EP2422051A2 - Method for producing a hard coating of a gas turbine blade tip and gas turbine blade - Google Patents

Method for producing a hard coating of a gas turbine blade tip and gas turbine blade

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EP2422051A2
EP2422051A2 EP10719901A EP10719901A EP2422051A2 EP 2422051 A2 EP2422051 A2 EP 2422051A2 EP 10719901 A EP10719901 A EP 10719901A EP 10719901 A EP10719901 A EP 10719901A EP 2422051 A2 EP2422051 A2 EP 2422051A2
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EP
European Patent Office
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blade
armor
based alloy
porous layer
bead
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10719901A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Andreas Jakimov
Stefan Schneiderbanger
Manuel Hertter
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • 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
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    • C23C4/08—Metallic material containing only metal elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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    • Y10T29/49732—Repairing by attaching repair preform, e.g., remaking, restoring, or patching
    • Y10T29/49734—Repairing by attaching repair preform, e.g., remaking, restoring, or patching and removing damaged material

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing an armor of a blade tip as well as correspondingly produced blades and gas turbines.
  • EP 1 674 594 A1 further shows a method for repairing blades with a corresponding gas jet spraying method.
  • base alloy is understood to mean that the corresponding alloy contains the metal named in the name of the base alloy as the main constituent, that is to say as the constituent with the largest proportion in the composition, or as the predominant fraction, ie with a proportion of more than half Composition.
  • base alloy is understood in the present case not only an alloy with many components, in particular components for the formation of curing particles, but it may also be simple alloys with only two or three components to almost pure materials of the eponymous metal, in which only minor alloying elements and / or unavoidable impurities are included.
  • the porous layer and / or the bead can be produced by any suitable application method, wherein in particular syringes and preferably thermal spraying can be used.
  • the porous layer and / or the bead may be formed of a material which is adapted in its properties either to the base material of the airfoil and / or the material of the armor. Accordingly, the porous layer and / or the bead may in particular be formed from a material which predominantly comprises the elements from which the base material and / or the armor are formed. Thus, the porous layer and / or the bead may in particular be a titanium-based alloy, a nickel-base alloy, an aluminum-based alloy or an iron-based alloy. Concerning. the base alloys here the same definition as stated above.
  • the application of the armor is preferably carried out by kinetic cold gas spraying or kinetic cold gas compacting (called K3).
  • K3 kinetic cold gas spraying or kinetic cold gas compacting
  • particles of the coating material are accelerated at high speed onto the surface to be coated, wherein the temperatures are selected so that the coating material does not melt, but only has a certain ductility, which causes the particles to deform and interfere with each other upon impact flow, so that an intimate connection of the particles is generated, which also has a good adhesion of the coating on the material to be coated result.
  • the kinetic cold gas spraying can at a temperature of 300 to 900 ° C, in particular 400 to 750 ° C or a pressure of 20 to 50 bar, in particular 30 to 40 bar and / or with a particle velocity of 500 to 1200 m / s, in particular 700 to 1000 m / s are performed.
  • the particles can be in the size range from 5 .mu.m to 100 .mu.m, in particular from 10 .mu.m to 50 .mu.m.
  • the removal of the bead and / or at least partially the armor can be done by any suitable method, in particular by mechanical and / or chemical processing.
  • the armor After processing of the blade tip, ie the removal of the bead and the excess armor material, the armor has correspondingly mechanically and / or chemically processed side surfaces, which in the radial direction, ie in the direction starting from the blade root to the blade tip, represent a rectilinear extension of the blade surface, so that the armor and possibly arranged thereunder porous layer take the desired contour of the blade tip.
  • Figure 1 is a side view of a known blade with an armor
  • Figure 3 is a side view of a known blade
  • FIG. 4 shows a side view of a blade according to the present invention in the production process; and FIG. 5 shows a detailed view of the finished blade tip from FIG. 4.
  • FIG. 1 shows a known blade according to the prior art, which comprises a blade root 2 and an airfoil 3. At the blade tip a radially outwardly facing surface 4 is provided, on which an armor 5 is arranged.
  • the structure of the bucket 1 is identical to that shown in Fig. 1, so that the same reference numerals have been used and additional description of the components provided with the reference numeral is unnecessary. This also applies to the following illustrations of FIGS. 3 and 4.
  • FIG. 3 again shows a side view of a blade 1, similar to the illustrations of FIGS. 1 and 2.
  • the blade 1, as shown in FIG. 3, shows a further problem in the prior art.
  • the armor 5, which is arranged on the surface 4 of the blade tip, has a pyramidal structure, so that the cross section of the armor on the radial outside is smaller than the cross section of the surface 4 of the blade tip.
  • a circumferential bead 8 is formed on the flanks 12 of the blade tip, that is to say on the side surfaces 13 of the blade 3 in the region of the blade tip, which widens the radial surface region of the blade tip.
  • the armor 5 is here deposited on the radially outwardly facing surface 4 of the blade tip and on the corresponding surface of the bead 8, so that despite a pyramidal layer structure, a blade tip geometry can be generated which corresponds to the desired shape.
  • the bead 8 is removed with the protruding portion of the armor 11 subsequently after the application of the armor, so that a side surface of the airfoil 3 and the armor 5 results, corresponding to the dashed line 9 of the straight, radial extension of the side surface 13 of the airfoil 3 is given.
  • the removal of the bead 8 and the region 11 of the armor 5 may be accomplished by any suitable method, e.g. B. mechanical removal process such as cutting process, z. As turning, milling and the like or by chemical processing, such as wet chemical etching and the like can be realized.
