WO2004090290A2

WO2004090290A2 - Laufschaufeln mit unterschiedlicher länge und abrasiven schichten

Info

Publication number: WO2004090290A2
Application number: PCT/EP2004/050512
Authority: WO
Inventors: Johnson Nicolas Campino; Matthias Hoebel; Jonas Hurter; Christoph Niederberger
Original assignee: Alstom Technology Ltd
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2004-04-13
Publication date: 2004-10-21
Also published as: EP1613840A2; WO2004090290A3; CH696854A5; US7425115B2; JP2006522894A; US20060062664A1

Abstract

Es ist eine thermische Turbomaschine mit mindestens einer Reihe von Laufschaufeln (1) offenbart. Mindestens eine erste Laufschaufel (1) weist eine grössere radiale Länge als die anderen auf und ist an der Schaufeispitze (2) mit einer ersten abrasiven Schichten (72) ausgestattet. Mindestens eine Laufschaufel (1), welche eine kleinere radiale Länge als die erste Laufschaufel (1) aufweist, ist an der Schaufelspee (2) mit einer zweiten abrasiven Schichten (71) ausgestattet. Die erste abrasive Schichten (72) weist eine bessere Schneidfähigkeit und eine geringere thermische Stabiltät auf, als die zweite abrasive Schicht (71). Die erste abrasive Schicht (72) ist während der Iribetriebnahme der thermischen Turbomaschine mit der abbreibaren Schicht des Stators (8) in Kontakt und die zweite abrasive Schicht (71) ist während des kontinuierlichen Betriebs der thermischen Tu rbomaschine mit der abbreibaren Schicht des Stators (8) in Kontakt.

Description

THERMISCHE TURBOMASCHINE

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung geht von einer thermische Turbomaschine mit einem Rotor, einem Stator, einer sich am Stator befindenden abreibbaren Schicht und mindestens einer Reihe von Laufschaufeln, die um den Umfang des Rotors dem Stator gegenüberliegend angeordnet sind, aus.

STAND DER TECHNIK

Die Leit- und Laufschaufeln von Gasturbinen oder Verdichtern sind starken Belastungen ausgesetzt. Um die Leckageverluste der thermischen Turbomaschine klein zu halten, wird die Laufschaufel der Strömungsmaschine derart zum Stator eingepasst, so dass es zum Anstreifen kommt. An dem Stator der Gasturbine oder des Verdichters, der Laufschaufel gegenüberliegend, ist eine Honigwabenstrukur angebracht. Ein Verdichter mit einer solchen Honigwabenstruktur ist beispielsweise aus US-A-5,520,508 bekannt. Die Laufschaufeln des Verdichters arbeiten sich in diese Struktur ein, so dass sich ein minimaler Dichtspalt zwischen den Laufschaufeln und der Hoπigwabenstruktur einstellt. Die Honigwabenstruktur besteht aus einer warmfesteπ Metallegierung. Sie setzt sich aus mehreren Blechstreifen zusammen, welche der späteren Form entsprechend gebogen sind.

Die Schaufelspitzen, welche sich in eine solche abreibbare Struktureinreibeπ, sind meist mit einer abrasiven Schicht versehen, um den Verschleiss bzw. eine Verkürzung der Laufschaufel zu verhindern oder zumindest zu minimieren. US-A- 5,704,759, US-A-4,589,823 und US-A-5,603,603 offenbarten beispielsweise Tur- binenschaufeln, welche an den Schaufelspitzen mit abrasiven Materialien ausgestattet sind.

Weiter offenbart US-B1-6,194,086 eine abrasive Schutzschicht, in der kubische Bomitride eingebettet in eine Matrix mittels eines Plasmasprayverfahrens auf eine Turbinenschaufel aufgetragen wird.

Es hat sich gezeigt, dass abrasive Schichten mit sehr guten Schneideigenschaften eine nur sehr geringe Lebensdauer von bis hin zu nur wenigen Stunden ha- ben. Das Basismaterial der Beschaufelung ist jedoch für gewöhnlich nur sehr bedingt geeignet, um sich ungeschützt in die Beschichtung am Stator einzuarbeiten, da dieses beim Reibvorgang aufschmelzen und sich statorseitig ablagern bzw. aufschmieren kann. Wenn es zu einer solchen Ablagerung des Schaufelmaterials gekommen ist, ist das sich einschleifende System gestört und die Schaufeln wer- den beim Einreibvorgaπg verkürzt. Bei industriellen Gasturbinen werden ca. 80% der Einreibtiefe, die sich durch die Rotorbeschaufelung in der abreibbaren Schicht des Stators ergibt, in den ersten Stunden nach einer Neu-Inbetriebnahme durch die Einreibprozedur erreicht. Nach Vollendung der Einreibprozedur kommt es nur noch sehr selten zum Streifen der Beschaufelung am Stator und dann nur mit geringen Eindringtiefen.

