DE69706023T2

DE69706023T2 - Plattierung von Bauelementen von Gasturbinen

Info

Publication number: DE69706023T2
Application number: DE69706023T
Authority: DE
Inventors: Frank Goodwater; David Kang; Kevin Updegrove
Original assignee: Chromalloy Gas Turbine Corp
Current assignee: Chromalloy Gas Turbine Corp
Priority date: 1996-10-16
Filing date: 1997-10-14
Publication date: 2002-04-18
Anticipated expiration: 2017-10-15
Also published as: CA2217843A1; EP0843026A1; PT843026E; DK0843026T3; MX9707942A; JP3959161B2; US5800695A; AU726305B2; DE69706023D1; AU4095197A; JPH10183363A; ES2160878T3; EP0843026B1; ATE204036T1; CA2217843C

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plattieren von Bauelementen von Gasturbinen, insbesondere betrifft sie das Maskieren von Kühllöchern in einem Bauelement einer Gasturbine während des Plattierprozesses.
Die Schaufeln und Flügel, die gewöhnlich in dem Turbinenteil von modernen Gasturbinen verwendet werden, werden typischerweise auf der Basis von Superlegierungen aus Nickel und Kobalt hergestellt. Die Zusammensetzung der Superlegierungen ist im allgemeinen darauf abgestellt, eine erwünschte Kombination aus mechanischer Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinwirkungen (z. B. Oxidation und Wärmekorrosion) zu bieten. Oft werden Beschichtungen verwendet, um den Pegel der Oxidations- und Wärmekorrosions-Widerstandsfähigkeit zu erhöhen, was erlaubt, aus solchen Superlegierungen hergestellte Bauelemente lange Zeit zu verwenden, bevor sie ersetzt oder repariert werden müssen.
Solche Schutzschichten können normalerweise durch Plattieren aufgebracht werden, indem ein Gegenstand in ein Plattiermittel eingetaucht wird. Ein Problem, mit dem man durch diese Beschichtungstechnik konfrontiert wird, ist das Aufbringen der Beschichtung in unerwünschten Bereichen. Mehrere Varianten der Technik sind entwickelt worden, um Beschichtungen in unerwünschten Bereichen zu verhindern, einschließlich der Verwendung von schichtbildenden Polymerharzmaterialien, um die Metalloberfläche zu schützen, wie in US-Patent 3,451,902 offenbart ist. Siehe auch die US-Patentschriften 2,999,771, 4,089,686 und 4,224,118.
In Gasturbinen-Brennkraftmaschinen werden verschiedene Bauelemente, vor allem die Hochtemperatur- Turbinenschaufeln und -flügel stets luftgekühlt, um einen Betrieb der Brennkraftmaschine bei einer höheren Temperatur zu ermöglichen. Diese Luftkühlung erfordert die Verwendung von komplexen Luftkühldurchgängen und Kühllöchern in den Schaufeln und Flügeln. Bei der Verwendung von Schutzschichten auf solchen Schaufeln und Flügeln besteht die Tendenz, dass die Beschichtungen in die Kühllöcherdurchgänge eindringen und auf den Luftstrom eine nachteilige Wirkung haben. Dieses Problem ist bei Plattierverfahren beobachtet worden, z. B. bei einer Platinplattierung, bei welcher das Platin in die Bohrungsöffnung eindringt und diese überdeckt, wodurch das Loch verstopft wird, was für den Luftstrom eine schwerwiegende Folge hat. Bei einigen Löchern wurde beobachtet, dass sie vollständig verstopft waren, während das Verstopfen bei anderen Löchern eine Luftstromverringerung um 10% bis über 50% bewirkt.
Verschiedene Techniken, welche gemäß dem Stand der Technik verwendet wurden, um das Lochverstopfungsproblem von plattierten Schaufeln zu behandeln, enthalten: Aufbohren der Löcher auf eine größere Öffnung vor dem Beschichten, um das nachfolgende Plattieren zu berücksichtigen; Nachbohren der Löcher, nachdem das Plattieren durchgeführt worden ist; oder Einstecken von Drähten in die Löcher während des Plattierprozesses. Diese Verfahren werden im allgemeinen als unbefriedigend angesehen, weil sie Zeit kosten und weitgehend unwirtschaftlich sind.

