EP2044231B1 - Bauteil mit einer panzerung - Google Patents

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EP2044231B1
EP2044231B1 EP07722169A EP07722169A EP2044231B1 EP 2044231 B1 EP2044231 B1 EP 2044231B1 EP 07722169 A EP07722169 A EP 07722169A EP 07722169 A EP07722169 A EP 07722169A EP 2044231 B1 EP2044231 B1 EP 2044231B1
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metallic
blade
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Josef Linska
Andre Werner
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    • Y10T428/12486—Laterally noncoextensive components [e.g., embedded, etc.]

Definitions

  • the invention relates to a component, in particular a gas turbine component such as a blade, with an armor, in particular a blade tip armor, according to the preamble of claim 1.
  • Turbomachines such as gas turbines, typically include a plurality of rotating blades and a plurality of fixed vanes, the blades rotating together with a rotor, and wherein the blades and the vanes are enclosed by a stationary housing.
  • a stationary housing typically includes a plurality of rotating blades and a plurality of fixed vanes, the blades rotating together with a rotor, and wherein the blades and the vanes are enclosed by a stationary housing.
  • sealing systems include the so-called sealing systems.
  • blades in the compressor have no shroud. Therefore, tips of the blades are exposed to so-called rubbing into the fixed housing in direct frictional contact with the housing. Such a rubbing of the tips of the blades into the housing is caused by setting a minimum radial gap by manufacturing tolerances. As is removed by the frictional contact of the tips of the blades on the same material, over the entire circumference of the housing and rotor can set an undesirable gap magnification. To avoid this, it is already known from the prior art to armor the ends or tips of the blades with a hard coating or with abrasive particles. Two different types of blade tip armor are known from the prior art known blade tip armor made of a ceramic material or blade tip armor from abrasive particles. The present invention relates to an armor, in particular a blade tip armor, a component, in particular a gas turbine blade, with abrasive particles.
  • the US 6,194,086 B1 discloses a blade of a gas turbine having a blade tip armor, the blade tip armor comprising a cover layer formed of abrasive particles incorporated in a metallic matrix material.
  • the cover layer of the abrasive particles embedded in the metallic matrix material is applied to the tip of a blade to be coated with the interposition of a metallic adhesion-promoting layer.
  • the metallic adhesive layer is formed as LPPS layer and therefore applied via a so-called low pressure plasma spraying on the component.
  • the disadvantage of such LPPS adhesive layers is that they have a low mechanical adhesion to the blade tip, especially at high operating temperatures of up to 1200 ° C., so that the blade tip armor may flake off during operation.
  • the present invention based on the problem of creating a novel component with an armor.
  • This problem is solved by a component in the sense of claim 1.
  • the metallic adhesive layer is formed as an adhesive layer applied to the component via high-speed flame spraying, wherein the metallic matrix material of the cover layer is electrodeposited.
  • the adhesive layer is applied to the component via high-speed flame spraying.
  • the armor adheres better to the component at high temperatures than when using LPPS adhesive layers.
  • the blade tip armor of the component therefore has a higher mechanical adhesion, especially at high operating temperatures.
  • the invention relates to an armored component, in particular a blade provided with a blade tip armor of a gas turbine.
  • the blade of the gas turbine is designed as a high-pressure compressor blade.
  • Fig. 1 shows a highly schematic cross section through a blade tip 10 of a blade, wherein the blade tip 10 of the blade carries a blade tip armor 11.
  • the blade tip armor 11 has at least two layers, namely an outer cover layer 12 and an inner adhesive layer 13.
  • the cover layer 12 is applied to the blade tip 10 via the adhesive layer 13.
  • additional additional layers may be present between the cover layer 12 and the adhesion layer 13.
  • the cover layer 12 is according to Fig. 1 formed by abrasive particles 14 which are incorporated in a metallic matrix material 15.
  • the adhesive layer 13 is designed as a metallic adhesive layer.
  • the metallic adhesive layer 13 and the metallic matrix material 15 of the cover layer 12 are each formed from a MCrAlY material.
  • the metallic adhesive layer 13 is formed as a high-speed flame spraying (HVOF) applied to the component adhesive layer.
  • HVOF high-speed flame spraying
  • the metallic matrix material 15 of the cover layer 12 is electrodeposited.
  • the abrasive particles 14 are embedded, which are preferably formed as hard particles of cubic boron nitride.
