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Dokumentenidentifikation DE69823150T2 24.03.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0000926254
Titel Thermische Beschichtungszusammensetzung
Anmelder United Technologies Corp. (n.d.Ges.d. Staates Delaware), Hartford, Conn., US
Erfinder Freling, Melvin, West Hartford, US;
Lagueux, Ken R., Berlin, US;
Zajchowski, Paul H., Enfield, US
Vertreter Klunker, Schmitt-Nilson, Hirsch, 80797 München
DE-Aktenzeichen 69823150
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 18.12.1998
EP-Aktenzeichen 983104159
EP-Offenlegungsdatum 30.06.1999
EP date of grant 14.04.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.03.2005
IPC-Hauptklasse C23C 4/10
IPC-Nebenklasse C23C 4/02   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Thermosprühbeschichtung und im besonderen auf eine verbesserte Zusammensetzung der Beschichtung zur Aufbringung auf rotierende Teile von Gasturbinenmaschinen.

Große Gasturbinenmaschinen sind weit verbreitet in der Verwendung als Antrieb von Luftfahrzeugen und zur stationären Energieerzeugung. Solche großen Gasturbinenmaschinen sind vom axialen Typ und beinhalten einen Kompressorabschnitt einen Brennkammerabschnitt und einen Turbinenabschnitt, wobei vor dem Kompressorabschnitt normalerweise ein Gebläseabschnitt ist. Ein ringförmiger Strömungsweg für Arbeitsmittelgase verläuft axial durch die verschiedenen Abschnitte der Maschine. Jeder der Gebläse-, Kompressor-, und Turbinenabschnitte enthält eine Mehrzahl an Scheiben, welche auf einer Achse angebracht sind, mit einer Mehrzahl an Schaufeln mit Strömungsprofil, welche radial davon abstehen. Ein hohles Gehäuse ergibt die verschiedenen Maschinenabschnitte. Eine Mehrzahl von stationären Schaufeln sind zwischen den Scheiben angebracht und ragen von dem Gehäuse, welches die Scheiben umgibt, nach innen.

Während des Betriebs der Gebläse-, Kompreasor- und Turbinenabschnitte, kommen die Arbeitsmedium-Gase, welche in axialer Richtung fließen, abwechselnd in Kontakt mit beweglichen Schaufeln und den stationären Schaufeln. In den Gebläsen- und Kompressorabschnitten wird Luft komprimiert, und die komprimierte Luft wird mit Brennstoff vermischt und im Brennkammerabschnitt verbrannt, um Gase mit hohem Druck und hoher Temperatur zu erzeugen. Die Arbeitsmedium-Gase fließen dann durch den Turbinenabschnitt, wo die Energie entzogen wird, indem die Turbinenschaufelscheiben zum Rotieren gebracht werden. Ein Teil der Energie wird verwendet, um den Kompressorabschnitt und den Gebläseabschnitt zu betreiben.

Die Energieeffizienz hängt zum großen Teil von der Minimierung der Leckage des Gasflusses ab, um die Interaktion zwischen den beweglichen und den stationären Flügeln zu maximieren. Eine große Quelle der Ineffizienz ist die Gasleckage um die Spitzen der Kompressorschaufeln herum, zwischen den Schaufelspitzen und dem Maschinengehäuse. Dementsprechend werden Mittel zur Verbesserung der Effizierz durch Reduktion der Leckage immer wichtiger. Obwohl eine Paßform mit geringer Toleranz erhalten werden kann durch Herstellen der Schaufelspitzen und des Maschinengehäuses zur Anpassung aufeinander mit einem sehr geringen Toleranzbereich, ist dieses Herstellungsverfahren extrem kosten- und zeitaufwendig. Wenn die Anordnung, die durch Anpassung der Schaufelspitzen und des Maschinengehäuses hergestellt wurde, einer Umgebung mit hohen Temperaturen und Rotationskräften ausgesetzt wird, wie es beim Betrieb der Fall ist, können die Expansionskoeffizienten der Schaufelspitzen und des Maschinengehäuses sich unterscheiden, womit der Freiraum entweder größer oder kleiner werden kann. Eine signifikante Reduktion des Freiraums hat eine Berührung zwischen den Schaufeln und dem Gehäuse zur Folge, und Reibung zwischen den Teilen erzeugt Wärme, welche zu einer signifikanten Erhöhung der Temperaturen und möglichen Schäden an einen oder beiden Teilen führt. Andererseits würde ein vergrößerter Freiraum es erlauben, das Gas zwischen der Kompressorschaufel und dem Gehäuse entweicht, wodurch die Effizienz verringert wird.

Ein Ansatz, um die Effizient zu erhöhen, ist das Anbringen einer abschleifbaren Beschichtung eines geeigneten Materials auf der Innenfläche des Kompressorgehäuses, welches nach Abschleifen die Erzeugung eines Kanals zwischen der Schaufelspitze und dem Gehäuse ermöglicht. Die Leckage zwischen der Schaufelspitze und dem Gehäuse wird auf den Luftstrom in dem Kanal beschränkt. Verschiedene Beschichtungstechniken wurden angewendet, um den inneren Umfang des Kompressorgehäuses mit einer abschleifbaren Schicht zu beschichten, die durch Reibungskontakt mit der Kompressorschaufel abgetragen werden kann, um einen eng angepaßten Kanal zu erzeugen, in welchem sich die Schaufelspitze bewegen kann. Daher können die Schaufel und das Gehäuse expandieren oder kontrahieren, wenn die beschichtete Anordnung hohen Temperaturen oder Belastungen ausgesetzt wird, ohne eine signifikante Gasleckage zwischen der Schaufelspitze und dem Gehäuse hervorzurufen.

