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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Thermosprühbeschichtung und im besonderen
auf eine verbesserte Zusammensetzung der Beschichtung zur Aufbringung
auf rotierende Teile von Gasturbinenmaschinen.
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Große Gasturbinenmaschinen
sind weit verbreitet in der Verwendung als Antrieb von Luftfahrzeugen
und zur stationären
Energieerzeugung. Solche großen
Gasturbinenmaschinen sind vom axialen Typ und beinhalten einen Kompressorabschnitt
einen Brennkammerabschnitt und einen Turbinenabschnitt, wobei vor
dem Kompressorabschnitt normalerweise ein Gebläseabschnitt ist. Ein ringförmiger Strömungsweg
für Arbeitsmittelgase
verläuft
axial durch die verschiedenen Abschnitte der Maschine. Jeder der
Gebläse-,
Kompressor-, und Turbinenabschnitte enthält eine Mehrzahl an Scheiben,
welche auf einer Achse angebracht sind, mit einer Mehrzahl an Schaufeln
mit Strömungsprofil,
welche radial davon abstehen. Ein hohles Gehäuse ergibt die verschiedenen
Maschinenabschnitte. Eine Mehrzahl von stationären Schaufeln sind zwischen
den Scheiben angebracht und ragen von dem Gehäuse, welches die Scheiben umgibt,
nach innen.
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Während des
Betriebs der Gebläse-,
Kompreasor- und Turbinenabschnitte, kommen die Arbeitsmedium-Gase,
welche in axialer Richtung fließen,
abwechselnd in Kontakt mit beweglichen Schaufeln und den stationären Schaufeln.
In den Gebläsen-
und Kompressorabschnitten wird Luft komprimiert, und die komprimierte
Luft wird mit Brennstoff vermischt und im Brennkammerabschnitt verbrannt, um
Gase mit hohem Druck und hoher Temperatur zu erzeugen. Die Arbeitsmedium-Gase
fließen
dann durch den Turbinenabschnitt, wo die Energie entzogen wird,
indem die Turbinenschaufelscheiben zum Rotieren gebracht werden.
Ein Teil der Energie wird verwendet, um den Kompressorabschnitt
und den Gebläseabschnitt
zu betreiben.
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Die
Energieeffizienz hängt
zum großen
Teil von der Minimierung der Leckage des Gasflusses ab, um die Interaktion
zwischen den beweglichen und den stationären Flügeln zu maximieren. Eine große Quelle
der Ineffizienz ist die Gasleckage um die Spitzen der Kompressorschaufeln
herum, zwischen den Schaufelspitzen und dem Maschinengehäuse. Dementsprechend
werden Mittel zur Verbesserung der Effizierz durch Reduktion der
Leckage immer wichtiger. Obwohl eine Paßform mit geringer Toleranz
erhalten werden kann durch Herstellen der Schaufelspitzen und des
Maschinengehäuses
zur Anpassung aufeinander mit einem sehr geringen Toleranzbereich,
ist dieses Herstellungsverfahren extrem kosten- und zeitaufwendig.
Wenn die Anordnung, die durch Anpassung der Schaufelspitzen und
des Maschinengehäuses
hergestellt wurde, einer Umgebung mit hohen Temperaturen und Rotationskräften ausgesetzt
wird, wie es beim Betrieb der Fall ist, können die Expansionskoeffizienten
der Schaufelspitzen und des Maschinengehäuses sich unterscheiden, womit
der Freiraum entweder größer oder
kleiner werden kann. Eine signifikante Reduktion des Freiraums hat
eine Berührung
zwischen den Schaufeln und dem Gehäuse zur Folge, und Reibung
zwischen den Teilen erzeugt Wärme,
welche zu einer signifikanten Erhöhung der Temperaturen und möglichen Schäden an einen
oder beiden Teilen führt.
Andererseits würde
ein vergrößerter Freiraum
es erlauben, das Gas zwischen der Kompressorschaufel und dem Gehäuse entweicht,
wodurch die Effizienz verringert wird.
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Ein
Ansatz, um die Effizient zu erhöhen,
ist das Anbringen einer abschleifbaren Beschichtung eines geeigneten
Materials auf der Innenfläche
des Kompressorgehäuses,
welches nach Abschleifen die Erzeugung eines Kanals zwischen der
Schaufelspitze und dem Gehäuse
ermöglicht.
Die Leckage zwischen der Schaufelspitze und dem Gehäuse wird
auf den Luftstrom in dem Kanal beschränkt. Verschiedene Beschichtungstechniken
wurden angewendet, um den inneren Umfang des Kompressorgehäuses mit einer
abschleifbaren Schicht zu beschichten, die durch Reibungskontakt
mit der Kompressorschaufel abgetragen werden kann, um einen eng
angepaßten Kanal
zu erzeugen, in welchem sich die Schaufelspitze bewegen kann. Daher
können
die Schaufel und das Gehäuse
expandieren oder kontrahieren, wenn die beschichtete Anordnung hohen
Temperaturen oder Belastungen ausgesetzt wird, ohne eine signifikante
Gasleckage zwischen der Schaufelspitze und dem Gehäuse hervorzurufen.
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Es
ist jedoch entscheidend, daß die
Schaufelspitzen nicht abgebaut werden, wenn sie in Kontakt mit den
Beschichtungen, die auf die Innenfläche des Kompressorgehäuses aufgebracht
werden, in Kontakt kommen. Um die Haltbarkeit der Schaufelspitzen,
welche gegen die abschleifbare Beschichtung reiben, zu erhöhen, werden
manchmal abschleifbare Schichten auf die Schaufelspitzenoberfläche aufgetragen.