  • FIG. 2 and 4 The embodiments, as shown in Figures 2 and 4, can be combined with each other, so that in addition between armor 5 and the base material of the airfoil 3, a porous layer 7 is provided.
  • This can be applied as part of the bead 8 or in connection with the bead 8 on the blade tip. This is illustrated by the dashed line in the region of the blade tip of FIG.
  • the dashed surface 4 'of the blade tip shows the state that on the blade tip below the armor 5 is still a porous layer 7 is arranged, while the solid surface 4 of the blade tip indicates the state that no additional porous layer 7 is provided.
  • the porous layer 7 or the bead 8 is applied by spraying, in particular thermal spraying, although other suitable application methods can also be used.
  • the armor is applied by kinetic catalytic gas compaction or kinetic cold gas spraying, which produces particularly favorable properties for the armor.
  • the kinetic Kaltgaskompakt Schl or kinetic cold gas spraying is carried out at temperatures in the range of 300 to 800 0 C and a gas pressure of 30 to 40 bar, so that results in particle velocities in the range of 500 to 1000 m / s.
  • the particle sizes range from 5 to 50 ⁇ m.
  • the impact of the particles at high speeds at relatively low temperatures leads to a plastic deformation of the material and to a solid, compact arrangement of the armor.
  • the armor can in this case be formed in particular by a nickel base material or an iron-based material which comprises nitrides, carbides and oxides as hard material particles.

Abstract

The invention relates to a method for producing a plating (5) of a vane tip. Said method consists of the following steps: a) a vane having a vane tip which is arranged opposite the base of the vane (2) and which comprises a surface which points radially outwards is provided, and b) a porous layer (7) is applied to at least the surface (4) of the vane tip and/or c) a bulge (8) which increases the surface of the vane tip is applied to at least one part of the flanks of the vane tip, said flanks surrounding the surface of the vane tip, and d) the plating (5) is applied to the porous layer and/or the bulge. The invention also relates to corresponding vanes or gas turbines with corresponding vanes.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER PANZERUNG EINER SCHAUFELSPITZE SOWIE ENTSPRECHEND HERGESTELLTE SCHAUFELN UND GASTURBINEN METHOD FOR PRODUCING AN ARMOR TIP, AND CORRESPONDING SHOVELS AND GAS TURBINES
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Panzerung einer Schaufelspitze sowie entsprechend hergestellte Schaufeln und Gasturbinen.The present invention relates to a method for producing an armor of a blade tip as well as correspondingly produced blades and gas turbines.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Das Vorsehen von Panzerungen auf Schaufelspitzen von Schaufeln einer Gasturbine und insbesondere einer Flugturbine ist aus dem Stand der Technik bekannt. Insbesondere ist es auch bekannt, derartige Panzerungen durch kinetisches Kaltgasspritzen aufzubringen, wie beispielsweise die US 2007/0248750 Al oder die US 2008/0038 zeigen. Die EP 1 674 594 Al zeigt weiterhin ein Verfahren zur Reparatur von Schaufeln mit einem entsprechenden KaIt- gasspritzverfahren.The provision of armor on blade tips of blades of a gas turbine, and in particular of an aircraft turbine, is well known in the art. In particular, it is also known to apply such armor by kinetic cold gas spraying, as shown for example in US 2007/0248750 Al or US 2008/0038. EP 1 674 594 A1 further shows a method for repairing blades with a corresponding gas jet spraying method.
Wie jedoch die Figuren 1 und 3 zeigen, können hierbei unterschiedliche Probleme auftreten. Einerseits kann die harte Panzerung 5 Versprödungsrisse 6 aufweisen, die in den Grundwerkstoff des Schaufelblattes 3 einwandern können und so zu einer Beschädigung des Schaufelblattes 3 führen können. Zum Anderen kann es durch die Aufbringung der Panzerung 5 zu einer Abweichung von der geplanten Geometrie kommen, wenn bei der Aufbringung der Panzerung ein spezifischer Schichtaufbau vorliegt, wie beispielsweise der in Figur 3 dargestellte pyramidenförmige Schichtaufbau.However, as shown in Figures 1 and 3, this may cause different problems. On the one hand, the hard armor 5 can have embrittlement cracks 6, which can migrate into the base material of the airfoil 3 and thus can lead to damage of the airfoil 3. On the other hand, the application of the armor 5 can lead to a deviation from the planned geometry if there is a specific layer structure during the application of the armor, for example the pyramidal layer structure illustrated in FIG.
BESTATIGUNGSKOPIE OFFENBARUNG DER ERFINDUNGBESTATIGUNGSKOPIE DISCLOSURE OF THE INVENTION
AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Panzerung einer Schaufelspitze bereitzustellen, bei dem das Problem des Einwanderns von Ver- sprödungsrissen in den Grundwerkstoff ausgehend von der Panzerung als auch Formabweichungen durch die Abscheidung der Panzerung von der vorgegebenen Form der Schaufelspitze vermieden werden sollen. Gleichwohl soll das Verfahren einfach durchführbar sein und zuverlässige Ergebnisse liefern, d. h. die Schaufeln sollen das erforderliche Eigenschaftsprofil beibehalten. Entsprechend sollen auch derartige Schaufeln und Gasturbinen bereitgestellt werden.It is therefore an object of the present invention to obviate the drawbacks of the prior art described above and, more particularly, to provide a blade tip armoring method which addresses the problem of embrittlement cracking into the base material from the armor as well as shape deviations should be avoided by the deposition of the armor of the given shape of the blade tip. Nevertheless, the method should be simple to perform and provide reliable results, i. H. the blades should maintain the required property profile. Accordingly, such blades and gas turbines are to be provided.