Es ist jedoch entscheidend, daß die Schaufelspitzen nicht abgebaut werden, wenn sie in Kontakt mit den Beschichtungen, die auf die Innenfläche des Kompressorgehäuses aufgebracht werden, in Kontakt kommen. Um die Haltbarkeit der Schaufelspitzen, welche gegen die abschleifbare Beschichtung reiben, zu erhöhen, werden manchmal abschleifbare Schichten auf die Schaufelspitzenoberfläche aufgetragen.

Die abschleifbaren Schichten müssen eine besondere Kombination von Eigenschaften aufweisen. Sie müssen widerstandsfähig sein gegenüber Erosion durch die Gasströme mit hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur, welche zeitweise Material aus feinen Partikeln mit sich tragen können. Der beabsichtigte Kontakt zwischen der abschleifbaren Spitze und dem Maschinengehäuse verursacht eine beanspruchende starke Abnutzungssituation für die abschleifbare Schaufelspitzenbeschichtung.

Beträchtliche Anstrengungen wurden bei der Entwicklung von abschleifbaren Beschichtungen mit der gewünschten Kombination aus Eigenschaften unternommen. Vine et al., U.S. Patent Nr. 4,861,618 veröffentlicht z. B. eine Wärme abschirmende Beschichtung, welche auf dem luftführenden Abschnitt einer Turbinenschaufel verwendet werden kann. In einer Ausführung legen Vine et al. eine Ni Co Cr Al Y-Beschichtung offen mit einer keramischen Überschichtung von Zirconoxid aufweisend 6 bis 8 Gew.-% Yttrium.

Ein Verfahren zum kontrollierten Aufbringen von thermischen Sprühbeschichtungen auf Substrate ist aus der europäischen Patentanmeldung Nr. 0 926 255 des Anmelders bekannt. Das Verfahren schließt ein: Positionieren der Rotorblätter in einer drehbaren Halterung, Erzeugung eines Sprays aus Partikeln von weich gemachten Beschichtungsmaterial in einer Vorrichtung zum Vortreiben des Beschichtungsmaterials in Richtung der Schaufelspitzen und Beschichten der Schaufelspitzen durch Hindurchbewegen der Schaufeln durch das Spray von Partikeln des Beschichtungsmediums.

Ungeachtet des oben genannten Standes der Technik arbeiten Wissenschaftler und Ingenieure unter Anleitung des Anmelders an der Verbesserung der Zusammensetzung der abschleifbaren Beschichtung zur Anwendung auf Substraten in Gasturbinenmaschinen.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Kompressorschaufelspitze bereit mit einer Spitze mit einer abschleifbaren Thermooberflächenbeschichtung bestehend aus 11 bis 14 Gew.-% Yttriumoxid, wobei der Rest im wesentlichen Zirkoniumoxid ist.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung stellt ein Beschichtungssystem für Gasturbinenmaschinen bereit aufweisend:

  • a. ein metallisches Substrat;
  • b. eine Haftbindungsschicht auf dem Substrat;
  • c. eine abschleifbare Oberflächenschicht, welche auf die Bindungsschicht plasmagespritzt ist und aus 11 bis 14 Gew.-% Yttriumoxid und Rest im wesentlichen Zirkoniumoxid besteht;
wobei das genannte Beschichtungssystem Mikrospalten enthält, die im wesentlichen senkrecht zur Bindungsschicht sind und durch die Oberflächenschicht hindurch zur Bindungsschicht reichen.

Eine Beschichtung bestehend aus 11 bis 14 Gew.-% Yttriumoxid hat eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit verglichen mit aus dem Stand der Technik bekannten Beschichtungen, welche 6 bis 9 Gew.-% Yttriumoxid enthalten. Die Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung wird bis zu einem gewissen Maß von anderen Faktoren abhängen, wie z. B. der Porosität der Beschichtung, welche von den Ablagerungsbedingungen abhängt, aber für eine typische Porosität ist die Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung 1,15 Watt/Meter-K oder weniger. Im Vergleich dazu haben ähnliche Beschichtungen, welche 6 bis 9 Gew.-% Yttrium enthalten, 1,4 Watt/Meter-K.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die niedrigere Substrattemperatur, welche aus der Hochtemperatur-Reibungswärme aufgrund der Interaktion zwischen den Schaufelspitzen und dem Maschinengehäuse resultiert. Der hohe Yttriumoxidanteil der vorliegenden Erfindung führt zu einer verbesserten Temperaturstabilität der Beschichtung verglichen mit Beschichtungen, welche einen niedrigeren Gewichtsanteil an Yttriumoxid enthalten. Veränderungen in der kristallografischen Struktur der Beschichtung sind reduziert verglichen mit Beschichtungen aus dem Stand der Technik, welche einen niedrigeren Gewichtsanteil an Yttriumoxid enthalten. Daher sind auch Vorfälle des Absplitterns und des Zerfalls der Beschichtung aufgrund der hohen Temperatur deutlich reduziert. Das wiederum führt zu einer Beschichtung, die zusammenhängend auf dem Substrat bindet und damit die Fähigkeit des Substrates verstärkt, den korrosiven Effekten der Umgebung zu widerstehen.

Einige vorzuziehende Ausführungen der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft beschrieben und beziehen sich auf die begleitenden Zeichnungen:

1 ist ein Fließdiagramm, welches das Verfahren zum Anbringen der Beschichtung entsprechend der Erfindung zeigt.

2 ist eine teilweise perspektivische schematische Ansicht, welche die Anordnung der Halterungsvorrichtung und Vorrichtung zum Vorteiben von Partikeln an den Spitzen einer Anordnung von in der Haltevorrichtung angebrachten Rotorschaufeln zeigt, welche in dem Verfahren von 1 verwendet werden.