Zusammenfassung

Es wird im Wesentlichen ein Verfahren zum Plattieren einer Beschichtung auf ein Bauelement einer Gasturbine bereitgestellt, welches eine Vielzahl an Kühllöchern und einen Kühlmitteldurchgang beinhaltet, das ein Einspritzen eines Maskiermittels in den Kühlmitteldurchgang des Bauelements, um die Kühllöcher mit dem Maskiermittel zu füllen, und ein Plattieren der Außenfläche des Bauelements mit der Beschichtung sowie ein Entfernen des Maskiermittels von dem Bauelement vorsieht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine gattungsgemäße Turbinenschaufel mit Kühllöchern.
Fig. 2 ist eine Explosionsansicht eines Querschnitts durch Kühllöcher, welche Kühllöcherbegrenzungen mit Platinplattierung zeigt.
Fig. 3 ist ein Querschnitt einer Turbinenschaufel, welcher die Richtung eines Kunststoffflusses zum Maskieren zeigt.
Fig. 4 ist ein Querschnitt durch Kühllöcher, welcher ein eingespritztes Maskiermittel zeigt.
Fig. 5 ist eine Explosionsansicht eines Querschnitts durch Kühllöcher, welche ein Maskiermittel zeigt.
Fig. 6 ist ein Querschnitt durch Kühllöcher nach einer Platinplattierung mit einem Maskiermittel, der keine Kühllöcherbegrenzung zeigt.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Es wird ein Verfahren zum Plattieren einer Beschichtung auf ein Bauelement einer Gasturbine bereitgestellt, das eine Vielzahl an Kühllöchern und einen Kühlmitteldurchgang beinhaltet, der mit diesen verbunden ist. Bauelemente, die solche Kühlmitteldurchgänge und Kühllöcher beinhalten, weisen Schaufeln, Flügel und Schirmbleche auf.
Der erste Schritt des Verfahrens umfasst ein Einspritzen eines Maskiermittels in den/die Kühlmitteldurchgang/-gänge des Bauelements, um die Kühllöcher mit dem Maskiermittel zu füllen. Wie in den Fig. 1 und 3 gezeigt ist, wird normalerweise über die Kühlmitteldurchgänge 2 auf Schaufeln 1 und Flügel zugegriffen und die Einspritzung durch die Quelle 3 durchgeführt. Um das Maskiermittel effektiv in die Kühllöcher 4 zu füllen, kann es nötig sein, das Bauelement vorzuheizen und das heiße, geschmolzene Maskiermittel in die Kühlmitteldurchgänge einzubringen, um die Kühllöcher unter Druck effektiv zu füllen. Wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist, werden die Kühllöcher 4 so gefüllt, dass das Maskiermittel 5 mit der Oberfläche des Bauelements bündig ist. Das Maskiermittel ist vorzugsweise ein organisches Material, welches seine Anwendung und nachfolgende Entfernung erleichtert. Das Maskiermittel wird verwendet, um eine Beschichtung der metallischen Oberflächenbereiche zu verhindern, mit denen es während einer Plattierphase Kontakt hat, und das mit der Metalloberfläche des Bauelements nicht nachteilig reagieren oder das Plattierbad beeinträchtigen sollte. Kunststoffe werden bevorzugt, da sie in flüssigem Zustand in das Bauelement spritzgegossen und dann ausgehärtet werden können, um den Kunststoff für das nachfolgende Plattierverfahren zu härten. Geeignete Maskiermittel umfassen Polypropylen und eine Polyurethan- Oligomer-Mischung. Das Maskiermittel enthält vorzugsweise keine Halogene, welche mit der Metalloberfläche nachteilig reagieren könnten. Wenn das Maskiermittel eingespritzt wird, sollte mit Sorgfalt vorgegangen werden, damit das Maskiermittel nicht auf Oberflächen gelangt, die beschichtet werden sollen. Jedes Maskiermittel, das auf die Außenseite des Bauelements gelangt, soll weitgehend entfernt werden, bevor plattiert wird.
