EP1689910A2 - Einlaufbelag für gasturbinen sowie verfahren zur herstellung desselben - Google Patents

Einlaufbelag für gasturbinen sowie verfahren zur herstellung desselben

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EP1689910A2
EP1689910A2 EP04802724A EP04802724A EP1689910A2 EP 1689910 A2 EP1689910 A2 EP 1689910A2 EP 04802724 A EP04802724 A EP 04802724A EP 04802724 A EP04802724 A EP 04802724A EP 1689910 A2 EP1689910 A2 EP 1689910A2
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EP
European Patent Office
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inlet
housing
inlet lining
plasma
spraying
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04802724A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Manfred A. DÄUBLER
Klaus Schweitzer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Publication of EP1689910A2 publication Critical patent/EP1689910A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material
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    • Y10T428/12861—Group VIII or IB metal-base component
    • Y10T428/12944—Ni-base component

Definitions

  • the invention relates to an inlet lining for gas turbines.
  • the invention further relates to a method for producing an inlet lining according to the preamble of claim 8.
  • Gas turbines such as aircraft engines, typically comprise several stages with rotating blades and fixed guide vanes, the rotor blades rotating together with a rotor, and the rotor blades and guide vanes being enclosed by a fixed housing of the gas turbine.
  • This also includes the so-called sealing systems in aircraft engines. Maintaining a minimal gap between the rotating blades and the fixed housing of a high-pressure compressor is particularly problematic in aircraft engines. In the case of high-pressure compressors, the highest temperatures and temperature gradients occur, which makes it difficult to maintain the gap between the rotating blades and the stationary housing of the compressor.
  • shrouds such as those used in turbines are not used in compressor rotor blades.
  • blades in the compressor do not have a shroud.
  • the ends or tips of the rotating blades are therefore exposed to a direct frictional contact with the housing when they are rubbed into the fixed housing.
  • Such a rubbing of the tips of the rotor blades into the housing is caused by manufacturing tolerances when a minimal radial gap is set. Since the friction of the tips of the rotating blades removes the same material, an undesirable increase in gap can occur over the entire circumference of the housing and rotor.
  • such blade tip armor is very expensive.
  • An inlet lining for the housing of a high-pressure compressor is known from the prior art, the inlet lining being produced from a NiCrAI bentonite material.
  • Such an inlet lining made of a nickel-chromium-aluminum-bentonite material is particularly suitable for rotor blades which are made of a nickel material or a nickel-based alloy.
  • it has been shown that such an inlet lining is not suitable for blades which are made of a titanium material or a titanium-based alloy. Unarmored blade tips of blades based on a titanium material are damaged when using a NiCrAI bentonite material.
  • the present invention is based on the problem of creating a novel inlet lining for gas turbines and a method for producing the same.
  • the inlet lining for gas turbines according to the invention serves to seal a radial gap between a fixed housing of the gas turbine and rotating rotor blades.
  • the inlet lining is attached to the housing and made from a CoNiCrAlY-hBN material.
  • the inlet coating has a density and porosity, so that it has a relatively low Rockwell hardness, the Rockwell hardness being in a range from 20 to 60, in particular in a range from 35 to 50, and one in HR15Y scale is certain Rockwell hardness.
  • Fig. 3 a schematic diagram to illustrate the method according to the invention.
  • Fig. 1 shows a highly schematic of a rotating blade 10 of a gas turbine, which rotates in the direction of arrow 12 relative to a fixed housing 11.
  • An inlet coating 13 is arranged on the housing 11.
  • the inlet lining 13 serves to seal a radial gap between a tip or an end 14 of the rotating rotor blade 10 and the fixed housing 11
  • the housing 11 shown schematically is, according to the preferred embodiment, the housing of a high-pressure compressor.
  • the running-in covering must have an optimized abrasion behavior, i.e. good cleavage and removability of the abrasion must be ensured. Furthermore, no material transfer to the rotating blades 10 may take place.
  • the inlet lining 13 must also have a low frictional resistance. Furthermore, the inlet coating 13 must not ignite when brushed against by the rotating blades 10.
  • its erosion resistance, temperature resistance, thermal cycling resistance, corrosion resistance to lubricants and sea water are mentioned here by way of example. Fig.
  • the run-in coating 13 is made from a cobalt (Co) nickel (Ni) chromium (Cr) aluminum (Al) yttrium (Y) material, mixed with hexagonal boron nitride (hBN).
  • the CoNiCrAlY-hBN inlet coating 13 has a relatively low hardness.