3 ist eine vergrößerte Ansicht entlang der Linie 3-3 der 2, welche die Anordnung des Plasmasprays und der Spitzen der Anordnung von Rotorschaufeln zeigt.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bildung und zum Vorteiben von Beschichtungsmaterial-Partikeln und eine Haltevorrichtung. Eine Mehrzahl von rotierenden Schaufeln, wie z. B. die Kompressorschaufeln 10, sind in der zylindrischen Haltevorrichtung 12 positioniert. Die Haltevorrichtung besitzt eine Rotationsachse Ar. Die Haltevorrichtung kann eine große Anzahl an Schaufeln aufnehmen, bis zu einem vollen Satz an Schaufeln. Der Durchmesser der Vorrichtung reicht von ungefähr 18 bis 36 Zoll (457 bis 914 mm), vorzugsweise ungefähr 20 bis 28 Zoll (508 bis 711 mm), um der Größe des Strömungswegs der Maschine zu entsprechen. Die Vorrichtung kann mit ihrer großen Größe einen ganzen Satz an Schaufeln aufnehmen. Die Auswahl einer Vorrichtung, welche die Schaufeln mit einem Radius in Entfernung der Rotationsachse Ar positioniert, der der gleiche ist, wie der operative Radius, stellt sicher, dass die Lage der Schaufelspitze ziemlich genau dem Radius der Maschine entspricht.

Jede Rotorschaufel hat eine Wurzel und eine Plattform. Ein Strömungsprofil beginnt an der Plattform und endet in der Spitze. Jedes Strömungsprofil hat eine vordere Kante und eine hintere Kante. Zwischen den Kanten liegt eine Unterdruckfläche und eine Überdruckfläche. Die Schaufeln sind so orientiert, dass die Punkte auf der Schaufelspitze einen Kreis um die Rotationsachse der Haltevorrichtung beschreiben. Die Schaufelspitzen zeigen nach außen von der Haltevorrichtung weg.

Die Vorrichtung zum Vortreiben der Partikel in Richtung der Schaufelspitzen, repräsentiert durch einen Spritzbeschichtungsapparat 14, ist in großer Nähe zu der Haltevorrichtung. Die Spritzbeschichtungsvorrichtung enthält eine Sprühpistole 16, welche am äußeren Durchmesser der zylindrischen Vorrichtung zur Abscheidung der Schichten gelagert ist. Die Sprühpistole ist in Bezug auf die Haltevorrichtung in verschiedene Richtungen beweglich. Der Spritzbeschichtungsapparat erzeugt ein erhitztes Plasma, einschließlich geschmolzener Partikel, wie z. B. geschmolzener Zirkoniumoxidpartikel, welche im erhitzten Plasmagasstrom in Richtung der in der Vorrichtung fixierten Schaufeln vorgetrieben werden.

In einer Ausführung sind die Schaufeln in der Haltevorrichtung so positioniert, dass nebeneinander liegende Punkte auf den Schaufelspitzen einer rotierenden Oberfläche entsprechen, der im Wesentlichen parallel zur rotierenden Oberfläche ist, welche die Schaufelspitze in der im Betrieb befindlichen Maschine erfahren wird. Während die Schaufeln rotieren, bewegt sich die Pistole nach oben und unten in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel ist zur Rotationsebene der Vorrichtung, wodurch die Schaufeln nacheinander beschichtet werden.

Die Dicke der abgeschiedenen abschleifbaren Dichtungen hängt von der Anwendung des Substrates ab. In Kompressor- und Bürstendichtungsanwendungen kann die abschleifbare Schicht eine Dicke im Bereich von 5 bis 50 mils (0,13 bis 1,02 mm) betragen.

3 ist eine vergrößerte Ansicht entlang der Linie 3-3 der 2, welche die Relation zwischen dem Plasmaspray, welches von der Vorrichtung zur Bildung und zum Vorteiben von Partikeln vorgetrieben wurde, und den in der Haltevorrichtung gelagerten Schaufelspitzen zeigt. Die Umfangsrichtungs-Breite des Sprays kann von der Größe der Umfangsrichtungs-Breite der Schaufeln bis zu einem Zehnfachen der Umfangsrichtungs-Breite im Umfang der Schaufeln reichen. Das ermöglicht eine gleichförmige Ablagerung der Spritzbeschichtung auf die Überdruck- und Unterdruckflächen des Strömungsprofils der Schaufel. Das Phänomen des exzessiven Bespritzens ist aus dem Stand der Technik bekannt, sogar bei Verfahren, welche direkt auf stationäre Schaufelspitzen spritzbeschichten. Exzessives Bespritzen, welches aus dem Verfahren der vorliegenden Erfindung resultiert, beschichtet jedoch eine größere Fläche des Strömungsprofils und wird im Vergleich zu Verfahren aus dem Stand der Technik gleichmäßiger aufgetragen. Das exzessive Bespritzen auf die Flächen des Strömungsprofils führt zu einer besseren Haftung der Spritzbeschichtung auf den Schaufeln. Die Beschichtung splittert an den vorderen und hinteren Kanten nicht ab, da durch exzessives Bespritzen und Auftragen der Beschichtung auf die vorderen und hinteren Kanten der Schaufel und auf zusammenhängende Unterdruck- und Überdruckflächen, wie auch auf die Spitzen selber, eine haltbarere Schaufelspitze erhalten werden kann.