TECHNISCHE LÖSUNGTECHNICAL SOLUTION
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, Schaufeln mit den Merkmalen der Ansprüche 9 und 10 sowie einer Gasturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a method having the features of claim 1, blades having the features of claims 9 and 10 and a gas turbine having the features of claim 15. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren zur Herstellung einer Panzerung einer Schaufelspitze unterhalb der Panzerung eine poröse Schicht und/oder zumindest teilweise eine die Abscheidefläche für die Panzerung vergrößernde Wulst vorgesehen. Durch die poröse Schicht, die unterhalb der Panzerung angeordnet wird, kann vermieden werden, dass Risse sich ausgehend von der Panzerung bis in den Grundwerkstoff des Schaufelblattes erstrecken. Durch die weitere Maßnahme, die alternativ oder in Kombination mit der Anordnung der porösen Schicht unterhalb der Panzerung vorgenommen werden kann, eine um die Beschich- tungsfläche der Schaufelspitze umlaufende Wulst zur Vergrößerung der Beschichtungsfläche vorzusehen, kann erreicht werden, dass auch bei einer Schicht, die in einer bestimmten Form, beispielsweise pyramidenförmig aufwächst, die gewünschte Form der Schaufelspitze eingestellt werden kann. Zu diesem Zweck kann nämlich die Wulst mit der auf dieser abgeschiede- nen überschüssigen Panzerung nach dem Beschichten, d. h. dem Aufbringen der Panzerung, wieder entfernt werden und zwar entsprechend der Form, die die Schaufelspitze einnehmen soll.According to the invention, a porous layer and / or at least partially a bead which increases the separation surface for the armor is provided in the method for producing an armor of a blade tip below the armor. The porous layer, which is arranged below the armor, can be used to prevent cracks extending from the armor to the base material of the airfoil. By the further measure, which can be undertaken alternatively or in combination with the arrangement of the porous layer below the armor, to provide a bead around the coating surface of the blade tip for enlarging the coating surface, it can be achieved that also in the case of a layer grows in a certain shape, for example pyramidal shape, the desired shape of the blade tip can be adjusted. For this purpose, the bead with the NEN excess armor after coating, ie the application of armor, be removed again and that according to the shape that should take the blade tip.
Ein derartiges Vorgehen ist insbesondere für Schaufeln mit relativ „weichem" Grundmaterial vorteilhaft, bei welchen eine Panzerung notwendig ist. Entsprechend kann die Erfindung insbesondere bei Schaufeln eingesetzt werden, die aus einer Titanbasislegierung, einer Nickelbasislegierung, einer Aluminiumbasislegierung oder einer Magnesiumbasislegierung gebildet sind oder derartige Legierungen zumindest im Bereich der Schaufelspitze aufweisen. Für derartige Schaufeln können Panzerungen an der Schaufelspitze aus einer Nickelbasislegierung oder einer Eisenbasislegierung vorgesehen sein. Die Panzerung kann insbesondere Nitride, Karbide und/oder Oxide als Hartstoffpartikel oder abrasive Partikel umfassen. Insbesondere kann die Panzerung aus einer MCrAlY-Legierung gebildet sein, bei der M für Nickel, Kobalt oder Eisen steht.Such an approach is particularly advantageous for relatively "soft" base material blades which require armor, and accordingly, the invention can be used particularly with blades formed from a titanium base alloy, a nickel base alloy, an aluminum base alloy, or a magnesium base alloy, or such alloys For such blades blades may be provided on the blade tip made of a nickel-based alloy or an iron-based alloy.The armor may in particular comprise nitrides, carbides and / or oxides as hard particles or abrasive particles. Alloy formed, in which M stands for nickel, cobalt or iron.
Unter Schaufel wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung und der Ansprüche jede Schaufel einer Gasturbine verstanden, unabhängig davon wo sie sich in der Gasturbine befindet. Insbesondere wird der Begriff Schaufel sowohl für Schaufeln im Verdichterbereich einer Gasturbine (Verdichterschaufel) als auch im eigentlichen Turbinenbereich (Turbinenschaufel) verwendet.For the purposes of the present description and the claims, the term blade means any blade of a gas turbine, regardless of where it is located in the gas turbine. In particular, the term scoop is used both for blades in the compressor area of a gas turbine (compressor blade) and in the actual turbine area (turbine blade).
Unter Basislegierung wird im Rahmen dieser Anmeldung verstanden, dass die entsprechende Legierung das im Namen der Basislegierung genannte Metall als Hauptbestandteil, also als Bestandteil mit dem größten Anteil in der Zusammensetzung, oder als überwiegenden Anteil enthält, d. h. mit einem Anteil von mehr als der Hälfte der Zusammensetzung. Unter Basislegierung wird jedoch im vorliegenden Fall nicht nur eine Legierung mit vielen Bestandteilen, insbesondere Bestandteilen zur Bildung von härtenden Teilchen verstanden, sondern es können auch einfache Legierungen mit lediglich zwei oder drei Bestandteilen sein bis hin zu nahezu reinen Werkstoffen des namensgebenden Metalls, bei dem lediglich geringfügige Legierungselemente und/oder unvermeidbare Verunreinigungen enthalten sind. Die poröse Schicht und/oder die Wulst können durch beliebige geeignete Auftragsverfahren erzeugt werden, wobei insbesondere Spritzen und vorzugsweise thermisches Spritzen eingesetzt werden können.For the purposes of this application, base alloy is understood to mean that the corresponding alloy contains the metal named in the name of the base alloy as the main constituent, that is to say as the constituent with the largest proportion in the composition, or as the predominant fraction, ie with a proportion of more than half Composition. Under base alloy is understood in the present case not only an alloy with many components, in particular components for the formation of curing particles, but it may also be simple alloys with only two or three components to almost pure materials of the eponymous metal, in which only minor alloying elements and / or unavoidable impurities are included. The porous layer and / or the bead can be produced by any suitable application method, wherein in particular syringes and preferably thermal spraying can be used.
