipped, removed from the support and then remounted on the disk in the same arrangement and positions they previously occupied. By the procedure according to the invention, one of the two assembly steps, assembly on the bracket or release from the bracket, marking and disassembly are avoided, and an imbalance due to reassembly of the blades in a slightly different way or in slightly different positions compared to those previously assumed is prevented.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders für eine Spitzenbehandlung von Schaufeln geeignet, welche die in GB 2 241 506 beschriebenen Verfahren verwendet, bei welchen ein Bindeüberzug mittels Elektroabscheidung auf der Spitze einer jeden Schaufel erzeugt wird, grobe Teilchen eines abrasiven Materials mittels Verbundelektroabscheidung der Teilchen und eines Verankerungsüberzugs mit dem Bindeüberzug verankert werden und dann ein Füllmaterial um die Teilchen herum plattiert wird. Der Bindeüberzug kann MCrAlY umfassen, wobei M mindestens ein Stoff aus der von Eisen, Nickel und Kobalt gebildeten Gruppe ist. Der Verankerungsüberzug kann aus Kobalt oder Nickel oder MCrAlY, wie oben definiert, bestehen, und das Füllmaterial kann ebenfalls aus MCrAlY, wie oben definiert, bestehen.The method of the invention is particularly suitable for a tip treatment of blades using the methods described in GB 2 241 506 in which a bond coat is formed by electrodeposition on the tip of each blade, coarse particles of an abrasive material are anchored by composite electrodeposition of the particles and an anchor coat to the bond coat and then a filler material is plated around the particles. The bond coat may comprise MCrAlY, where M is at least one member selected from the group consisting of iron, nickel and cobalt. The anchor coat may consist of cobalt or nickel or MCrAlY as defined above and the filler material may also consist of MCrAlY as defined above.
Die Schaufeln werden mit Spitzen versehen, während sie auf einer Kompressor- oder Rotorscheibe montiert sind, wobei dieser Begriff Naben, Ringe und ähnliche Schaufelbefestigungselemente umfassen soll, welche Begriffe für im wesentlichen die gleichen Strukturen verwendet werden. Obschon es möglich ist, die Scheiben einzeln zu behandeln, können weitere Vorteile erzielt werden, indem zuerst eine Mehrzahl von Ringen zusammen montiert wird, um einen Teil eines Turbinen- oder Kompressor-Rotors oder einen ganzen Turbinen- oder Kompressor- Rotor zu bilden. Dies verringert wieder die erforderlichen Schritte und trägt dazu bei, die Auswuchtung zu erhalten.The blades are tipped while mounted on a compressor or rotor disk, which term is intended to include hubs, rings and similar blade attachment members, which terms are used for substantially the same structures. Although it is possible to treat the disks individually, further advantages can be achieved by first assembling a plurality of rings together to form part of a turbine or compressor rotor or an entire turbine or compressor rotor. This again reduces the number of steps required and helps maintain balance.
Verschiedene Teilchen können verwendet werden. Beispiele sind Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid und verschiedene Nitride, Silizide und Boride, wie sie auf dem Gebiet der abrasiven Teilchen bekannt sind. Das bevorzugte abrasive Material ist kubisches Bornitrid, vorzugsweise mit einer Teilchengröße zwischen 125 und 150 µm. Das Füllmaterial oder zumindest dessen oberer oder äußerer Bereich kann abrasive Teilchen mit einer Größe, die wesentlich kleiner als diejenige der abrasiven Hauptteilchen ist, beispielsweise etwa 20 µm, umfassen.Various particles may be used. Examples are zirconium oxide, aluminum oxide and various nitrides, silicides and borides as are known in the abrasive particle art. The preferred abrasive material is cubic boron nitride, preferably with a particle size between 125 and 150 µm. The filler material, or at least its upper or outer region, may comprise abrasive particles having a size substantially smaller than that of the main abrasive particles, for example about 20 µm.