Die Verfahrensschritte werden kontrolliert, um vertikale Mikrospalten (im Wesentlichen senkrecht zur Bindungsschicht) zu erzeugen, und hängen spezifisch von Variablen, wie z. B. die Art der Sprühpistole und die Geometrie der Haltevorrichtung ab. Die senkrechten Mikrospalten reichen nicht bis zur Substratoberfläche durch. Die Verfahrensschritte enthalten die Auswahl bestimmter Parameter. Diese Parameter beinhalten das Rotieren der Haltevorrichtung bei einer vorgewählten Geschwindigkeit, Umwinkeln der Sprühpistole in Beziehung auf das Substrat, Bewegen der Sprühpistole mit einer vorgewählten Quergeschwindigkeit, Erhitzen des Substrats auf eine vorgewählte Temperatur, Injizieren des Beschichtungspulvers mit einer vorgewählten Rate, und Strömen des Trägergases und der Plasmagase bei vorgewählten Strömungsgeschwindigkeiten. Diese Parameter beeinflussen alle die Struktur der Beschichtung und sollten eingestellt werden, um gleichmäßiges Beschichten der Kompressorschaufeln oder anderer Substrate zu ermöglichen. Allgemein wurde gefunden, dass ein kurzer Abstand zwischen Pistole und Substrat in Verbindung mit einer relativ hohen Sprühpistolenleistung zur gewünschten vertikalen Segmentierung oder Mikrospaltenbildung der Beschichtungsstruktur führt. Die hier beschriebenen Parameter wurden angepaßt zur Verwendung mit einer F-4 Luftplasmasprühpistole, bezogen von Plasma Technics, Inc., inzwischen geliefert von Sulzer Metco, Westbury, New York, und zylindrischen Haltevorrichtungen mit verschiedenen Durchmessern abhängig von der Substratanordnung. Wie man bemerken wird, können die Parameter bei Verwendung einer anderen Sprühpistole und/oder Haltevorrichtung variieren. Dementsprechend können die hier genannten Parameter als Richtgröße zur Auswahl anderer geeigneter Parameter für unterschiedliche Betriebsbedingungen verwendet werden.

Das Verfahren des kontrollierten Anbringens einer Spritzbeschichtung, wie im Flußdiagramm in 1 gezeigt, schließt eine Anzahl von verknüpften Schritten ein, beginnend mit der Bereitstellung von Schaufeln mit sauberen exponierten Schaufelspitzen und mit üblicherweise durch Maskierung geschützten Strömungsprofil- und Wurzeloberflächen. Vor Aufbringen der abschleifbaren Schicht sollte eine konventionelle Säuberung und Vorbereitung der Schaufelspitze durchgeführt werden. In der Praxis der vorliegenden Erfindung, z. B. mit einer Schaufelspitze, wie in den Figuren gezeigt, wird die Oberfläche der Schaufelspitze gesäubert und aufgerauht, um das Haften der anschließend aufgebrachten Beschichtungsmaterialien zu verbessern. So eine Säuberung kann beinhalten mechanisches Abschleifen, z. B. durch Dampfstrahl- oder Luftstrahl-Verfahren unter Verwendung von trocken oder in Flüssigkeit mitgeführten abschleifenden Partikeln, welche auf die Oberfläche treffen.

Vor Säubern der Oberfläche können die Schaufeln in geeigneter Weise maskiert werden.

Das Verfahren schließt das Vortreiben eines Sprays von Partikeln aus weichgemachtem Haftbindungsmaterial in Richtung der Schaufelspitzen ein. Der Schritt des Vortreibens des Beschichtungsmaterials schließt den Schritt des Bildens eines Sprays von Partikeln von weichgemachtem Haftbindungsmaterial in der Spritzbeschichtungsvorrichtung ein. Dieser Schritt schließt das Einfließenlassen von Haftbindungsbeschichtungspulver und Trägergasen in einen Hochtemperaturplasmagasstrom ein. Im Plasmagasstrom werden die Pulverpartikel geschmolzen und in Richtung des Substrats vorgetrieben. Im Allgemeinen sollte die Pulverförderrate eingestellt werden, um eine adäquate Konsistenz und Menge an Haftbindungsschicht zu ermöglichen. Die Haftbindungsschichtpulverrate variiert von 30 bis 55 g/min. Ein Trägergasstrom (Argongas) wird verwendet, um das Pulver unter Druck zu halten und die Pulverförderung zu verbessern. Die Trägergasstromrate reicht von 4 bis 8 Standardkubikfuß (scfh) pro Stunde (1,9 bis 3,8 Standardliter pro Minute (SLM)). Standardbedingungen sind hier definiert als ungefähr Raumtemperatur (77°F, 25°C) und ungefähr eine Atmosphäre Druck (760 mmHg) (101 kPa).

Die Gase, die den Plasmagasstrom bilden, weisen auf ein primäres Gas (Argongas) und ein sekundäres Gas (Wasserstoffgas). Heliumgas kann auch als sekundäres Gas verwendet werden. Die Primärgasstromrate in der Pistole reicht von 75 bis 115 Standardkubikfuß pro Stunde (35 bis 54 SLM), während die Sekundärgasflußrate von 10 bis 25 Standardkubikfuß pro Stunde (4,7 bis 12 SLM) reicht. Die Leistung der Sprühpistole reicht allgemein von 30 bis 55 kW).

Das Verfahren schließt dann den Schritt des Übertragens des Sprays von weichgemachtem Haftungsbindungsschichtmaterial über eine Distanz, welche von ungefähr 4 bis 6'' (102 bis 152 mm) von den Schaufelspitzen reicht, zwischen einer ersten und zweiten Position. In einer Ausführung wird die Sprühpistole in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zu der Rotationsebene der Haltevorrichtung ist, bewegt. Die Geschwindigkeit der Querbewegung der Sprühpistole während der Ablagerung der Haftbindungsschicht reicht von 6 bis 12 Inches pro Minute (152 bis 305 mm/min).