  • the metallic matrix material 15 of the cover layer 12 and the metallic adhesion layer 13 are each formed from an MCrAlY material having the following composition: 14-22% by weight chromium (Cr), 6-14% by weight of cobalt (Co), 4-9% by weight of aluminum (A1), 5-8% by weight tantalum (Ta), 1-3% by weight rhenium (Re), 0.5-1% by weight hafnium (Hf), 0.5-1.5% by weight of silicon (Si), 0.3-1 wt% yttrium (Y), and in the rest of nickel.
  • Cr chromium
  • Co cobalt
  • Al aluminum
  • Ta tantalum
  • Re 1-3% by weight rhenium
  • Hf hafnium
  • Si silicon
  • Y 0.3-1 wt% yttrium
  • composition of the MCrAlY material 18% by weight chromium (Cr), 10% by weight of cobalt (Co), 6.5% by weight of aluminum (Al), 6% by weight tantalum (Ta), 2% by weight rhenium (Re), 0.5% by weight hafnium (Hf), 1% by weight of silicon (Si), 0.3% by weight of yttrium (Y), and in the rest of nickel.
  • Cr chromium
  • Co cobalt
  • Al aluminum
  • Ta tantalum
  • Re rhenium
  • Hf hafnium
  • Si silicon
  • Y yttrium
  • a blade is provided with a blade tip armor, wherein the blade tip armor a high-speed flame-spray adhesive layer which serves to connect the blade tip armor 11 to the blade tip 10, and wherein the high-speed flame-spray adhesive layer 13 has a high mechanical strength, especially at high operating temperatures.
  • the adhesion layer 13 carries the cover layer 12, which is formed from abrasive particles 14 embedded in the metallic matrix material 15, the metallic matrix material 15 of the cover layer 12 being electrodeposited.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere ein Gasturbinenbauteil wie eine Laufschaufel, mit einer Panzerung, insbesondere einer Schaufelspitzenpanzerung, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Turbomaschinen, wie zum Beispiel Gasturbinen, umfassen in der Regel mehrere rotierende Laufschaufeln sowie mehrere feststehende Leitschaufeln, wobei die Laufschaufeln zusammen mit einem Rotor rotieren, und wobei die Laufschaufeln sowie die Leitschaufeln von einem feststehenden Gehäuse umschlossen sind. Zur Leistungssteigerung ist es von Bedeutung, alle Komponenten und Subsysteme zu optimieren. Hierzu zählen auch die sogenannten Dichtsysteme.
  • Besonders problematisch ist bei Turbomaschinen die Einhaltung eines minimalen Spalts zwischen den rotierenden Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse eines Hochdruckverdichters. Bei Hochdruckverdichtern treten nämlich die größten absoluten Temperaturen sowie Temperaturengradienten auf, was die Spalthaltung der rotierenden Laufschaufeln zum feststehenden Gehäuse erschwert. Dies liegt unter anderem auch darin begründet, dass bei Verdichterlaufschaufeln auf Deckbänder, wie sie bei Turbinenlaufschaufeln verwendet werden, verzichtet wird.
  • Wie bereits erwähnt, verfügen Laufschaufeln im Verdichter über kein Deckband. Daher sind Enden bzw. Spitzen der 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 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 Laufschaufeln mit einem harten Belag oder mit abrasiven Partikeln zu panzern. Dabei sind aus dem Stand der Technik zwei unterschiedliche Typen von Schaufelspitzenpanzerungen bekannt, nämlich Schaufelspitzenpanzerungen aus einem keramischen Werkstoff oder Schaufelspitzenpanzerungen aus abrasiven Partikeln. Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine Panzerung, insbesondere eine Schaufelspitzenpanzerung, eines Bauteils, insbesondere einer Gasturbinenlaufschaufel, mit abrasiven Partikeln.
