EP1904257A1 - Verfahren zum herstellen einer schaufelspitzenpanzerung - Google Patents

Verfahren zum herstellen einer schaufelspitzenpanzerung

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EP1904257A1
EP1904257A1 EP06761692A EP06761692A EP1904257A1 EP 1904257 A1 EP1904257 A1 EP 1904257A1 EP 06761692 A EP06761692 A EP 06761692A EP 06761692 A EP06761692 A EP 06761692A EP 1904257 A1 EP1904257 A1 EP 1904257A1
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EP
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solder
blade
blade tip
titanium
nickel
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EP06761692A
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English (en)
French (fr)
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Bernd Daniels
Katrin Friedberger
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MTU Aero Engines AG
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MTU Aero Engines GmbH
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    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
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    • B23K1/0018—Brazing of turbine parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
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    • B23K2101/001—Turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
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    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2203/00—Non-metallic inorganic materials
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    • F05C2203/083—Nitrides
    • F05C2203/0839—Nitrides of boron
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    • Y10T29/49316—Impeller making
    • Y10T29/49336—Blade making
    • Y10T29/49337—Composite blade

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a blade tip armor on a blade of a turbomachine, in particular on a high-pressure compressor blade of a gas turbine
  • Turbomachinery such as gas turbine engines, typically includes multiple stages of rotating blades and fixed vanes, the blades rotating together with a rotor, and the blades and vanes being enclosed by a fixed housing of the gas turbine. It is important to optimize all components and subsystems in order to increase the performance of an aircraft engine. So-called sealing systems in aircraft engines also pay off. Particularly problematic in aircraft engines is the maintenance of a minimum gap between the rotating blades and the stationary housing of a high pressure compressor and between the fixed vanes and a rotating rotor shaft of the high pressure compressor. In high-pressure compressors namely, the largest temperatures and temperature gradients occur, which makes the gap difficult. This is partly due to the fact that in compressor blades and Verêtrleitschaufein on deck bands, such as those used in turbines, is omitted.
  • the vanes and blades in the compressor do not have a shroud. Therefore, ends or tips of the rotating blades are exposed to so-called rubbing into the fixed housing direct frictional contact with the housing.
  • the free ends or tips of the vanes are exposed to direct frictional contact with the rotor shaft.
  • Such a scratching of the blade tips is caused by setting a minimum radial gap by manufacturing tolerances.
  • an undesirable Spaltverlochung can be adjusted over the entire circumference of the housing and rotor.
  • a blade tip armor which is formed from hard material particles, is soldered onto the blade tip to be armored. From DE 44 39 950 C2 a method for producing a blade tip armor on a blade of a titanium-based alloy is known, wherein a solder is applied in layers on the blade of the titanium-based alloy by the elementary components of the solder, which one adapted to the titanium-based alloy of the blade Composition, staggered in layers applied to the blade tip.
  • Hard material particles are applied to the blade coated with the solder, the solder components of the solder then being melted to at least partially envelop the hard material particles in a matrix.
  • the method known from DE 44 39 950 C2 for producing a blade tip armor is only suitable for use with blades made of a titanium-based alloy. Since high-pressure compressor blades are usually made of a nickel-based material or a nickel-base alloy, the method according to DE 44 39 950 C2 is not suitable for producing corresponding blade tip armor on blades of a high-pressure compressor of a gas turbine.
  • the present invention is based on the problem to provide a novel method for producing a blade tip armor on a blade of a turbomachine.
  • the method comprises at least the following steps: a) provision of a blade made of a nickel-based material; b) applying a solder to a blade tip of the blade, the solder being a nickel-based solder; c) applying hard particles of cubic boron nitride to the solder, wherein the hard particles of cubic boron nitride are coated with titanium or a titanium base material; d) melting the solder under vacuum to a matrix at least partially surrounding the hard particles; e) Fixing the blade tip armor by cooling.
  • blade tip armor made of hard material particles can be applied safely and effectively even on blades made from a nickel-based material or from a nickel-based alloy.
  • a solder namely a nickel-based solder
  • a solder is first applied to a blade of a nickel-based material in the area of the blade tip.
  • cubic boron nitride hard material particles coated with titanium or a titanium base material are applied to the solder.
  • the titanium forms a relatively thin titanium nitride layer around the hard particles with the cubic boron nitride, thereby providing good wetting with the nickel base solder is guaranteed.
  • a blade tip armor on a blade made of a nickel base material first apply a nickel-based solder to the blade tip of the same, with particles of cubic boron nitride coated with titanium or a titanium base material then being applied to the nickel base solder as hard material particles subsequent melting of the solder under vacuum results in a stable connection of the hard material particles with the blade tip of the blade.