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Die
abschleifbaren Schichten müssen
eine besondere Kombination von Eigenschaften aufweisen. Sie müssen widerstandsfähig sein
gegenüber Erosion
durch die Gasströme
mit hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur, welche zeitweise
Material aus feinen Partikeln mit sich tragen können. Der beabsichtigte Kontakt
zwischen der abschleifbaren Spitze und dem Maschinengehäuse verursacht
eine beanspruchende starke Abnutzungssituation für die abschleifbare Schaufelspitzenbeschichtung.
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Beträchtliche
Anstrengungen wurden bei der Entwicklung von abschleifbaren Beschichtungen
mit der gewünschten
Kombination aus Eigenschaften unternommen. Vine et al., U.S. Patent
Nr. 4,861,618 veröffentlicht
z. B. eine Wärme
abschirmende Beschichtung, welche auf dem luftführenden Abschnitt einer Turbinenschaufel
verwendet werden kann. In einer Ausführung legen Vine et al. eine
Ni Co Cr Al Y-Beschichtung offen mit einer keramischen Überschichtung
von Zirconoxid aufweisend 6 bis 8 Gew.-% Yttrium.
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Ein
Verfahren zum kontrollierten Aufbringen von thermischen Sprühbeschichtungen
auf Substrate ist aus der europäischen
Patentanmeldung Nr. 0 926 255 des Anmelders bekannt. Das Verfahren
schließt ein:
Positionieren der Rotorblätter
in einer drehbaren Halterung, Erzeugung eines Sprays aus Partikeln von
weich gemachten Beschichtungsmaterial in einer Vorrichtung zum Vortreiben
des Beschichtungsmaterials in Richtung der Schaufelspitzen und Beschichten
der Schaufelspitzen durch Hindurchbewegen der Schaufeln durch das
Spray von Partikeln des Beschichtungsmediums.
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Ungeachtet
des oben genannten Standes der Technik arbeiten Wissenschaftler
und Ingenieure unter Anleitung des Anmelders an der Verbesserung der
Zusammensetzung der abschleifbaren Beschichtung zur Anwendung auf
Substraten in Gasturbinenmaschinen.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Kompressorschaufelspitze
bereit mit einer Spitze mit einer abschleifbaren Thermooberflächenbeschichtung
bestehend aus 11 bis 14 Gew.-% Yttriumoxid, wobei der Rest im wesentlichen
Zirkoniumoxid ist.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung stellt ein Beschichtungssystem für Gasturbinenmaschinen
bereit aufweisend:
- a. ein metallisches Substrat;
- b. eine Haftbindungsschicht auf dem Substrat;
- c. eine abschleifbare Oberflächenschicht,
welche auf die Bindungsschicht plasmagespritzt ist und aus 11 bis
14 Gew.-% Yttriumoxid und Rest im wesentlichen Zirkoniumoxid besteht;
wobei
das genannte Beschichtungssystem Mikrospalten enthält, die
im wesentlichen senkrecht zur Bindungsschicht sind und durch die
Oberflächenschicht
hindurch zur Bindungsschicht reichen.
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Eine
Beschichtung bestehend aus 11 bis 14 Gew.-% Yttriumoxid hat eine
niedrigere Wärmeleitfähigkeit
verglichen mit aus dem Stand der Technik bekannten Beschichtungen,
welche 6 bis 9 Gew.-% Yttriumoxid enthalten. Die Wärmeleitfähigkeit
der Beschichtung wird bis zu einem gewissen Maß von anderen Faktoren abhängen, wie
z. B. der Porosität
der Beschichtung, welche von den Ablagerungsbedingungen abhängt, aber
für eine
typische Porosität
ist die Wärmeleitfähigkeit
der Beschichtung 1,15 Watt/Meter-K oder weniger. Im Vergleich dazu
haben ähnliche
Beschichtungen, welche 6 bis 9 Gew.-% Yttrium enthalten, 1,4 Watt/Meter-K.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die niedrigere Substrattemperatur,
welche aus der Hochtemperatur-Reibungswärme aufgrund der Interaktion zwischen
den Schaufelspitzen und dem Maschinengehäuse resultiert. Der hohe Yttriumoxidanteil
der vorliegenden Erfindung führt
zu einer verbesserten Temperaturstabilität der Beschichtung verglichen
mit Beschichtungen, welche einen niedrigeren Gewichtsanteil an Yttriumoxid
enthalten. Veränderungen
in der kristallografischen Struktur der Beschichtung sind reduziert
verglichen mit Beschichtungen aus dem Stand der Technik, welche
einen niedrigeren Gewichtsanteil an Yttriumoxid enthalten. Daher
sind auch Vorfälle
des Absplitterns und des Zerfalls der Beschichtung aufgrund der
hohen Temperatur deutlich reduziert. Das wiederum führt zu einer
Beschichtung, die zusammenhängend
auf dem Substrat bindet und damit die Fähigkeit des Substrates verstärkt, den
korrosiven Effekten der Umgebung zu widerstehen.
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Einige
vorzuziehende Ausführungen
der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft beschrieben und
beziehen sich auf die begleitenden Zeichnungen:
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1 ist ein Fließdiagramm,
welches das Verfahren zum Anbringen der Beschichtung entsprechend
der Erfindung zeigt.
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2 ist eine teilweise perspektivische schematische
Ansicht, welche die Anordnung der Halterungsvorrichtung und Vorrichtung
zum Vorteiben von Partikeln an den Spitzen einer Anordnung von in
der Haltevorrichtung angebrachten Rotorschaufeln zeigt, welche in
dem Verfahren von 1 verwendet
werden.
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3 ist eine vergrößerte Ansicht
entlang der Linie 3-3 der 2,
welche die Anordnung des Plasmasprays und der Spitzen der Anordnung
von Rotorschaufeln zeigt.