Das MCrAlY des Bindeüberzugs, die Verankerungslage, falls diese MCrAlY ist, sowie das Füllmaterial, falls dieses MCrAlY ist, können unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen, wobei geeignete Beispiele in GB 2 167 446 B beschrieben sind. Die Elektroabscheidung kann durch unterschiedliche Formen von Vorrichtungen ausgeführt werden. Jedoch sind geeignete Formen von Vorrichtungen in GB 2 182 055 A und EP 0 355 051 A beschrieben. Dort sind Vorrichtungen beschrieben, welche einen Elektroplattiertank aufweisen, welcher mittels einer senkrechten Wand, welche sind von nahe dem Boden des Tanks nach oben bis gerade unter die Oberfläche der Lösung in dem Bad erstreckt, in zwei Zonen unterteilt ist. Gas wird in eine der Zonen eingelassen, um einen Lösungsstrom nach oben darin zu induzieren, wobei die Lösung mit den darin mitgerissenen Teilchen über den durch die obere Kante der Trennwand gebildeten Überlauf schwappt und in die zweite Zone hinabströmt, in welcher sich der zu überziehende Artikel befindet. Die letztere Patentschrift beschreibt ein Drehen des Artikels in einem Stop-Start- oder Schnell-Langsam-Zyklus.The MCrAlY of the bond coat, the anchor layer if MCrAlY and the filler material if MCrAlY may have different compositions, suitable examples being described in GB 2 167 446 B. Electrodeposition may be carried out by different forms of apparatus. However, suitable forms of apparatus are described in GB 2 182 055 A and EP 0 355 051 A. Therein, apparatus is described which comprises an electroplating tank which is divided into two zones by a vertical wall which extends from near the bottom of the tank upwards to just below the surface of the solution in the bath. Gas is admitted into one of the zones to induce a flow of solution upwards therein, the solution with the particles entrained therein spilling over the overflow formed by the upper edge of the partition and flowing down into the second zone in which the article to be coated is located. The latter patent describes rotating the article in a stop-start or fast-slow cycle.
Wenn das Füllmaterial aus MCrAlY besteht, d.h. es besteht aus Teilchen aus CrAlY in einer Metallmatrix, wird die Abscheidung des Füllmaterials vorzugsweise von einer Vibration der Anordnung, vorzugsweise in einer senkrechten Richtung, begleitet. Es wird angenommen, daß eine solche Vibration eine gleichmäßige Verteilung von CrAlY-Teilchen sicherstellt, insbesondere in denjenigen Bereichen, die durch das Hervorstehen von abrasiven Teilchen abgeschattet sind und sonst an Teilchen verarmt werden könnten. Die Frequenz der Vibration liegt vorzugsweise zwischen 10 Hz und 1 kHz, wobei der bevorzugte Wert etwa 50 Hz beträgt. Eine Spitzenbeschleunigung von bis zu 10 g wird bevorzugt. Es wird angenommen, da ein besonders gutes Resultat erzielt wird, indem eine Vibration bei zwei alternierenden Werten ausgeführt wird, beispielsweise eine Vibration mit einem Spitzenwert von etwa 2 g alternierend mit einer Vibration mit einem Spitzenwert von etwa 10 g. Vorzugsweise ist jede Phase mit niedrigem Wert länger als jede Phase mit höherem Wert; somit kann die Phase mit niedrigerem Wert zwischen 30 Sekunden und 2 Minuten mit einer Spitzenbeschleunigung von etwa 2 g dauern, und die Phasen mit höherem Wert können etwa 5 Sekunden dauern mit einer Spitzenbeschleunigung von etwa 10 g.When the filler material consists of MCrAlY, i.e. it consists of particles of CrAlY in a metal matrix, the deposition of the filler material is preferably accompanied by vibration of the assembly, preferably in a perpendicular direction. Such vibration is believed to ensure a uniform distribution of CrAlY particles, particularly in those areas which are shadowed by the protrusion of abrasive particles and which might otherwise be depleted of particles. The frequency of the vibration is preferably between 10 Hz and 1 kHz, the preferred value being about 50 Hz. A peak acceleration of up to 10 g is preferred. It is believed that a particularly good result is obtained by performing vibration at two alternating values, for example a vibration with a peak value of about 2 g alternating with a vibration with a peak value of about 10 g. Preferably, each low value phase is longer than each higher value phase; thus the lower value phase can last between 30 seconds and 2 minutes with a peak acceleration of about 2 g, and the higher value phases can last about 5 seconds with a peak acceleration of about 10 g.
