EP3428308A1 - Verfahren zum beschichten eines bauteils für den heissgaskanal einer strömungsmaschine - Google Patents

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EP3428308A1
EP3428308A1 EP18173498.9A EP18173498A EP3428308A1 EP 3428308 A1 EP3428308 A1 EP 3428308A1 EP 18173498 A EP18173498 A EP 18173498A EP 3428308 A1 EP3428308 A1 EP 3428308A1
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EP
European Patent Office
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component
binder
coating
hot gas
coated
Prior art date
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Pending
Application number
EP18173498.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Metscher
Benedikt Heidenreich
Jan Hägert
Nils Hiller
Patrick Lang
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a method for coating a component, which is intended to be arranged in the hot gas duct of a turbomachine.
  • turbomachine When the turbomachine may, for example.
  • the turbomachine is divided into compressor, combustion chamber and turbine.
  • sucked air is compressed by the compressor and burned in the downstream combustion chamber with added kerosene.
  • the resulting hot gas a mixture of combustion gas and air, flows through the downstream turbine and is thereby expanded.
  • the volume flowed through by the hot gas that is to say the path from and including the combustion chamber via the turbine to the nozzle, is referred to as "hot gas channel".
  • the present subject matter is directed to a component provided for placement in the hot gas duct, but is not intended to be expressly limited to the jet engine for illustration.
  • the turbomachine may, for example, also be a stationary gas turbine.
  • the present invention is based on the technical problem of specifying a particularly advantageous method for coating a component provided for arranging in the hot gas duct of a turbomachine.
  • this object is achieved by the method according to claim 1.
  • a binder is first applied, which contains the coating material or a precursor thereof in particle form.
  • the partially covered with the particle-offset binder component is then heat treated, wherein the binder dissolves and the coating material remains on the component (on the surface or also diffused).
  • the z. B. is due to a high flow velocity or temperature of the hot gas particularly oxidation or hot gas corrosion at risk.
  • the inventors have found that coating the entire surface facing the hot gas side may be aerodynamically disadvantageous because the coating typically has a rougher surface than, for example, an uncoated, ground or polished component.
  • a post-processing of the coating itself, such as by machining, on the other hand z. B. problematic in terms of cracking in adjacent layers and therefore be less desirable (post-processing by vibratory grinding would be conceivable, but so that the low roughness of polished surfaces are difficult or impossible to achieve).
  • the particle-displaced binder can be applied to a varnish in a comparably targeted manner to the area to be coated.
  • the particle-staked binder can also be brushed or brushed on, which does not require a mask. If you wanted to deposit the coating material alternatively, for example, from the gas phase, the component would, however, due to the undirected, all-effective deposition far more complex and almost fully covered, with only the areas to be coated could be left uncovered.
  • especially small components can also be coated overall or on their entire surface facing the surface of the hot gas (the aerodynamic influence can be lower here, compared to a vapor deposition in conjunction with the coverage of functional surfaces, economic advantages may result).
  • Such a coating only in certain regions, in which certain areas remain uncoated, is also advantageous over a complete coating with a subsequent removal of the coating in regions, for example, by functional surfaces to be machined. Thus, the risk of cracking in the coating due to the distance can be avoided.
  • the coating material is applied to the "uncoated" component surface, ie, the component has been coated at least in the region in question, preferably as a whole not previously.
  • a “coating” is understood as meaning a layer on the surface which is durable to the extent that it would not dissolve in the course of the heat treatment.
  • the particle-displaced binder is preferably applied directly to the component surface itself, that is, directly adjacent to that material from which the component is provided.
  • the applied position of the particle-displaced binder may, for example, per area have an area of at least 10 cm 2 , 20 cm 2 and 30 cm 2 (possible upper limits depend on the size of the component, but can, for example, at most 200 cm 2 or 100 cm 2 ).
  • the particles are embedded in the binder.
  • a liquid binder which in particular may be viscous (highly viscous).
  • the particles and the binder preferably form a suspension, this can be mixed, for example, immediately before application, for example with a stirrer, in order to achieve the most uniform possible distribution of the particles.
  • the binder may, for example, be provided on a polymer basis, for example as a dispersion in aqueous solution or in another solvent.
  • the binder may also have components that volatilize before the heat treatment, during drying of the applied layer. However, even after a possible drying remains a part of the binder, which then dissolves in the course of heat treatment and, for example, evaporated or -used.
  • the binder may also be added with a precursor of the coating material, which is converted into the layer material in a chemical reaction occurring during the heat treatment (such a precursor may also be multicomponent).
  • a precursor of the coating material which is converted into the layer material in a chemical reaction occurring during the heat treatment (such a precursor may also be multicomponent).
  • the coating material is already added to the binder in its final chemical form, as an element or compound.
  • the particles comprise aluminum, which diffuses proportionally into the surface of the component during the heat treatment.
  • particles of an aluminum alloy are also conceivable; preference is given to particles which consist of pure aluminum in the context of the technical standard.
  • a ceramic coating material would be conceivable.
  • the Component is generally preferably a metal component, that is provided from a metallic material, for example. An alloy. In general, a high-temperature resistant material can be advantageous for the component.
  • the component is provided of a nickel alloy.
  • a nickel alloy refers to the component of the coating material apart; in connection with the nickel alloy, the latter is particularly preferably aluminum, see above.
  • the component may be provided from a nickel-based alloy, for example, from a nickel-based superalloy, which may be optimized by alloying other components in terms of creep or fatigue strength. It may, for example. Titanium and / or aluminum alloyed, or chromium, cobalt, etc.