Aus diesem Grunde ist es aus US-A-4,671,735 bzw. DE-A1-34 01 742 bekannt, am Rotor einzelne am Umfang verteilte Schaufeln anzuordnen, die an ihrem, dem Gehäuse zugeordneten Endbereich deckbandartig ausgebildet sind und deren deckbandartiger Schaufelendbereich eine radial aussenliegende verschleissfeste Schicht trägt. Die Schicht ist aus der Gruppe der Hartstoffe ausgewählt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermische Turbomaschine zu schaffen, bei der während der Inbetriebnahme und der Einreibprozedur die Laufschaufeln mit einer erheblichen Eindringtiefe aggressiv in das Statormaterial ein- schneiden, während die Laufschaufeln danach im kommerziellen Betrieb in einer langen operativen Phase nur noch in geringem Masse einschneiden bzw. einreiben. Somit soll sichergestellt werden, dass das abrasive Material in dieser Zeit einen weniger starken Kontakt mit dem Stator unbeschadet übersteht.

Erfinduπgsgemäss wird dies bei einer thermischen Turbomaschine mit dem Merkmalen des unabhängigen Anspruchs erreicht.

Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht eine Anzahl von ersten Laufschaufeln vorzusehen, die nur mit einer ersten aggressiv schneidenden, abrasiven Schicht beschichtet ist. Die Laufschaufeln, die mit der ersten abrasiven Schicht ausgestattet sind, sind länger als alle anderen Laufschaufeln und somit die einzigen, die bei einem Kontakt mit dem Stator Scheidarbeit leisten müssen.

Zusätzlich sind weitere Laufschaufeln, die ausschliesslich eine zweite, thermisch stabilere abrasive Schicht aufweisen, über den Umfang des Rotor verteilt. Diese Laufschaufeln haben eine geringere radiale Länge als die ersten Laufschaufeln, die mit der erste abrasiven Schicht ausgestattet sind, und eine grössere radiale Länge als ungepanzerte Laufschaufeln. Die weitaus grössere Anzahl der Laufschaufeln, welche über den Umfang des Rotors verteilt angeordnet sind, weisen keine abrasive Schicht auf. Diese Laufschaufeln werden von den Laufschaufeln mit einer abrasiven Schicht jedoch soweit geschützt, dass eine ungepanzerte Laufschaufel nicht in Kontakt mit dem Stator kommt.

In einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind eine Anzahl von ersten Laufschaufel mit zwei, einer zweiten abrasiven und einer ersten abrasiven Schicht an der Schaufelspitze vorhanden. Die oberste abrasive Schicht ist aggressiv scheidend, hat aber nur eine geringe thermische Stabilität. Die untere abrasive Schicht, die nach einem Verschleiss der oberen abrasiven Schicht zum Vorschein kommt, ist nun weniger aggressiv im Schneideverhalten, dafür jedoch thermisch wesentlich stabiler. Die Laufschaufeln, die mit der ersten abrasiven Schicht versehen sind, sind länger als alle anderen Laufschaufeln und somit die einzigen, die beim Kontakt mit dem Stator Scheidarbeit leisten müssen. Somit ist während der Inbetriebnahme der thermischen Turbomaschine und der damit verbundenen Einreibprozedur nur die abrasive Schicht mit dem Stator in Kontakt. Im weiteren Betrieb verschleisst diese obere, agressiv schneidende, aber thermisch wenig stabile abrasive Schicht. Danach ist in der folgenden kommerziellen Phase der Strömungsmaschine nur noch die zweite, thermisch stabile, aber weniger agressiv schneidende ab- rasive Schicht in Kontakt mit dem Stator.