  • Fig. 1 is a schematic view of a blade with a blade tip armor.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a rotor blade of a high-pressure compressor of a gas turbine flight engine.
  • Such high-pressure compressor rotor blades consist of a nickel-based material or a nickel-based alloy.
  • the rotor blade 10 comprises an airfoil 11 and a blade root 12. Em radially outer end of the blade 11 forms a so-called blade tip 13.
  • To wear protection of the blade tip 13 when so called rubbing the same in a fixed housing carries the same a blade tip armor 14 of hard material particles or abrasive particles.
  • the present invention now relates to a novel method for producing such a blade tip armor 14 on a blade made of a nickel-based material.
  • a blade 10 made of a nickel-based material or a nickel-based alloy is first provided.
  • a nickel-based solder is applied in the region of the blade tip 13 of the blade 11.
  • the nickel base solder is applied to the blade tip 13 in the form of a solder foil made of a homogeneous solder material, namely preferably by spot welding.
  • hard material particles are applied to the solder foil, namely hard particles of cubic boron nitride, which are coated with titanium or a titanium base material are coated.
  • the coating of the hard material particles of cubic boron nitride with titanium or the titanium base material is preferably carried out with the aid of a PVD process.
  • a nickel-based solder is preferably applied in the form of a homogeneous solder foil on a blade from a nickel-base material It is also important that with titanium or a titanium base material coated hard material particles of cubic boron nitride the solder will be applied.
  • the titanium of the coated hard material particles forms with the cubic boron nitride a relatively thin titanium nitride coating around the hard material particles, thereby ensuring good wetting with the nickel-based solder.
  • a good connection of the hard material particles of cubic boron nitride with the nickel-based solder and thus ensured with the blade tip.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Schaufelspitzenpanzerung (14) auf einer Schaufel (10) einer Turbomaschine, insbesondere auf einer Hochdruckverdichterlaufschaufel einer Gasturbine, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer Schaufel (10) aus einem Nickelbasiswerkstoff; b) Aufbringen eines Lots auf eine Schaufelspitze (13) der Schaufel (10), wobei das Lot ein Nickelbasislot ist; c) Aufbringen von Hartstoffpartikeln aus kubischem Bornitrid auf das Lot, wobei die Hartstoffpartikel aus kubischem Bornitrid mit Titan bzw. einem Titanbasiswerkstoff beschichtet sind; d) Aufschmelzen des Lots unter Vakuum zu einer die Hartstoffpartikel mindestens teilweise umschliessenden Matrix; e) Fixieren der Schaufelspitzenpanzerung (14) durch Abkühlen.

Description

Verfahren zum Herstellen einer Schaufelspitzenpanzerung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Schaufelspitzenpanzerung auf einer Schaufel einer Turbomaschine, insbesondere auf einer Hochdruckverdichterlaufschaufei einer Gasturbine
Turbomaschinen, wie zum Beispiel Gasturbmenflugtnebwerke, umfassen m 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 zahlen 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 sowie zwischen den feststehenden Leitschaufeln und einer rotierenden Rotorwelle des Hochdruckverdichters. Bei Hochdruckverdichtern treten nämlich die größten Temperaturen sowie Temperaturengradienten auf, was die Spalthaltung erschwert. Dies liegt unter anderem auch darin begründet, dass bei Verdichterlaufschaufeln sowie Verdichterleitschaufein auf Deckbander, wie sie bei Turbinen verwendet werden, verzichtet wird.