  • the Rockwell hardness of the run-in coating 13 is in a range from 20 to 60, preferably in a range from 35 to 50, the Rockwell hardness being determined on the HR15Y scale. This is achieved by incorporating pores in the CoNiCrAlY-hBN material. The porosity determines the density and thus the hardness of the run-in coating 13.
  • FIG. 2 shows the schematic structure of the run-in coating 13.
  • Particles 16 made of the Co-NiCrAlY alloy matrix together with particles 17 made of hexagonal boron nitride (hBN) form the run-in coating 13, with pores 18 and 17 being embedded between the particles.
  • the number of pores 18 also determines the density of the inlet coating 13 and thus its Rockwell hardness.
  • the CoNiCrAlY particles 16 form the tra- scaffolding.
  • the Rockwell hardness of the inlet lining 13 according to the invention lies in a range between 20 and 60, preferably in a range between 35 and 50.
  • the Rockwell hardness is determined on the HR15Y scale. This means that the Rockwell hardness test uses a half-inch (1/2 ") steel ball with a test force of 147 N (15 kp). The number 15 on the HR15Y hardness scale indicates the test force, the symbol Y on the HR15Y scale provides information about the indenter used.
  • the test preload for this Rockwell hardness test method is preferably 29.4 N (3 kp). The details of the Rockwell hardness test are familiar to the expert addressed here.
  • the inlet lining 13 for the housing of a high-pressure compressor from a CoNiCrAlY-hBN material, only hexagonal boron nitride (hBN) being used. It is further within the scope of the present invention to adjust the porosity and thus the density or hardness of the inlet covering so that the Rockwell hardness of the inlet covering 13 determined using the HR15Y scale is in a range from 20 to 60, preferably in a range from 35 to 50 lies.
  • Such a run-in coating 13 is suitable both for blades based on a nickel material and for blades based on a titanium material, and blade tip armor can therefore be dispensed with for both types of blades.
  • the cost of blade tip armor can therefore be saved. It is also advantageous that the running-in covering 13 according to the invention has good abrasion behavior as well as good erosion resistance and oxidation resistance. In addition, the inlet covering 13 has high thermal insulation properties, so that the overall thickness of the inlet covering 13 can be reduced. This also reduces the material costs and also saves weight. Overall, the performance ratio of the gas turbine can be optimized and the gas turbine can be operated with a lower fuel consumption.
  • the inlet covering 13 according to the invention is produced by means of thermal spraying. In thermal spraying, a meltable material is melted and sprayed or sprayed in molten form onto a workpiece to be coated. Plasma spraying is preferably used as the thermal spraying method. The manufacturing method according to the invention is explained below with reference to FIG. 3.
  • an arc is ignited between a cathode and an anode of a schematically illustrated plasma cartridge 19. This arc heats a plasma gas flowing through the plasmatron.
  • Argon, hydrogen, nitrogen, helium or mixtures of these gases are used as plasma gases, for example. Heating the plasma gas creates a plasma jet that can reach temperatures of up to 20,000 ° C in the core.
  • the powdery material used for coating here the above CoNiCrAlY material glued with hexagonal boron nitride (hBN) and mixed with polyester, is injected into the plasma jet using a carrier gas and at least partially melted there. Furthermore, the powder particles are accelerated to a high speed in the direction of the component by the plasma jet.
  • the mixture of materials melted and accelerated in this way forms a spray jet 20, the spray jet 20 consisting on the one hand of the plasma jet and on the other hand of the particle jet of the melted material.
  • the particles of the material impact with high thermal and kinetic energy on a surface 21 of the workpiece to be coated and form a coating there. Depending on the parameters of the spraying process, the desired coating properties are formed.
  • polyester particles contained in the spray jet 20 are stored in a statistically distributed manner in the coating and subsequently burned out of the coating in order to leave the pores 18.
  • the plasma spraying is carried out as follows: Between the plasmatron 19 and the surface 21 to be coated of the component to be coated, the largest possible rotational and translational relative speed is set. The rotational relative speed is shown in FIG. 3 with the arrow 22, the translational relative speed is shown with the arrow 23.
  • the plasmatron 19 is shifted in translation and the component to be coated rotates relative to the plasmatron 19.
  • the plasmatron 19 stands still and only the component to be coated is moved.
  • the rotational movement ensures that the surface 21 to be coated is coated over the entire circumferential direction.
  • the translational movement ensures that this coating is also carried out completely in the axial direction of the component.