Die Erfindung kann in der Praxis auf verschiedene Arten ausgeführt werden, jedoch wird nun ein Verfahren zum Erzeugen einer Gasturbinenschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung zusammen mit einer geeigneten Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobeiThe invention may be carried into practice in various ways, but a method of producing a gas turbine blade according to the present invention, together with suitable apparatus for carrying out the method, will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings, in which
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines der in dem Verfahren verwendeten Plattierbads ist;Fig. 1 is a perspective view of one of the plating baths used in the process;
Fig. 2 eine Seitenansicht der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ist;Fig. 2 is a side view of the device shown in Fig. 1;
Fig. 3 eine Frontansicht der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ist;Fig. 3 is a front view of the device shown in Fig. 1;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer in der in Fig. 1 bis 3 gezeigten Anordnung verwendeten Befestigungseinrichtung ist;Fig. 4 is a perspective view of a fastening device used in the arrangement shown in Figs. 1 to 3;
Fig. 5 eine Frontansicht der in Fig. 4 gezeigten Befestigungseinrichtung mit darauf montierter Baugruppe ist; undFig. 5 is a front view of the fastening device shown in Fig. 4 with the assembly mounted thereon; and
Fig. 6 ein vergrößerter Schnitt durch einen Teil des Spitzenbereichs einer Schaufel mit einer abrasiven Spitze ist, die in der zu beschreibenden Weise hergestellt wurde.Fig. 6 is an enlarged section through a portion of the tip region of a blade with an abrasive tip made in the manner to be described.
Das zu beschreibende Verfahren soll abrasive Spitzen auf den Schaufeln einer in Fig. 5 gezeigten Turbinenrotorbaugruppe 52 ausbilden. Die Baugruppe umfaßt fünf Turbinenscheiben 53, die auf einer Hohlwellenbaugruppe 54 montiert sind, welche einen Teil der gesamten Turbine bildet. Die Wellenbaugruppe ist für das Spitzenbehandlungsverfahren, welches nachfolgend beschrieben ist, auf einer Welle 26 montiert. Jede dieser Scheiben 53 hat Montageeinrichtungen, beispielsweise tannenförmige Schlitze, in welchen die Wurzeln der Schaufeln montiert sind. Es sei hervorgehoben, daß bei der bevorzugten Prozedur die Schaufeln in ihren endgültigen Positionen in den Scheiben montiert sind und nachfolgend nicht von diesen Scheiben demontiert werden.The process to be described is intended to form abrasive tips on the blades of a turbine rotor assembly 52 shown in Fig. 5. The assembly comprises five turbine disks 53 mounted on a hollow shaft assembly 54 which forms part of the entire turbine. The shaft assembly is mounted on a shaft 26 for the tipping process described below. Each of these disks 53 has mounting means, such as pine-shaped slots, in which the roots of the blades are mounted. It should be emphasized that in the preferred procedure the blades are mounted in their final positions in the disks and are not subsequently disassembled from these disks.
Das Spitzenbehandlungsverfahren wird in der in Fig. 1 bis 3 gezeigten Vorrichtung ausgeführt. Diese weist ein Gefäß oder einen Behälter 1 mit einem als Parallelepiped geformten oberen Bereich 2 und einem sich nach unten verjüngenden unteren Abschnitt 3 in Form einer invertierten Pyramide auf, welche gedreht ist, so daß eine Seitenfläche 4 eine Fortsetzung einer Seitenfläche 5 des oberen Bereichs bildet.The tip treatment process is carried out in the device shown in Fig. 1 to 3. This comprises a vessel or container 1 with an upper region 2 shaped as a parallelepiped and a downwardly tapering lower section 3 in the form of an inverted pyramid which is rotated so that a side surface 4 forms a continuation of a side surface 5 of the upper region.
Der Behälter 1 enthält eine Unterteilung 6, welche in einer senkrechten Ebene parallel zu den Seitenflächen 4 und 5 des Behälters liegt und an ihren Seitenkanten 7 und 8 in Kontakt mit den benachbarten senkrechten Flächen und geneigten Flächen des Behälters steht. Die Unterteilung teilt somit den Behälter in eine größere Arbeitszone 9 und in eine kleinere Rücklaufzone 11 auf. An ihrem Ende endet die Unterteilung 6 an einer horizontalen Kante 12 oberhalb des Gefäßbodens, um eine Verbindung 13 zwischen der Arbeitszone 9 und der Rücklaufzone 11 zu schaffen. An ihrer Oberseite endet die Unterteilung 6 an einer horizontalen Kante 14 unterhalb der Oberkanten des Behälters 1.The container 1 contains a partition 6 which lies in a vertical plane parallel to the side surfaces 4 and 5 of the container and is in contact with the adjacent vertical surfaces and inclined surfaces of the container at its side edges 7 and 8. The partition thus divides the container into a larger working zone 9 and a smaller return zone 11. At its end, the subdivision 6 ends at a horizontal edge 12 above the bottom of the vessel to create a connection 13 between the working zone 9 and the return zone 11. At its top, the subdivision 6 ends at a horizontal edge 14 below the upper edges of the vessel 1.