Wie bereits erwähnt, verfugen die Leitschaufeln und die 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. Die freien Enden bzw. Spitzen der Leitschaufeln sind einem direkten Reibkontakt mit der Rotorwelle ausgesetzt. Ein solches Anstreifen der Schaufelspitzen wird bei Einstellung eines minimalen Radialspalts durch Fertigungstoleranzen hervorgerufen. Da durch den Reibkontakt der Schaufelspitzen an denselben Material abgetragen wird, kann sich über den gesamten Umfang von Gehäuse und Rotor eine unerwünschte Spaltvergroßerung einstellen. Um dies zu vermeiden ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, die Enden bzw. Spitzen der Schaufeln mit einem keramischen Belag oder mit HartstoffPartikeln bzw. mit abrasiven Partikeln zu panzern, wobei die Schaufelspitzenpanzerung unmittelbar auf die zu panzernde Schaufelspitze aufgebracht wird. Nach dem Stand der Technik wird eine Schaufelspitzenpanzerung, die aus HartstoffPartikeln gebildet ist, auf die zu panzernde Schaufelspitze aufgelötet. Aus der DE 44 39 950 C2 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Schaufelspitzenpanzerung auf einer Schaufel aus einer Titanbasislegierung bekannt, wobei auf die Schaufel aus der Titanbasislegierung ein Lot lagenweise aufgebracht wird, indem die elementaren Komponenten des Lots, welches eine an die Titanbasislegierung der Schaufel angepasste Zusammensetzung aufweist, in Lagen gestaffelt auf die Schaufelspitze aufgebracht werden. Auf die mit dem Lot beschichtete Schaufel werden Hartstoffparti- kel aufgetragen, wobei anschließend die Lotkomponenten des Lots aufgeschmolzen werden, um die Hartstoffpartikel zumindest teilweise m eine Matrix einzuhüllen. Das aus der DE 44 39 950 C2 bekannte Verfahren zum Herstellen einer Schaufelspitzenpanzerung eignet sich lediglich zur Verwendung bei Schaufeln aus einer Titanbasislegierung. Da Hochdruckverdichterschaufeln üblicherweise aus einem Nickelbasiswerkstoff bzw. einer Ni- ckelbasislegierung hergestellt sind, eignet sich das Verfahren gemäß der DE 44 39 950 C2 nicht zum Herstellen entsprechender Schaufelspitzenpanzerungen an Schaufeln eines Hochdruckverdichters einer Gasturbine.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Herstellen einer Schaufelspitzenpanzerung auf einer Schaufel einer Turbomaschine zu schaffen.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelost. Erfmdungsgemaß umfasst das Verfahren zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Schaufel aus einem Nickelbasiswerkstoff; b) Aufbringen eines Lots auf eine Schaufelspitze der Schaufel, wobei das Lot ein Nickelbasislot ist; c) Aufbringen von Hartstoffpartikeln aus kubischem Bornitrid auf das Lot, wobei die Hartstoffpartikel aus kubischem Bornitrid mit Titan bzw. einem Titanbasiswerkstoff beschichtet sind; d) Aufschmelzen des Lots unter Vakuum zu einer die Hartstoffpartikel mindestens teilweise umschließenden Matrix; e) Fixieren der Schaufelspitzenpanzerung durch Abkühlen.
Mit dem erfindungsgemaßen Verfahren ist es möglich, auch auf Schaufeln aus einem Nickelbasiswerkstoff bzw. aus einer Nickelbasislegierung Schaufelspitzenpanzerungen aus Hartstoffpartikeln sicher und effektiv aufzubringen. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird auf eine Schaufel aus einem Nickelbasiswerkstoff zuerst ein Lot, nämlich ein Nickelbasislot, im Bereich der Schaufelspitze aufgebracht. Anschließend werden Hartstoffpartikel aus kubischem Bornitrid, die mit Titan bzw. einem Titanbasiswerkstoff beschichtet sind, auf das Lot aufgebracht. Das Titan bildet mit dem kubischen Bornitrid eine relativ dünne Titan-Nitrid-Schicht um die Hartstoffpartikel, wodurch eine gute Benetzung mit dem Nickelbasislot gewährleistet wird. Es liegt demnach im Sinne der Erfindung, zur Bereitstellung einer Schaufelspitzenpanzerung auf einer Schaufel aus einem Ni- ckelbasiswerkstoff zuerst auf die Schaufelspitze derselben ein Nickelbasislot aufzubringen, wobei anschließend auf das Niσkelbasislot als HartstoffPartikel mit Titan bzw. einem Titanbasiswerkstoff beschichtete Partikel aus kubischem Bornitrid aufgebracht werden Beim anschließenden Aufschmelzen des Lots unter Vakuum ergibt sich eine stabile Verbindung der Hartstoffpartikel mit der Schaufelspitze der Schaufel.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran- spruchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschrankt zu sein, an Hand der Zeichnung naher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematisierte Ansicht einer Schaufel mit einer Schaufelspitzenpanzerung.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1 in größerem Detail beschrieben
Fig. 1 zeigt eine schematisierte Darstellung einer Laufschaufei eines Hochdruckverdichters eines Gasturbmenflugtπebwerks Derartige Hochdruckverdichterlaufschaufeln bestehen aus einem Nickelbasiswerkstoff bzw. einer Nickelbasislegierung. Die Laufschaufei 10 umfasst ein Schaufelblatt 11 sowie einen Schaufelfuß 12. Em radial außenliegendes Ende des Schaufelblatts 11 bildet eine sogenannte Schaufelspitze 13. Zum Verschleißschutz der Schaufelspitze 13 beim sogenannten Anstreifen derselben in ein feststehendes Gehäuse tragt dieselbe eine Schaufelspitzenpanzerung 14 aus HartstoffPartikeln bzw mit abrasiven Partikeln. Die hier vorliegende Erfindung betrifft nun neuartiges Verfahren zum Herstellen einer solchen Schaufelspitzenpanzerung 14 auf einer Schaufel aus einem Nickelbasiswerkstoff.