  • the plasma spraying is preferably carried out in a spray booth. From this spray booth, particles have to be continuously removed from the spray booth with the aid of an air flow, which is shown by arrows 24 in FIG. 3. It is within the meaning of the invention that the air flow in the direction of arrows 24 preferably runs approximately parallel to the spray direction of the spray jet 20. This ensures that all particles of the spray jet, that is to say the CoNiCrAlY-hBN layer, and also the polyester particles embedded in the layer reach the surface 21 to be coated in a defined manner.
  • the spraying process is monitored and evaluated.
  • the spraying process is monitored and evaluated online. In this way, online process control or online quality assurance of the coating process can be realized.
  • the spray jet 20 which arises during plasma spraying is optically monitored by a camera which can be designed as a CCD camera.
  • the image captured or determined by the camera is fed to an image processing system.
  • properties of the optically monitored spray jet 20 are determined from the data recorded by the camera.
  • Both properties of a plasma beam and properties of a particle beam are recorded by the camera.
  • the camera preferably determines a luminance distribution of the plasma beam and a luminance distribution of the particle beam. From these luminance distributions, contour lines with the same luminous intensity are determined in the image processing system. Ellipses are then preferably inscribed in such contour lines with the same luminous intensity. This is done both for the plasma jet and for the particle beam.
  • the ellipses inscribed in the contour lines have characteristic geometric parameters. These geometric parameters of the ellipses are semi-axes and the center of gravity of the ellipses. From these characteristic data of the ellipses, conclusions can be drawn unambiguously on the properties of the spray jet and ultimately on the properties of the coating that is produced during the spraying process.
  • the geometric parameters of the ellipses determined from the optical monitoring of the spray jet, which correspond to properties of the spray jet, are compared with predetermined values for these properties or predetermined ellipse parameters.
  • predetermined ellipse parameters can be determined by a correlation between the process parameters of the spraying process, the particle properties of the molten material and the properties of the resulting coating. If a deviation of the determined properties of the spray jet from the predetermined values for the properties is recognized, the spraying process can either be stopped or, depending on this deviation, can be regulated in such a way that the predetermined properties of the spray jet are achieved.
  • the inlet covering 13 made of the CoNiCrAlY-hBN material with a Rockwell hardness on the HR15Y scale in the range between 20 to 60 is applied directly to the housing 11.
  • an adhesion-promoting layer or an additional layer such as a titanium fire protection or thermal insulation layer, which can also be applied by plasma spraying, can also be arranged between the housing 11 and the inlet lining 13.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Einlaufbelag für Gasturbinen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Einlaufbelags. Der Einlaufbelag dient der Abdichtung eines radialen Spalts zwischen einem Gehäuse (11) der Gasturbine und rotierenden Laufschaufeln (10) derselben, wobei der Ein­laufbelag (13) auf dem Gehäuse angebracht ist. Erfindungsgemäß ist der Einlaufbelag (13) aus einem CoNiCrAIY-hBN-Werkstoff her­gestellt. Der CoNiCrAIY-hBN-Werkstoff wird durch thermisches Spritzen, insbesonde­re durch Plasmaspritzen, aufgetragen.

Description

Einlaufbelag für Gasturbinen sowie Verfahren zur Herstellung desselben
Die Erfindung betrifft einen Einlaufbelag für Gasturbinen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Einlaufbelags gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
Gasturbinen, wie zum Beispiel Flugtriebwerke, umfassen in der Regel mehrere Stufen mit rotierenden Laufschaufeln sowie feststehenden Leitschaufeln, wobei die Laufschaufeln zusammen mit einem Rotor rotieren und wobei die Laufschaufeln sowie die Leitschaufeln von einem feststehenden Gehäuse der Gasturbine umschlossen sind. Zur Leistungssteigerung eines Flugtriebwerks ist es von Bedeutung, alle Komponenten und Subsysteme zu optimieren. Hierzu zählen auch die sogenannten Dichtsysteme in Flugtriebwerken. Besonders problematisch ist bei Flugtriebwerken die Einhaltung eines minimalen Spalts zwischen den rotierenden Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse eines Hochdruckverdichters. Bei Hochdruckverdichtern treten nämlich die größten Temperaturen sowie Temperaturengradienten auf, was die Spalthaltung der rotierenden Laufschaufeln zum feststehenden Gehäuse des Verdichters erschwert. Dies liegt unter anderem auch darin begründet, dass bei Verdichterlaufschaufeln auf Deckbänder, wie sie bei Turbinen verwendet werden, verzichtet wird.