An dem Boden der Rücklaufzone 11 ist ein Lufteinlaß 15 vorgesehen, welcher mit einer Luftpumpe (nicht gezeigt) verbunden ist. In der Arbeitszone 9 ist eine Befestigungseinrichtung 21 montiert, an welcher die zu überziehende Baugruppe befestigt ist, wobei die Befestigungseinrichtung 21 angeordnet ist, um die Baugruppe innerhalb des Behälters in einer nachfolgend detaillierter beschriebenen Weise zu positionieren. Nicht gezeigte Leiter sind vorgesehen, um eine Spannung an die auf der Befestigungseinrichtung 21 montierte Baugruppe bezüglich einer Anode anzulegen, welche in der Arbeitszone aufgehängt ist.At the bottom of the return zone 11 there is provided an air inlet 15 which is connected to an air pump (not shown). In the working zone 9 there is mounted a fixture 21 to which the assembly to be coated is attached, the fixture 21 being arranged to position the assembly within the vessel in a manner described in more detail below. Conductors not shown are provided to apply a voltage to the assembly mounted on the fixture 21 with respect to an anode which is suspended in the working zone.
Um die Anordnung zugleich zum Abscheiden eines Überzugs auf den Schaufelspitzen der Baugruppe zu verwenden, ist die Baugruppe auf der Befestigungseinrichtung 21 montiert, welche in dem Behälter wie gezeigt angeordnet ist. Vor oder nach dem Positionieren der Befestigungseinrichtung wird der Behälter bis zu einem Pegel 17 über der Oberkante 14 der Unterteilung 6 mit einer Plattierlösung gefüllt, die gleichzeitig abzuscheidende Teilchen enthält. Luft wird dem Einlaß 15 zugeführt und steigt in der Rücklaufzone 11 nach oben, wodurch Lösung und mitgerissene Teilchen an die Oberseite der Rücklaufzone angehoben werden. Die Luft entkommt und die Lösung und die Teilchen strömen über den mit einer breiten Krone versehenen Überlauf, welcher durch die Oberkante 14 der Unterteilung gebildet wird, und strömen an der Baugruppe auf der Befestigungseinrichtung 21 vorbei nach unten. Am Boden der Arbeitszone 9 neigen die Teilchen dazu, sich abzusetzen und gleiten die geneigten Seiten des Behälters zu der Verbindung 13 hin nach unten, wo sie erneut in die Lösung mitgerissen und erneut in einer Schleife herumgetragen werden.To use the arrangement simultaneously to deposit a coating on the blade tips of the assembly, the assembly is mounted on the fixture 21 which is arranged in the vessel as shown. Before or after positioning the fixture, the vessel is filled to a level 17 above the top edge 14 of the partition 6 with a plating solution containing particles to be deposited simultaneously. Air is supplied to the inlet 15 and rises in the return zone 11, lifting solution and entrained particles to the top of the return zone. The air escapes and the solution and particles flow over the wide-crowned overflow formed by the top edge 14 of the partition and flow down past the assembly on the fixture 21. At the bottom of the working zone 9, the particles tend to settle and slide down the inclined sides of the container towards the connection 13, where they are again entrained into the solution and again carried around in a loop.
Wenn die sich nach unten bewegenden Teilchen in der Arbeitszone 9 an der Oberseite der Baugruppe auf die Schaufelspitzen treffen, neigen sie dazu, sich auf diesen Spitzen abzusetzen, wo sie in das Metall eingebettet werden, welches gleichzeitig ausplattiert wird. Die Befestigungseinrichtung 21, auf welchen die zu beschichtenden Arbeitsstücke montiert sind, ist in den Figuren 4 und 5 detailliert und in den Figuren 2 und 3 in vereinfachter Form gezeigt, und sie ist aus Klarheitsgründen in Fig. 1 weggelassen. Die Befestigungseinrichtung 21 weist ein Deck 22 auf, welches über die Oberseite des Behälters 1 paßt, zu einem Ende hin einen abstehenden Arm 23 sowie am anderen Ende einen abstehenden Arm 24, wobei die Arme Drehlager 25 aufweisen, in welchen die Enden der Welle 26 der Baugruppe montiert sind. Das Deck 22 trägt einen Elektromotor 31, welcher die Welle 26 über eine senkrechte Welle 32, ein erstes Kegelrad 33 und ein zweites Kegelrad 34, welches auf einer Spindel 35 montiert ist, dreht.When the downwardly moving particles in the working zone 9 at the top of the assembly encounter the blade tips, they tend to settle on these tips where they become embedded in the metal which is simultaneously being plated. The fixture 21 on which the workpieces to be coated are mounted is shown in detail in Figures 4 and 5 and in simplified form in Figures 2 and 3, and is omitted from Figure 1 for clarity. The fixture 21 comprises a deck 22 which fits over the top of the vessel 1, a projecting arm 23 at one end and a projecting arm 24 at the other end, the arms having pivot bearings 25 in which the ends of the shaft 26 of the assembly are mounted. The deck 22 carries an electric motor 31 which rotates the shaft 26 via a vertical shaft 32, a first bevel gear 33 and a second bevel gear 34 mounted on a spindle 35.