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2 zeigt eine schematische
Darstellung einer Vorrichtung zur Bildung und zum Vorteiben von Beschichtungsmaterial-Partikeln
und eine Haltevorrichtung. Eine Mehrzahl von rotierenden Schaufeln, wie
z. B. die Kompressorschaufeln 10, sind in der zylindrischen
Haltevorrichtung 12 positioniert. Die Haltevorrichtung besitzt
eine Rotationsachse Ar. Die Haltevorrichtung
kann eine große
Anzahl an Schaufeln aufnehmen, bis zu einem vollen Satz an Schaufeln. Der
Durchmesser der Vorrichtung reicht von ungefähr 18 bis 36 Zoll (457 bis
914 mm), vorzugsweise ungefähr
20 bis 28 Zoll (508 bis 711 mm), um der Größe des Strömungswegs der Maschine zu entsprechen.
Die Vorrichtung kann mit ihrer großen Größe einen ganzen Satz an Schaufeln
aufnehmen. Die Auswahl einer Vorrichtung, welche die Schaufeln mit einem
Radius in Entfernung der Rotationsachse Ar positioniert,
der der gleiche ist, wie der operative Radius, stellt sicher, dass
die Lage der Schaufelspitze ziemlich genau dem Radius der Maschine
entspricht.
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Jede
Rotorschaufel hat eine Wurzel und eine Plattform. Ein Strömungsprofil
beginnt an der Plattform und endet in der Spitze. Jedes Strömungsprofil hat
eine vordere Kante und eine hintere Kante. Zwischen den Kanten liegt
eine Unterdruckfläche
und eine Überdruckfläche. Die
Schaufeln sind so orientiert, dass die Punkte auf der Schaufelspitze
einen Kreis um die Rotationsachse der Haltevorrichtung beschreiben.
Die Schaufelspitzen zeigen nach außen von der Haltevorrichtung
weg.
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Die
Vorrichtung zum Vortreiben der Partikel in Richtung der Schaufelspitzen,
repräsentiert
durch einen Spritzbeschichtungsapparat 14, ist in großer Nähe zu der
Haltevorrichtung. Die Spritzbeschichtungsvorrichtung enthält eine
Sprühpistole 16,
welche am äußeren Durchmesser
der zylindrischen Vorrichtung zur Abscheidung der Schichten gelagert
ist. Die Sprühpistole
ist in Bezug auf die Haltevorrichtung in verschiedene Richtungen
beweglich. Der Spritzbeschichtungsapparat erzeugt ein erhitztes
Plasma, einschließlich
geschmolzener Partikel, wie z. B. geschmolzener Zirkoniumoxidpartikel,
welche im erhitzten Plasmagasstrom in Richtung der in der Vorrichtung
fixierten Schaufeln vorgetrieben werden.
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In
einer Ausführung
sind die Schaufeln in der Haltevorrichtung so positioniert, dass
nebeneinander liegende Punkte auf den Schaufelspitzen einer rotierenden
Oberfläche
entsprechen, der im Wesentlichen parallel zur rotierenden Oberfläche ist,
welche die Schaufelspitze in der im Betrieb befindlichen Maschine erfahren
wird. Während
die Schaufeln rotieren, bewegt sich die Pistole nach oben und unten
in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel ist zur Rotationsebene
der Vorrichtung, wodurch die Schaufeln nacheinander beschichtet
werden.
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Die
Dicke der abgeschiedenen abschleifbaren Dichtungen hängt von
der Anwendung des Substrates ab. In Kompressor- und Bürstendichtungsanwendungen
kann die abschleifbare Schicht eine Dicke im Bereich von 5 bis 50
mils (0,13 bis 1,02 mm) betragen.
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3 ist eine vergrößerte Ansicht
entlang der Linie 3-3 der 2,
welche die Relation zwischen dem Plasmaspray, welches von der Vorrichtung
zur Bildung und zum Vorteiben von Partikeln vorgetrieben wurde,
und den in der Haltevorrichtung gelagerten Schaufelspitzen zeigt.
Die Umfangsrichtungs-Breite des Sprays kann von der Größe der Umfangsrichtungs-Breite
der Schaufeln bis zu einem Zehnfachen der Umfangsrichtungs-Breite
im Umfang der Schaufeln reichen. Das ermöglicht eine gleichförmige Ablagerung
der Spritzbeschichtung auf die Überdruck-
und Unterdruckflächen
des Strömungsprofils
der Schaufel. Das Phänomen
des exzessiven Bespritzens ist aus dem Stand der Technik bekannt, sogar
bei Verfahren, welche direkt auf stationäre Schaufelspitzen spritzbeschichten.
Exzessives Bespritzen, welches aus dem Verfahren der vorliegenden
Erfindung resultiert, beschichtet jedoch eine größere Fläche des Strömungsprofils und wird im Vergleich
zu Verfahren aus dem Stand der Technik gleichmäßiger aufgetragen. Das exzessive
Bespritzen auf die Flächen
des Strömungsprofils
führt zu
einer besseren Haftung der Spritzbeschichtung auf den Schaufeln.
Die Beschichtung splittert an den vorderen und hinteren Kanten nicht
ab, da durch exzessives Bespritzen und Auftragen der Beschichtung
auf die vorderen und hinteren Kanten der Schaufel und auf zusammenhängende Unterdruck-
und Überdruckflächen, wie
auch auf die Spitzen selber, eine haltbarere Schaufelspitze erhalten
werden kann.
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Die
Verfahrensschritte werden kontrolliert, um vertikale Mikrospalten
(im Wesentlichen senkrecht zur Bindungsschicht) zu erzeugen, und
hängen spezifisch
von Variablen, wie z. B. die Art der Sprühpistole und die Geometrie
der Halte vorrichtung ab. Die senkrechten Mikrospalten reichen nicht
bis zur Substratoberfläche
durch. Die Verfahrensschritte enthalten die Auswahl bestimmter Parameter.