  • Die US 6,194,086 B1 offenbart eine Laufschaufel einer Gasturbine mit einer Schaufelspitzenpanzerung, wobei die Schaufelspitzenpanzerung eine Deckschicht umfasst, die aus in ein metallisches Matrixmaterial eingelagerten, abrasiven Partikeln gebildet ist. Die Deckschicht aus den in das metallische Matrixmaterial eingelagerten, abrasiven Partikeln ist unter Zwischenanordnung einer metallischen Haftvermittlungsschicht auf die Spitze einer zu panzernden Laufschaufel aufgebracht. Dabei ist die metallische Haftschicht als LPPS-Schicht ausgebildet und demnach über ein sogenanntes Low Pressure Plasma Spraying auf das Bauteil aufgebracht. Der Nachteil solcher LPPS Haftschichten liegt darin, dass dieselben insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen von bis zu 1.200° C eine geringe mechanische Haftung an der Schaufelspitze aufweisen, so dass es im Betrieb zu einem Abplatzen der Schaufelspitzenpanzerung kommen kann.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Bauteil mit einer Panzerung zu schaffen. Dieses Problem wird durch ein Bauteil im Sinne von Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist die metallische Haftschicht als eine über Hochgeschwindigkeitsflammspritzen auf das Bauteil aufgebrachte Haftschicht ausgebildet, wobei das metallische Matrixmaterial der Deckschicht galvanisch abgeschieden ist.
  • Erfindungsgemäß ist die Haftschicht über Hochgeschwindigkeitsflammspritzen auf das Bauteil aufgebracht. Hierdurch haftet die Panzerung bei hohen Temperaturen besser auf dem Bauteil als bei Verwendung von LPPS Haftschichten. Die Schaufelspitzenpanzerung des Bauteils verfügt demnach über eine höhere mechanische Haftung, insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
    • Fig. 1:
    einen schematisierten Querschnitt durch eine auf einem Bauteil aufgebrachte Panzerung.
  • Die Erfindung betrifft ein gepanzertes Bauteil, insbesondere eine mit einer Schaufelspitzenpanzerung versehene Laufschaufel einer Gasturbine. Bevorzugt ist die Laufschaufel der Gasturbine als Hochdruckverdichterlaufschaufel ausgeführt.
  • Fig. 1 zeigt einen stark schematisierten Querschnitt durch eine Schaufelspitze 10 einer Laufschaufel, wobei die Schaufelspitze 10 der Laufschaufel eine Schaufelspitzenpanzerung 11 trägt.
  • Die Schaufelspitzenpanzerung 11 verfügt über mindestens zwei Schichten, nämlich eine äußere Deckschicht 12 und eine innere Haftschicht 13. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist die Deckschicht 12 über die Haftschicht 13 auf die Schaufelspitze 10 aufgebracht. Zwischen der Deckschicht 12 und der Haftschicht 13 können gegebenenfalls weitere, zusätzliche Schichten vorhanden sein.
  • Die Deckschicht 12 ist gemäß Fig. 1 von abrasiven Partikeln 14 gebildet, die in ein metallisches Matrixmaterial 15 eingelagert sind. Die Haftschicht 13 ist als metallische Haftschicht ausgeführt. Die metallische Haftschicht 13 sowie das metallische Matrixmaterial 15 der Deckschicht 12 sind jeweils aus einem MCrAlY-Werkstoff gebildet.
  • Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist die metallische Haftschicht 13 als eine über Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) auf das Bauteil aufgebrachte Haftschicht ausgebildet. Durch das Aufbringen der Haftschicht 13 mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsflammspritzen wird dieselbe sehr fest und wenig porös, so dass dieselbe letztendlich auf der Schaufelspitze 10 gut haftet. Das metallische Matrixmaterial 15 der Deckschicht 12 wird galvanisch abgeschieden. In dasselbe sind die abrasiven Partikel 14 eingelagert, die vorzugsweise als Hartstoffpartikel aus kubischem Bornitrid gebildet sind.
  • Wie bereits erwähnt, sind das metallische Matrixmaterial 15 der Deckschicht 12 sowie die metallische Haftschicht 13 jeweils aus einem MCrAlY-Werkstoff gebildet, der folgende Zusammensetzung aufweist:
    14-22 Gew.-% Chrom (Cr),
    6-14 Gew.-% Kobalt (Co),
    4-9 Gew.-% Aluminium (A1),
    5-8 Gew.-% Tantal (Ta),
    1-3 Gew.-% Rhenium (Re),
    0,5-1 Gew.-% Hafnium (Hf),
    0,5-1,5 Gew.-% Silizium (Si),
    0,3-1 Gew.-% Yttrium (Y), und
    im Rest Nickel.