Die poröse Schicht und/oder die Wulst können aus einem Material gebildet sein, welches in seinen Eigenschaften entweder dem Grundmaterial des Schaufelblattes und/oder dem Material der Panzerung angepasst ist. Entsprechend können die poröse Schicht und/oder die Wulst insbesondere aus einem Material gebildet sein, welches überwiegend die Elemente aufweist, aus denen auch das Grundmaterial und/oder die Panzerung gebildet sind. Damit kann die poröse Schicht und/oder die Wulst insbesondere eine Titanbasislegierung, eine Nickelbasislegierung, eine Aluminiumbasislegierung oder eine Eisenbasislegierung sein. Bzgl. der Basislegierungen gilt hier dieselbe Definition wie oben angegeben.The porous layer and / or the bead may be formed of a material which is adapted in its properties either to the base material of the airfoil and / or the material of the armor. Accordingly, the porous layer and / or the bead may in particular be formed from a material which predominantly comprises the elements from which the base material and / or the armor are formed. Thus, the porous layer and / or the bead may in particular be a titanium-based alloy, a nickel-base alloy, an aluminum-based alloy or an iron-based alloy. Concerning. the base alloys here the same definition as stated above.
Die Aufbringung der Panzerung erfolgt vorzugsweise durch kinetisches Kaltgasspritzen oder auch kinetisches Kaltgaskompaktieren (K3 genannt). Bei diesem Verfahren werden Partikel des Beschichtungswerkstoffs mit hoher Geschwindigkeit auf die zu beschichtende Oberfläche beschleunigt, wobei die Temperaturen so gewählt sind, dass der Beschichtungswerkstoff nicht aufschmilzt, sondern lediglich eine gewisse Duktilität aufweist, die dazu führt, dass beim Auftreffen der Partikel diese verformen und ineinander fließen, so dass eine innige Verbindung der Partikel erzeugt wird, die auch eine gute Haftfestigkeit der Beschichtung auf dem zu beschichtenden Material zur Folge hat. Das kinetische Kaltgasspritzen kann bei einer Temperatur von 300 bis 900 °C, insbesondere 400 bis 750°C bzw. einem Druck von 20 bis 50 bar, insbesondere 30 bis 40 bar und/oder mit einer Partikelgeschwindigkeit von 500 bis 1200 m/s, insbesondere 700 bis 1000 m/s durchgeführt werden. Die Partikel können im Größenbereich von 5 μm bis 100 μm, insbesondere 10 μm bis 50 μm liegen.The application of the armor is preferably carried out by kinetic cold gas spraying or kinetic cold gas compacting (called K3). In this method, particles of the coating material are accelerated at high speed onto the surface to be coated, wherein the temperatures are selected so that the coating material does not melt, but only has a certain ductility, which causes the particles to deform and interfere with each other upon impact flow, so that an intimate connection of the particles is generated, which also has a good adhesion of the coating on the material to be coated result. The kinetic cold gas spraying can at a temperature of 300 to 900 ° C, in particular 400 to 750 ° C or a pressure of 20 to 50 bar, in particular 30 to 40 bar and / or with a particle velocity of 500 to 1200 m / s, in particular 700 to 1000 m / s are performed. The particles can be in the size range from 5 .mu.m to 100 .mu.m, in particular from 10 .mu.m to 50 .mu.m.
Die Entfernung der Wulst und/oder zumindest teilweise der Panzerung kann durch jedes geeignete Verfahren erfolgen, insbesondere durch mechanische und/oder chemische Bearbeitung.The removal of the bead and / or at least partially the armor can be done by any suitable method, in particular by mechanical and / or chemical processing.
Insbesondere spanabhebende Verfahren wie Fräsen oder nasschemische Verfahren wie Ätzen können hierbei zum Einsatz kommen. Nach der Bearbeitung der Schaufelspitze, also der Entfernung der Wulst und des überschüssigen Panzerungsmaterials, weist die Panzerung entsprechend mechanisch und/oder chemisch bearbeitete Seitenflächen auf, die in radialer Richtung, also in Richtung ausgehend vom Schaufelfuß zur Schaufelspitze, eine geradlinige Verlängerung der Schaufeloberfläche darstellen, so dass die Panzerung und eine evtl. darunter angeordnete poröse Schicht die gewünschte Kontur der Schaufelspitze einnehmen.In particular, cutting processes such as milling or wet chemical methods such as etching can be used here. After processing of the blade tip, ie the removal of the bead and the excess armor material, the armor has correspondingly mechanically and / or chemically processed side surfaces, which in the radial direction, ie in the direction starting from the blade root to the blade tip, represent a rectilinear extension of the blade surface, so that the armor and possibly arranged thereunder porous layer take the desired contour of the blade tip.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele deutlich. Die Figuren zeigen hierbei in rein schematischer Weise inFurther advantages, characteristics and features of the present invention will become apparent in the following detailed description of the embodiments. The figures show this in a purely schematic way in
Figur 1 eine Seitenansicht einer bekannten Schaufel mit einer Panzerung;Figure 1 is a side view of a known blade with an armor;
Figur 2eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Schaufel;Figure 2 is a side view of a blade according to the invention;
Figur 3 eine Seitenansicht einer bekannten Schaufel;Figure 3 is a side view of a known blade;
Figur 4 eine Seitenansicht einer Schaufel gemäß der vorliegenden Erfindung im Ferti- gungsprozess; und in Figur 5 eine Detailansicht der endbearbeiteten Schaufelspitze aus Figur 4. FIG. 4 shows a side view of a blade according to the present invention in the production process; and FIG. 5 shows a detailed view of the finished blade tip from FIG. 4.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELEEMBODIMENTS
Die Figur 1 zeigt eine bekannte Schaufel nach dem Stand der Technik, welche einen Schaufelfuß 2 und ein Schaufelblatt 3 umfasst. An der Schaufelspitze ist eine radial nach Außen weisende Oberfläche 4 vorgesehen, auf der eine Panzerung 5 angeordnet ist.FIG. 1 shows a known blade according to the prior art, which comprises a blade root 2 and an airfoil 3. At the blade tip a radially outwardly facing surface 4 is provided, on which an armor 5 is arranged.