  • the binder is provided on an organic basis, for example on an epoxy or alkyd resin basis.
  • the binder pyrolyzes during the heat treatment and evaporates or smokes off.
  • the temperature during the heat treatment is at least 800 ° C., more preferably and at least 850 ° C. or 900 ° C.
  • preferred upper limits may be at most 1200 ° C, 1150 ° C, 1100 ° C, and 1050 ° C, respectively, with the upper limits also generally being disclosed independently of the lower limits, and vice versa.
  • the component can, for example, be kept in a corresponding temperature range for a period of at least 30 minutes or 60 minutes, with possible (independent) upper limits at, for example, at most 24 hours or 12 hours.
  • Particularly preferred may be a temperature of about 980 ° C.
  • the heat treatment can also be regarded as a diffusion annealing, in which not only the binder dissolves, but also the aluminum diffuses into the surface of the component.
  • an area fraction of at least 10%, further and particularly preferably at least 15% or 20%, is coated with the particle-displaced binder;
  • the "hot gas-facing surface” is the part of the entire component surface in which the hot gas flows around in the hot gas channel.
  • preferred upper limits are at most 80%, 70%, 60% and 50% (increasingly preferred in the order of entry).
  • surface regions of the component that are remote from the hot gas may also be coated (which lie outside the hot gas channel). These too can be subject to oxidation, for example correspondingly hot zones in the secondary air system.
  • a proportion of at least 20%, 30%, 40% or 50% of the hot gas-facing surface is uncoated, ie in direct contact with the hot gas.
  • This can initially, as described above, offer advantages in terms of aerodynamics, because the uncoated surface can be smoothed or, for example, by polishing.
  • a smoothing after-treatment of the coating itself is also conceivable, for example by means of vibratory grinding, no post-processing is preferably carried out.
  • the component surface is preferably smoothed before coating, in particular ground (also independent of the stated area shares).
  • this functional surface area represents a mounting limit.
  • it can be a contact surface with which the component then rests against another component. It is advantageous in terms of dimensional accuracy and thus fit accuracy when the functional surface area remains uncoated in the finished coated component.
  • an advantage of the presently described method the good possibility of selective application in certain areas, may come to fruition in particular (in the case of vapor deposition, covering the functional surface areas would cause considerably more effort).
  • the particle-added binder is sequentially applied in multiple layers prior to the heat treatment.
  • a first layer is applied directly to the component surface and then at least one further layer is applied to at least one region of the first layer and, if appropriate, proportionately also a hitherto uncovered surface area.
  • the layers should at least have an overlap, they can also be congruent. For example, streaking or uneven particle application can be prevented with the sequential application, so that the desired amount of coating material per surface area can be set in a well reproducible manner.
  • each of the layers is dried.
  • the layers can overlap, for example, in a particularly oxidation-endangered area (eg at the front and / or rear edge, see below in detail).
  • a transition to a less oxidation-prone area eg the side surfaces
  • only one layer can then be applied, so that a certain (stepped) course is set.
  • more coating material is applied there in proportion.
  • less coating material is present in the transition region (less is also needed there), which may be advantageous, for example, with regard to a lower surface roughness and thus aerodynamically as well as structurally.
  • the component serves as a lining in the turbine intermediate housing (see below).
  • the front and / or the trailing edge is / are preferably covered with the coating, particularly preferably both.
  • the coating should anyway cover a larger part of it, ie at least 50%, 60%, 70% and 80% respectively (increasingly preferred in the order in which they are mentioned).
  • the side surfaces each remain at least partially uncoated, which may be aerodynamically advantageous (see the front).
  • a respective coating may extend around the corresponding edge and thereby still into the two side surfaces, but should not be present continuously up to the respective other edge.
  • the component is intended to be arranged in a turbine center frame .
  • the component can, for example, also be a so-called panel (also referred to as hot gas channel plate), which is arranged in the inner or outer cover band.
  • the component is provided in the turbine intermediate housing as a lining of a bearing supporting the turbine shaft support strut.
  • the bearing of the turbine shaft is circumferentially, based on a rotation about the axis of rotation of the turbine shaft, supported by a plurality of support struts, which are covered for aerodynamic and thermal reasons.
  • These panels are also called fairings .
  • Such a panel has front and rear edge and side surfaces (see front), so in principle it is constructed like a vane. With regard to the preferred front and rear edge coating, reference is made to the above remarks.
  • the area to be coated is masked with a mask, so that a surrounding surface area is covered.
  • a mask is preferably sprayed.
  • the mask prevents a particle application to areas that should remain uncoated.
  • Preference is given to a mask which is held as a part of the overall coherent part of the component, preferably not glued, which allows a high throughput.
  • the mask has a shape complementary to a surface contour of the component and is interrupted in the area to be coated.
  • the invention relates not only to the initial coating in the course of component production, but also to a method for the revision and re-coating of a used component.
  • a particle-offset binder is applied, with regard to further details (preferred particles, etc.), reference is expressly made to the above disclosure.
  • the same mask is preferably used as in the first coating, ie at least one identical mask (possibly also the same mask).
  • the invention further relates to a method for producing a coated component, wherein the component is coated in a manner described herein.
  • the invention also relates to a component coated according to the invention.
  • FIG. 1a shows a turbomachine 1 in a partially sectioned side view, specifically a jet engine.
  • FIG. 1b shows a schematic detail view thereto, the following comments relate to both figures.
  • the turbomachine 1 is divided into compressor, combustion chamber and turbine. Both the compressor and the turbine are each constructed of several stages (not shown), each stage is composed of a guide and a blade ring. During operation, the rotor blade rings rotate about the longitudinal axis 2 of the turbomachine 1.