An jedem Ende der Unterseite des Decks 22 sind Federn 41 vorgesehen, mittels welchen die Halterung auf den Kanten des Behälters 1 wie in Fig. 2 und 3 ersichtlich abgestützt ist. Auf dem Deck 22 ist ein Vibrator 42 montiert, dessen Tätigkeit nach den Erfordernissen mittels eines nicht gezeigten Steuergeräts eingestellt werden kann. Ein Steuergerät 43 für den Elektromotor ist auf dem Deck 22 montiert und mittels Leitungen 45 mit dem Motor 31 verbunden. Das Steuergerät 43 ist so ausgelegt, daß der Motor 31 nur in einer Richtung läuft, um die Welle 26 um eine horizontale Achse zu drehen.At each end of the underside of the deck 22 springs 41 are provided by means of which the holder is supported on the edges of the container 1 as shown in Figs. 2 and 3. On the deck 22 a vibrator 42 is mounted, the operation of which can be adjusted as required by means of a control device, not shown. A control device 43 for the electric motor is mounted on the deck 22 and connected to the motor 31 by means of lines 45. The control device 43 is designed so that the motor 31 runs in only one direction to rotate the shaft 26 about a horizontal axis.
Im folgenden wird die Verwendung einer Anordnung der beschriebenen Konstruktion zur Erzeugung von abrasiven Spitzen auf Gasturbinenschaufeln beschrieben.The following describes the use of an arrangement of the described design for producing abrasive tips on gas turbine blades.
Die Baugruppe 52 wird in einem Dampfentfetter oder mit einem Entfettungsmittel, wie beispielsweise GENKLENE entfettet. Die Baugruppe wird dann sandgestrahlt, wie es nötig ist, um für einen Haftgrund für das Abdeckwachses zu sorgen, und die Baugruppe wird dann in ein Wachsbad eingeführt, um alle Oberflächen der Scheiben und Schaufeln abzudecken. Die Baugruppe wird dann in Drehlagern montiert und so gedreht, daß die Schaufelspitzen sich an einem Wischer vorbei bewegen, welcher das Abdeckwachs von den Schaufelspitzen entfernt. Die Baugruppe wird dann 5 Minuten lang einer anodischen Reinigung bei 6 bis 8 V in einer aus Natriumhydroxid/Glukonat/Thiozyanat bestehenden Reinigungslösung unterzogen und wird dann ausgiebig in kaltem Fließwasser gespült. Die freigelegten Schaufelspitzen werden dann geätzt, indem die Baugruppe in eine Lösung mit näherungsweise 300g/l Eisentrichlorid, 58g/l Salzsäure und 1 % Flußsäure (60 Gew.%) 5 Minuten lang bei Raumtemperatur eingetaucht wird und dann gründlich in kaltem Fließwasser gespült wird. Die Baugruppe wird dann in ein Nickelchloridbad gebracht, um für eine Zwischenschicht zu sorgen, welche 4 Minuten lang bei 3,87 A/dm² (36 Ampere/ft²) aufgebracht wird. Das Bad für die Zwischenschicht enthält etwa 350 g/l Nickelchlorid und 33 g/l Salzsäure.The assembly 52 is degreased in a vapor degreaser or with a degreaser such as GENKLENE. The assembly is then sand blasted as necessary to provide a base for the masking wax and the assembly is then introduced into a wax bath to cover all surfaces of the disks and blades. The assembly is then mounted on pivot bearings and rotated so that the blade tips move past a wiper which removes the masking wax from the blade tips. The assembly is then anodic cleaned at 6 to 8 volts for 5 minutes in a cleaning solution consisting of sodium hydroxide/gluconate/thiocyanate and is then rinsed thoroughly in cold running water. The exposed blade tips are then etched by immersing the assembly in a solution containing approximately 300g/L ferric chloride, 58g/L hydrochloric acid and 1% hydrofluoric acid (60 wt.%) for 5 minutes at room temperature and then rinsing thoroughly in cold running water. The assembly is then placed in a nickel chloride bath to provide an interlayer which is applied at 3.87 A/dm² (36 amps/ft²) for 4 minutes. The interlayer bath contains approximately 350 g/L nickel chloride and 33 g/L hydrochloric acid.