Nachdem das Maskiermittel in die Kühllöcher eingespritzt und, wenn nötig, ausgehärtet worden ist, kann ein Plattieren der Außenfläche des Bauelements mit der schützenden Beschichtung durchgeführt werden. Ein bevorzugtes Plattierverfahren ist ein Elektroplattierverfahren, welches bei Fachleuten wohlbekannt ist. Eine bevorzugte Schutzbeschichtung, die bei dem Elektroplattierverfahren angewandt wird, umfasst Edelmetalle wie Platin. Die Verwendung des Maskiermittels, das während des Plattierverfahrens in die Kühllöcher eingespritzt wird, verhindert eine Beschichtung der Löcher, was einen Luftstrom nachteilig beeinflusst.
Nach der Beendigung des Plattierverfahrens wird das Maskiermittel entfernt. Ein bevorzugtes Maskiermittel und ein Verfahren für dessen Entfernung umfasst ein Maskiermittel, welches sich beim Anlegen von hohen Temperaturen für eine wirkungsvolle Zeitspanne verflüchtigt. Andere Maskiermittel, welche verwendet werden können, umfassen jene, die mit Lösungsmitteln entfernt werden. Normalerweise kann das Maskiermittel durch eine Hitzebehandlung bei etwa 593ºC (1100ºF) bis 927ºC (1700ºF) für eine Dauer von 15 bis 30 Minuten entfernt werden. Eine Behandlung bei diesen Temperaturen wirkt nicht nachteilig auf die Superlegierungsoberfläche des Bauelements einer Gasturbine. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird Platin ohne das Maskiermittel in den Kühllöchern während des Plattierens sowohl die Außenfläche 6 als auch die internen Durchgänge der Kühllöcher 7 plattieren, was einen Luftstrom nachteilig beeinflusst. Wenn während des Plattierens das Maskiermittel die Kühllöcher ausfüllt, wird das Platin nur die Außenfläche 8 plattieren, wie in Fig. 6 gezeigt ist.
Nach dem Entfernen des Maskiermittels kann das Bauelement dann verarbeitet werden, wie es im Stand der Technik üblich ist, einschließlich einer Diffusions-Hitzebehandlung, um die Schutzschicht, z. B. Platin, in die Oberfläche des Bauelements zu diffundieren. Andere Arbeitsweisen können zweckmäßigerweise ebenfalls durchgeführt werden, einschließlich der Anwendungen von zusätzlichen Beschichtungen auf das plattierte Bauelement. Eine bevorzugte zusätzliche Beschichtung, welche auf ein mit Platin beschichtetes Substrat aufgebracht wird, ist eine Aluminium-Diffusionsbeschichtung, welche durch ein Dampfdiffusions- oder ein Verdichtungsdiffusions- (z. B. Verdichtungszementierungs-) verfahren angewendet werden kann, dem eine Diffusion der Beschichtung in das Substrat bei erhöhten Temperaturen (z. B. 815 bis 1093ºC oder 1500 bis 2000ºF) folgt.