Diese Parameter beinhalten das Rotieren der Haltevorrichtung bei
einer vorgewählten
Geschwindigkeit, Umwinkeln der Sprühpistole in Beziehung auf das
Substrat, Bewegen der Sprühpistole
mit einer vorgewählten
Quergeschwindigkeit, Erhitzen des Substrats auf eine vorgewählte Temperatur,
Injizieren des Beschichtungspulvers mit einer vorgewählten Rate,
und Strömen
des Trägergases
und der Plasmagase bei vorgewählten
Strömungsgeschwindigkeiten.
Diese Parameter beeinflussen alle die Struktur der Beschichtung
und sollten eingestellt werden, um gleichmäßiges Beschichten der Kompressorschaufeln
oder anderer Substrate zu ermöglichen.
Allgemein wurde gefunden, dass ein kurzer Abstand zwischen Pistole und
Substrat in Verbindung mit einer relativ hohen Sprühpistolenleistung
zur gewünschten
vertikalen Segmentierung oder Mikrospaltenbildung der Beschichtungsstruktur
führt.
Die hier beschriebenen Parameter wurden angepaßt zur Verwendung mit einer F-4
Luftplasmasprühpistole,
bezogen von Plasma Technics, Inc., inzwischen geliefert von Sulzer
Metco, Westbury, New York, und zylindrischen Haltevorrichtungen
mit verschiedenen Durchmessern abhängig von der Substratanordnung.
Wie man bemerken wird, können
die Parameter bei Verwendung einer anderen Sprühpistole und/oder Haltevorrichtung
variieren. Dementsprechend können
die hier genannten Parameter als Richtgröße zur Auswahl anderer geeigneter
Parameter für
unterschiedliche Betriebsbedingungen verwendet werden.
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Das
Verfahren des kontrollierten Anbringens einer Spritzbeschichtung,
wie im Flußdiagramm
in 1 gezeigt, schließt eine
Anzahl von verknüpften Schritten
ein, beginnend mit der Bereitstellung von Schaufeln mit sauberen
exponierten Schaufelspitzen und mit üblicherweise durch Maskierung
geschützten Strömungsprofil-
und Wurzeloberflächen.
Vor Aufbringen der abschleifbaren Schicht sollte eine konventionelle
Säuberung
und Vorbereitung der Schaufelspitze durchgeführt werden. In der Praxis der
vorliegenden Erfindung, z. B. mit einer Schaufelspitze, wie in den
Figuren gezeigt, wird die Oberfläche
der Schaufelspitze gesäubert
und aufgerauht, um das Haften der anschließend aufgebrachten Beschichtungsmaterialien
zu verbessern. So eine Säuberung kann
beinhalten mechanisches Abschleifen, z. B. durch Dampfstrahl- oder
Luftstrahl-Verfahren unter Verwendung von trocken oder in Flüssigkeit
mitgeführten
abschleifenden Partikeln, welche auf die Oberfläche treffen.
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Vor
Säubern
der Oberfläche
können
die Schaufeln in geeigneter Weise maskiert werden.
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Das
Verfahren schließt
das Vortreiben eines Sprays von Partikeln aus weichgemachtem Haftbindungsmaterial
in Richtung der Schaufelspitzen ein. Der Schritt des Vortreibens
des Beschichtungsmaterials schließt den Schritt des Bildens
eines Sprays von Partikeln von weichgemachtem Haftbindungsmaterial
in der Spritzbeschichtungsvorrichtung ein. Dieser Schritt schließt das Einfließenlassen
von Haftbindungsbeschichtungspulver und Trägergasen in einen Hochtemperaturplasmagasstrom
ein. Im Plasmagasstrom werden die Pulverpartikel geschmolzen und
in Richtung des Substrats vorgetrieben. Im Allgemeinen sollte die
Pulverförderrate
eingestellt werden, um eine adäquate
Konsistenz und Menge an Haftbindungsschicht zu ermöglichen.
Die Haftbindungsschichtpulverrate variiert von 30 bis 55 g/min.
Ein Trägergasstrom
(Argongas) wird verwendet, um das Pulver unter Druck zu halten und
die Pulverförderung zu
verbessern. Die Trägergasstromrate
reicht von 4 bis 8 Standardkubikfuß (scfh) pro Stunde (1,9 bis
3,8 Standardliter pro Minute (SLM)). Standardbedingungen sind hier
definiert als ungefähr
Raumtemperatur (77°F,
25°C) und
ungefähr
eine Atmosphäre
Druck (760 mmHg) (101 kPa).
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Die
Gase, die den Plasmagasstrom bilden, weisen auf ein primäres Gas
(Argongas) und ein sekundäres
Gas (Wasserstoffgas). Heliumgas kann auch als sekundäres Gas
verwendet werden. Die Primärgasstromrate
in der Pistole reicht von 75 bis 115 Standardkubikfuß pro Stunde
(35 bis 54 SLM), während
die Sekundärgasflußrate von
10 bis 25 Standardkubikfuß pro
Stunde (4,7 bis 12 SLM) reicht. Die Leistung der Sprühpistole
reicht allgemein von 30 bis 55 kW).
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Das
Verfahren schließt
dann den Schritt des Übertragens
des Sprays von weichgemachtem Haftungsbindungsschichtmaterial über eine
Distanz, welche von ungefähr
4 bis 6'' (102 bis 152 mm)
von den Schaufelspitzen reicht, zwi schen einer ersten und zweiten
Position. In einer Ausführung
wird die Sprühpistole
in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zu der Rotationsebene
der Haltevorrichtung ist, bewegt. Die Geschwindigkeit der Querbewegung der
Sprühpistole
während
der Ablagerung der Haftbindungsschicht reicht von 6 bis 12 Inches
pro Minute (152 bis 305 mm/min).
