EP3953498A1 - Ummanteltes abrasives partikel, beschichtungsverfahren mit demselben, schichtsystem und dichtungssystem - Google Patents

Ummanteltes abrasives partikel, beschichtungsverfahren mit demselben, schichtsystem und dichtungssystem

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EP3953498A1
EP3953498A1 EP20728972.9A EP20728972A EP3953498A1 EP 3953498 A1 EP3953498 A1 EP 3953498A1 EP 20728972 A EP20728972 A EP 20728972A EP 3953498 A1 EP3953498 A1 EP 3953498A1
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EP
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particles
solder material
substrate
solder
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Withdrawn
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EP20728972.9A
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Johannes Döhnert
Francis Ladru
Ingo Reinkensmeier
Thorsten Schulz
Britta Stöhr
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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    • Y10T428/2991—Coated

Definitions

  • the invention relates in particular to a soldering method in which abrasive particles, in particular cubic boron nitride, are applied in a matrix made of a solder material and are intended to have better adhesion in the matrix material.
  • the optimal gap in gas turbines or aircraft engines has a decisive influence on the efficiency and performance of these machines.
  • An established system for setting this is a rub-in layer on the housing side (e.g. honeycombs), into which the rotating parts (e.g. turbine blades) rub themselves. This makes it independent of manufacturing tolerances, asymmetrical housing deformation,
  • cBN Cubic boron nitride
  • cBN does not bond particularly well with other materials.
  • the embedding material (matrix) for the turbine area must be resistant to high temperatures. Embeddings in e.g. Resin derivatives such as those used in the manufacture of abrasives (US 2013/004938 Al) are therefore not possible.
  • No. 8,308,830 B2 discloses coated particles made of cubic boron nitride which have two layers of coatings.
  • US 4,399,167 discloses the metallic coating of abrasive particles.
  • No. 10,183,312 B2 discloses coated abrasive particles with a soldering layer, this soldering layer representing the matrix of the layer to be produced.
  • the object is achieved by a particle according to claim 1, a method according to claim 2, a layer system according to claim 3 and a sealing system according to claim 4.
  • abrasive particles such as cBN grains are provided here as an example of abrasive particles with an additional bond-friendly / reactive coating instead of pure abrasive grains.
  • These metallic coatings are in particular nickel (Ni) or titanium (Ti).
  • connection and embedding of the cBN grains is significantly improved. This increases the holding force and thus the grinding effect of the cBN, and
  • the surface quality is significantly increased.
  • a low manufacturing tolerance or a high surface quality is required for the gap design.
  • the gaps can thus be designed to be narrower and lead to a higher efficiency of the gas turbine.
  • Figure 1 shows a coated abrasive particle
  • Figure 2 shows a layer system
  • the inside of the particle 1 has a core made of an abrasive particle 4, in particular cubic boron nitride (cBN), with a layered layer 7 made of a metal, preferably titanium (Ti) or nickel (Ni), which results in a better connection in one Solder material leads.
  • abrasive particle 4 in particular cubic boron nitride (cBN)
  • cBN cubic boron nitride
  • a layered layer 7 made of a metal, preferably titanium (Ti) or nickel (Ni), which results in a better connection in one Solder material leads.
  • metal are meant metallic materials, including metallic alloys.
  • a layer system 10 is shown schematically in FIG.
  • the layer system 10 is preferably a turbine component of a sealing system which is intended to have an abrasive coating 22 on one end.
  • the component as a layer system 10 has a substrate 13, in particular a metallic and very particularly a nickel or cobalt-based superalloy.
  • a material with abrasive particles in particular cubic boron nitride (cBN)
  • a solder material 19 which has the particles 1 according to FIG. 1 is used in the form of a plasma spraying process, HVOF or a soldering paste or in the form of tapes.
  • the applied solder material 19 is then the outer
  • the solder material 19 has in particular a melting point which is at least 10K, in particular at least 20K lower than the material of the substrate 13.
  • Typical elements such as boron (B), silicon (Si), phosphorus (P), hafnium (Hf), zirconium (Zr) or manganese (Mn) and / or germanium (Ge) are preferably used as melting point depressants in the solder.
  • the particles 1 are both completely present in the layer 22 and also protrude from the surface 25 of the layer 22.
  • the layer 22 thus has three different materials, that of the abrasive particle 4, that of the layer 7 around the particle 4 and the solder material 19.
  • the layer 16 is then preferably applied only to the blade tip of a turbine blade.
  • the turbine rotor blade can and generally will also have metallic and / or ceramic coatings on the blade and / or the blade platform, but these do not have the particles 1.
  • the stator or the housing of a turbine also has a protective coating into which this abrasive layer 16 rubs.
  • the coating on the housing or stator can only be metallic, only ceramic, or have a layer system of metallic adhesion promoter layer and outer ceramic layer or multilayer ceramic layers.
  • the layers or the layer system of the housing are designed in such a way that they are mechanically softer than the abrasive layer 16, so that grinding is possible. This can be achieved by the composition of the metallic or ceramic coating and / or also by adjusting the porosities of the layer or layers, such as longitudinal grooves preferably made by means of a laser or water jet.