In der Panzerung 5 können Risse 6 auftreten, die in den Grundwerkstoff des Schaufelblattes 3 eindringen können. Dadurch kann es zu einer Beschädigung des Schaufelblattes 3 kommen.In the armor 5 cracks 6 can occur, which can penetrate into the base material of the airfoil 3. This can lead to damage of the airfoil 3.
Bei einer erfmdungsgemäßen Ausfuhrungsform, wie sie in Figur 2 gezeigt ist, weist die Schaufel 1 zwischen dem Grundmaterial des Schaufelblattes 3 unter der Panzerung 5 eine zusätzliche Schicht 7 auf, die als eine poröse Schicht ausgebildet ist. Durch die Poren in der porösen Schicht 7 kommt es beim Eindringen von Rissen 6 zu einem Stopp des Risswachstums, so dass verhindert wird, dass die Risse 6 sich in das Grundmaterial des Schaufelblattes 3 ausweiten können. Im Übrigen ist der Aufbau der Schaufel 1 identisch zu demjenigen, wie er in Figur 1 gezeigt ist, so dass die gleichen Bezugszeichen verwendet worden sind und sich eine zusätzliche Beschreibung der mit dem Bezugszeichen versehenen Komponenten erübrigt. Dies gilt auch für die nachfolgenden Darstellungen der Figuren 3 und 4.In an inventive embodiment, as shown in Figure 2, the blade 1 between the base material of the airfoil 3 under the armor 5 on an additional layer 7, which is formed as a porous layer. Due to the pores in the porous layer 7, cracks 6 are stopped when crack propagation occurs so that the cracks 6 are prevented from expanding into the base material of the airfoil 3. Incidentally, the structure of the bucket 1 is identical to that shown in Fig. 1, so that the same reference numerals have been used and additional description of the components provided with the reference numeral is unnecessary. This also applies to the following illustrations of FIGS. 3 and 4.
In der Figur 3 ist wiederum eine Seitenansicht einer Schaufel 1 gezeigt, ähnlich der Darstellungen der Figuren 1 und 2. Die Schaufel 1, wie sie in Figur 3 dargestellt ist, zeigt ein weiteres Problem aus dem Stand der Technik. Die Panzerung 5, die auf der Oberfläche 4 der Schaufelspitze angeordnet ist, weist einen pyramidenförmigen Aufbau auf, so dass der Querschnitt der Panzerung an der radialen Außenseite kleiner ist, als der Querschnitt der Oberfläche 4 der Schaufelspitze. Dies wird deutlich, wenn die Seitenfläche des Schaufelblattes 3 in radialer Richtung geradlinig verlängert wird, wie dies mit der gestrichelten Linie 9 dargestellt ist. Hier zeigt sich, dass zwischen der geradlinigen, radialen Verlängerung der Seiten 13 des Schaufelblattes und der Panzerung 5 ein Freiraum 10 vorliegt, in dem keine Panzerung vorliegt, so dass die Geometrie der Schaufelspitze durch die Panzerung 5 verändert ist. Um dies zu vermeiden ist gemäß der Ausfuhrungsform der Figur 4 an den Flanken 12 der Schaufelspitze, also an den Seitenflächen 13 des Schaufelblattes 3 im Bereich der Schaufelspitze eine umlaufende Wulst 8 ausgebildet, die den radialen Oberflächenbereich der Schaufelspitze erweitert. Die Panzerung 5 wird hierbei auf der radial nach Außen weisenden Oberfläche 4 der Schaufelspitze sowie auf der entsprechenden Oberfläche der Wulst 8 abgeschieden, so dass sich trotz eines pyramidalen Schichtaufbaus eine Schaufelspitzengeometrie erzeugen lässt, die der gewünschten Form entspricht. Hierzu wird die Wulst 8 mit dem überstehenden Bereich der Panzerung 11 nachträglich nach dem Aufbringen der Panzerung entfernt, so dass sich eine Seitenfläche des Schaufelblattes 3 und der Panzerung 5 ergibt, die entsprechend der gestrichelten Linie 9 der geradlinigen, radialen Verlängerung der Seitenfläche 13 des Schaufelblattes 3 gegeben ist. Die Entfernung der Wulst 8 und des Bereichs 11 der Panzerung 5 kann durch jedes geeignete Verfahren, z. B. mechanische Abtrags verfahren wie spanende Verfahren, z. B. Drehen, Fräsen und dergleichen oder durch chemische Bearbeitung, wie nasschemisches Ätzen und dergleichen realisiert werden.FIG. 3 again shows a side view of a blade 1, similar to the illustrations of FIGS. 1 and 2. The blade 1, as shown in FIG. 3, shows a further problem in the prior art. The armor 5, which is arranged on the surface 4 of the blade tip, has a pyramidal structure, so that the cross section of the armor on the radial outside is smaller than the cross section of the surface 4 of the blade tip. This becomes clear when the side surface of the airfoil 3 is extended in a straight line in the radial direction, as shown by the dashed line 9. This shows that between the rectilinear, radial extension of the sides 13 of the blade and the armor 5 is a free space 10 in which no armor is present, so that the geometry of the blade tip is changed by the armor 5. To avoid this, according to the embodiment of FIG. 4, a circumferential bead 8 is formed on the flanks 12 of the blade tip, that is to say on the side surfaces 13 of the blade 3 in the region of the blade tip, which widens the radial surface region of the blade tip. The armor 5 is here deposited on the radially outwardly facing surface 4 of the blade tip and on the corresponding surface of the bead 8, so that despite a pyramidal layer structure, a blade tip geometry can be generated which corresponds to the desired shape. For this purpose, the bead 8 is removed with the protruding portion of the armor 11 subsequently after the application of the armor, so that a side surface of the airfoil 3 and the armor 5 results, corresponding to the dashed line 9 of the straight, radial extension of the side surface 13 of the airfoil 3 is given. The removal of the bead 8 and the region 11 of the armor 5 may be accomplished by any suitable method, e.g. B. mechanical removal process such as cutting process, z. As turning, milling and the like or by chemical processing, such as wet chemical etching and the like can be realized.