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Weiterhin
schließt
das Verfahren das Durchführen
der Schaufeln durch das Spray von Partikeln von weichgemachtem Haftbindungsmaterial
durch Rotieren der Haltevorrichtung um ihre Rotationsachse herum
ein. Dieser Schritt schließt
das Erhitzen der Schaufeln auf eine Temperatur von 200 bis 450°F (93 bis
232°C) ein,
durch Durchführen
der Schaufeln vor der Sprühpistole
durch den heißen
Plasmagasstrom. Der Schritt des Durchführens der Schaufeln durch das
Spray von Partikeln von weichgemachtem Haftbindungsmaterial schließt auch
das Abkühlen
der Schaufeln und der abgeschiedenen Beschichtung durch Wegdrehen
von der Sprühpistole
ein. Zusätzliche
Kühlung
der Schaufeln kann bereitgestellt werden, indem ein kühlender
Luftstrom oder eine kühlende
Düse auf
die Schaufeln oder die Haltevorrichtung gerichtet wird. Unabhängige Wärmequellen
können auch
bereitgestellt werden, um die Schaufeln zu erwärmen, bevor die Schaufeln in
das Spray aus Partikeln von Beschichtungsmaterial eintreten. Die
unabhängige
Wärmequelle
würde eine
Kontrolle der Schaufeltemperatur ermöglichen, ohne die Sprühpistole
einzustellen, um Erwärmung
bereitzustellen. Insbesondere dreht sich die zylindrische Haltevorrichtung
während
der Haftbindungsschichtabscheidung mit einer Geschwindigkeit in
einem Bereich von 20 bis 75 Upm, abhängig von dem Substratdurchmesser.
Die Oberflächengeschwindigkeit
der Schaufeln reicht üblicherweise
von 125 bis 300 Fuß pro
Minute an der Oberfläche
(0,6 bis 1,5 m/s).
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Das
Beschichtungsverfahren schließt
dann den Schritt der Bildung eines Sprays von Partikeln von weichgemachtem
Oberflächenbeschichtungsmaterial
ein. Dieser Schritt schließt
das Einfließen von
Oberflächenbeschichtungspulver
und Trägergasen
in den Hochtemperaturplasmagasstrom ein. Im Allgemeinen sollte die
Pulverförderrate
eingestellt werden, um eine adäquate
Mischung zur Beschichtung des Substrats bereitzustellen, aber nicht
so groß sein,
dass Schmelzen und Spaltenbildung reduziert werden. Die Oberflächen-beschich tungspulverförderrate
reicht von 15 bis 40 g/min. Die Trägergasströmung (Argongas) wird verwendet,
um das Pulver unter Druck zu halten und die Förderung des Pulvers zu verbessern.
Die Strömungsrate
reicht von 4 bis 8 scfh (1,9 bis 3,8 SLM). Wie oben beschrieben,
sind Standardbedingungen hier definiert als ungefähr Raumtemperatur
(77°F) (25°C) und ungefähr eine
Atmosphäre
Druck (760 mmHg) (101 kPa).
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Der
Schritt der Erzeugung eines Sprays aus Partikeln von weichgemachtem
Oberflächenbeschichtungsmaterial
beinhaltet die Injektion von Oberflächenbeschichtungspulver in
einem solchen Winkel, dass ein Vorteiben auf das Pulver übertragen wird,
die entgegengesetzt der Richtung des Plasmastroms in Richtung der
rotierenden Haltevorrichtung ist. Die Projektion des Injektionswinkels
in eine Ebene senkrecht zur Rotationsachse der Haltevorrichtung
liegt in einem Bereich von 65 bis 85°. Dieser Injektionswinkel dient
dazu, das Oberflächenbeschichtungspulver
weiter hinten in der Plasmafahne einzuleiten, wodurch die Verweildauer
des Pulvers im Plasmagasstrom vergrößert wird. Die vergrößerte Verweildauer
im Plasmagasstrom führt
zu einem besseren Schmelzen der Pulverpartikel.
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Der
Primärgasfluß (Argongas)
in der Pistole reicht von 50 bis 90 scfh (24 bis 43 SLM). In ähnlicher Weise
reicht der Sekundärgasfluß (Wasserstoffgas) in
der Pistole von 10 bis 30 scfh (4,7 bis 14 SLM). Die Leistung der
Sprühpistole
reicht im Allgemeinen von 30 bis 50 kW.
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Das
Verfahren beinhaltet außerdem
den Schritt des Übertragens
eines Sprays von weichgemachtem Oberflächenbeschichtungsmaterial über eine
Distanz, welche von 3 bis 4'' (76 bis 102 mm) von
den Schaufelspitzen reicht, zwischen einer ersten und zweiten Position,
in einer Richtung, die im Wesentlichen rechtwinklig zur Fläche der
Rotation der Haltevorrichtung ist. Die Durchquerungsgeschwindigkeit
der Sprühpistole über jedes
Teil während
der Abscheidung reicht von 2 bis 10''/min
(50,8 bis 254 mm/min). Der Abstand von Pistole zu Substrat kann
variiert werden mit der Absicht, die angemessene Temperaturhöhe auf der
Substratoberfläche
zu halten. Ein geringer Abstand von Pistole zu Substrat ist notwendig
für eine
zufriedenstellende vertikale Mikrospaltenbildung.
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Das
Verfahren beinhaltet außerdem
den Schritt des Durchführens
der Schaufeln durch das Spray von Partikeln von weichgemachten Oberflächenbeschichtungsmaterial
durch Rotation der Haltevorrichtung um ihre Rotationsachse, wobei
der Schritt das Erhitzen der Schaufeln durch Vorbeiführen der
Schaufeln vor der Sprühpistole
beinhaltet. Die Temperatur der Oberflächenbeschichtung ist die Temperatur,
welche am Substrat beim Anbringen der Oberflächenschicht gemessen wird.
Die Temperatur der Beschichtung kann von 300 bis 850°F (149 bis 454°C) reichen.