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Abstract

Durch die Verwendung einer rein metallischen Umhüllung eines Refraktärpartikels für insbesondere kubisches Bornitrid kann in einem Lötprozess eine gute Anbindung zwischen dem kubischen Bornitrid und dem Lotmaterial oder der Lotmischung hergestellt werden.

Description

Ummanteltes abrasives Partikel, Beschichtungsverfahren mit demselben, Schichtsystem und Dichtungssystem
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Lötverfahren, bei dem abrasive Partikel, insbesondere kubisches Bornitrid, in einer Matrix aus einem Lotmaterial aufgebracht werden und eine bes sere Haftung in dem Matrixmaterial aufweisen sollen.
Der optimale Spalt in Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken hat einen entscheidenden Einfluss auf Wirkungsgrad und Per formance dieser Maschinen. Ein etabliertes System, um diesen einzustellen, ist eine Einreibschicht auf Gehäuseseite (z.B. Honeycombs), in welche die rotierenden Teile (z.B. Turbinen laufschaufeln) sich einreiben. Dadurch wird unabhängig von Fertigungstoleranzen, asymmetrischer Gehäuseverformung,
Rotorverschiebung, etc. der optimale Spalt eingeschliffen.
Des weiteren ist das Panzern der Schaufelspitzen mit z.B. kubischem Bornitrid (cBN) , um die Schaufelspitzen beim ein reiben zu schützen, Industriestandard.
Die Applikation des cBN ist allerdings problematisch, da cBN nicht besonders gut Bindungen mit anderen Materialien ein geht. Des weiteren muss für den Turbinenbereich das einbet tende Material (Matrix) hochtemperaturbeständig sein. Einbet tungen in z.B. Harz-Derivaten wie im Schleifmittelbau (US 2013/004938 Al) ist daher nicht möglich.
Je besser die Anbindung des cBN an den rotierenden Bauteilen, desto effektiver ist die endgültige Schleifwirkung. Der Wahr scheinlichkeit des Ausbrechens der Partikel während des Ein schneidprozesses wird entgegengewirkt.
Bekannte Fertigungsverfahren sind die galvanische Applikation oder das induktive Auflöten mittels spezieller cBN Tapes, je doch sind diese kostenintensiv und technisch komplex. Die US 8,308,830 B2 offenbart beschichtete Partikel aus kubi schem Bornitrid, die zwei Lagen von Beschichtungen aufweisen.
Die US 4,399,167 offenbart die metallische Beschichtung von abrasiven Partikeln.
Die US 10,183,312 B2 offenbart beschichtete abrasive Partikel mit einer Lötschicht, wobei diese Lötschicht die Matrix der herzustellenden Schicht darstellt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen .
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Partikel gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 2, ein Schichtsystem gemäß Anspruch 3 und ein Dichtungssystem nach Anspruch 4.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön nen, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die Experimente haben gezeigt, dass die Lötergebnisse erheb lich verbessert werden können, wenn die abrasiven Partikel wie cBN Körner hier als beispielhaftes abrasives Partikel mit einer zusätzlichen bindungsfreudigen/reaktionsfreudigen Be schichtung versehen sind, anstelle von puren abrasiven Kör nern. Diese metallischen Beschichtungen sind insbesondere Nickel (Ni) oder Titan (Ti) .
Vorteile sind
die Anbindung und Einbettung der cBN-Körner ist wesent lich verbessert. Somit erhöht sich die Haltekraft und damit die Schleifwirkung des cBN, und
die Oberflächenqualität wird wesentlich gesteigert. Für die Spaltauslegung ist eine geringe Fertigungstoleranz oder eine hohe Oberflächengüte erforderlich. Somit kön nen die Spalte enger ausgelegt werden und führen zu einem höheren Wirkungsgrad der Gasturbine. Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbei spiele der Erfindung dar.
Figur 1 zeigt ein ummanteltes abrasives Partikel,
Figur 2 zeigt ein Schichtsystem.
Das Teilchen 1 weist im Inneren einen Kern aus einem abrasi ven Partikel 4, insbesondere kubisches Bornitrid (cBN) auf, mit einer umlagigen Schicht 7 aus einem Metall, vorzugsweise Titan (Ti) oder Nickel (Ni), was zu einer besseren Anbindung in einem Lotmaterial führt.
Mit Metall sind metallische Materialien gemeint, also auch metallische Legierungen.
In Figur 2 ist schematisch ein Schichtsystem 10 dargestellt.
Das Schichtsystem 10 ist vorzugsweise ein Turbinenbauteil eines Dichtungssystems, das an einem Ende eine abrasive Be schichtung 22 aufweisen soll.
Das Bauteil als Schichtsystem 10 weist ein Substrat 13, ins besondere ein metallisches und ganz insbesondere eine Nickel oder Kobalt-basierte Superlegierung, auf.
Auf dem Substrat 13, insbesondere auf dessen Oberfläche 16, soll eine abrasive Schicht 22 oder ein Material mit abrasiven Partikeln, insbesondere kubisches Bornitrid (cBN) aufgetragen werden. Dies soll durch ein Lötverfahren erfolgen.
Dabei wird in Form eines Plasmaspritzverfahrens, HVOF oder einer Lötpaste oder in Form von Tapes ein Lotmaterial 19 ver wendet, das die Teilchen 1 gemäß Figur 1 aufweist.
Das aufgetragene Lotmaterial 19 stellt dann die äußere
Schicht 22 dar. Das Lotmaterial 19 weist insbesondere einen um mindestens 10K, insbesondere um mindestens 20K niedrigeren Schmelzpunkt auf, als das Material des Substrats 13. Als Schmelzpunkterniedriger im Lot kommen vorzugsweise typische Elemente wie Bor (B) , Silizium (Si), Phosphor (P) , Hafnium (Hf) , Zirkonium (Zr) oder auch Mangan (Mn) und/oder Germanium (Ge) zum Einsatz.
Die Teilchen 1 sind sowohl vollkommen in der Schicht 22 vor handen als auch ragen sie aus der Oberfläche 25 der Schicht 22 hinaus.
Die Schicht 22 weist also drei verschiedene Materialien auf, die des abrasiven Partikels 4, die der Schicht 7 um das Par tikel 4 und das Lotmaterial 19.
Die Schicht 16 ist in einem solchen Dichtungssystem dann vor zugsweise nur auf der Schaufelspitze einer Turbinenlaufschau fel aufgebracht.
Die Turbinenlaufschaufel kann und wird in der Regel bei Gas turbinen auf dem Schaufelblatt und/oder der Schaufelplattform ebenfalls metallische und/oder keramische Beschichtungen auf weisen, die aber nicht die Teilchen 1 aufweisen.
Der Stator oder das Gehäuses einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine, weist auch eine Schutzbeschichtung auf, in die sich diese abrasive Schicht 16 einreibt. Die Beschichtung auf dem Gehäuse oder Stator kann nur metallisch, nur kera misch sein oder ein Schichtsystem aus metallischer Haftver mittlerschicht und äußerer keramischer Schicht oder mehrlagi gen keramischen Schichten aufweisen.
Die Schichten oder das Schichtsystem des Gehäuses sind so ausgebildet, dass sie mechanisch weicher sind als die abrasi ve Schicht 16, so dass ein Einschleifen möglich ist. Dies kann durch die Zusammensetzung der metallischen oder kerami schen Beschichtung erzielt werden und/oder auch durch Ein stellung der Porositäten der Schicht oder der Schichten, so wie vorzugsweise mittels Laser oder Wasserstrahl eingebrach- ter Längsrillen.