Wie bereits erwähnt, verfügen Laufschaufeln im Verdichter über kein Deckband. Daher sind Enden bzw. Spitzen der rotierenden Laufschaufeln beim sogenannten Anstreifen in das feststehende Gehäuse einem direkten Reibkontakt mit dem Gehäuse ausgesetzt. Ein solches Anstreifen der Spitzen der Laufschaufeln in das Gehäuse wird bei Einstellung eines minimalen Radialspalts durch Fertigungstoleranzen hervorgerufen. Da durch den Reibkontakt der Spitzen der rotierenden Laufschaufeln an denselben Material abgetragen wird, kann sich über den gesamten Umfang von Gehäuse und Rotor eine unerwünschte Spaltvergrößerung einstellen. Um dies zu vermeiden ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, die Enden bzw. Spitzen der rotierenden Laufschaufeln mit einem harten Belag oder mit abrasiven Partikeln zu panzern. Solche Schaufelspitzenpanzerungen sind jedoch sehr teuer. Eine andere Möglichkeit, den Verschleiß an den Spitzen der rotierenden Laufschaufeln zu vermeiden und für eine optimierte Abdichtung zwischen den Enden bzw. Spitzen der rotierenden Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse zu sorgen, besteht in der Beschichtung des Gehäuses mit einem sogenannten Einlaufbelag. Bei einem Materialabtrag an einem Einlaufbelag wird der Radialspalt nicht über den gesamten Umfang vergrößert, sondern in der Regel nur sichelförmig in einem oder in mehreren Sektoren. Hierdurch wird ein Leistungsabfall des Triebwerks verringert. Gehäuse mit einem Einlaufbelag sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Aus dem Stand der Technik ist ein Einlaufbelag für das Gehäuse eines Hochdruckverdichters bekannt, wobei der Einlaufbelag aus einem NiCrAI-Bentonit-Werkstoff hergestellt ist. Ein derartiger Einlaufbelag aus einem Nickel-Chrom-AIuminium- Bentonit-Werkstoff eignet sich insbesondere für Laufschaufeln, die aus einem Nickelwerkstoff bzw. einer Nickelbasislegierung bestehen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass ein derartiger Einlaufbelag nicht für Schaufeln geeignet ist, die aus einem Titanwerkstoff bzw. aus einer Titanbasislegierung bestehen. Ungepanzerte Schaufelspitzen von Schaufeln auf Basis eines Titanwerkstoffs werden bei Verwendung eines NiCrAI-Bentonit-Werkstoffs beschädigt. Daher müssen nach dem Stand der Technik bei Verwendung eines derartigen Einlaufbelags die Schaufelspitzen von Laufschaufeln auf Basis eines Titanwerkstoffs für Temperaturen von größer als 480°C gepanzert werden. Aus dem Stand der Technik ist kein Einlaufbelag bekannt, mithilfe dessen sowohl bei Laufschaufeln auf Basis eines Nickelwerkstoffs als auch bei Laufschaufeln auf Basis eines Titanwerkstoffs auf Schaufelspitzenpanzerungen verzichtet werden kann.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, einen neuartigen Einlaufbelag für Gasturbinen sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben zu schaffen.
Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass der Eingangs genannte Einlaufbelag durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Der erfindungsgemäße Einlaufbelag für Gasturbinen dient der Abdichtung eines radialen Spalts zwischen einem feststehenden Gehäuse der Gasturbine und rotierenden Laufschaufeln derselben. Der Einlaufbelag ist an dem Gehäuse angebracht und aus einem CoNiCrAlY-hBN-Werkstoff hergestellt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Einlaufbelag eine Dichte und Porosität auf, so dass derselbe über eine relativ geringe Rockwellhärte verfügt, wobei die Rockwellhärte in einem Bereich von 20 bis 60, insbesondere in einem Bereich von 35 bis 50, liegt und eine in der HR15Y-Skala bestimmte Rockwellhärte ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Einlaufbelags ist im unabhängigen Patentanspruch 8 definiert.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 : eine stark schematisierte Darstellung einer Laufschaufel einer Gasturbine zusammen mit einem Gehäuse der Gasturbine und mit einem auf dem Gehäuse angeordneten Einlaufbelag,
Fig. 2: eine prinzipielle Darstellung des Einlaufbelags, und
Fig. 3: eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 1 zeigt stark schematisiert eine rotierende Laufschaufel 10 einer Gasturbine, die gegenüber einem feststehenden Gehäuse 1 1 in Richtung des Pfeils 12 rotiert. Auf dem Gehäuse 1 1 ist ein Einlaufbelag 13 angeordnet. Der Einlaufbelag 13 dient der Abdichtung eines radialen Spalts zwischen einer Spitze bzw. einem Ende 14 der rotierenden Laufschaufel 10 und dem feststehenden Gehäuse 1 1. Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Gehäuse 11 handelt es sich nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel um das Gehäuse eines Hochdruckverdichters.