Beispiel 1

Polypropylen wird bei einer Temperatur von etwa 204ºC (400ºF) und unter einem Druck von etwa 69 bar (1000psi) durch die Quelle 3 von einer Schaufel CF6-80C2 der ersten Stufe (siehe Fig. 3) in die Kühlmitteldurchgänge 2 eingespritzt, das die Kühllöcher 4 der Schaufel füllt. Überschuss- Polypropylen an der Außenseite der Schaufel wird weggewischt. Das Polypropylen härtet aus, wenn es unter etwa 93ºC (200ºF) abkühlt. Die Schaufel wird dann in einem Elektroplattierbad, das eine Platin- Diamindinitritlösung enthält, bei 82ºC (180ºF) 90 Minuten lang mit Platin plattiert, was eine Platindicke von 0,00005 bis 0,0001 cm (0,0002 bis 0,0004 Zoll) liefert. Nach dem Plattieren wird der Kunststoff durch ein Ausglühen bei 593ºC (1100ºF) für 30 Minuten verdampft, eine Ultraschallreinigung in Wasser mit 66ºC (150ºF) für 15 Minuten und eine Wasserspülung für 5 Minuten durchgeführt.
Die mit Platin plattierten Teile werden ferner mittels einer Aluminium-Diffusionsbeschichtung beschichtet, welche auf die mit Platin plattierte Oberfläche durch eine Verdichtungszementierung und eine Diffusion in 6 Stunden bei 982ºC (1800ºF) aufgebracht wird, was eine Platin-Aluminium-Schutzbeschichtung erzeugt. Die Wirkung auf einen Luftstrom durch eine Lochverstopfung während einer Platinplattierung wurde mit und ohne in die Kühllöcher eingespritztes Maskiermittel mit nachfolgender Beobachtung gemessen. Die durchschnittliche Änderung der Luftstrommenge wurde in jeder der drei Kammern 9, 10 und 11 in der in Fig. 3 gezeigten Turbinenschaufel 1 gemessen, wobei Wa die Vorderkantenkammer 9, Wb die Mittelkammer 10 und Wc die Hinterkantenkammer 11 bedeutet.
Die Kontrolle (ohne Maskiermittel) zeigte eine durchschnittliche Änderung der Luftstrommenge in jeder Kammer über 5 verschiedene Plattier- und Beschichtungsdurchgänge von:
Wa - 49,3%
Wb - 27,8%
Wc - 22,8%
Die Schaufel mit eingespritztem Maskiermittel zeigte eine durchschnittliche Änderung der Luftstrommenge in jeder Kammer über 5 verschiedene Plattier- und Beschichtungsdurchgänge von:
Wa - 12,1%
Wb - 8,6%
Wc - 7,7%
Die maskierten Schaufeln zeigten somit eine drastische Verbesserung des Luftstroms nach der Platinplattierung und Beschichtung im Vergleich zu der Kontrolle der mit Platin plattierten und beschichteten Schaufeln ohne Verwendung eines Maskiermittels.

Beispiel 2

Das Verfahren von Beispiel 1 wurde unter Verwendung eines UV-aushärtbaren Urethan-Acrylpolymers als Maskiermittel wiederholt, welches nach einer Einspritzung UV-gehärtet wurde, bis es hart war, und mit Hitze bei 121ºC (250ºF) 30 Minuten lang getrocknet wurde.
Die plattierten Schaufeln zeigten ebenfalls offene Kühllöcher mit minimaler Luftstromänderung.

Claims

1. Verfahren zum Plattieren einer Beschichtung auf ein Bauelement einer Gasturbine, das eine Vielzahl an Kühllöchern und einen Kühlmitteldurchgang enthält, mit:

Einspritzen eines Maskiermittels in den Kühlmitteldurchgang des Bauelements, das die Kühllöcher des Bauelements mit dem Maskiermittel füllt;

Plattieren der Außenfläche des Bauelements mit einer Beschichtung; und

Entfernen des Maskiermittels von dem Bauelement.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Maskiermittel ein organisches Maskiermittel ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das organische Maskiermittel durch Erhitzen des Bauelements auf eine Temperatur und für eine Zeitspanne entfernt wird, die hinreichend wirkungsvoll sind, um das Maskiermittel zu verdampfen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das organische Maskiermittel ein Kunststoff ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Plattieren ein Elektroplattierverfahren ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem mittels des Elektroplattierverfahrens ein Edelmetall als Beschichtung aufgebracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Edelmetall Platin ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Kunststoff eine Polyurethan-Oligomer-Mischung ist.

9. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Kunststoff, nachdem er eingespritzt ist, ausgehärtet wird, damit er hart wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Maskiermittel auf der Außenseite des Bauelements vor dem Plattieren entfernt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend das Erhitzen des mit Platin plattierten Bauelements, so dass das Platin in die Oberfläche diffundiert.

12. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Maskiermittel aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Polypropylen und Polyurethan-Oligomer-Mischungen besteht.

13. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Aufbringen zusätzlicher Beschichtungen auf das plattierte Bauelement.

14. Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend das Aufbringen einer Aluminiumdiffusionsbeschichtung auf das mit Platin plattierte Bauelement.

15. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Bauelement vor dem Einspritzen des Maskiermittels vorgeheizt und das Maskiermittel in den Kühlmitteldurchgang des Bauelements unter einem Druck eingespritzt wird, der hinreichend wirkungsvoll ist, um die Kühllöcher zu füllen.