Claims

Patentansprüche
1. Teilchen ( 1 ) ,
das ein mit einem Metall ummanteltes, abrasives Partikel (4) ,
insbesondere kubisches Bornitrid,
aufweist .
2. Teilchen nach Anspruch 1,
ummantelt mit einer Schicht (7) aus einem Metall,
insbesondere aus Titan (Ti) und/oder Nickel (Ni) .
3. Teilchen nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem nur eine Schicht oder nur eine Ummantelung (7), insbesondere aus nur einem Metall um das abrasive Partikel (4) ,
insbesondere um das kubische Bornitrid-Partikel (4), vorhanden ist.
4. Verfahren zur Herstellung einer Schicht (16),
bei dem Teilchen (1) gemäß einem oder mehreren der Ansprü che 1, 2 oder 3 verwendet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
bei dem die Teilchen (1) mit einem metallischen Matrixmate rial (15) vermengt werden oder sind
und aufgebracht werden.
6. Verfahren zur Herstellung einer Schicht (22) auf einem Substrat ( 13 ) ,
bei dem ein Lotmaterial als metallisches Matrixmaterial mit Teilchen (1) gemäß Anspruch 1, 2 oder 3,
insbesondere Lotmaterial in Form einer Lötpaste, eines Löttapes, eines Lotpulvers durch ein Auftragungsverfahren, insbesondere durch ein Schweißverfahren oder ein thermi sches Spritzverfahren aufgetragen wird,
wobei Lotmaterial bedeutet,
dass die Schmelztemperatur des Lotmaterials um mindestens 10 K,
insbesondere um 20K niedriger ist als das des Substrats (13) .
7. Schichtsystem (10),
zumindest aufweisend ein Substrat (13),
insbesondere ein metallisches Substrat (13),
das eine Schicht (22) aufweist,
die (22) ein Lotmaterial (19) und Teilchen (1) gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3 aufweist,
wobei das Lotmaterial (19) eine um 10K,
insbesondere um mindestens 20K niedrigere Schmelztemperatur als das Material des Substrats (13) aufweist.
8. Dichtungssystem,
das einen Stator und rotierende Teile mit einem Schichtsys tem (10) nach Anspruch 7 aufweist,
insbesondere auf dem rotierenden Teil,
ganz insbesondere auf einer Laufschaufei .
EP20728972.9A 2019-05-20 2020-05-13 Ummanteltes abrasives partikel, beschichtungsverfahren mit demselben, schichtsystem und dichtungssystem Withdrawn EP3953498A1 (de)

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