Weiterhin schließt das Verfahren das Durchführen der Schaufeln durch das Spray von Partikeln von weichgemachtem Haftbindungsmaterial durch Rotieren der Haltevorrichtung um ihre Rotationsachse herum ein. Dieser Schritt schließt das Erhitzen der Schaufeln auf eine Temperatur von 200 bis 450°F (93 bis 232°C) ein, durch Durchführen der Schaufeln vor der Sprühpistole durch den heißen Plasmagasstrom. Der Schritt des Durchführens der Schaufeln durch das Spray von Partikeln von weichgemachtem Haftbindungsmaterial schließt auch das Abkühlen der Schaufeln und der abgeschiedenen Beschichtung durch Wegdrehen von der Sprühpistole ein. Zusätzliche Kühlung der Schaufeln kann bereitgestellt werden, indem ein kühlender Luftstrom oder eine kühlende Düse auf die Schaufeln oder die Haltevorrichtung gerichtet wird. Unabhängige Wärmequellen können auch bereitgestellt werden, um die Schaufeln zu erwärmen, bevor die Schaufeln in das Spray aus Partikeln von Beschichtungsmaterial eintreten. Die unabhängige Wärmequelle würde eine Kontrolle der Schaufeltemperatur ermöglichen, ohne die Sprühpistole einzustellen, um Erwärmung bereitzustellen. Insbesondere dreht sich die zylindrische Haltevorrichtung während der Haftbindungsschichtabscheidung mit einer Geschwindigkeit in einem Bereich von 20 bis 75 Upm, abhängig von dem Substratdurchmesser. Die Oberflächengeschwindigkeit der Schaufeln reicht üblicherweise von 125 bis 300 Fuß pro Minute an der Oberfläche (0,6 bis 1,5 m/s).

Das Beschichtungsverfahren schließt dann den Schritt der Bildung eines Sprays von Partikeln von weichgemachtem Oberflächenbeschichtungsmaterial ein. Dieser Schritt schließt das Einfließen von Oberflächenbeschichtungspulver und Trägergasen in den Hochtemperaturplasmagasstrom ein. Im Allgemeinen sollte die Pulverförderrate eingestellt werden, um eine adäquate Mischung zur Beschichtung des Substrats bereitzustellen, aber nicht so groß sein, dass Schmelzen und Spaltenbildung reduziert werden. Die Oberflächen-beschichtungspulverförderrate reicht von 15 bis 40 g/min. Die Trägergasströmung (Argongas) wird verwendet, um das Pulver unter Druck zu halten und die Förderung des Pulvers zu verbessern. Die Strömungsrate reicht von 4 bis 8 scfh (1,9 bis 3,8 SLM). Wie oben beschrieben, sind Standardbedingungen hier definiert als ungefähr Raumtemperatur (77°F) (25°C) und ungefähr eine Atmosphäre Druck (760 mmHg) (101 kPa).

Der Schritt der Erzeugung eines Sprays aus Partikeln von weichgemachtem Oberflächenbeschichtungsmaterial beinhaltet die Injektion von Oberflächenbeschichtungspulver in einem solchen Winkel, dass ein Vorteiben auf das Pulver übertragen wird, die entgegengesetzt der Richtung des Plasmastroms in Richtung der rotierenden Haltevorrichtung ist. Die Projektion des Injektionswinkels in eine Ebene senkrecht zur Rotationsachse der Haltevorrichtung liegt in einem Bereich von 65 bis 85°. Dieser Injektionswinkel dient dazu, das Oberflächenbeschichtungspulver weiter hinten in der Plasmafahne einzuleiten, wodurch die Verweildauer des Pulvers im Plasmagasstrom vergrößert wird. Die vergrößerte Verweildauer im Plasmagasstrom führt zu einem besseren Schmelzen der Pulverpartikel.

Der Primärgasfluß (Argongas) in der Pistole reicht von 50 bis 90 scfh (24 bis 43 SLM). In ähnlicher Weise reicht der Sekundärgasfluß (Wasserstoffgas) in der Pistole von 10 bis 30 scfh (4,7 bis 14 SLM). Die Leistung der Sprühpistole reicht im Allgemeinen von 30 bis 50 kW.

Das Verfahren beinhaltet außerdem den Schritt des Übertragens eines Sprays von weichgemachtem Oberflächenbeschichtungsmaterial über eine Distanz, welche von 3 bis 4'' (76 bis 102 mm) von den Schaufelspitzen reicht, zwischen einer ersten und zweiten Position, in einer Richtung, die im Wesentlichen rechtwinklig zur Fläche der Rotation der Haltevorrichtung ist. Die Durchquerungsgeschwindigkeit der Sprühpistole über jedes Teil während der Abscheidung reicht von 2 bis 10''/min (50,8 bis 254 mm/min). Der Abstand von Pistole zu Substrat kann variiert werden mit der Absicht, die angemessene Temperaturhöhe auf der Substratoberfläche zu halten. Ein geringer Abstand von Pistole zu Substrat ist notwendig für eine zufriedenstellende vertikale Mikrospaltenbildung.

Das Verfahren beinhaltet außerdem den Schritt des Durchführens der Schaufeln durch das Spray von Partikeln von weichgemachten Oberflächenbeschichtungsmaterial durch Rotation der Haltevorrichtung um ihre Rotationsachse, wobei der Schritt das Erhitzen der Schaufeln durch Vorbeiführen der Schaufeln vor der Sprühpistole beinhaltet. Die Temperatur der Oberflächenbeschichtung ist die Temperatur, welche am Substrat beim Anbringen der Oberflächenschicht gemessen wird. Die Temperatur der Beschichtung kann von 300 bis 850°F (149 bis 454°C) reichen. Die eigentliche Temperatur bei der Aufbringung wird vorzugsweise auf einer relativ konstanten Höhe mit einer Schwankung von ungefähr ±5 bis 10% einer vorher bestimmten Temperatur gehalten, abhängig von der Größe des beschichteten Maschinenelements und des Substrats, auf das die Oberflächenbeschichtung aufgespritzt wird.