  • the turbine shaft 3 is guided in a bearing 4, which is held by struts 5 (partially dashed) in the remaining turbomachine 1.
  • each of the support struts 5 is jacketed for aerodynamic and thermal reasons, namely by a member 6, which is a panel and is also known as fairing.
  • the inventive method has been found to be particularly advantageous, because in these particular areas are machined after the coating process.
  • the partial coating by means of spraying and / or brushing (also referred to as so-called “touch-up" coating)
  • crack formation by local removal of the coating during subsequent process steps can be avoided.
  • a complex full coverage for a local coating by means of vapor deposition can be avoided.
  • FIG. 2 shows such a panel in an oblique view, not shown are typically formed in one piece therewith formed inner and outer cover tape sections.
  • the cladding has a front edge 21 and a trailing edge 22 with respect to the hot gas flow 20, as well as two opposing side surfaces 23a, b connecting each leading and trailing edge 21, 22 to each other.
  • the front and rear edges 21, 22 are each provided with a coating 24.
  • the coatings 24a, b cover the edges 21, 22 in each case over the greater part of their extension, but conversely leave the side surfaces 23a, b partially uncoated. This has aerodynamic reasons, cf. the introduction to the description in detail. Such only a partial coating can be achieved with the method described below in a particularly advantageous manner.
  • FIG. 3a shows a schematic section of the component 6 in a region which is coated.
  • the component is made of a nickel alloy and is coated with aluminum, which, however, is not deposited from the gas phase on the uncoated surface 30 of the component 6. Instead, the aluminum is held in the form of particles 31 in a binder 32, and this suspension, ie the particle-displaced binder 32, is applied to the uncoated component surface 30.
  • the binder 32 may, for example, be provided on an epoxy resin basis, the particles 31 are added and, for example, evenly distributed by stirring before application. The suspension can be sprayed on a paint comparable.
  • the component 6, to which a layer 33 of the particle-displaced binder 32 has been applied is heat-treated at a temperature of about 980 ° C.
  • the binder 32 is pyrolyzed and, on the other hand, the aluminum diffuses proportionally into the surface 30 of the component 6 as well.
  • FIG. 3b the coating material 35, so the aluminum, is located on a part of the surface 30, but is also partially diffused. The result is a coating which protects the particularly oxidation-prone areas at and around the leading and trailing edges 21, 22 well from oxidation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines für den Heißgaskanal einer Strömungsmaschine (1) vorgesehenen Bauteils (6), wobei das Beschichtungsmaterial (35) in Form von Partikeln (31) in Mischung mit einem Bindemittel (32) auf die unbeschichtete Bauteiloberfläche (30) aufgebracht wird und das Bauteil (6) mit dem Partikel-versetzten Bindemittel (32) darauf dann derart wärmebehandelt wird, dass sich das Bindemittel (32) auflöst und das Beschichtungsmaterial (35) an dem Bauteil (6) verbleibt.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Bauteils, das zum Anordnen im Heißgaskanal einer Strömungsmaschine vorgesehen ist.
  • Stand der Technik
  • Bei der Strömungsmaschine kann es sich bspw. um ein Strahltriebwerk handeln, z. B. um ein Mantelstromtriebwerk. Funktional gliedert sich die Strömungsmaschine in Verdichter, Brennkammer und Turbine. Etwa im Falle des Strahltriebwerks wird angesaugte Luft vom Verdichter komprimiert und in der nachgelagerten Brennkammer mit hinzugemischtem Kerosin verbrannt. Das entstehende Heißgas, eine Mischung aus Verbrennungsgas und Luft, durchströmt die nachgelagerte Turbine und wird dabei expandiert. Das vom Heißgas durchströmte Volumen, also der Pfad von einschließlich der Brennkammer über die Turbine bis zur Düse wird als "Heißgaskanal" bezeichnet.
  • Der vorliegende Gegenstand richtet sich auf ein zum Anordnen im Heißgaskanal vorgesehenes Bauteil, soll dabei aber zunächst ausdrücklich nicht auf das zur Illustration in Bezug genommene Strahltriebwerk beschränkt sein. Bei der Strömungsmaschine kann es sich bspw. auch um eine stationäre Gasturbine handeln.
  • Darstellung der Erfindung
  • Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Beschichten eines zum Anordnen im Heißgaskanal einer Strömungsmaschine vorgesehenen Bauteils anzugeben.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Auf die unbeschichtete Oberfläche des Bauteils wird also zunächst ein Bindemittel aufgebracht, welches das Beschichtungsmaterial bzw. eine Vorstufe davon in Partikelform enthält. Das bereichsweise mit dem Partikel-versetzten Bindemittel bedeckte Bauteil wird dann wärmebehandelt, wobei sich das Bindemittel auflöst und das Beschichtungsmaterial an dem Bauteil verbleibt (an der Oberfläche bzw. auch eindiffundiert).
  • Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Beschreibung, wobei in der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen dem Beschichtungsverfahren und einem Herstellungsverfahren, im Zuge dessen beschichtet wird, bzw. einem entsprechenden Bauteil unterschieden wird. Generell ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen.