Die abrasiven Schichten bestehen vorzugsweise aus sehr harten kubischen Bor- nitrideπ mit Titanbeschichtung, die in eine Matrix aus Füllermaterial eingebettet sind. Die Matrix, in die die Partikel eingebettet sind, besteht aus relativ duktilem, gut benetzendem Material. Der Vorzug dieser Beschichtungen besteht in der Kombination des durch die Hartstoffe erzeugten aggressiven Schneidverhaltens mit der durch die duktile Matrix gewonnenen Zähigkeit. Mit der guten Benetzung zwischen Titanbeschichtung und kompatiblem Füllstoff ergibt sich dadurch ein System, das auch den starken mechanischen Belastungen während des Einreib- Vorgangs Stand hält. Als Füllstoff bei der Beschichtuπg von Verdichterschaufelπ kommt entweder eine dem Grundmaterial ähnliche Stahllegierung, oder ein Nickelwerkstoff mit geringen Zusätzen von Bi und S zum Einsatz. Für Komponenten aus der Turbinenstufe in der höhere Temperaturen herrschen, können ebenfalls geeignete Superlegierungen auf der Basis von Nickel- oder Kobalt verwendet werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Uπ- teransprüchen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen eine erfindungsgemässen Turbinenschaufel mit einer abrasiven Schutzschicht an der Spitze,

Fig. 2 einen Rotor einer erfindungsgemässen Turbomaschine mit einer Anzahl von Laufschaufeln, die einem Stator gegenüberliegend angeordnet sind,

Fig. 3 ein Diagramm, in dem die Qualität Q der Schπeidefähigkeit gegenüber der thermischen Stabilität T der verschiedenen abrasiven Schutzschicht aufgetragen ist,

Fig. 4 eine Vorrichtung zum Beschichtung einer Turbinenschaufel, Fig. 5 ein Kontrollsystem für die Vorrichtung der Fig. 4 und Fig. 6 eine durch die Erfindung realisierte Kompressorschaufelspitze mit abra- siver Schutzschicht und Fig. 7 das Schliffbild einer abrasiven Beschichtung.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömuπgsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 ist eine Laufschaufel 1 einer Gasturbine, eines Verdichters oder einer anderen thermischen Turbomaschine dargestellt. Die Laufschaufel 1 besteht aus einem Schaufelblatt 4 mit einer Schaufelspitze 2 und einem Schaufelfuss 3, mit dem die Laufschaufel 1 auf einem Rotor 9 montiert wird. Zwischen Schaufelblatt 4 und Schaufelfuss 3 ist üblicherweise eine Plattform 5 angeordnet, welche den Schaufelfuss 3 und damit den Rotor 9 von den das Schaufelblatt 4 umströmenden F uiden abschirmt. Die Laufschaufel 1 kann mit einer Schutzschicht 6 aus MCrAIY und zusätzlichem keramischen Material (TBC) überzogen sein. An der Spitze dieser Laufschaufel 1 ist eine abrasive Schutzschicht 7 angeordnet. Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einer Laufschaufelreihe der thermischen Turbomaschine. Die Laufschaufeln 1 sind am Rotor 9 befestigt und dem Stator 8 gegenüberliegend angeordnet. Erfindungsgemäss sind eine geringe Anzahl der Laufschaufeln 1 einer über den Umfang des Rotors 9 angeordneten Laufschaufel- reihe mit zwei verschiedenen abrasiven Schichten 7ι, 7₂ an der Schaufelspitze 2 ausgestattet. Die oberste abrasive Schicht 7₂ mit der Höhe x₂ ist aggressiv scheidend, hat aber nur eine geringer thermische Stabilität. Die untere abrasive Schicht 7ι mit der Höhe xi, die nach einem Verschleiss der oberen abrasiven Schicht 7₂ zum Vorschein kommt, ist nun weniger aggressiv im Schneideverhal- ten, dafür jedoch wesentlich thermisch stabiler. Der qualitative Zusammenhang zwischen der Qualität der Schneidefähigkeit Q und der thermische Beständigkeit T der abrasiven Schichten 7ι, 7₂ ist schematisch in der Fig. 3 dargestellt.