Der Schritt des Durchführens der Schaufeln durch das Spray von weichgemachten Partikeln beinhaltet den Schritt des Abkühlens der Schaufeln. Zusätzlich kann externe Kühlung verwendet werden, um die Abscheidungstemperatur zu kontrollieren.

Dieses Verfahren führt zur sequentiellen Abscheidung von Haftbindungsschicht und Oberflächenschicht auf die Schaufelspitzen in einer Rotationsfläche, die im Wesentlichen parallel zur Rotationsfläche, welche die Schaufeln bei der Rotation unter Betriebsbedingungen beschreiben, ist. Obwohl das Phänomen nicht vollständig verstanden ist, glaubt man, dass durch Abscheiden der Schichten eine nach der anderen in einer Orientierung, die im Wesentlichen parallel zur Rotationsfläche, die die Beschichtungen in der im Betrieb befindlichen Maschine erfahren, ist das Verfahren einen Vorteil mit sich trägt, das eine relativ gleichförmige Mikrospaltenbildung der Beschichtung in Radialrichtung bereitstellt. Das führt zu relativ gleichförmigen Belastungen der Beschichtungsstruktur unter Betriebsbedingungen.

Das Haftbindungsschichtmedium stellt eine oxidationsresistente Beschichtung bereit. Üblicherweise ist das Haftbindungsschichtmaterial eine Nickel-Aluminiumlegierung. Das Haftbindungsschichtmaterial kann alternativ MCrAlY oder anderes oxidationsresistentes Material aufweisen.

Das Oberflächenbeschichtungsmaterial besteht aus 11 bis 14 Gew.-% Yttriumoxid und Rest im Wesentlichen Zirkoniumoxid. Diese Oberflächenbeschichtungszusammensetzung mit einem hohen Yttriumoxidanteil stellt eine verbessernde Resistenz gegen Korrosion bereit, wie auch eine bessere Temperaturstabilität des Oberflächenbeschichtungskeramikmaterials. Die verbesserte Stabilität des Oberflächenbeschichtungsmaterials verringert die Wahrscheinlichkeit des Absplitterns des Materials. Daher bleibt das Substratmaterial geschützt vor den korrosiven Effekten der Sulfide und Salze der Umgebungsbedingungen.

Außerdem stellt der hohe Yttriumoxidanteil des Oberflächenbeschichtungsmaterials ein Material mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit bereit verglichen mit Material mit niedrigerem Yttriumanteil. Die Wärmeleitfähigkeit des Yttriumoxids mit 11 bis 14 Gew.-% ist ungefähr 1,15 W/m-K verglichen mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1,4 W/m-K für eine Beschichtung bestehend aus 7 bis 9 Gew.-% Yttriumoxid. Die niedrigere Wärmeleitfähigkeit bietet einen Vorteil während Reibungsereignissen in der im Betrieb befindlichen Maschine, wenn die Schaufelspitzen in Kontakt mit der Innenfläche des Maschinengehäuses kommen. Das Abreiben erzeugt eine schrittweise Zufuhr von Reibungswärme auf den berührenden Oberflächen. Diese Wärme muß abgeführt werden. Die niedrigere Wärmeleitfähigkeit der Schaufelspitzenbeschichtung, aufweisend 11 bis 14 Gew.-% Yttriumoxid, sorgt für Wärmeübertragung von den Schaufelspitzen über Konvexion und Abstrahlung. Der Prozess der Weiterleitung wird nicht zur Wärmeabführung genutzt. Daher ist man der Ansicht, dass die niedrigere Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung eine niedrigere Substrattemperatur zur Folge hat, da die Beschichtung keine Wärme zur Haftbindungsschicht weiterleitet und damit zum Substrat, verglichen mit Substraten, welche mit Zusammensetzungen mit einem niedrigeren Gewichtsprozentteil an Yttrium beschichtet sind. Die Eigenschaften des zugrundeliegenden Teilsubstrats werden daher nicht durch Wärme beeinflußt, wie es der Fall für die Kompressorschaufelspitzen ist, und damit wird die Beschichtung im besseren Zustand erhalten.

Ein Vorteil in der Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens ist die Qualität der auf die Spitzen der Rotorschaufeln aufgebrachte Beschichtung, die aus der Verwendung des Verfahrens resultiert, um unter einer Mehrzahl von Rotorschaufeln jegliche Schwankungen in den Verfahrensflußparametern zu verteilen, die den Fluß von Partikeln, welche gegen die Schaufelspitzen vorgetrieben werden, beeinflussen. Aufgrund der rotierenden Haltevorrichtung werden eine Mehrzahl von Schaufeln durch das Spray von weichgemachtem Beschichtungsmaterial geführt. Jegliche Schwankung in den Flußparametern, wie z. B. Schwankungen in der Spray-Intensität, Temperaturzusammensetzung und Förderrate von Pulvern und das Spray werden über eine Mehrzahl von Schaufeln verteilt, die während der Dauer der Schwankung durch das Spray hindurchgeführt werden. Das stellt sicher, dass eine Rotorschaufelspitze nicht alle Beschichtungsschwankungen aufnimmt. Im Ergebnis sorgt das Beschichtungsverfahren der vorliegenden Erfindung für eine gleichförmigere Beschichtung und ist weniger anfällig gegenüber Verfahrensschwankungen als ein Verfahren, welches eine feststehende Haltevorrichtung verwendet, in welchem alle Schwankungen auf eine einzelne Schaufel aufgebracht werden. Außerdem wird die Beschichtung in Schichten aufgebracht, die ungefähr parallel zur Lage des Teils der Spitze der Rotorschaufel um die Achse sind. Durch Wahl einer Haltevorrichtung, welche die Spitzen bei einem Radius von der Rotationsachse Ar positioniert, welcher dem operativen Radius gleicht, wird sichergestellt, dass die Position der Spitze recht genau dem Radius von der Maschine entspricht. Im Ergebnis ist die Beschichtung im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse der Haltevorrichtung und die Beschichtung folgt näherungsweise der Rotationsfläche, welche die Beschichtung während des Betriebs der Maschine erfährt. Man ist der Ansicht, dass die Orientierung der Beschichtung die Leistungsfähigkeit der Beschichtung steigern wird.