  • Mit der Beschichtung kann bspw. ein Bereich des Bauteils geschützt werden, der z. B. aufgrund einer hohen Strömungsgeschwindigkeit bzw. Temperatur des Heißgases besonders oxidations- bzw. heißgaskorrosionsgefährdet ist. Umgekehrt haben die Erfinder festgestellt, dass ein Beschichten der gesamten heißgaszugewandten Oberfläche aerodynamisch nachteilig sein kann, weil die Beschichtung in der Regel eine rauere Oberfläche als bspw. ein unbeschichtetes, geschliffenes bzw. poliertes Bauteil hat. Eine Nachbearbeitung der Beschichtung selbst, etwa durch spanende Bearbeitung, kann andererseits z. B. hinsichtlich einer Rissbildung in angrenzenden Schichtbereichen problematisch und deswegen weniger erwünscht sein (eine Nachbearbeitung durch Gleitschleifen wäre denkbar, damit können aber die geringen Rauheiten polierter Oberflächen nicht oder nur schwer erreicht werden). Idealerweise wird deshalb nur ein im Besonderen oxidationsgefährdeter Bereich der Bauteiloberfläche beschichtet.
  • Eine solche nur bereichsweise Beschichtung der Oberfläche lässt sich mit dem vorgeschlagenen Verfahren in vorteilhafter Weise erreichen. Das Partikel-versetzte Bindemittel kann nämlich einem Lack vergleichbar gezielt auf den zu beschichtenden Bereich aufgebracht werden. Bei einem Aufsprühen des Bindemittels können der zu beschichtende Bereich und ein angrenzender von der Beschichtung auszunehmender Bereich bspw. mit einer einfachen, nur lokalen Maske definiert werden. Alternativ kann das Partikel-versetzte Bindemittel auch aufgepinselt oder aufgestrichen werden, wofür eine Maske nicht notwendig sein muss. Wollte man das Beschichtungsmaterial alternativ bspw. aus der Gasphase abscheiden, müsste das Bauteil hingegen aufgrund der ungerichteten, allseitig wirksamen Abscheidung weit aufwändiger und nahezu vollumfänglich abgedeckt werden, wobei lediglich die zu beschichtenden Bereiche unabgedeckt belassen werden könnten. Insbesondere kleine Bauteile können aber selbstverständlich auch insgesamt bzw. an ihrer gesamten heißgaszugewandten Oberfläche beschichtet werden (der aerodynamische Einfluss kann hier geringer sein, im Vergleich zu einer Gasphasenabscheidung in Verbindung mit der Abdeckung von Funktionsflächen können sich wirtschaftliche Vorteile ergeben).
  • Eine solche lediglich bereichsweise Beschichtung, bei der bestimmte Bereiche unbeschichtet bleiben, ist auch vorteilhaft gegenüber einer vollständigen Beschichtung mit einer nachträglichen bereichsweisen Entfernung der Beschichtung, beispielsweise von spanend zu bearbeitenden Funktionsflächen. Damit kann nämlich das Risiko einer Rissbildung in der Beschichtung aufgrund der Entfernung vermieden werden.
  • Generell sind im Rahmen dieser Offenbarung "ein" und "eine" als unbestimmte Artikel und damit ohne ausdrückliche gegenteilige Angabe immer auch als "mindestens ein" bzw. "mindestens eine" zu lesen. Soweit also bspw. davon die Rede ist, dass "ein Bereich" der Bauteiloberfläche beschichtet wird, ist dies selbstverständlich nicht dahingehend zu lesen, dass nur ein einziger Bereich beschichtet werden soll, die Beschichtung mehrerer Bereiche kann sogar bevorzugt sein (vgl. das Ausführungsbeispiel zur Illustration).
  • Das Beschichtungsmaterial wird auf die "unbeschichtete" Bauteiloberfläche aufgebracht, das Bauteil wurde also zumindest in dem fraglichen Bereich, bevorzugt insgesamt nicht bereits zuvor beschichtet. Als "Beschichtung" wird hierbei eine Schicht auf der Oberfläche verstanden, die insoweit dauerhaft ist, als sie sich im Zuge der Wärmebehandlung nicht auflösen würde. Im Allgemeinen ist also bspw. denkbar, dass vor dem Aufbringen des Partikel-versetzten Bindematerials eine Lage des Bindemittels ohne Partikelbeigabe aufgebracht wird (diese Lage wäre insofern keine Schicht, als sie sich im Zuge der Wärmebehandlung auflösen würde). Bevorzugt wird das Partikel-versetzte Bindemittel jedoch direkt auf die Bauteiloberfläche selbst aufgebracht, also unmittelbar an jenen Werkstoff grenzend, aus dem das Bauteil vorgesehen ist. Die aufgebrachte Lage des Partikel-versetzten Bindemittels kann bspw. pro Bereich eine Fläche von mindestens 10 cm2, 20 cm2 bzw. 30 cm2 haben (mögliche Obergrenzen hängen von der Bauteilgröße ab, können aber bspw. bei höchstens 200 cm2 bzw. 100 cm2 liegen).
  • In das Bindemittel sind die Partikel eingebettet. Bevorzugt ist ein flüssiges Bindemittel, das insbesondere zähflüssig (hochviskos) sein kann. Die Partikel und das Bindemittel bilden bevorzugt eine Suspension, diese kann bspw. unmittelbar vor dem Aufbringen durchmischt werden, etwa mit einem Rührer, um eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Partikel zu erreichen. Das Bindemittel kann bspw. auf Polymerbasis vorgesehen sein, etwa als Dispersion in wässriger Lösung oder in einem anderen Lösemittel. Das Bindemittel kann auch Bestandteile aufweisen, die sich bereits vor der Wärmebehandlung, beim Trocknen der aufgetragenen Lage verflüchtigen. Auch nach einem etwaigen Trocknen verbleibt jedoch ein Teil des Bindemittels, der sich dann im Zuge der Wärmebehandlung auflöst und bspw. abdampft bzw. -raucht.