Die eigentliche Temperatur bei der Aufbringung wird vorzugsweise
auf einer relativ konstanten Höhe
mit einer Schwankung von ungefähr ±5 bis
10% einer vorher bestimmten Temperatur gehalten, abhängig von
der Größe des beschichteten
Maschinenelements und des Substrats, auf das die Oberflächenbeschichtung
aufgespritzt wird.
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Der
Schritt des Durchführens
der Schaufeln durch das Spray von weichgemachten Partikeln beinhaltet
den Schritt des Abkühlens
der Schaufeln. Zusätzlich
kann externe Kühlung
verwendet werden, um die Abscheidungstemperatur zu kontrollieren.
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Dieses
Verfahren führt
zur sequentiellen Abscheidung von Haftbindungsschicht und Oberflächenschicht
auf die Schaufelspitzen in einer Rotationsfläche, die im Wesentlichen parallel
zur Rotationsfläche,
welche die Schaufeln bei der Rotation unter Betriebsbedingungen
beschreiben, ist. Obwohl das Phänomen
nicht vollständig
verstanden ist, glaubt man, dass durch Abscheiden der Schichten eine
nach der anderen in einer Orientierung, die im Wesentlichen parallel
zur Rotationsfläche,
die die Beschichtungen in der im Betrieb befindlichen Maschine erfahren,
ist das Verfahren einen Vorteil mit sich trägt, das eine relativ gleichförmige Mikrospaltenbildung der
Beschichtung in Radialrichtung bereitstellt. Das führt zu relativ
gleichförmigen
Belastungen der Beschichtungsstruktur unter Betriebsbedingungen.
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Das
Haftbindungsschichtmedium stellt eine oxidationsresistente Beschichtung
bereit. Üblicherweise
ist das Haftbindungsschichtmaterial eine Nickel-Aluminiumlegierung.
Das Haftbindungsschichtmaterial kann alternativ MCrAlY oder anderes
oxidationsresistentes Material aufweisen.
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Das
Oberflächenbeschichtungsmaterial
besteht aus 11 bis 14 Gew.-% Yttriumoxid und Rest im Wesentlichen
Zirkoniumoxid. Diese Oberflächenbeschichtungszusammensetzung
mit einem hohen Yttriumoxidanteil stellt eine verbessernde Resistenz gegen
Korrosion bereit, wie auch eine bessere Temperaturstabilität des Oberflächenbeschichtungskeramikmaterials.
Die verbesserte Stabilität
des Oberflächenbeschichtungsmaterials
verringert die Wahrscheinlichkeit des Absplitterns des Materials.
Daher bleibt das Substratmaterial geschützt vor den korrosiven Effekten
der Sulfide und Salze der Umgebungsbedingungen.
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Außerdem stellt
der hohe Yttriumoxidanteil des Oberflächenbeschichtungsmaterials
ein Material mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit
bereit verglichen mit Material mit niedrigerem Yttriumanteil. Die
Wärmeleitfähigkeit
des Yttriumoxids mit 11 bis 14 Gew.-% ist ungefähr 1,15 W/m-K verglichen mit
einer Wärmeleitfähigkeit
von 1,4 W/m-K für
eine Beschichtung bestehend aus 7 bis 9 Gew.-% Yttriumoxid. Die
niedrigere Wärmeleitfähigkeit
bietet einen Vorteil während Reibungsereignissen
in der im Betrieb befindlichen Maschine, wenn die Schaufelspitzen
in Kontakt mit der Innenfläche
des Maschinengehäuses
kommen. Das Abreiben erzeugt eine schrittweise Zufuhr von Reibungswärme auf
den berührenden
Oberflächen. Diese
Wärme muß abgeführt werden.
Die niedrigere Wärmeleitfähigkeit
der Schaufelspitzenbeschichtung, aufweisend 11 bis 14 Gew.-% Yttriumoxid,
sorgt für
Wärmeübertragung
von den Schaufelspitzen über Konvexion
und Abstrahlung. Der Prozess der Weiterleitung wird nicht zur Wärmeabführung genutzt.
Daher ist man der Ansicht, dass die niedrigere Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung eine
niedrigere Substrattemperatur zur Folge hat, da die Beschichtung
keine Wärme
zur Haftbindungsschicht weiterleitet und damit zum Substrat, verglichen
mit Substraten, welche mit Zusammensetzungen mit einem niedrigeren Gewichtsprozentteil
an Yttrium beschichtet sind. Die Eigenschaften des zugrundeliegenden
Teilsubstrats werden daher nicht durch Wärme beeinflußt, wie
es der Fall für
die Kompressorschaufelspitzen ist, und damit wird die Beschichtung
im besseren Zustand erhalten.
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Ein
Vorteil in der Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens ist
die Qualität
der auf die Spitzen der Rotorschaufeln aufgebrachte Beschichtung,
die aus der Verwendung des Verfahrens resultiert, um unter einer
Mehrzahl von Rotorschaufeln jegliche Schwankungen in den Verfahrensflußparametern
zu verteilen, die den Fluß von
Partikeln, welche gegen die Schaufelspitzen vorgetrieben werden, beeinflussen.
Aufgrund der rotierenden Haltevorrichtung werden eine Mehrzahl von
Schaufeln durch das Spray von weichgemachtem Beschichtungsmaterial geführt. Jegliche
Schwankung in den Flußparametern,
wie z. B. Schwankungen in der Spray-Intensität, Temperaturzusammensetzung
und Förderrate
von Pulvern und das Spray werden über eine Mehrzahl von Schaufeln
verteilt, die während
der Dauer der Schwankung durch das Spray hindurchgeführt werden.