Die Anforderungen, die an einen solchen Einlaufbelag gestellt werden, sind sehr komplex. So muss der Einlaufbelag ein optimiertes Abriebverhalten aufweisen, d.h. es muss eine gute Spaltbarkeit und Entfembarkeit des Abriebs gewährleistet sein. Weiterhin darf kein Materialübertrag auf die rotierenden Laufschaufeln 10 erfolgen. Der Einlaufbelag 13 muss des weiteren einen niedrigen Reibwiderstand aufweisen. Des weiteren darf sich der Einlaufbelag 13 beim Anstreifen durch die rotierenden Laufschaufeln 10 nicht entzünden. Als weitere Anforderungen, die an den Einlaufbelag 13 gestellt werden, seinen hier die Erosionsbeständigkeit, Temperaturbeständigkeit, Thermowechselbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit gegenüber Schmierstoffen und Meerwasser exemplarisch genannt. Fig. 1 verdeutlicht, dass bedingt durch die beim Betrieb der Gasturbine auftretenden Fliehkräfte und die Erwärmung der Gasturbine die Enden 14 der Laufschaufeln 10 mit dem Einlaufbelag 13 in Kontakt kommen und so ein Abrieb 15 freigesetzt wird. Dieser pulverisierte Abrieb 15 darf keine Beschädigungen an den rotierenden Laufschaufeln 10 hervorrufen.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist der Einlaufbelag 13 aus einem Kobalt (Co) Nickel (Ni) Chrom (Cr) Aluminium (AI) Yttrium (Y)-Werkstoff, gemischt mit hexa- gonalem Bornitrid (hBN), hergestellt. Der CoNiCrAlY-hBN-Einlaufbelag 13 verfügt über eine relativ geringe Härte. Die Rockwellhärte des Einlaufbelags 13 liegt in einem Bereich von 20 bis 60, vorzugsweise in einem Bereich von 35 bis 50, wobei die Rockwellhärte nach der HR15Y-Skala bestimmt ist. Dies wird dadurch erreicht, dass in den CoNiCrAlY-hBN-Werkstoff Poren eingelagert werden. Die Porosität bestimmt die Dichte und damit die Härte des Einlaufbelags 13.
Fig. 2 zeigt den schematischen Aufbau des Einlaufbelags 13. Partikel 16 aus der Co- NiCrAlY-Legierungsmatrix bilden zusammen mit Partikeln 17 aus hexagonalem Bornitrid (hBN) den Einlaufbelag 13, wobei zwischen die Partikel 16 und 17.Poren 18 eingelagert sind. Die Anzahl der Poren 18 bestimmt mit die Dichte des Einlauf be- lags 13 und damit dessen Rockwellhärte. Die CoNiCrAlY-Partikel 16 bilden das tra- gende Gerüst. Die eingelagerten, hexagonalen Bornitrid-Partikel 17 bilden aufgrund ihrer graphitähnlichen Spaltbarkeit Sollbruchstellen des Einlaufbelags 13.
Wie oben bereits erwähnt, liegt die Rockwell-Härte des erfindungsgemäßen Einlaufbelags 13 in einem Bereich zwischen 20 und 60, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 35 und 50. Die Rockwell-Härte ist nach der HR15Y-Skala bestimmt. Dies bedeutet, dass bei der Härteprüfung nach Rockwell als Eindringkörper eine Halbzoll (1/2") Stahlkugel verwendet wird mit einer Prüfkraft von 147 N (15 kp). Die Zahl 15 in der Härteskala HR15Y gibt demnach Aufschluss über die Prüfkraft, das Symbol Y in der Skala HR15Y gibt Aufschluss über den verwendeten Eindringkörper. Die Prüfvorkraft bei diesem Härteprüfverfahren nach Rockwell beträgt vorzugsweise 29,4 N (3 kp). Die Details der Härteprüfung nach Rockwell sind dem hier angesprochenen Fachmann geläufig.