  • Im Allgemeinen ist auch ein Beschichtungsmaterial denkbar, das erst im Zuge der Wärmebehandlung seine endgültige chemische Struktur annimmt. Deshalb kann das Bindemittel auch mit einer Vorstufe des Beschichtungsmaterials versetzt sein, die in einer während der Wärmebehandlung ablaufenden chemischen Reaktion in das Schichtmaterial umgewandelt wird (eine solche Vorstufe kann auch mehrkomponentig sein). Bevorzugt ist das Beschichtungsmaterial jedoch dem Bindemittel bereits in seiner endgültigen chemischen Form, als Element oder Verbindung beigegeben.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Partikel Aluminium auf, das bei der Wärmebehandlung anteilig in die Oberfläche des Bauteils eindiffundiert. Es sind bspw. auch Partikel aus einer Aluminiumlegierung denkbar, bevorzugt sind Partikel, die im Rahmen des technisch Üblichen aus Reinaluminium bestehen. Alternativ wäre im Allgemeinen bspw. auch ein keramisches Beschichtungsmaterial denkbar. Das Bauteil ist generell bevorzugt ein Metallbauteil, also aus einem metallischen Werkstoff vorgesehen, bspw. einer Legierung. Ganz allgemein kann für das Bauteil ein hochtemperaturfester Werkstoff vorteilhaft sein.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist das Bauteil aus einer Nickellegierung vorgesehen. Dies bezieht sich auf das Bauteil von dem Beschichtungsmaterial abgesehen; in Verbindung mit der Nickellegierung ist letzteres besonders bevorzugt Aluminium, siehe vorne. Das Bauteil kann aus einer Nickelbasislegierung vorgesehen sein, bspw. auch aus einer Nickelbasis-Superlegierung, die durch Zulegieren weiterer Bestandteile hinsichtlich der Kriech- bzw. Ermüdungsfestigkeit optimiert sein kann. Es kann bspw. Titan und/oder Aluminium zulegiert sein, bzw. auch Chrom, Kobalt etc.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bindemittel auf organischer Basis vorgesehen, bspw. auf Epoxidharz- oder Alkydharz-Basis. Das Bindemittel pyrolysiert bei der Wärmebehandlung und verdampft bzw. raucht ab.
  • In bevorzugter Ausgestaltung beträgt die Temperatur bei der Wärmebehandlung mindestens 800 °C, weiter und besonders bevorzugt mindestens 850 °C bzw. 900 °C. Bevorzugte Obergrenzen können bspw. bei höchstens 1200 °C, 1150 °C, 1100 °C bzw. 1050 °C liegen, wobei die Obergrenzen im Allgemeinen auch unabhängig von den Untergrenzen offenbart sein sollen, und umgekehrt. Das Bauteil kann bspw. für eine Zeitdauer von mindestens 30 Minuten bzw. 60 Minuten in einem entsprechenden Temperaturbereich gehalten werden, mit möglichen (davon unabhängigen) Obergrenzen bei bspw. höchstens 24 Stunden bzw. 12 Stunden. Besonders bevorzugt kann eine Temperatur von rund 980 °C sein. Insbesondere im Falle des vorstehend genannten Aluminiums kann die Wärmebehandlung auch als Diffusionsglühen betrachtet werden, bei dem sich nicht nur das Bindemittel auflöst, sondern das Aluminium auch in die Oberfläche des Bauteils eindiffundiert.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird von der gesamten heißgaszugewandten Oberfläche des Bauteils ein Flächenanteil von mindestens 10 %, weiter und besonders bevorzugt mindestens 15 % bzw. 20 %, mit dem Partikel-versetzten Bindemittel beschichtet; die "heißgaszugewandte Oberfläche" ist der im Heißgaskanal von dem Heißgas umströmte Teil der gesamten Bauteiloberfläche. Im Allgemeinen auch unabhängig von den Untergrenzen liegen bevorzugte Obergrenzen bei höchstens 80 %, 70 %, 60 % bzw. 50 % (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Es können aber zusätzlich oder alternativ auch heißgasabgewandte Oberflächenbereiche des Bauteils beschichtet werden (die außerhalb des Heißgaskanals liegen). Auch diese können oxidationsgefährdet sein, bspw. entsprechend heiße Zonen im Sekundär-Luftsystem.
  • Umgekehrt ist also bei dem fertig beschichteten Bauteil bspw. ein Anteil von mindestens 20 %, 30 %, 40 % bzw. 50 % der heißgaszugewandten Oberfläche unbeschichtet, dann also in direktem Kontakt mit dem Heißgas. Dies kann zunächst, wie vorstehend geschildert, hinsichtlich der Aerodynamik Vorteile bieten, weil die unbeschichtete Oberfläche geglättet werden bzw. sein kann, bspw. durch Polieren. Wenngleich im Allgemeinen auch eine glättende Nachbehandlung der Beschichtung selbst denkbar ist, bspw. durch Gleitschleifen, erfolgt bevorzugt keine Nachbearbeitung. Die Bauteiloberfläche wird bevorzugt vor dem Beschichten geglättet, insb. geschliffen (auch unabhängig von den genannten Flächenanteilen).