Die Baugruppe wird dann in der in Fig. 4 gezeigten Befestigungseinrichtung plaziert, und die Befestigungseinrichtung wird in die in Fig. 1 bis 3 gezeigte Anordnung gebracht. Das Bad enthält eine Kobaltplattierlösung mit 20 bis 30 Gew.% Teilchen aus CrAlY, die 67 bis 68 Gewichtsteile Chrom, 29 bis 31 Gewichtsteile Aluminium und 1,5 bis 2,4 Gewichtsteile Yttrium mit einer Größenverteilung sowohl in dem Bad als auch in dem Überzug nach dem Abscheiden gemäß der folgenden Tabelle enthält, wobei die Spalten, die sich auf den Größenbereich beziehen, die oberen und unteren Grenzwerte des in Mikrometern gemessenen Schnitts darstellen. Tabelle The assembly is then placed in the fixture shown in Fig. 4 and the fixture is placed in the configuration shown in Figs. 1 to 3. The bath contains a cobalt plating solution with 20 to 30 wt.% particles of CrAlY containing 67 to 68 parts by weight of chromium, 29 to 31 parts by weight of aluminum and 1.5 to 2.4 parts by weight of yttrium with a size distribution in both the bath and the coating after deposition according to the following table, wherein the columns relating to size range represent the upper and lower limits of the cut measured in micrometers. Table
Das Plattieren wird für einen Zeitraum von 4 Stunden bei einer Stromdichte von 0,075 A/dm² (10 A/ft²) fortgesetzt, wobei das Steuergerät so eingestellt ist, daß es den Motor zu einer solchen Drehzahl veranlaßt, daß sich die Baugruppe mit 0,33 Umdrehungen pro Minute dreht. Luft wird kontinuierlich zugeführt, um eine Umwälzung der Lösung und den suspendierten CrAlY-Teilchen aufrecht zu erhalten. Dieses Plattieren schafft einen Bindungsüberzug aus CoCrAlY auf den Schaufelspitzen mit einer Dicke zwischen 25 und 50 µm. Die Abscheidung von CoCrAlY aus dem beschriebenen Bad erzeugt eine Lage mit einer Zusammensetzung, die sich näherungsweise in Gewichtsprozent ergibt zu: Al 10, Cr 32, Y 0,5, wobei der Rest Co ist.Plating is continued for a period of 4 hours at a current density of 0.075 A/dm² (10 A/ft²) with the controller set to cause the motor to rotate at a speed that causes the assembly to rotate at 0.33 revolutions per minute. Air is continuously supplied to maintain circulation of the solution and suspended CrAlY particles. This plating creates a bond coat of CoCrAlY on the blade tips with a thickness of between 25 and 50 µm. The deposition of CoCrAlY from the bath described produces a layer having a composition that approximates in weight percent: Al 10, Cr 32, Y 0.5, with the balance being Co.
Die Baugruppe wird dann über den Tank mit entmineralisiertem Wasser gespült und dann aus dem Bereich des Tanks entfernt und in Fließwasser gespült. Der Halter wird dann in ein Woods-Nickelbad oder in ein Bad mit 1 Vol.% Schwefelsäure gebracht, um die Oberflächen zu reaktivieren, und die Baugruppe wird dann in ein zweites Bad gebracht, welches dem ersten Bad ähnlich ist, außer daß es statt der CrAlY-Teilchen Teilchen aus kubischem Bornitrid mit einer Größe von 100/220 mesh, d.h. etwa 125 bis etwa 150 µm, enthält. Anfänglich wird keine Luft durch den Einlaß zugeführt, und das Plattieren beginnt bei 2,7 A/dm² (25 A/ft²), und dann wird Luft für eine Zeitdauer von 5 Sekunden angeschaltet. Die Bornitridteilchen geraten in Umwälzung und kaskadieren über die Baugruppe. Das Plattieren wird dann ohne den Zutritt von Luft für einen Zeitraum von etwa 40 Minuten fortgesetzt, um die auf den Schaufelspitzen ruhenden Teilchen an den Spitzen zu befestigen. Es kann sich herausstellen, daß es in einigen Fällen vorteilhaft ist, einen Luftstoß von 5 Sekunden Dauer nach 20 Minuten vorzusehen, um eine gleichförmige und maximale Verteilung der CBN-Teilchen über die Schaufelspitzenflächen sicherzustellen.The assembly is then rinsed over the tank with demineralized water and then removed from the tank area and rinsed in running water. The holder is then placed in a Woods nickel bath or a bath containing 1 vol.% sulfuric acid to reactivate the surfaces and the assembly is then placed in a second bath which is similar to the first bath except that instead of CrAlY particles it contains particles of cubic boron nitride having a size of 100/220 mesh, i.e. about 125 to about 150 µm. Initially no air is supplied through the inlet and plating begins at 2.7 A/dm² (25 A/ft²) and then air is turned on for a period of 5 seconds. The boron nitride particles are circulated and cascade over the assembly. Plating is then continued without the admission of air for a period of about 40 minutes to fix the particles resting on the blade tips to the tips. It may be found that in some cases it is advantageous to provide a 5 second burst of air after 20 minutes to ensure uniform and maximum distribution of the CBN particles over the blade tip surfaces.