Die Laufschaufeln 1 , die mit der abrasiven Schicht 7₂ versehen sind, sind länger als alle anderen Laufschaufeln 1 und somit die einzigen, die bei einem Kontakt mit dem Stator 8 Scheidarbeit leisten müssen. Somit ist während einer (Neu)- Inbetriebnahmen der thermischen Turbomaschine und der damit verbundenen Einreibprozedur nur die abrasive Schicht 7₂ mit dem Stator 8 in Kontakt. Im weiteren Betrieb verschleisst diese obere, agressiv schneidende, aber thermisch wenig stabile abrasive Schicht 7₂. Danach ist in der folgenden kommerziellen Phase der Strömungsmaschine nur die untere abrasive Schicht 7ι in Kontakt mit dem Stator 8.

Eine einfache Variante der vorliegenden Erfindung besteht darin Laufschaufeln 1 mit drei unterschiedlichen Längen in einer Schaufelreihe einzusetzen. Eine Anzahl von ersten Laufschaufeln 1 ist nur mit einer ersten aggressiv schneidenden, abrasiven Schicht 7₂ beschichtet. Die Laufschaufeln 1 , die mit der ersten abrasiven Schicht 7₂ ausgestattet sind, sind länger als alle anderen Laufschaufeln 1 und somit die einzigen, die bei einem Kontakt mit dem Stator 8 Scheidarbeit leisten müssen. Wegen der weniger guten thermischen Stabilität der abrasiven Schicht 7₂ sind zusätzlich Laufschaufeln 1 , die ausschliesslich eine untere abrasive Schicht 7ι , die weniger gute Schneideigenschafteπ, jedoch wesentlich grössere thermische Stabilität aufweisen, über den Umfang des Rotors 9 verteilt. Wie in der Fig. 2 dar- gestellt, haben, diese Laufschaufeln 1 eine geringere radiale Länge als die ersten Laufschaufeln 1 , die mit der ersten bzw. oberen abrasiven Schicht 7₂ ausgestattet sind, und eine grössere radiale Länge als ungepanzerte Laufschaufeln 1.

Die weitaus grössere Anzahl der Laufschaufeln 1 , welche über den Umfang des Rotors 9 verteilt angeordnet sind, weisen keine abrasive Schicht auf. Diese Laufschaufeln 1 werden von den Laufschaufelπ 1 mit einer abrasiven Schicht 7ι, 7₂ jedoch soweit geschützt, dass eine uπgepanzerte Laufschaufel 1 nicht in Kontakt mit dem Stator 8 kommt, da sie eine geringere radial Länge haben.

Die Fig. 4 und 5 zeigen schematisch eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Auftragen einer abrasaiven Schicht 7ι, 7₂ auf die Spitze einer Laufschaufel 1. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus DE-C1-198 53 733 bekannt.

Die erste abrasive Schichten 7₂ besteht vorzugsweise aus sehr harten kubischen Borπitrideπ (cBN), während die zweite abrasive Schicht 7^ aus Karbiden, insbesondere aus Chromkarbiden besteht, die jeweils in eine Matrix aus Füllermaterial eingebettet sind. Die Matrix, in die die Partikel eingebettet sind, besteht aus relativ duktilem, gut benetzendem Material und die Benetzung der Abrasivteilchen kann durch eine Titan- oder Nickelbeschichtung erhöht werden. Der Vorzug die- ser Beschichtungen besteht in der Kombination des durch die Hartstoffe erzeugten aggressiven Schneidverhaltens mit der durch die duktile Matrix gewonnenen Zähigkeit. Mit der guten Benetzung zwischen Titanbeschichtung und kompatiblem Füllstoff ergibt sich dadurch ein System, das auch den starken mechanischen Belastungen während des Einreibvorgangs Stand hält. Als Füllstoff bei der Be- Schichtung von Verdichterschaufeln kommt entweder eine dem Grundmaterial ähnliche Stahllegierung, oder ein Nickelwerkstoff mit geringen Zusätzen von Bi und S zum Einsatz. Für Komponenten aus der Turbinenstufe in der höhere Tem- peraturen herrschen, können ebenfalls geeignete Superlegierungen auf der Basis von Nickel- oder Kobalt verwendet werden.