  • Von der gesamten Bauteiloberfläche bleibt zumindest ein Funktionsflächenbereich unbeschichtet. Dieser Funktionsflächenbereich stellt, wenn das Bauteil in der Strömungsmaschine mit (einem) anderen Bauteil(en) zusammengebaut wird eine Montagegrenze dar. Es kann sich bspw. um eine Anlagefläche handeln, mit der das Bauteil dann an einem anderen Bauteil anliegt. Dabei ist es hinsichtlich der Maßhaltigkeit und damit Passgenauigkeit vorteilhaft, wenn der Funktionsflächenbereich im fertig beschichteten Bauteil unbeschichtet bleibt. Auch in dieser Hinsicht kann ein Vorteil des vorliegend beschriebenen Verfahrens, die gute Möglichkeit des bereichsweise selektiven Aufbringens, im Besonderen zum Tragen kommen (bei der Gasphasenabscheidung würde das Abdecken der Funktionsflächenbereiche deutlich mehr Aufwand verursachen).
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Partikel-versetzte Bindemittel vor der Wärmebehandlung sequentiell in mehreren Lagen aufgebracht. Es wird also zunächst eine erste Lage direkt auf die Bauteiloberfläche aufgebracht und anschließend mindestens eine weitere Lage auf zumindest einen Bereich der ersten Lage und ggf. anteilig auch einen bis dahin unbedeckten Oberflächenbereich. Die Lagen sollen zumindest einen Überlapp haben, sie können auch deckungsgleich sein. Mit dem sequentiellen Aufbringen kann bspw. einer Schlierenbildung bzw. einem ungleichmäßigen Partikelauftrag vorgebeugt werden, es lässt sich also gut reproduzierbar die je Flächenbereich gewünschte Menge an Beschichtungsmaterial einstellen. Nach dem Aufbringen einer Lage und vor dem Aufbringen der darauf folgenden wird bevorzugt getrocknet, bspw. bei einer Temperatur von mindestens 50 °C, bevorzugt 100 °C, wobei mögliche Obergrenzen (davon unabhängig) bspw. bei höchstens 250 °C bzw. 200 °C liegen können. Alternativ oder zusätzlich kann bspw. auch durch UV-Bestrahlung getrocknet werden. Bevorzugt wird nach dem Aufbringen jeder der Lagen getrocknet.
  • Werden mehrere Lagen aufgebracht, kann auch ein nur teilweiser, nicht vollständiger Überlapp dieser Lagen von Interesse sein. So können die Lagen bspw. in einem besonders oxidationsgefährdeten Bereich (z. B. an Vorder- und/oder Hinterkante, siehe unten im Detail) überlappen. In einem Übergang zu einem weniger oxidationsgefährdeten Bereich (z. B. den Seitenflächen) kann dann auch nur eine Lage aufgebracht sein, sodass also ein gewisser (gestufter) Verlauf eingestellt wird. Mit den im oxidationsgefährdeten Bereich überlappenden Lagen wird dort im Verhältnis mehr Beschichtungsmaterial aufgebracht. Mit der nur einen Lage ist in dem Übergangsbereich weniger Beschichtungsmaterial vorhanden (dort wird auch weniger benötigt), was bspw. hinsichtlich einer geringeren Oberflächenrauigkeit und damit aerodynamisch, aber auch strukturmechanisch von Vorteil sein kann.
  • Im Folgenden wird das Bauteil an sich weiter im Detail erläutert.
  • In bevorzugter Ausgestaltung hat es in Bezug auf die Umströmung in dem Heißgaskanal eine Vorder- und eine Hinterkante, sowie zwei sich jeweils zwischen Vorder- und Hinterkante erstreckende Seitenflächen. Bevorzugt dient das Bauteil als Verkleidung im Turbinenzwischengehäuse (siehe unten). Unabhängig davon im Einzelnen wird bzw. werden bevorzugt die Vorder- und/oder die Hinterkante mit der Beschichtung bedeckt, besonders bevorzugt beide. Bezogen auf die Erstreckung, welche die entsprechende Kante (Vorder- oder Hinterkante) hat, soll die Beschichtung jedenfalls einen größeren Teil davon bedecken, also mindestens 50 %, 60 %, 70 % bzw. 80 % (in der Reihenfolge der Nennung zunehmend bevorzugt). Bevorzugt bleiben die Seitenflächen jeweils zumindest bereichsweise unbeschichtet, was aerodynamisch vorteilhaft sein kann (siehe vorne). Eine jeweilige Beschichtung kann sich um die entsprechende Kante und dabei durchaus noch in die beiden Seitenflächen hinein erstrecken, soll dabei aber nicht durchgehend bis zur jeweilig anderen Kante vorliegen.
  • Das Bauteil ist zum Anordnen in einem Turbinenzwischengehäuse (Turbine Center Frame) vorgesehen. Es kann sich bei dem Bauteil bspw. auch um ein sogenanntes Panel (auch als Heißgaskanalplatte bezeichnet) handeln, das im Innen- oder Außendeckband angeordnet wird.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist das Bauteil im Turbinenzwischengehäuse als Verkleidung einer das Lager der Turbinenwelle tragenden Stützstrebe vorgesehen. Das Lager der Turbinenwelle wird umlaufend, bezogen auf einen Umlauf um die Drehachse der Turbinenwelle, von mehreren Stützstreben getragen, die aus aerodynamischen und thermischen Gründen verkleidet werden. Diese Verkleidungen werden auch Fairings genannt. Eine solche Verkleidung hat Vorder- und Hinterkante sowie Seitenflächen (siehe vorne), ist also im Prinzip wie eine Leitschaufel aufgebaut. Bezüglich der bevorzugten Beschichtung von Vorder- und Hinterkante wird auf die vorstehenden Anmerkungen verwiesen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der zu beschichtende Bereich mit einer Maske maskiert, wird also ein umgebender Oberflächenbereich abgedeckt. Wenngleich im Allgemeinen bspw. auch ein Auftrag des Partikel-versetzten Bindemittels durch Streichen oder Drucken denkbar ist, wird es bevorzugt gesprüht. Die Maske verhindert dabei einen Partikelauftrag auf Bereiche, die unbeschichtet bleiben sollen. Bevorzugt ist eine Maske, die als im Gesamten für sich zusammenhängendes Teil an das Bauteil angehalten wird, bevorzugt nicht verklebt wird, was einen hohen Durchsatz ermöglicht. Bevorzugt hat die Maske eine zu einer Oberflächenkontur des Bauteils komplementäre Form und ist sie in dem zu beschichtenden Bereich unterbrochen.