Die Baugruppe wird nun aus dem CBN-Bad entfernt, wird über den Tank gespült und dann in einem statischen Bad gespült, und schließlich wird sie gründlich in Fließwasser gespült. Die beschichteten Flächen werden dann in einem Woods-Nickelbad oder einem einprozentigen Schwefelsäurebad reaktiviert, und die Befestigungseinrichtung wird wieder in das CoCrAlY- Bad zurückgebracht. Der Motor wird aktiviert, um die Baugruppe bei 0,33 Umdrehungen pro Minute zu drehen, und das Plattieren wird 7 Stunden lang bei 1,075 A/dm² (10 A/ft²) fortgesetzt, wobei kontinuierlich Luft zugeführt wird, um die Umwälzung der Lösung und der suspendierten CrAlY-Teilchen aufrecht zu erhalten. Dies füllt die Leerräume unter und um die CBN-Teilchen herum mit CoCrAlY bis zu einer Tiefe, bei welcher, wie dies aus Fig. 6 ersichtlich ist, die Spitzen der abrasiven Teilchen leicht aus den umgebenden CoCrAlY hervorstehen.The assembly is now removed from the CBN bath, is rinsed over the tank and then rinsed in a static bath, and finally rinsed thoroughly in running water. The plated surfaces are then reactivated in a Woods nickel bath or a 1% sulfuric acid bath and the fixture is returned to the CoCrAlY bath. The motor is activated to rotate the assembly at 0.33 rpm and plating is continued for 7 hours at 1.075 A/dm² (10 A/ft²) with air continuously supplied to maintain circulation of the solution and suspended CrAlY particles. This fills the voids under and around the CBN particles with CoCrAlY to a depth at which, as can be seen from Fig. 6, the tips of the abrasive particles protrude slightly from the surrounding CoCrAlY.
Während des Füllprozesses zum Schaffen einer Matrix um die Teilchen herum kann die Baugruppe in einem Start-Stop-Modus gedreht werden. Dabei wird der Motor so gesteuert, daß er eine unidirektionale Drehung der Baugruppe bei einer Drehzahl von einer Umdrehung in 3 Minuten erzeugt, wobei die Drehung von Stop-Perioden mit 10 Sekunden Dauer unterbrochen wird, welche sich mit Drehperioden von 3 Sekunden Dauer abwechseln. Optional kann zusätzlich der Vibrator verwendet werden. Der Vibrator ist vorgesehen, um für eine Vibration bei einer Frequenz von 50 Hz mit alternierenden Perioden von hoher Vibrationsintensität und niedriger Vibrationsintensität zu sorgen, wobei die Perioden mit hoher Intensität eine Dauer von 5 Sekunden und eine Spitzenbeschleunigung von 10 g und die Perioden mit niedriger Intensität eine Dauer von 75 Sekunden mit einer Spitzenbeschleunigung von 2 g aufweisen. Die Vibration und die Rotation erzeugen ein homogenes Füllen und stellen sicher, daß die CrAlY-Teilchen die durch die CBN-Teilchen abgeschatteten Bereiche erreichen.During the filling process to create a matrix around the particles, the assembly can be rotated in a start-stop mode. The motor is controlled to produce unidirectional rotation of the assembly at a speed of one revolution in 3 minutes, with rotation interrupted by stop periods of 10 seconds alternating with rotation periods of 3 seconds. Optionally, the vibrator can be used in addition. The vibrator is designed to provide vibration at a frequency of 50 Hz with alternating periods of high vibration intensity and low vibration intensity, with the high intensity periods having a duration of 5 seconds and a peak acceleration of 10 g and the low intensity periods having a duration of 75 seconds with a peak acceleration of 2 g. The vibration and rotation create a homogeneous filling and ensure that the CrAlY particles reach the areas shaded by the CBN particles.