Ein weiterer Vorteil ist das reproduzierbare und zuverlässige Verfahren, das sich aus der Verwendung von Kontrollparametern ergibt. Dieses Verfahren kann zur wiederholten Aufbringung von Haftbindungsschichten auf Substratoberflächen oder Oberflächenbeschichtung auf Haftbindungsschichten verwendet werden.

Ein weiterer Vorteil ist die Einfachheit und Geschwindigkeit der Aufbringung der Beschichtung auf Oberflächen einer großen Anzahl von Schaufeln zu einem gegebenen Zeitpunkt, welcher aus der Größe der Haltevorrichtung und dem Verfahren folgt, welche eine Vielzahl von Schaufeln aufnehmen können. Durch Verwendung einer Haltevorrichtung, welche eine Mehrzahl von Schaufeln aufnimmt, wird die resultierende Haltezeit minimiert. In bestimmten Ausführungen kann eine ganze Stellage an Schaufeln beschichtet werden.

Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist die Aufbringung von Beschichtungen auf Substrate ohne Verwendung einer zusätzlichen Heizvorrichtung für die Substrate. Während der Beschichtungsablagerung wird die benötigte optimale Wärmemenge durch das Plasmagas und das geschmolzene Beschichtungspulver auf die Substrate übertragen. Die Rotorschaufel wird während des Beschichtungsverfahrens nicht überhitzt. Im Ergebnis kann die Rotorschaufel beschichtet werden, ohne die Eigenschaften oder Mikrostruktur des Substrats zu verändern.

In den folgenden Beispielen werden die gerade beschriebenen Verfahren im Allgemeinen benutzt. Eine Luftsprühpistole, Modell F-4, bezogen von Plasma Technics, Inc., inzwischen geliefert von Sulzer Metco, mit Sitz in Westbury, New York, wird in allen folgenden Beispielen verwendet.

BEISPIEL 1

In diesem Verfahren zur Bereitstellung einer erfindungsgemäßen Beschichtung werden kleine Nickelrotorschaufeln in einer Haltevorrichtung mit einem Durchmesser von 24'' (610 mm) positioniert.

Zur Haftbindungsschichtaufbringung wird die Sprühpistole auf eine Leistung von ungefähr 35 kW eingestellt. Die Haftbindungsschichtpulver-Förderrate beträgt 45 g/min. Die Primärgasströmungsrate (Argon) beträgt 95 scfh (45 SLM) und die Sekundärgasflußrate (Wasserstoff) beträgt 18 scfh (8,5 SLM). Die Sprühpistole ist in einem Abstand von 5,5'' (140 mm) von den Schaufelspitzenoberflächen positioniert. Die Rotationsgeschwindigkeit der Haltevorrichtung beträgt 40 Upm, während die Durchquerungsgeschwindigkeit der Sprühpistole 9''/min (229 mm/min) beträgt.

Für die Aufbringung der Oberflächenbeschichtung wird die Leistung der Plasmasprühpistole auf ungefähr 44 kW eingestellt. Die Förderrate des Oberflächenbeschichtungspulvers beträgt 22 g/min. Die Strömungsrate des Primärgases (Argon) beträgt 67 scfh (32 SLM) und die Strömungsrate des Sekundärgases (Wasserstoff) beträgt 24 scfh (11 SLM). Die Sprühpistole ist in einem Abstand von 3,25'' (83 mm) von den Schaufelspitzenoberflächen entfernt positioniert. Die Rotationsgeschwindigkeit der Haltevorrichtung beträgt 30 Upm, während die Durchquerungsgeschwindigkeit der Sprühpistole 6''/min (152 mm/min) beträgt. Die Schaufeltemperatur während der Aufbringung der Oberflächenbeschichtung beträgt 600 ± 25°F (315 ± 14°C).

Die Zusammensetzung der Haftbindungsschicht ist 95 Gew.-% Nickel und 5 Gew.-% Aluminium. Diese Zusammensetzung führt zu einer adhärenten Haftbindungsschicht auf den Schaufelspitzen.

Die Zusammensetzung der Oberflächenbeschichtung ist 12 Gew.-% Yttriumoxid und Rest im Wesentlichen Zirkoniumoxid. Das Verfahren und die Zusammensetzung der Beschichtungen führt zu einer gewünschten Plättchenstruktur, bei der senkrechte Mikrospalten auf den Schaufelspitzen abgelagert werden. Die senkrechten Mikrospalten reichen durch die Oberflächenschicht hindurch zur Bindungsschicht.

BEISPIEL II

In diesem Verfahren zur Bereitstellung der erfindungsgemäßen Beschichtung werden Titanrotorschaufeln, welche doppelt so groß sind wie die Schaufeln, die in Beispiel 1 benutzt wurden, in einer Haltevorrichtung mit einem Durchmesser von 24'' (610 mm) positioniert.

Zum Aufbringen der Bindungsschicht wird die Leistung der Sprühpistole auf ungefähr 34 kW eingestellt. Die Förderrate des Bindungsschichtpulvers beträgt 45 g/min. Die Strömungsrate des Primärgases (Argon) beträgt 95 scfh (45 SLM) und die Flußrate des Sekundärgases (Wasserstoff) beträgt 18 scfh (8,5 SLM). Die Sprühpistole ist in einem Abstand von 5,5'' (140 mm) von den Schaufelspitzenoberflächen entfernt positioniert. Die Rotationsgeschwindigkeit der Haltevorrichtung beträgt 40 Upm, während die Durchquerungsgeschwindigkeit der Sprühpistole 9''/min (229 mm/min) beträgt.