  • Die Erfindung betrifft nicht nur die Erstbeschichtung im Zuge der Bauteilherstellung, sondern auch ein Verfahren zur Revision und Neubeschichtung eines benutzten Bauteils. Auch dabei wird ein Partikel-versetztes Bindemittel aufgetragen, bzgl. weiterer Details (bevorzugte Partikel etc.) wird ausdrücklich auf die vorstehende Offenbarung verwiesen. Bevorzugt wird im Zuge der Revision die gleiche Maske wie bei der Erstbeschichtung genutzt, also zumindest eine baugleiche Maske (ggf. auch tatsächlich dieselbe Maske).
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Bauteils, wobei das Bauteil in einer vorliegend beschriebenen Weise beschichtet wird.
  • Ferner betrifft die Erfindung auch ein erfindungsgemäß beschichtetes Bauteil.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
  • Im Einzelnen zeigt
  • Figur 1a
    ein Strahltriebwerk in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht, schematischen Ansicht;
    Figur 1b
    eine schematische Detailansicht zu Figur 1a;
    Figur 2
    in einer Seitenansicht eine Verkleidung einer Stützstrebe aus dem Turbinenzwischengehäuse;
    Figur 3a
    einen schematischen Schnitt durch einen Bereich des Bauteils gemäß Figur 2 zur Illustration eines Zwischenschritts des Beschichtungsverfahrens;
    Figur 3b
    ebenfalls in einem Schnitt eine gemäß dem Beschichtungsverfahren hergestellte Schicht.
    Bevorzugte Ausführung der Erfindung
  • Figur 1a zeigt eine Strömungsmaschine 1 in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht, konkret ein Strahltriebwerk. Figur 1b zeigt eine schematische Detailansicht dazu, die folgenden Anmerkungen beziehen sich auf beide Figuren. Funktional gliedert sich die Strömungsmaschine 1 in Verdichter, Brennkammer und Turbine. Sowohl der Verdichter als auch die Turbine sind jeweils aus mehreren Stufen aufgebaut (nicht dargestellt), jede Stufe setzt sich aus einem Leit- und einem Laufschaufelkranz zusammen. Die Laufschaufelkränze rotieren im Betrieb um die Längsachse 2 der Strömungsmaschine 1. Die Turbinenwelle 3 ist in einem Lager 4 geführt, das von Stützstreben 5 (teils strichliert) in der übrigen Strömungsmaschine 1 gehalten wird. Im Bereich des Heißgaskanals ist jede der Stützstreben 5 aus aerodynamischen und auch thermischen Gründen ummantelt, nämlich von einem Bauteil 6, das eine Verkleidung darstellt und auch als Fairing bezeichnet wird.
  • Gerade bei der Beschichtung von Fairings bzw. Panels hat sich das erfindungsgemäße Verfahren als besonders vorteilhaft herausgestellt, weil bei diesen bestimmte Flächen nach dem Beschichtungsprozess spanend bearbeitet werden. Durch das bereichsweise Beschichten mittels Sprühen und/oder Pinseln (auch als sog. "Touch-up" coating bezeichnet) kann eine Rissbildung durch ein lokales Entfernen der Beschichtung während nachfolgender Prozessschritte vermieden werden. Zudem kann auch ein aufwändiges vollumfängliches Abdecken für eine lokale Beschichtung mittels Gasphasenabscheidung vermieden werden.
  • Figur 2 zeigt eine solche Verkleidung in einer Schrägansicht, nicht dargestellt sind die typischerweise in einem Guss damit geformten Innen- und Außendeckbandabschnitte. Die Verkleidung weist in Bezug auf die Heißgasströmung 20 eine Vorderkante 21 und eine Hinterkante 22 auf, sowie ferner zwei jeweils Vorder- und Hinterkante 21, 22 miteinander verbindende, einander entgegengesetzte Seitenflächen 23a,b. Die Vorder- und die Hinterkante 21, 22 sind jeweils mit einer Beschichtung 24 versehen. Die Beschichtungen 24a,b bedecken die Kanten 21, 22 jeweils über den größeren Teil ihrer Erstreckung, lassen aber umgekehrt die Seitenflächen 23a,b teilweise unbeschichtet. Dies hat aerodynamische Gründe, vgl. die Beschreibungseinleitung im Detail. Eine solche nur bereichsweise Beschichtung lässt sich mit dem nachstehend beschriebenen Verfahren im besonders vorteilhafter Weise erreichen.
  • Figur 3a zeigt einen schematischen Schnitt des Bauteils 6 in einem Bereich, der beschichtet wird. Das Bauteil ist aus einer Nickellegierung vorgesehen und wird mit Aluminium beschichtet, das allerdings nicht aus der Gasphase auf die unbeschichtete Oberfläche 30 des Bauteils 6 abgeschieden wird. Stattdessen wird das Aluminium in Form von Partikeln 31 in einem Bindemittel 32 vorgehalten, und es wird diese Suspension, also das Partikel-versetzte Bindemittel 32, auf die unbeschichtete Bauteiloberfläche 30 aufgebracht. Das Bindemittel 32 kann bspw. auf Epoxidharz-Basis vorgesehen sein, die Partikel 31 werden beigegeben und bspw. durch Verrühren vor dem Aufbringen gleichmäßig verteilt. Die Suspension kann einem Lack vergleichbar aufgesprüht werden.