Fig. 4 zeigt ein allgemeines Beispiel einer Vorrichtung zum Auftragungen einer Beschichtung 17, welche der abrasiven Schicht 7ι, 7₂ entspricht, auf die Schaufelspitze 2 einer Laufschaufel 1. Ein Laserstrahl 11 wird über die Oberfläche 10 der Laufschaufel 1 bewegt (oder die Laufschaufel 1 wird relativ zum Laserstrahl 11), wobei die Oberfläche 10 lokal aufgeschmolzen wird. Dabei bildet sich ein Schmelzbad 12. Für die Beschichtung oder andere Auftragungsverfahren wird dem Schmelzbad 12 pulverförmiges Material 13 und ein Trägergas 14 mittels einer Zufuhrdüse 15 und einer Düse 15a in der Form eines Strahls zugeführt. Bei dem pulverförmigen Material kann es sich dabei um eine geeignete Mischung aus abrasivem Hartstoff und Bindermaterial handeln. Von dem Schmelzbad 12 wird kontinuierlich ein optisches Signal 18 aufgenommen und für die Bestimmung der Temperatur, der Temperaturschwankungen und -gradienten als Eigenschaften des Schmelzbads 12 verwendet. Mit der vorliegenden Vorrichtung und dem entsprechenden Verfahren können auch mehrere Beschichtungen 17 nacheinander aufgetragen werden, wobei die Prozessparameter, wie z.B. Laserleistung, Vorschubsgeschwindigkeit, oder Mischungsverhältnis zwischen Hartstoff und Bin- dermaterial für jede Beschichtung 17 oder für verschiedene Teile der selben Beschichtung 17 verändert werden können. Das vorliegende Verfahren eignet sich auch für die Beschichtung von dreidimensionalen Objekten. In der Ausführungsform der Fig. 4 wird das Pulver 13 konzentrisch in bezug auf den Kegel der vom Schmelzbad 12 erfassten optischen Signale 18 in das Schmelzbad 12 zugege- ben.

Fig. 5 zeigt einen gesamten Regler 21 für die Vorrichtung der Fig. 4. Die Informationen des optischen Signals 18 wird in einem geschlossenen Regelkreis in dem Regler 21 verwendet, um Prozessparameter wie Laserleistung, die relative Ge- schwindigkeit zwischen dem Laserstrahl 11 und der zu beschichtenden Komponente, den Volumenstrom des Trägergases 14, den Massenstrom des eingedü- sten Pulvers 13, die Entfernung zwischen der Düse 15a und der Laufschaufel 1 und den Winkel zwischen der Düse 15a und der Laufschaufel 1 einzustellen. Zur Regelung der Laserleistung dient ein Regler 24, zur Regelung der Zufuhrdüse 15 ein Regler 23 innerhalb des Reglers 21. Auf diese Weise können die gewünschten Eigenschaften des Schmelzbads 12 erreicht werden. Wie in der Fig. 5 durch das Bezugszeichen 17 angedeutet, erstarrt das Schmelzbad 12 danach als Beschichtung.

Die automatische Regelung der Laserleistung durch den Regler 21 erlaubt es, ein Temperaturfeld einzustellen, welches zur Erreichung der gewünschten Mi- krostruktur der Beschichtung 17 vorteilhaft ist. Zusätzlich kann das optische Signal 18 verwendet werden, um Marangoni-Koπvektion im Schmelzbad 12 zu vermeiden. Dies minimiert das Risiko der Bildung von Defekten während der Erstarrung des geschmolzenen Materials.

Hochleistungslaser wie C0₂, fasergekoppelte Nd-YAG oder Diodenlaser eignen sich ganz besonders als Energiequelle. Die Laserstrahlung kann auf kleine Spots fokussiert und verändert werden, was eine sehr präzise Kontrolle des Energieeintrags in das Grundmaterial erlaubt. Wie der Fig. 5 zu entnehmen ist, ist der Regler 24 für die Laserleistung entkoppelt vom Hauptprozessregler 22. Dies ermög- licht eine schnellere Verarbeitung der Daten in Echtzeit.

Das vorliegende Verfahren verwendet eine konzentrische Zufuhrdüse 15, einen Laser 11 und ein Onliπe-Überwachungssystem mit Echtzeit-Prozesskontrolle. Mit der Hilfe dieses Online-Überwachungssystems können optimale Verfahrenspara- meter eingestellt werden, um dadurch eine gewünschte Mikrostruktur der Beschichtung 17 zu erhalten.