Es liegt demnach im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, den Einlaufbelag 13 für das Gehäuse eines Hochdruckverdichters aus einem CoNiCrAlY-hBN-Werkstoff herzustellen, wobei ausschließlich hexagonales Bornitrid (hBN) verwendet wird. Es liegt weiterhin im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, die Porosität und damit Dichte bzw. Härte des Einlaufbelags so einzustellen, dass die mithilfe der HR15Y-Skala bestimmte Rockwell-Härte des Einlaufbelags 13 in einem Bereich 20 bis 60, vorzugsweise in einem Bereich 35 bis 50 liegt. Ein derartiger Einlaufbelag 13 ist sowohl für Laufschaufeln auf Basis eines Nickelwerkstoffs als auch für Laufschaufeln auf Basis eines Titanwerkstoffs geeignet und somit kann für beide Laufschaufeltypen auf Schaufelspitzenpanzerungen verzichtet werden. Die Kosten für Schaufelspitzenpanzerungen können demnach eingespart werden. Weiterhin ist von Vorteil, dass der erfindungsgemäße Einlaufbelag 13 über ein gutes Abriebverhalten sowie gute Erosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit verfügt. Darüber hinaus verfügt der Einlaufbelag 13 über hohe Wärmedämmeigenschaften, so dass die Gesamtdicke des Einlaufbelags 13 reduziert werden kann. Auch dies verringert die Materialkosten und spart des weiteren Gewicht. Insgesamt kann das Leistungsverhältnis der Gasturbine optimiert werden und dieselbe mit einem geringeren Kraftstoffverbrauch betrieben werden. Der erfindungsgemäße Einlaufbelag 13 wird mittels thermischem Spritzen hergestellt. Beim thermischen Spritzen wird ein schmelzbarer Werkstoff geschmolzen und in geschmolzener Form auf ein zu beschichtendes Werkstück gespritzt bzw. gesprüht. Bevorzugt wird Plasmaspritzen als thermisches Spritzverfahren verwendet. Das erfindungsgemäße Herstellverfahren wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert.
Beim Plasmaspritzen wird zwischen einer Kathode und einer Anode eines schematisch dargestellten Plasmatrons 19 ein Lichtbogen gezündet wird. Dieser Lichtbogen erhitzt ein durch das Plasmatron strömendes Plasmagas. Als Plasmagase werden zum Beispiel Argon, Wasserstoff, Stickstoff, Helium oder Gemische dieser Gase verwendet. Durch das Erhitzen des Plasmagases stellt sich ein Plasmastrahl ein, der im Kern Temperaturen von bis 20.000°C erreichen kann.
Der zur Beschichtung verwendete und pulverförmige Werkstoff, hier der obige Co- NiCrAlY-Werkstoff verklebt mit hexagonalem Bornitrid (hBN) und gemischt mit Polyester, wird mithilfe eines Trägergases in den Plasmastrahl injiziert und dort zumindest teilweise geschmolzen. Des weiteren werden die Pulverpartikel durch den Plasmastrahl auf ein eine hohe Geschwindigkeit in Richtung auf das Bauteil beschleunigt. Das auf diese Art und Weise geschmolzene sowie beschleunigte Werkstoffgemisch wird bildet einen Spritzstrahl 20 aus, wobei der Spritzstrahl 20 zum einen aus dem Plasmastrahl und zum anderen aus dem Partikelstrahl des geschmolzenen Werkstoff besteht. Die Partikel des Werkstoffs prallen mit einer hohen thermischen sowie kinetischen Energie auf eine Oberfläche 21 des zu beschichtenden Werkstücks auf und bilden dort eine Beschichtung. Abhängig von den Parametern des Spritzprozesses bilden sich die gewünschten Beschichtungseigenschaften aus.
Die im Spritzstrahl 20 enthaltenen Polyesterpartikel werden statistisch verteilt in die Beschichtung eingelagert und nachfolgend aus der Beschichtung ausgebrannt um die Poren 18 zu hinterlassen.
Zur Bereitstellung des Einlaufbelags aus dem CoNiCrAlY-hBN-Werkstoff mit einer Rockwell-Härte im Bereich von 20 bis 60, vorzugsweise im Bereich von 35 bis 50, ist es erforderlich, dass die Polyesterpartikel, die sich wegen ihrer geringen Dichte vorwiegend im Randbereich des Spritzstahls befinden, möglichst gleichmäßig in die Co- NiCrAlY-hBN-Schicht eingelagert werden. Hierzu wird das Plasmaspritzen wie folgt durchgeführt: Zwischen dem Plasmatron 19 und der zu beschichtenden Oberfläche 21 des zu beschichtenden Bauteils wird eine möglichst große rotatorische als auch translatorische Relativgeschwindigkeit eingestellt. Die rotatorische Relativgeschwindigkeit ist in Fig. 3 mit dem Pfeil 22, die translatorische Relativgeschwindigkeit ist mit dem Pfeil 23 visualisiert. Zur Bereitstellung dieser Relativgeschwindigkeiten ist es bevorzugt, dass das Plasmatron 19 translatorisch verschoben wird und das zu beschichtende Bauteil gegenüber dem Plasmatron 19 rotiert. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Plasmatron 19 stillsteht und nur das zu beschichtende Bauteil bewegt wird. Durch die rotatorische Bewegung wird sichergestellt, dass über die gesamte Umfangsrichtung die zu beschichtende Oberfläche 21 beschichtet wird. Durch die translatorische Bewegung wird sichergestellt, dass diese Beschichtung auch in axialer Richtung des Bauteils komplett erfolgt.