Das stellt sicher, dass eine Rotorschaufelspitze nicht alle Beschichtungsschwankungen
aufnimmt. Im Ergebnis sorgt das Beschichtungsverfahren der vorliegenden
Erfindung für
eine gleichförmigere
Beschichtung und ist weniger anfällig
gegenüber
Verfahrensschwankungen als ein Verfahren, welches eine feststehende
Haltevorrichtung verwendet, in welchem alle Schwankungen auf eine
einzelne Schaufel aufgebracht werden. Außerdem wird die Beschichtung
in Schichten aufgebracht, die ungefähr parallel zur Lage des Teils
der Spitze der Rotorschaufel um die Achse sind. Durch Wahl einer
Haltevorrichtung, welche die Spitzen bei einem Radius von der Rotationsachse
Ar positioniert, welcher dem operativen
Radius gleicht, wird sichergestellt, dass die Position der Spitze
recht genau dem Radius von der Maschine entspricht. Im Ergebnis
ist die Beschichtung im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse
der Haltevorrichtung und die Beschichtung folgt näherungsweise
der Rotationsfläche,
welche die Beschichtung während
des Betriebs der Maschine erfährt.
Man ist der Ansicht, dass die Orientierung der Beschichtung die
Leistungsfähigkeit
der Beschichtung steigern wird.
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Ein
weiterer Vorteil ist das reproduzierbare und zuverlässige Verfahren,
das sich aus der Verwendung von Kontrollparametern ergibt. Dieses
Verfahren kann zur wiederholten Aufbringung von Haftbindungsschichten
auf Substratoberflächen
oder Oberflächenbeschichtung
auf Haftbindungsschichten verwendet werden.
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Ein
weiterer Vorteil ist die Einfachheit und Geschwindigkeit der Aufbringung
der Beschichtung auf Oberflächen
einer großen
Anzahl von Schaufeln zu einem gegebenen Zeitpunkt, welcher aus der
Größe der Haltevorrichtung
und dem Verfahren folgt, welche eine Vielzahl von Schaufeln aufnehmen
können.
Durch Verwendung einer Haltevorrichtung, welche eine Mehrzahl von
Schaufeln aufnimmt, wird die resultierende Haltezeit minimiert.
In bestimmten Ausführungen
kann eine ganze Stellage an Schaufeln beschichtet werden.
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Ein
weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist die Aufbringung von Beschichtungen
auf Substrate ohne Verwendung einer zusätzlichen Heizvorrichtung für die Substrate.
Während
der Beschichtungsablagerung wird die benötigte optimale Wärmemenge
durch das Plasmagas und das geschmolzene Beschichtungspulver auf
die Substrate übertragen.
Die Rotorschaufel wird während
des Beschichtungsverfahrens nicht überhitzt. Im Ergebnis kann
die Rotorschaufel beschichtet werden, ohne die Eigenschaften oder
Mikrostruktur des Substrats zu verändern.
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In
den folgenden Beispielen werden die gerade beschriebenen Verfahren
im Allgemeinen benutzt. Eine Luftsprühpistole, Modell F-4, bezogen
von Plasma Technics, Inc., inzwischen geliefert von Sulzer Metco,
mit Sitz in Westbury, New York, wird in allen folgenden Beispielen
verwendet.
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BEISPIEL 1
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In
diesem Verfahren zur Bereitstellung einer erfindungsgemäßen Beschichtung
werden kleine Nickelrotorschaufeln in einer Haltevorrichtung mit
einem Durchmesser von 24'' (610 mm) positioniert.
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Zur
Haftbindungsschichtaufbringung wird die Sprühpistole auf eine Leistung
von ungefähr
35 kW eingestellt. Die Haftbindungsschichtpulver-Förderrate beträgt 45 g/min.
Die Primärgasströmungsrate
(Argon) beträgt
95 scfh (45 SLM) und die Sekundärgasflußrate (Wasserstoff)
beträgt
18 scfh (8,5 SLM). Die Sprühpistole
ist in einem Abstand von 5,5'' (140 mm) von den
Schaufelspitzenoberflächen
positioniert. Die Rotationsgeschwindigkeit der Haltevorrichtung
beträgt
40 Upm, während
die Durchquerungsgeschwindigkeit der Sprühpistole 9''/min
(229 mm/min) beträgt.
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Für die Aufbringung
der Oberflächenbeschichtung
wird die Leistung der Plasmasprühpistole auf
ungefähr
44 kW eingestellt. Die Förderrate
des Oberflächenbeschichtungspulvers
beträgt
22 g/min. Die Strömungsrate
des Primärgases
(Argon) beträgt 67
scfh (32 SLM) und die Strömungsrate
des Sekundärgases
(Wasserstoff) beträgt
24 scfh (11 SLM). Die Sprühpistole
ist in einem Abstand von 3,25'' (83 mm) von den
Schaufelspitzenoberflächen
entfernt positioniert. Die Rotationsgeschwindigkeit der Haltevorrichtung
beträgt
30 Upm, während
die Durchquerungsgeschwindigkeit der Sprühpistole 6''/min
(152 mm/min) beträgt.
Die Schaufeltemperatur während der
Aufbringung der Oberflächenbeschichtung
beträgt
600 ± 25°F (315 ± 14°C).
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Die
Zusammensetzung der Haftbindungsschicht ist 95 Gew.-% Nickel und
5 Gew.-% Aluminium. Diese Zusammensetzung führt zu einer adhärenten Haftbindungsschicht
auf den Schaufelspitzen.
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Die
Zusammensetzung der Oberflächenbeschichtung
ist 12 Gew.-% Yttriumoxid und Rest im Wesentlichen Zirkoniumoxid.
Das Verfahren und die Zusammensetzung der Beschichtungen führt zu einer
gewünschten
Plättchenstruktur,
bei der senkrechte Mikrospalten auf den Schaufelspitzen abgelagert
werden. Die senkrechten Mikrospalten reichen durch die Oberflächenschicht
hindurch zur Bindungsschicht.