Wie der Fig. 4 zu entnehmen ist, verbindet das Verfahren die Laserstrahl- und Materialzufuhr und das Überwachungssystem in einem gemeinsamen Kopf. Mit der Hilfe eines dichroitischen Spiegels 19 kann die lnfrarot-(IR)-Strahlung des Schmelzbads 12 von der selben Optik aufgenommen werden, die für den Laserstrahl verwendet wird. Der dichroitische Spiegel 19 überträgt den Laserstrahl 11 zum Schmelzbad 12 und ist gleichzeitig durchlässig für das optische Signal 18 vom Schmelzbad 12. Das optische Signal 18 wird vom Schmelzbad 12 zu einem Pyrometer 20 oder einem anderen Detektor übertragen, um die Online- Bestimmung der Temperatur des Schmelzbads 12 vorzunehmen.

Für diese Zwecke sind die optischen Eigenschaften des Überwachungssystems so ausgewählt, dass der Messfleck kleiner als das Schmelzbad 12 ist und sich in der Mitte des Schmelzbads befindet.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer beschichteten Kompressorschaufelspitze, die durch das beschriebene Verfahren realisiert wurde. Es ist erkennbar, dass es sich bei der beschichteten Komponente um eine dünnwandige Struktur handelt, die sich bei exzessiver Wärmeeinbringung verformen würde, was inakzeptable Toleranzen zur Folge hätte. Durch die lokal sehr begrenzte Einwirkung des Lasers und die exakte Leistungskontrolle wird dies vermieden und die Dimensionen des Bauteils werden nur minimal verändert.

Fig. 7 zeigt einen Längsschliff durch eine abrasiv beschichtete Kompressorschaufelspitze. Das Grundmaterial der Schaufel besteht aus austenitischem Stahl und die etwa 300μm dicke Beschichtung wurde durch ei ne Mischung aus Ti- beschichteten cBN Hartstoffteilcheπ und NiBSi Bindermateri al erzeugt. Es handelt sich in diesem Fall um ein Beispiel, bei dem nur eine einzi ge Beschichtung auf- gebracht wurde. Die cBN-Hartstoffteilchen sind in der oberen Hälfte der Beschichtung als blockige Strukturen erkennbar. Sie sind vollständig von Binde r- material umhüllt, was die gute Beπetzung der Hartstoffteilchen belegt. Fig. 7 zeigt, dass bei guter Prozesskontrolle, z.B. durch den bereits in Fig. 5 beschriebenen Regler, eine riss- und porenfreie Struktur mit exzellenter Anbindung an das Grundmaterial realisiert werden kann.

In einer weiteren Realisierung der vorliegenden Erfindung wird das zur Leistungsregelung verwendete optische Signal 18 mittels eines faseroptischen Bildleiters oder einer CCD-Kamera aus dem Zentrum und Randbereichen des Schmelzba- des aufgezeichnet. Hierzu wird die als Detektor eingesetzte CCD-Kamera mit geeigneten optischen Filtern ausgerüstet. Diese Information wird dann verwendet, um die Temperatur an einem oder gleichzeitig an mehreren Punkten im Zentrum oder Randbereich des Schmelzbades 12 zu bestimmen. Der Kegel des erfassten optischen Signals 18 kann dabei konzentrisch zum fokussierten Laserstrahl angeordnet werden. Diese symmetrische Anordnung garantiert, dass die Wechselwirkungsprozesse zwischen Laser und Pulver 13 für alle Bewegungsrichtung identisch sind. Dies ist vor allem vorteilhaft bei der Bearbeitung komplex geformter Bauteile, da durch die konstanten Wechselwirkungsprozesse gleichbleibend gute Bearbeitungsqualität erreicht wird. In einer anderen Realisierung der Erfindung wird das vom Schmelzbad 12 emittierte optische Signal 18 zur Qualitätskontrolle verwendet: Die Analyse der Messwerte erlaubte, die Prozessparameter so zu optimieren, dass eine gewünschte Mikrostruktur der Beschichtung resultiert. Die Aufzeichnung der Signale kann auch zu Dokumentationszwecken und zum Sicherstellen konstant guter Produktqualität erfolgen. Zur Realisierung des Kontrollsystems können massgβschneiderte, kommerziell erhältliche Software-Tools (z.B. LabView RT) mit umfangreicher Funktionalität verwendet werden. Auf diese Weise werden Regelzeiten von <10ms ermöglicht. Zudem können für das Kontrollsystem komplexe PID Regelungen mit spezifisch auf den jeweiligen Tempe- raturbereich abgestimmten Parametern umgesetzt werden.