Am Ende des Füllschrittes wird die Befestigungseinrichtung entfernt, und die Baugruppe wird über den Tank mit entmineralisiertem Wasser gespült und dann in Fließwasser gründlich gespült. Das Abdeckmaterial wird dann entfernt und die Baugruppe wird aus der Halterung herausgenommen und entfettet. Nach der Inspektion der Baugruppe wird diese zwischen einer halben Stunde und einer Stunde bei 1090 ºC ± 10 ºC in Vakuum oder in Argon bei einem Partialdruck von 50 bis 100 mbar wärmebehandelt und schnell mit Gas abgeschreckt. Die Schaufeln können dann mittels einem der bekannten Verfahren, wie beispielsweise Packungsaluminieren, aluminiert werden.At the end of the filling step, the mounting device is removed and the assembly is rinsed over the tank with demineralized water and then thoroughly rinsed in running water. The covering material is then removed and the assembly is taken out of the holder and degreased. After inspection of the assembly, it is heat treated for between half an hour and one hour at 1090 ºC ± 10 ºC in vacuum or in argon at a partial pressure of 50 to 100 mbar and quickly quenched with gas. The blades can then be aluminized using one of the known processes, such as package aluminizing.
Eine der auf die beschriebene Art und Weise hergestellte Spitze ist in Fig. 6 im Querschnitt gezeigt, und es ist ersichtlich, daß sie einen Schaufelkörper 80, einen Bindeüberzug 81 aus MCrAlY mit einer Dicke von 25 bis 50 µm in diesem Beispiel, einen Verankerungsüberzug 82 aus MCrAlY mit einer Dicke von 10 bis 20 µm, in welchem die unteren Bereiche der abrasiven Teilchen 83 aus kubischem Bornitrid mit einer Teilchengröße von 125 bis 150 µm verankert sind, sowie ein Füllmaterial 84 aus MCrAlY mit einer Dicke von 70 bis 100 µm aufweist.One of the tips made in the manner described is shown in cross-section in Fig. 6 and can be seen to comprise a blade body 80, a bonding coat 81 of MCrAlY having a thickness of 25 to 50 µm in this example, an anchoring coat 82 of MCrAlY having a thickness of 10 to 20 µm in which the lower regions of the abrasive particles 83 of cubic boron nitride having a particle size of 125 to 150 µm are anchored, and a filler material 84 of MCrAlY having a thickness of 70 to 100 µm.
Es versteht sich, daß die in Fig. 6 gezeigten Spitzen nicht identisch mit denjenigen sind, die in der oben beschriebenen speziellen Weise hergestellt wurden; da das oben erwähnte zweite Bad ähnlich zu dem ersten Kobalt- und CrAlY-Plattierbad sein soll, außer daß es anstelle des CrAlY CBN-Teilchen enthält, ist der Verankerungsüberzug in dem speziellen beschriebenen Verfahren Co, nicht CoCrAlY. Wie vorstehend in der Beschreibung erwähnt wurde, kann der Verankerungsüberzug aus Co, Ni oder MCrAlY wie oben definiert bestehen.It will be understood that the tips shown in Fig. 6 are not identical to those made in the specific manner described above; since the second bath mentioned above is intended to be similar to the first cobalt and CrAlY plating bath except that it contains CBN particles instead of CrAlY, the anchor coating in the specific process described is Co, not CoCrAlY. As mentioned earlier in the description, the anchor coating may be Co, Ni or MCrAlY as defined above.
Anstelle von Teilchen aus reinem kubischen Bornitrid ist es möglich, Teilchen aus diesem oder einem anderen abrasiven Material zu verwenden, welche mit einem Material überzogen sind, das sie zumindest für eine gewisse Zeit vor gravierender Oxidation schützt. Beispielsweise ist es möglich, Teilchen aus kubischem Bornitrid zu verwenden, welche mit einem im wesentlichen luftundurchlässigen Überzug aus Aluminiumoxid oder einer intermetallischen Verbindung, wie beispielsweise Nickelaluminid, versehen sind.Instead of particles of pure cubic boron nitride, it is possible to use particles of this or another abrasive material coated with a material that protects them from serious oxidation, at least for a certain period of time. For example, it is possible to use particles of cubic boron nitride coated with a substantially air-impermeable coating of aluminum oxide or an intermetallic compound, such as nickel aluminide.
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