Im Sinne des erfmdungsgemaßen Verfahrens zum Herstellen einer Schaufelspitzenpanzerung wird zuerst eine Schaufel 10 aus einem Nickelbasiswerkstoff bzw. einer Nickelbasislegierung bereitgestellt. Auf die bereitgestellte Schaufel wird im Bereich der Schaufelspitze 13 des Schaufelblatts 11 ein Nickelbasislot aufgebracht. Im Sinne der Erfindung wird das Ni- ckelbasαslot in Form einer Lotfolie aus einem homogenen Lotwerkstoff auf die Schaufelspitze 13 aufgebracht, nämlich vorzugsweise durch Punktschweißen. Anschließend werden auf die Lotfolie Hartstoffpartikel aufgebracht, nämlich Hartstoffpartikel aus kubischem Bornitrid, die mit Titan bzw. einem Titanbasiswerkstoff beschichtet sind. Das Aufbringen der mit Titan bzw. einem Titanbasiswerkstoff beschichteten Hartstoffpartikel auf die Lotfolie erfolgt mit Hilfe eines Binders, vorzugsweise mit Hilfe eines organischem Binders. Das Beschichten der Hartstoffpartikel aus kubischem Bornitrid mit Titan bzw. dem Titanbasiswerkstoff erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines PVD-Prozesses . Nach dem Aufbringen der mit Titan bzw. dem Titanbasiswerkstoff beschichteten Hartstoffpartikel aus kubischem Bornitrid auf die Lotfolie erfolgt ein Aufschmelzen des Lots bei Lottemperatur unter Vakuum, um so die Hartstoffpartikel mindestens teilweise in eine Matrix einzuschließen und dieselben sicher und fest an die Schaufelspitze 13 der Laufschaufel 10 anzubinden Durch Abkühlen erfolgt ein Fixieren der Schaufelspitzenpanzerung 14 auf der Schaufelspitze 13 der Laufschaufei 10.
Für das erfmdungsgemaße Verfahren zum Herstellen der Schaufelspitzenpanzerung ist einerseits von Bedeutung, dass auf eine Schaufel aus einem Ni- ckelbasiswerkstoff ein Nickelbasislot vorzugsweise in Form einer homogenen Lotfolie aufgebracht wird Weiterhin ist von Bedeutung, dass mit Titan bzw. einem Titanbasiswerkstoff beschichtete Hartstoffpartikel aus kubischem Bornitrid auf das Lot aufgebracht werden. Das Titan der beschichteten Hartstoffpartikel bildet mit dem kubischen Bornitrid eine relativ dünne Titan-Nitπd-Beschichtung um die Hartstoffpartikel, wodurch eine gute Benetzung mit dem Nickelbasislot gewahrleistet wird. Hierdurch wird eine gute Verbindung der Hartstoffpartikel aus kubischen Bornitrid mit dem Nickelbasislot und damit mit der Schaufelspitze gewährleistet.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer Schaufelspitzenpanzerung auf einer Schaufel einer Turbomaschine, insbesondere auf einer Hochdruckverdichterlaufschaufel einer Gasturbine, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer Schaufel aus einem Nickelbasiswerkstoff; b) Aufbringen eines Lots auf eine Schaufelspitze der Schaufel, wobei das Lot ein Nickelbasislot ist; c) Aufbringen von Hartstoffpartikeln aus kubischem Bornitrid auf das Lot, wobei die Hartstoffpartikel aus kubischem Bornitrid mit Titan bzw. einem Titanbasiswerkstoff beschichtet sind; d) Aufschmelzen des Lots unter Vakuum zu einer die Hartstoffpartikel mindestens teilweise umschließenden Matrix; e) Fixieren der Schaufelspitzenpanzerung durch Abkühlen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot als eine Lotfolie aus einem homogenem Nickelbasislot auf die Schaufelspitze aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotfolie durch Schweißen auf die Schaufelspitze aufgebracht wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikeln aus kubischem Bornitrid vor dem Aufbringen derselben auf das Lot mit dem Titan bzw. dem Titanbasiswerkstoff durch einen PVD-Prozess beschichtet werden.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Titan bzw. dem Titanbasiswerkstoff beschichteten Hartstoffpartikel aus kubischem Bornitrid mit einem Binder auf das Lot aufgebracht werden.
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