BEZUGSZEICHEN

1 Laufschaufel

2 Schaufelspitze

3 Schaufelfuss

4 Schaufelblatt

5 Plattform

6 Schutzschicht

7 Abrasive Schutzschicht

7ι Erste abrasive Schutzschicht 7₂ Zweite abrasive Schutzschicht

8 Stator

9 Rotor

10 Oberfläche der Turbiπenschaufel 1

11 Laserstrahl

12 Schmelzbad

13 Pulver, pulverförmiges Material

14 Trägergas

15 Zufuhrdüse

15a Düse

16 Beweguπgsrichtung

17 Erstarrtes Material, Beschichtung

18 Optisches Signal

19 Dichroitischer Spiegel

20 Pyrometer

21 Regler

22 Hauptprozessregler

23 Regler für Zufuhrdüse 15 und Düse 15a

24 Regler für Laser 11

Q Qualität der Schneidefähigkeit

T Thermische Beständigkeit

Xi Höhe der abrasive Schutzschicht 7ι

X₂ Höhe der abrasive Schutzschicht 7₂

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Thermische Turbomaschine umfassend einen Rotor (9), einen Stator (8), wobei wenigstens ein Bereich am Innenumfang des Stators mit einer abreibbaren Schicht beschichtet ist, und mindestens eine Reihe von Laufschaufeln (1), die um den Umfang des Rotors mit den Schaufelspitzen dem beschichteten Bereich des Stators gegenüberliegend angeordnet sind,

- wobei mindestens eine erste Laufschaufel eine grössere radiale Länge als zweite Laufschaufeln aufweist, und an der Schaufelspitze (2) mit einer ersten abrasiven Schicht (7₂) ausgestattet ist,

- wobei mindestens eine zweite Laufschaufel, welche eine kleinere radiale Länge als die erste Laufschaufel aufweist, an der Schaufelspitze (2) mit einer zweiten abrasiven Schicht (7ι) ausgestattet ist,

- wobei die erste abrasive Schicht (7₂) eine bessere Schneidfähigkeit, das heisst ein aggressiveres Schneidverhalten gegenüber der abreibbaren Schicht, und eine geringere thermische Stabiltät aufweist, als die zweite, abrasive Schicht (7ι).

2. Thermische Turbomaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass an der Schaufelspitze (2) wenigstens einer Laufschaufel eine zweite abrasive Schicht (7_t) angeordnet ist, und auf der zweiten abrasiven Schicht eine erste abrasiven Schicht (7₂) angeordnet ist.

3. Thermische Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von ersten und zweiten Laufschaufeln (1) über den Umfang der Laufschaufelreihe am Rotor (9) angeordnet sind.

4. Thermische Turbomaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass dritte Laufschaufeln, welche eine geringere radiale Länge als die ersten und zweiten Laufschaufeln haben, unbeschichtete Schaufelspitzen aufweisen

5. Thermische Turbomaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abrasiven Schichten (7ι, 7₂) aus in einer Matrix eingebetteten abrasiven Partikeln bestehen.

6. Thermische Turbomaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten abrasiven Schicht (7₂) die Partikeln kubische Bornitride sind und in der zweiten abrasiven Schicht (7ι) die Partikel Karbide, insbesondere Chromkarbide, sind.

7. Thermische Turbomaschine nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikeln der ersten und/oder der zweiten Schicht mit einer Nickel- oder Titanlegieruπg überzogen sind.

8. Thermische Turbomaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix aus einer komponentenähnlichen Stahllegierung, einer hochtemperaturbeständigen Nickel-Lotverbiπduπg oder einer hochtemperaturbeständigen Nickel- oder Kobald-Superlegierung besteht.

9. Verfahren zur Herstellung einer Laufschaufel einer thermischen Turbomaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, umfassend, den Schaufelwerkstoff an der Schaufelspitze anzuschmelzen, und dem entstehenden Schmelzbad ein pulverförmiges Material zuzuführen.

10. Verfahren gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverför- mige Material abrasive Hartstoffpartikel und Bindermaterial enthält.

11. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 9 oder 10, gekennzeichnet dadurch, den Werkstoff an der Schaufelspitze mittels eines Laserstrahls anzuschmelzen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , gekennzeichnet dadurch, eine aktive Leistungsregelung des Lasers zu verwenden, um ein Subiimieren oder Auflösen der abrasiven Partikel zu verhindern.

13. Thermische Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Turbomaschiπe ein Verdichter oder eine Gasturbine ist.