Die Ausführungsformen, wie sie in den Figuren 2 und 4 dargestellt sind, können miteinander kombiniert werden, so dass zusätzlich zwischen Panzerung 5 und dem Grundmaterial des Schaufelblattes 3 eine poröse Schicht 7 vorgesehen ist. Diese kann als Teil der Wulst 8 oder im Zusammenhang mit der Wulst 8 auf die Schaufelspitze aufgebracht werden. Dies ist durch die strichlinierte Linie im Bereich der Schaufelspitze der Figur 4 dargestellt. Die strichlinierte Oberfläche 4' der Schaufelspitze zeigt den Zustand, dass auf der Schaufelspitze unterhalb der Panzerung 5 noch eine poröse Schicht 7 angeordnet ist, während die durchgezogene Oberfläche 4 der Schaufelspitze den Zustand angibt, dass keine zusätzliche poröse Schicht 7 vorgesehen ist.The embodiments, as shown in Figures 2 and 4, can be combined with each other, so that in addition between armor 5 and the base material of the airfoil 3, a porous layer 7 is provided. This can be applied as part of the bead 8 or in connection with the bead 8 on the blade tip. This is illustrated by the dashed line in the region of the blade tip of FIG. The dashed surface 4 'of the blade tip shows the state that on the blade tip below the armor 5 is still a porous layer 7 is arranged, while the solid surface 4 of the blade tip indicates the state that no additional porous layer 7 is provided.
Für den Fall, dass eine poröse Schicht 7 vorgesehen ist, kann die poröse Schicht 7 vor Anbringen der Wulst 8 aufgebracht werden oder zusammen mit der Wulst auf der Schaufelspitze aufgebracht werden. Entsprechend können Wulst und poröse Schicht 7 unabhängig von einander unterschiedliche Materialien umfassen oder aus dem gleichen Material gebildet sein und in einem gemeinsamen Arbeitsgang erzeugt werden.In the event that a porous layer 7 is provided, the porous layer 7 can be applied before applying the bead 8 or applied together with the bead on the blade tip. Accordingly, the bead and the porous layer 7 may comprise different materials independently of each other or be formed of the same material and produced in a common operation.
Die Figur 5 zeigt in einer Teilansicht die fertig bearbeitete Schaufelspitze der Schaufel 1 aus Figur 4. Hier ist zu sehen, dass die Seitenflächen 14 der Panzerung nach mechanischer und/oder chemischer Bearbeitung in geradliniger Verlängerung in axialer Richtung zu den Seitenflächen 13 des Schaufelblatts 3 angeordnet sind und diese Seitenflächen 13, 14 in einander fluchtend übergehen. Die Kontur der Schaufelspitze, in der gezeigten Darstellung in einer Rechteckform, ist durch die Panzerung 5 erhalten geblieben. Insbesondere bei einer Reparatur von Schaufeln mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der Anordnung der entsprechenden Schichten kann dadurch eine Wiederherstellung der gewünschten Form der Schaufelspitzen gewährleistet werden.FIG. 5 shows, in a partial view, the finished blade tip of the blade 1 from FIG. 4. Here it can be seen that the side surfaces 14 of the armor are of a mechanical nature and / or chemical treatment in rectilinear extension in the axial direction to the side surfaces 13 of the airfoil 3 are arranged and these side surfaces 13, 14 in alignment with each other. The contour of the blade tip, in the representation shown in a rectangular shape, has been preserved by the armor 5. In particular, in a repair of blades with the method according to the invention or the arrangement of the corresponding layers thereby a restoration of the desired shape of the blade tips can be ensured.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die poröse Schicht 7 bzw. die Wulst 8 durch Spritzen, insbesondere thermisches Spritzen, aufgebracht, wobei auch andere geeignete Aufbringungsverfahren Verwendung finden können. Die Panzerung wird durch kinetisches KaIt- gaskompaktieren bzw. kinetisches Kaltgasspritzen aufgebracht, welches besonders günstige Eigenschaften für die Panzerung erzeugt. Das kinetische Kaltgaskompaktieren bzw. kinetische Kaltgasspritzen wird bei Temperaturen im Bereich von 300 bis 800 0C und einem Gasdruck von 30 bis 40 bar ausgeführt, so dass sich Partikelgeschwindigkeiten im Bereich von 500 bis 1000 m/s ergeben. Die Partikelgrößen bewegen sich dabei im Bereich von 5 bis 50 μm. Durch das Auftreffen der Partikel mit hohen Geschwindigkeiten bei relativ niedrigen Temperaturen kommt es zu einer plastischen Verformung des Materials und zu einer festen, kompakten Anordnung der Panzerung. Die Panzerung kann hierbei insbesondere durch einen Nickelbasis werkstoff oder einen Eisenbasiswerkstoff gebildet werden, welcher Nitride, Karbide und Oxide als Hartstoffpartikel umfasst. Beispielsweise kann für die Panzerung ein Werkstoff mit der Zusammensetzung MCrAlY mit M = Nickel oder Eisen Verwendung finden.In the embodiment shown, the porous layer 7 or the bead 8 is applied by spraying, in particular thermal spraying, although other suitable application methods can also be used. The armor is applied by kinetic catalytic gas compaction or kinetic cold gas spraying, which produces particularly favorable properties for the armor. The kinetic Kaltgaskompaktieren or kinetic cold gas spraying is carried out at temperatures in the range of 300 to 800 0 C and a gas pressure of 30 to 40 bar, so that results in particle velocities in the range of 500 to 1000 m / s. The particle sizes range from 5 to 50 μm. The impact of the particles at high speeds at relatively low temperatures leads to a plastic deformation of the material and to a solid, compact arrangement of the armor. The armor can in this case be formed in particular by a nickel base material or an iron-based material which comprises nitrides, carbides and oxides as hard material particles. For example, a material with the composition MCrAlY with M = nickel or iron can be used for the armor.