Zur Aufbringung der Oberflächenschicht wird die Leistung der Plasmasprühpistole auf ungefähr 44 kW eingestellt. Die Förderrate des Oberflächenschichtpulvers beträgt 22 g/min. Die Strömungsrate des Primärgases (Argon) beträgt 67 scfh (32 SLM) und die Strömungsrate des Sekundärgases (Wasserstoff) beträgt 24 scfh (11 SLM). Die Sprühpistole ist in einem Abstand von 3,25'' (83 mm) von den Schaufelspitzenoberflächen entfernt positioniert. Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Haltevorrichtung beträgt 30 Upm, während die Durchquerungsgeschwindigkeit der Sprühpistole 6''/min (152 mm/min) beträgt. Die Schaufeltemperatur während der Aufbringung der Oberflächenschicht beträgt 425 ± 25°F (218 ± 14°C).

Die Bindungsschichtzusammensetzung ist 95 Gew.-% Nickel und 5 Gew.-% Aluminium. Diese Zusammensetzung führt zu einer haftenden Bindungsschicht auf den Schaufelspitzen.

Die Zusammensetzung der Oberflächenschicht ist 12 Gew.-% Yttriumoxid und Rest im Wesentlichen Zirkoniumoxid. Das Verfahren und Zusammensetzung der Beschichtung führt zu einer gewünschten Plättchenstruktur, bei der senkrechte Mikrospalten auf den Schaufelspitzen abgelagert werden. Die senkrechten Mikrospalten reichen durch die Oberflächenschicht hindurch zur Bindungsschichtung.

BEISPIEL III

In diesem Verfahren zur Bereitstellung der erfindungsgemäßen Beschichtung werden große Titaniumrotorschaufeln, welche die dreifache Größe der Schaufeln, die in Beispiel 1 verwendet wurden, in einer Haltevorrichtung mit einem Durchmesser von 34'' (864 mm) positioniert.

Zur Aufbringung der Bindungsschicht wird die Sprühpistole auf eine Leistung von ungefähr 35 kW eingestellt. Die Förderrate des Bindungsschichtpulvers beträgt 45 g/min. Die Strömungsrate des Primärgases (Argon) beträgt 95 scfh (45 SLM) und die Strömungsrate des Sekundärgases (Wasserstoff) beträgt 18 scfh (8,5 SLM). Die Sprühpistole ist in einem Abstand von 5,5'' (140 mm) von den Schaufelspitzen entfernt positioniert. Die Rotationsgeschwindigkeit der Haltevorrichtung beträgt 32 Upm, während die Durchquerungsgeschwindigkeit der Sprühpistole 9''/min (229 mm/min) beträgt.

Zur Aufbringung der Oberflächenschicht wird die Plasmasprühpistole auf eine Leistung von ungefähr 44 kW eingestellt. Die Förderrate des Oberflächenschichtpulvers beträgt 22 g/min. Die Flußrate des Primärgases (Argon) beträgt 67 scfh (32 SLM) und die Förderrate des Sekundärgases (Wasserstoff) beträgt 24 scfh (11 SLM). Die Sprühpistole wird in einem Abstand von 3,25'' (83 mm) von den Schaufelspitzen entfernt positioniert. Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Haltevorrichtung beträgt 22 Upm, während die Durchquerungsgeschwindigkeit der Sprühpistole 2''/min (51 mm/min) beträgt. Die Schaufeltemperatur während der Aufbringung der Oberflächenschicht beträgt 325 ± 25°F (163 ± 14°C).

Die Zusammensetzung der Bindungsschicht ist 95 Gew.-% Nickel und 5 Gew.-% Aluminium. Diese Zusammensetzung führt zu einer haftenden Bindungsschicht auf den Schaufelspitzen.

Die Zusammensetzung der Oberflächenschicht ist 12% Yttriumoxid und Rest im Wesentlichen Zirkoniumoxid. Das Verfahren und die Zusammensetzung der Beschichtungen führt zu einer gewünschten Plättchenstruktur, bei der senkrechte Mikrospalten auf den Schaufelspitzen abgelagert werden. Die senkrechten Mikrospalten reichen durch die Oberflächenschicht hindurch zur Bindungsschicht.

Obwohl die Erfindung gezeigt und beschrieben wurde in Bezug auf detaillierte Ausführungen der Erfindung, wird der Fachmann verstehen, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail der Erfindung gemacht werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.


Anspruch[de]
  1. Kompressor-Laufschaufel mit einer Schaufelspitze mit einer abschleifbaren Thermo-Oberflächenbeschichtung, die aus 11 bis 14 Gew.-% Yttriumoxid und Rest im wesentlichen Zirkoniumoxid besteht.
  2. Thermo-Oberflächenbeschichtung nach Anspruch 1, die eine Wärmeleitfähigkeit hat, die 1,15 W/mK nicht überschreitet.
  3. Beschichtungssystem für Gasturbinenmaschinen, aufweisend:

    a. ein metallisches Substrat;

    b. eine Haftbindungsschicht auf dem Substrat;

    c. eine abschleifbare Oberflächenschicht, welche auf die Bindungsschicht plasmagespritzt ist und aus 11 bis 14 Gew.-% Yttriumoxid und Rest im wesentlichen Zirkoniumoxid besteht;

    wobei das genannte Beschichtungssytem Mikrospalten enthält, die im wesentlichen senkrecht zur Bindungsschicht sind und durch die Oberflächenschicht hindurch zur Bindungsschicht reichen.
  4. Gasturbinen-Versiegelungssystem, welches ein Beschichtungssystem gemäß Anspruch 3 enthält.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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