  • In einem nächsten Schritt wird das Bauteil 6, auf das eine Lage 33 des Partikel-versetzten Bindemittels 32 aufgebracht wurde, bei einer Temperatur von rund 980°C wärmebehandelt. Bei diesem Diffusionsglühen pyrolysiert und verdampft einerseits das Bindemittel 32, andererseits diffundiert das Aluminium anteilig auch in die Oberfläche 30 des Bauteils 6 ein. Dies zeigt Figur 3b , das Beschichtungsmaterial 35, also das Aluminium, befindet sich zu einem Teil an der Oberfläche 30, ist aber anteilig auch eindiffundiert. Es resultiert eine Beschichtung, welche die besonders oxidationsgefährdeten Bereiche an und um Vorder- und Hinterkante 21,22 gut vor einer Oxidation schützt. BEZUGSZEICHENLISTE
    Strömungsmaschine 1
    Längsachse 2
    Turbinenwelle 3
    Lager 4
    Stützstrebe 5
    Bauteil 6
    Vorderkante 21
    Hinterkante 22
    Seitenflächen 23a,b
    Bereich 24a,b
    Oberfläche 30
    Partikel 31
    Bindemittel 32
    Lage 33
    Beschichtungsmaterial 35

Claims (13)

  1. Verfahren zum Beschichten eines Bauteils (6) mit einem Beschichtungsmaterial (35), welches Bauteil (6) zum Anordnen im Heißgaskanal in einem Turbinenzwischengehäuse einer Strömungsmaschine (1), insbesondere als Heißgaskanalplatte oder als Verkleidung einer das Lager (4) der Turbinenwelle (3) tragenden Stützstrebe (5), vorgesehen ist,
    in welchem Verfahren
    - das Beschichtungsmaterial (35) oder eine Vorstufe davon in Form von Partikeln (31) in Mischung mit einem Bindemittel (32) vorgehalten wird;
    - auf einen Bereich (24a,b) einer unbeschichteten Oberfläche (30) des Bauteils (6) eine Lage (33) des Partikel-versetzten Bindemittels (32) aufgebracht wird;
    - das Bauteil (6) mit dem Partikel-versetzten Bindemittel (32) darauf derart wärmebehandelt wird, dass sich das Bindemittel (32) auflöst und das Beschichtungsmaterial (35) an dem Bauteil (6) verbleibt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Partikel (31) Aluminium aufweisen, das bei der Wärmebehandlung anteilig in die Oberfläche (30) des Bauteils (6) eindiffundiert, und/oder bei welchem die Lage durch Sprühen und/oder durch Aufpinseln, insbesondere lokal, aufgebracht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Bauteil (6) aus einer Nickellegierung vorgesehen ist.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Bindemittel (32) auf organischer Basis vorgesehen ist und bei der Wärmebehandlung pyrolysiert.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem bei mindestens 800 °C und höchstens 1200 °C wärmebehandelt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem von einem heißgaszugewandten Teil der Oberfläche (30) des Bauteils (6) ein Flächenanteil von mindestens 10 % und von höchstens 80 % beschichtet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem ein Funktionsflächenbereich der Oberfläche (30) des Bauteils (6), der hinsichtlich eines Zusammenbaus des Bauteils (6) mit anderen Bauteilen in der Strömungsmaschine (1) eine Montagegrenze darstellt, unbeschichtet bleibt.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Partikel-versetzte Bindemittel (32) vor der Wärmebehandlung sequenziell in mehreren Lagen (33) aufgebracht wird, die auf der Oberfläche (30) des Bauteils (6) miteinander zumindest einen Überlapp haben.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Bauteil (6) in Bezug auf eine Umströmung in dem Heißgaskanal eine Vorder- (21) und eine Hinterkante (22) hat, sowie ferner zwei die Vorder- (21) und die Hinterkante (22) miteinander verbindende Seitenflächen (23a,b) hat, wobei die Vorder- (21) und/oder die Hinterkante (22) über jeweils zumindest einen größeren Teil ihrer jeweiligen Erstreckung beschichtet werden, die Seitenflächen (23a,b) aber jeweils zumindest bereichsweise unbeschichtet bleiben.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der Bereich (24a,b) der Oberfläche (30), auf den das Partikel-versetzte Bindemittel (32) aufgebracht wird, bei dem Aufbringen des Partikel-versetzten Bindemittels (32) mit einer Maske maskiert wird.
  11. Verfahren zur Revision und Neubeschichtung eines benutzten Bauteils (6), das gemäß Anspruch 10 beschichtet wurde, wobei auch bei der Neubeschichtung ein Partikel-versetztes Bindemittel (32) aufgebracht wird und dafür die gleiche Maske verwendet wird.
  12. Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Bauteils (6), wobei das Bauteil (6) in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 beschichtet wird, und wobei insbesondere nur bereichsweise beschichtet wird, beispielswiese mithilfe einer lokalen Maskierung, und ein während der Beschichtung unmaskierter Bereich unbeschichtet bleibt.
  13. Beschichtetes Bauteil (6) zum Anordnen im Heißgaskanal einer Strömungsmaschine (1), hergestellt gemäß Anspruch 12.
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