Für die poröse Zwischenschicht können je nach Wahl des Grundwerkstoffs des Schaufelblattes 3 entsprechende Werkstoffe ausgewählt werden, die entweder ähnlich der Zusammensetzung der Panzerung oder der Zusammensetzung des Grundwerkstoffs sind. Bei Verwendung von Aluminiumbasis-, Magnesiumbasis-, oder Titanbasislegierungen für den Grundwerkstoff des Schaufelblattes 3 können insbesondere Nickel-, Eisen-, Titan-, Magnesium- oder Aluminiumlegierungen für die poröse Schicht eingesetzt werden. Insbesondere hat sich die Struktur der vorgestellten Schaufel bzw. das entsprechende Verfahren zur Herstellung bzw. zur Reparatur eines entsprechenden Schaufelblattes für Schaufeln aus Titanbasislegierungen und einer Nickelpanzerung bewährt, wobei als poröse Zwischenschicht oder als Wulst eine Titan- oder Nickelbasislegierung eingesetzt wird.For the porous intermediate layer 3, depending on the choice of the base material of the airfoil, appropriate materials can be selected which are either similar to the composition of the armor or the composition of the base material. When using aluminum-based, magnesium-based, or titanium-based alloys for the base material of the airfoil 3, in particular nickel, iron, titanium, magnesium or aluminum alloys can be used for the porous layer. In particular, the structure of the proposed blade or the corresponding method for producing or repairing a corresponding blade for blades of titanium-based alloys and a Proven nickel armor, with a titanium or nickel-based alloy is used as a porous intermediate layer or as a bead.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der beigefügten Ausfuhrungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausfuhrungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen, z. B. durch Weglassen einzelner Merkmale oder andersartige Kombination einzelner Merkmale, möglich sind, ohne den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche zu verlassen. Insbesondere umfasst die vorliegende Erfindung sämtliche Kombinationen aller vorgestellten Merkmale. Although the present invention has been described in detail with reference to the accompanying exemplary embodiments, it is obvious to the person skilled in the art that the invention is not limited to these exemplary embodiments, but rather that modifications, for. B. by omitting individual features or other combination of individual features, are possible without departing from the scope of the appended claims. In particular, the present invention includes all combinations of all features presented.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung einer Panzerung einer Schaufelspitze, welches umfasst: a) Bereitstellen einer Schaufel (1) mit einer Schaufelspitze, die gegenüberliegend einem Schaufelfuß (2) angeordnet ist und eine radial nach außen weisende Oberfläche umfasst, und b) Aufbringen einer porösen Schicht (7) auf zumindest der Oberfläche (4) der Schaufelspitze und/oder c) Anbringen einer die Oberfläche der Schaufelspitze vergrößernden Wulst (8) an zumindest einem Teil der die Oberfläche der Schaufelspitze umgebenden Flanken der Schaufelspitze, und d) Aufbringen der Panzerung (5) auf der porösen Schicht und/oder der Wulst.Anspruch [en] A blade blade armoring method comprising: a) providing a blade (1) having a blade tip disposed opposite a blade root (2) and having a radially outwardly facing surface, and b) depositing a porous layer (7) on at least the surface (4) of the blade tip and / or c) attaching a bead (8) enlarging the surface of the blade tip to at least a portion of the blade tip tip flanks surrounding the surface of the blade tip, and d) applying the armor plating (5 ) on the porous layer and / or the bead.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel aus einer Titanbasislegierung, Nickelbasislegierung, Aluminiumbasislegierung oder Magnesiumbasislegierung gebildet ist oder zumindest eine davon an der Schaufelspitze angeordnet ist und/oder die Panzerung (5) durch eine Nickelbasis- oder Eisenbasislegierung gebildet ist.2. The method according to claim 1, characterized in that the blade of a titanium-based alloy, nickel-based alloy, aluminum-based alloy or magnesium-based alloy is formed or at least one of which is arranged on the blade tip and / or the armor (5) is formed by a nickel-based or iron-based alloy.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Schicht (7) und/oder die Wulst (8) aufgespritzt werden.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the porous layer (7) and / or the bead (8) are sprayed.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Schicht (7) und/oder die Wulst (8) aus einer Titanbasislegierung, einer Nickelbasislegierung, Alummiumbasislegierung, Magnesiumbasislegierung oder Eisenbasislegierung gebildet werden.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the porous layer (7) and / or the bead (8) of a titanium-based alloy, a nickel-based alloy, Alummiumbasislegierung, magnesium-based alloy or iron-based alloy are formed.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbringung der Panzerung (5) durch kinetisches Kaltgasspritzen oder -kompaktieren (K3) erfolgt. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the application of the armor (5) by kinetic cold gas spraying or compacting (K3) takes place.