Das Plasmaspritzen wird vorzugsweise in einer Spritzkabine durchgeführt. Aus dieser Spritzkabine müssen mithilfe einer Luftströmung, die in Fig. 3 durch Pfeile 24 dargestellt ist, Partikel fortlaufend aus der Spritzkabine herausgeführt werden. Es liegt nun im Sinne der Erfindung, dass die Luftströmung im Sinne der Pfeile 24 vorzugsweise in etwa parallel zur Spritzrichtung des Spritzstrahls 20 verläuft. Hierdurch wird sichergestellt, dass alle Partikel des Spritzstrahls, also der CoNiCrAlY-hBN-Schicht als auch die in die Schicht eingelagerten Polyesterpartikel definiert auf die zu beschichtende Oberfläche 21 gelangen.
Es ist eine Erkenntnis der hier vorliegenden Erfindung, dass die Einhaltung dieser parallelen Luftströmung sowie die Bereitstellung hoher rotatorischer als auch translatorischer Relativgeschwindigkeiten für die Herstellung des erfindungsgemäßen Einlaufbelags mit der definierten Rockwell-Härte von Wichtigkeit sind.
Der Spritzvorgang wird überwacht und ausgewertet. Die Überwachung und Auswertung des Spritzvorgangs erfolgt online. Hierdurch lässt sich eine Online- Prozesskontrolle bzw. Online-Qualitätssicherung des Beschichtungsvorgangs reali- sieren. Der sich beim Plasmaspritzen einstellende Spritzstrahl 20 wird mit einer Kamera optisch überwacht, die als CCD-Kamera ausgebildet sein kann. Das von der Kamera erfasste bzw. ermittelte Bild wird einem Bildverarbeitungssystem zugeführt. Im Bildverarbeitungssystem werden Eigenschaften des optisch überwachten Spritzstrahls 20 aus den von der Kamera erfassten Daten ermittelt.
Von der Kamera werden sowohl Eigenschaften eines Plasmastrahls als auch Eigenschaften eines Partikelstrahls erfasst. Die Kamera ermittelt vorzugsweise eine Leuchtdichteverteilung des Plasmastrahls sowie eine Leuchtdichteverteilung des Partikelstrahls. Aus diesen Leuchtdichteverteilungen werden im Bildverarbeitungssystem Höhenlinien mit gleicher Leuchtintensität ermittelt. In solche Höhenlinien mit gleicher Leuchtintensität werden dann vorzugsweise Ellipsen eingeschrieben. Dies erfolgt sowohl für den Plasmastrahl als auch für den Partikelstrahl. Die in die Höhenlinien eingeschriebenen Ellipsen verfügen über charakteristische geometrische Kenngrößen. Bei diesen geometrischen Kenngrößen der Ellipsen handelt es sich um Halbachsen sowie um den Schwerpunkt der Ellipsen. Aus diesen charakteristischen Daten der Ellipsen lässt sich eindeutig auf die Eigenschaften des Spritzstrahls und letztendlich auf die Eigenschaften der sich beim Spritzvorgang einstellenden Beschichtung schließen.'