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BEISPIEL II
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In
diesem Verfahren zur Bereitstellung der erfindungsgemäßen Beschichtung
werden Titanrotorschaufeln, welche doppelt so groß sind wie
die Schaufeln, die in Beispiel 1 benutzt wurden, in einer Haltevorrichtung
mit einem Durchmesser von 24'' (610 mm) positioniert.
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Zum
Aufbringen der Bindungsschicht wird die Leistung der Sprühpistole
auf ungefähr
34 kW eingestellt. Die Förderrate
des Bindungsschichtpulvers beträgt
45 g/min. Die Strömungsrate
des Primärgases
(Argon) beträgt
95 scfh (45 SLM) und die Flußrate
des Sekundärgases
(Wasserstoff) beträgt
18 scfh (8,5 SLM). Die Sprühpistole
ist in einem Abstand von 5,5'' (140 mm) von den
Schaufelspitzenoberflächen
entfernt positioniert. Die Rotationsgeschwindigkeit der Haltevorrichtung
beträgt
40 Upm, während die
Durchquerungsgeschwindigkeit der Sprühpistole 9''/min
(229 mm/min) beträgt.
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Zur
Aufbringung der Oberflächenschicht
wird die Leistung der Plasmasprühpistole
auf ungefähr
44 kW eingestellt. Die Förderrate
des Oberflächenschichtpulvers
beträgt
22 g/min. Die Strömungsrate des
Primärgases
(Argon) beträgt
67 scfh (32 SLM) und die Strömungsrate
des Sekundärgases
(Wasserstoff) beträgt
24 scfh (11 SLM). Die Sprühpistole
ist in einem Abstand von 3,25'' (83 mm) von den
Schaufelspitzenoberflächen
entfernt positioniert. Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Haltevorrichtung
beträgt 30
Upm, während
die Durchquerungsgeschwindigkeit der Sprühpistole 6''/min
(152 mm/min) beträgt. Die
Schaufeltemperatur während
der Aufbringung der Oberflächenschicht
beträgt
425 ± 25°F (218 ± 14°C).
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Die
Bindungsschichtzusammensetzung ist 95 Gew.-% Nickel und 5 Gew.-%
Aluminium. Diese Zusammensetzung führt zu einer haftenden Bindungsschicht
auf den Schaufelspitzen.
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Die
Zusammensetzung der Oberflächenschicht
ist 12 Gew.-% Yttriumoxid und Rest im Wesentlichen Zirkoniumoxid.
Das Verfahren und Zusammensetzung der Beschichtung führt zu einer
gewünschten
Plättchenstruktur,
bei der senkrechte Mikrospalten auf den Schaufelspitzen abgelagert
werden. Die senkrechten Mikrospalten reichen durch die Oberflächenschicht
hindurch zur Bindungsschichtung.
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BEISPIEL III
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In
diesem Verfahren zur Bereitstellung der erfindungsgemäßen Beschichtung
werden große
Titaniumrotorschaufeln, welche die dreifache Größe der Schaufeln, die in Beispiel
1 verwendet wurden, in einer Haltevorrichtung mit einem Durchmesser
von 34'' (864 mm) positioniert.
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Zur
Aufbringung der Bindungsschicht wird die Sprühpistole auf eine Leistung
von ungefähr
35 kW eingestellt. Die Förderrate
des Bindungsschichtpulvers beträgt
45 g/min. Die Strömungsrate
des Primärgases
(Argon) beträgt
95 scfh (45 SLM) und die Strömungsrate
des Sekundärgases
(Wasserstoff) beträgt
18 scfh (8,5 SLM). Die Sprühpistole
ist in einem Abstand von 5,5'' (140 mm) von den
Schaufelspitzen entfernt positioniert. Die Rotationsgeschwindigkeit
der Haltevorrichtung beträgt
32 Upm, während
die Durchquerungsgeschwindigkeit der Sprühpistole 9''/min
(229 mm/min) beträgt.
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Zur
Aufbringung der Oberflächenschicht
wird die Plasmasprühpistole
auf eine Leistung von ungefähr
44 kW eingestellt. Die Förderrate
des Oberflächenschichtpulvers
beträgt
22 g/min. Die Flußrate des
Primärgases
(Argon) beträgt
67 scfh (32 SLM) und die Förderrate
des Sekundärgases
(Wasserstoff) beträgt
24 scfh (11 SLM). Die Sprühpistole
wird in einem Abstand von 3,25'' (83 mm) von den
Schaufelspitzen entfernt positioniert. Die Umdrehungsgeschwindigkeit
der Haltevorrichtung beträgt
22 Upm, während
die Durchquerungsgeschwindigkeit der Sprühpistole 2''/min
(51 mm/min) beträgt.
Die Schaufeltemperatur während
der Aufbringung der Oberflächenschicht
beträgt
325 ± 25°F (163 ± 14°C).
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Die
Zusammensetzung der Bindungsschicht ist 95 Gew.-% Nickel und 5 Gew.-%
Aluminium. Diese Zusammensetzung führt zu einer haftenden Bindungsschicht
auf den Schaufelspitzen.
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Die
Zusammensetzung der Oberflächenschicht
ist 12% Yttriumoxid und Rest im Wesentlichen Zirkoniumoxid. Das
Verfahren und die Zusammensetzung der Beschichtungen führt zu einer
gewünschten
Plättchenstruktur,
bei der senkrechte Mikrospalten auf den Schaufelspitzen abgelagert
werden. Die senkrechten Mikrospalten reichen durch die Oberflächenschicht
hindurch zur Bindungsschicht.
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Obwohl
die Erfindung gezeigt und beschrieben wurde in Bezug auf detaillierte
Ausführungen
der Erfindung, wird der Fachmann verstehen, dass verschiedene Änderungen
in Form und Detail der Erfindung gemacht werden können, ohne
den Umfang der Erfindung zu verlassen.