6. Verfaliren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kinetische Kaltgasspritzen oder - kompaktieren bei einer Temperatur von 300 bis 900°C und/oder einem Druck von 20 bis 50 bar und/oder einer Partikelgeschwindigkeit von 500 bis 1200 m/s durchgeführt wird und/oder die Partikelgröße des Panzermaterials für das kinetische Kaltgasspritzen oder - kompaktieren im Bereich von 5 μm bis 100 μm liegt.6. Verfaliren according to any one of the preceding claims, characterized in that the kinetic cold gas spraying or - compacting at a temperature of 300 to 900 ° C and / or a pressure of 20 to 50 bar and / or a particle velocity of 500 to 1200 m / s is carried out and / or the particle size of the tank material for the kinetic cold gas spraying or - compacting in the range of 5 microns to 100 microns.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Reparatur von Schaufeln eingesetzt wird und/oder vor dem Aufbringen der porösen Schicht und/oder der Wulst schadhafte Stellen entfernt werden.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the method is used for the repair of blades and / or before the application of the porous layer and / or the bead damaged areas are removed.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wulst (8) und/oder zumindest teilweise die Panzerung (11) auf der Wulst nach Aufbringung der Panzerung durch mechanische und/oder chemische Bearbeitung entfernt werden.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the bead (8) and / or at least partially the armor (11) are removed on the bead after application of the armor by mechanical and / or chemical processing.
9. Schaufel für eine Gasturbine, insbesondere Flugturbine, mit einer Schaufelspitze, die gegenüberliegend dem Schaufelfuß (2) angeordnet ist und zumindest auf der radial nach außen weisenden Oberfläche (4) eine Panzerung (5) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Schaufelgrundmaterial und der Panzerung eine poröse Schicht angeordnet ist.9. A blade for a gas turbine, in particular air turbine, with a blade tip, which is arranged opposite the blade root (2) and at least on the radially outwardly facing surface (4) comprises an armor (5), characterized in that between the blade base material and the armor is arranged a porous layer.
10. Schaufel für eine Gasturbine, insbesondere Flugturbine, mit einer Schaufelspitze, die gegenüberliegend dem Schaufelfuß (2) angeordnet ist und zumindest auf der radial nach außen weisenden Oberfläche (4) eine Panzerung (5) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Panzerung mit ihren Seitenflächen in radialer Richtung die geradlinige Verlängerung des Schaufelblattes darstellt und/oder mechanisch oder chemisch bearbeitete Seitenflächen umfasst.10. Blade for a gas turbine, in particular air turbine, with a blade tip, which is arranged opposite the blade root (2) and at least on the radially outwardly facing surface (4) comprises an armor (5), characterized in that the armor with their Side surfaces in the radial direction represents the straight extension of the airfoil and / or mechanically or chemically processed side surfaces.
11. Schaufel nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelgrundmaterial eine Titanbasislegierung, Nickelbasislegierung, Aluminiumba- sislegierung oder Magnesiumbasislegierung ist und/oder die Panzerung durch eine Nickelbasis- oder Eisenbasislegierung gebildet ist und/oder die poröse Schicht aus einer Titanbasislegierung, einer Nickelbasislegierung, Aluminiumbasislegierung, Magnesiumbasislegierung oder Eisenbasislegierung gebildet ist.11. A blade according to claim 9 or 10, characterized in that the blade base material is a titanium-based alloy, nickel-based alloy, Aluminiumba sislegierung or magnesium-based alloy is and / or the armor is formed by a nickel-based or iron-based alloy and / or the porous layer of a titanium-based alloy, a nickel-based alloy, aluminum-based alloy, magnesium-based alloy or iron-based alloy is formed.
12. Schaufel nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial des Schaufelblattes (3) eine Titanlegierung ist, wobei die poröse Schicht aus einer Titan- oder Nickellegierung hergestellt ist und die Panzerung eine Nickellegierung ist.A blade according to any one of claims 9 to 11, characterized in that the base material of the airfoil (3) is a titanium alloy, the porous layer being made of a titanium or nickel alloy and the armor being a nickel alloy.
13. Schaufel nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Panzerung Oxide, Karbide und/oder Nitride als Hartstoffpartikel umfasst und/oder eine MCrAlY-Legierung mit M gleich Ni, Co oder Fe ist.13. A blade according to any one of claims 9 to 12, characterized in that the armor comprises oxides, carbides and / or nitrides as hard material particles and / or an MCrAlY alloy with M is Ni, Co or Fe.
14. Schaufel nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel nach einem Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist.14. A blade according to any one of claims 9 to 13, characterized in that the blade is produced by a method according to claims 1 to 8.
15. Gasturbine mit mindestens einer Schaufel nach einem der Ansprüche 9 bis 14. 15. Gas turbine with at least one blade according to one of claims 9 to 14.
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