  • Besonders bevorzugt ist folgende Zusammensetzung des MCrAlY-Werkstoffs:
    18 Gew.-% Chrom (Cr),
    10 Gew.-% Kobalt (Co),
    6,5 Gew.-% Aluminium (Al),
    6 Gew.-% Tantal (Ta),
    2 Gew.-% Rhenium (Re),
    0,5 Gew.-% Hafnium (Hf),
    1 Gew.-% Silizium (Si),
    0,3 Gew.-% Yttrium (Y), und
    im Rest Nickel.
  • Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird demnach eine Laufschaufel mit einer Schaufelspitzenpanzerung bereitgestellt, wobei die Schaufelspitzenpanzerung eine Hochgeschwindigkeitsflammspritz-Haftschicht aufweist, die der Anbindung der Schaufelspitzenpanzerung 11 an die Schaufelspitze 10 dient, und wobei die Hochgeschwindigkeitsflammspritz-Haftschicht 13 eine hohe mechanische Belastbarkeit, insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen aufweist. Die Haftschicht 13 trägt die Deckschicht 12, die aus in das metallische Matrixmaterial 15 eingelagerten abrasiven Partikeln 14 gebildet ist, wobei das metallische Matrixmaterial 15 der Deckschicht 12 galvanisch abgeschieden ist.

Claims (5)

  1. Bauteil, insbesondere Laufschaufel einer Gasturbine, mit einer Panzerung, insbesondere einer Schaufelspitzenpanzerung, wobei die Panzerung eine Deckschicht umfasst, die aus in ein metallisches Matrixmaterial eingelagerten, abrasiven Partikeln gebildet ist, und wobei die Deckschicht unter Zwischenanordnung einer metallischen Haftschicht auf eine Oberfläche des Bauteils aufgebracht ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die metallische Haftschicht (13) als eine über Hochgeschwindigkeitsflammspritzen auf das Bauteil aufgebrachte Haftschicht ausgebildet ist, und dass das metallische Matrixmaterial (15) der Deckschicht (12) galvanisch abgeschiedenen ist, wobei dass das metallische Matrixmaterial (15) der Deckschicht (12) aus einem MCrAlY-Werkstoff gebildet ist und folgende Zusammensetzung aufweist:
    14-22 Gew.-% Chrom (Cr),
    6-14 Gew.-% Kobalt (Co),
    4-9 Gew.-% Aluminium (Al),
    5-8 Gew.-% Tantal (Ta),
    1-3 Gew.-% Rhenium (Re),
    0,5-1 Gew.-% Hafnium (Hf),
    0,5-1,5 Gew.-% Silizium (Si),
    0,3-1 Gew.-% Yttrium (Y), und
    im Rest Nickel.
  2. Bauteil nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der MCrAlY-Werkstoff folgende Zusammensetzung aufweist:
    18 Gew.-% Chrom (Cr),
    10 Gew.-% Kobalt (Co),
    6,5 Gew.-% Aluminium (Al),
    6 Gew.-% Tantal (Ta),
    2 Gew.-% Rhenium (Re),
    0,5 Gew.-% Hafnium (Hf),
    1 Gew.-% Silizium (Si),
    0,3 Gew.-% Yttrium (Y), und
    im Rest Nickel.
  3. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    das die metallische Haftschicht (13) aus einem MCrAlY-Werkstoff gebildet ist und folgende Zusammensetzung aufweist:
    14-22 Gew.-% Chrom (Cr),
    6-14 Gew.-% Kobalt (Co),
    4-9 Gew.-% Aluminium (Al),
    5-8 Gew.-% Tantal (Ta),
    1-3 Gew.-% Rhenium (Re),
    0,5-1 Gew.-% Hafnium (Hf),
    0,5-1,5 Gew.-% Silizium (Si),
    0,3-1 Gew.-% Yttrium (Y), und
    im Rest Nickel.
  4. Bauteil nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der MCrAlY-Werkstoff folgende Zusammensetzung aufweist:
    18 Gew.-% Chrom (Cr),
    10 Gew.-% Kobalt (Co),
    6,5 Gew.-% Aluminium (Al),
    6 Gew.-%. Tantal (Ta),
    2 Gew.-% Rhenium (Re),
    0,5 Gew.-% Hafnium (Hf),
    1 Gew.-% Silizium (Si),
    0,3 Gew.-% Yttrium (Y), und
    im Rest Nickel.
  5. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die abrasiven Partikeln (14) der Deckschicht (12) aus kubischem Bornitrid gebildet sind.
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