Die aus der optischen Überwachung des Spritzstrahls ermittelten, geometrischen Kenngrößen der Ellipsen, die Eigenschaften des Spritzstrahls entsprechen, werden mit vorgegebenen Werten für diese Eigenschaften bzw. vorgegebenen Ellipsenkenngrößen verglichen. Diese vorgegebenen Ellipsenkenngrößen sind durch eine Korrelation zwischen den Prozessparametern des Spritzvorgangs, den Partikeleigenschaften des geschmolzenen Werkstoffs und den Eigenschaften der sich ergebenden Beschichtung ermittelbar. Wird eine Abweichung der ermittelten Eigenschaften des Spritzstrahls von den vorbestimmten Werten für die Eigenschaften erkannt, so kann der Spritzvorgang entweder abgebrochen oder abhängig von dieser Abweichung derart geregelt werden, dass die vorbestimmten Eigenschaften des Spritzstrahls erreicht werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der erfindungsgemäße Einlauf belag 13 aus dem CoNiCrAlY-hBN-Werkstoff mit einer Rockwell-Härte nach der HR15Y-Skala im Bereich zwischen 20 bis 60 unmittelbar auf das Gehäuse 1 1 aufgebracht. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass zwischen dem Gehäuse 1 1 und dem Einlaufbelag 13 auch noch eine haftvermittelnde Schicht oder auch eine zusätzliche Funktionen wie Titanfeuerschutz oder Wärmedämmung erfüllende Schicht angeordnet sein kann, die ebenfalls durch Plasmaspritzen aufgebracht werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Einlaufbelag für Gasturbinen, zur Abdichtung eines radialen Spalts zwischen einem Gehäuse (1 1) der Gasturbine und rotierenden Laufschaufeln (10) derselben, wobei der Einlaufbelag (13) auf das Gehäuse (1 1) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaufbelag (13) aus einem CoNiCrAlY-hBN- Werkstoff hergestellt ist.
2. Einlaufbelag nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaufbelag (13) eine relativ geringe Härte aufweist.
3. Einlaufbelag nach Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaufbelag (13) eine Dichte und Porosität aufweist, so dass derselbe über eine relativ geringe Härte verfügt.
4. Einlaufbelag nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rockwellhärte des Einlaufbelags (13) in einem Bereich von 20 bis 60 liegt.
5. Einlaufbelag nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rockwellhärte des Einlaufbelags (13) in einem Bereich von 35 bis 50 liegt.
6. Einlaufbelag nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rockwellhärte eine in der HR15Y-Skala bestimmte Rockwellhärte ist.
7. Einlaufbelag nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlaufbelag (13) unmittelbar oder unter Zwischenordnung einer haftvermittelnden Schicht auf das Gehäuse (1 1) aufgebracht ist.
8. Verfahren zur Herstellung eines Einlaufbelags für Gasturbinen, zur Abdichtung eines radialen Spalts zwischen einem Gehäuse (1 1) der Gasturbine und rotierenden Laufschaufeln (10) derselben, wobei der Einlaufbelag (13) auf dem Gehäuse (1 1) angebracht wird, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Gehäuses (1 1), b) Aufbringen des Einlaufbelags (13) aus einem CoNiCrAlY-hBN- Werkstoff auf das Gehäuse (1 1).
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der CoNiCrAlY- hBN-Werkstoff unmittelbar oder unter Zwischenordnung einer haftvermittelnden und/oder funktionsrelevanten Schicht auf das Gehäuse (1 1) aufgebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der CoNiC- rAlY-hBN-Werkstoff durch thermisches Spritzen aufgetragen wird.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als thermisches Spritzen Plasmaspritzen verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Spritzen, insbesondere das Plasmaspritzen, derart durchgeführt wird, dass eine rotatorische und/oder translatorische Relativgeschwindigkeit zwischen einem Spritzstrahl, insbesondere einem Plasmastrahl, und dem zu beschichtenden Gehäuse groß ist.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Spritzen, insbesondere das Plasmaspritzen, derart durchgeführt wird, dass eine Luftströmung, die insbesondere der Abführung von Partikeln aus einer Spritzkabine dient, in etwa parallel zu einem Spritzstrahl, insbesondere einem Plasmastrahl, verläuft.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Spritzvorgang überwacht und ausgewertet wird, wobei hierzu Eigenschaften eines Spritzstrahls optisch erfasst und ausgewertet werden, und wobei der Spritzvorgang abhängig von den ermittelten Eigenschaften des Spritzstrahls und abhängig von vorbestimmten Werten für die Eigenschaften geregelt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Eigenschaften eines Plasmastrahls und/oder Eigenschaften eines Partikelstrahls überwacht und ausgewertet werden, wobei hierzu mit Hilfe einer Kamera eine Leuchtdichteverteilung des Plasmastrahls und/oder des Partikelstrahls erfasst wird, und wobei abhängig von der ermittelten Leuchtdichteverteilung das Plasmaspritzen beeinflusst wird.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der CoNiCrAlY-hBN-Werkstoff durch thermisches Spritzen, insbesondere durch Plasmaspritzten, derart aufgetragen wird, dass der sich einstellende Einlaufbelag (13) eine relativ geringe Rockwellhärte in einem Bereich von 20 bis 60, insbesondere in einem Bereich von 35 bis 50, nach der HR15Y-Skala aufweist.
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