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DE102005055200A1 - Verfahren zum Herstellen eines Einlaufbelags - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines Einlaufbelags Download PDF

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DE102005055200A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Einlaufbelags auf einem statorseitigen Bauteil einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit zumindest folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines statorseitigen, mit einem Einlaufbelag zu versehenden Bauteils einer Turbomaschine; b) Bereitstellen einer Mischung aus einem Lösungsmittel, im Lösungsmittel unlöslichen Partikeln eines metallischen Grundwerkstoffs für den Einlaufbelag und einem Füllstoff, wobei der Füllstoff mindestens einen in dem Lösungsmittel löslichen Bestandteil aufweist; c) Auftragen der Mischung auf das statorseitige Bauteil; d) Trocknen des statorseitigen Bauteils und der auf das Bauteil aufgetragenen Mischung unter zumindest teilweisem Austreiben des Lösungsmittels zur Bereitstellung eines im Bereich der aufgetragenen sowie getrockneten Mischung porösen Grünkörpers; e) Diffusionswärmebehandlung des Bauteils zur Eindiffusion von Aluminium und/oder Chrom und zur Ausbildung intermetallischer Phasen im sich ausbildenden Einlaufbelag.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Einlaufbelags auf einem statorseitigen Bauteil einer Turbomaschine.
  • Turbomaschinen, wie zum Beispiel Gasturbinen, umfassen in der Regel mehrere rotierende Laufschaufeln sowie mehrere feststehende Leitschaufeln, wobei die Laufschaufeln zusammen mit einem Rotor rotieren, und wobei die Laufschaufeln sowie die Leitschaufeln von einem feststehenden Gehäuse um schlossen sind. Zur Leistungssteigerung ist es von Bedeutung, alle Komponenten und Subsysteme zu optimieren. Hierzu zählen auch die sogenannten Dichtsysteme. Besonders problematisch ist bei Turbomaschinen die Einhaltung eines minimalen Spalts zwischen den rotierenden Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse eines Hochdruckverdichters. Bei Hochdruckverdichtern treten nämlich die größten absoluten Temperaturen sowie Temperaturengradienten auf, was die Spalthaltung der rotierenden Laufschaufeln zum feststehenden Gehäuse erschwert. Dies liegt unter anderem auch darin begründet, dass bei Verdichterlaufschaufeln auf Deckbänder, wie sie bei Turbinenlaufschaufeln verwendet werden, verzichtet wird.
  • Wie bereits erwähnt, verfügen Laufschaufeln im Verdichter über kein Deckband. Daher sind Enden bzw. Spitzen der Laufschaufeln beim sogenannten Anstreifen in das feststehende Gehäuse einem direkten Reibkontakt mit dem Gehäuse ausgesetzt. Ein solches Anstreifen der Spitzen der Laufschaufeln in das Gehäuse wird bei Einstellung eines minimalen Radialspalts durch Fertigungstoleranzen hervorgerufen. Da durch den Reibkontakt der Spitzen der Laufschaufeln an denselben Material abgetragen wird, kann sich über den gesamten Umfang von Gehäuse und Rotor eine unerwünschte Spaltvergrößerung einstellen. Um dies zu vermeiden ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, die Enden bzw. Spitzen der Laufschaufeln mit einem harten Belag oder mit abrasiven Partikeln zu panzern.
  • Eine andere Möglichkeit, den Verschleiß an den Spitzen der Laufschaufeln zu vermeiden und für eine optimierte Abdichtung zwischen den Enden bzw. Spitzen der Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse zu sorgen, besteht in der Beschichtung des Gehäuses mit einem sogenannten Einlaufbelag. Bei einem Materialabtrag an einem Einlaufbelag wird der Radialspalt nicht über den gesamten Umfang vergrößert, sondern in der Regel nur sichelförmig. Hierdurch wird ein Leistungsabfall des Triebwerks vermieden. Gehäuse mit einem Einlaufbelag sind aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Die US 6,660,405 B2 offenbart einen Einlaufbelag für Gasturbinenbauteile, der aus drei Komponenten gebildet ist. So verfügt der dort offenbarte Einlaufbelag als erste Komponente über eine metallische, oxydationsbeständige Matrixphase aus einem MCrAlY-Werkstoff, als zweite Komponente über eine intermetallische Phase aus vorzugsweise β-NiAL und als dritte Komponente über durch Ausbrennen von Polyester oder Polyimid hergestellte Poren. Optional umfasst der in der US 6,660,405 B2 offenbarte Einlaufbelag als vierte Komponente keramische Partikel, wie z.B. Partikel aus hexagonalem Bornitrid.
  • Nach der US 6,660,405 B2 wird zur Herstellung eines derartigen Einlaufbelags so vorgegangen, dass eine Mischung aus dem metallischen MCrAlY-Werkstoff, dem intermetallischen β-NiAl-Werkstoff und aus Polyester oder Polyimid hergestellt wird, wobei diese Mischung durch thermisches Spritzen auf das mit dem Einlaufbelag zu versehende Bauteil aufgetragen wird. Gemäß diesem Stand der Technik wird demnach ein intermetallischer β-NiAl-Werkstoff bei Herstellung der auf das Bauteil aufzutragenden Mischung unmittelbar verwendet.
    •
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Herstellen eines Einlaufbelags zu schaffen.
  • Dieses Problem wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Einlaufbelags im Sinne von Anspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines statorseitigen, mit einem Einlaufbelag zu versehenden Bauteils einer Turbomaschine; b) Bereitstellen einer Mischung aus einem Lösungsmittel, im Lösungsmittel unlöslichen Partikeln eines metallischen Grundwerkstoffs für den Einlaufbelag und einem Füllstoff, wobei der Füllstoff mindestens einen in dem Lösungsmittel löslichen Bestandteil aufweist; c) Auftragen der Mischung auf das statorseitige Bauteil; d) Trocknen des statorseitigen Bauteils und der auf das Bauteil aufgetragenen Mischung unter zumindest teilweisem Austreiben des Lösungsmittels zur Bereitstellung eines im Bereich der aufgetragenen sowie getrockneten Mischung porösen Grünkörpers; e) Diffusionswärmebehandlung des Bauteils zur Eindiffusion von Aluminium und/oder Chrom und zur Ausbildung intermetallischer Phasen im sich ausbildenden Einlaufbelag.
  • Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Einlaufbelags wird die intermetallische Phase desselben dadurch bereitgestellt, dass über eine Diffusionswärmebehandlung Aluminium und/oder Chrom in den Einlaufbelag des Bauteils eindiffundiert wird. Bei der Herstellung einer Mi schung wird demnach im Sinne der hier vorliegenden Erfindung kein intermetallischer Werkstoff verwendet, vielmehr wird die intermetallische Phase des Einlaufbelags im Wege einer Diffusionswärmebehandlung bereitgestellt.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird in Schritt b) in die Mischung weiterhin ein im Lösungsmittel unlöslicher Zusatzstoff eingebracht, wobei der Zusatzstoff bei der Diffusionswärmebehandlung zersetzt bzw. ausgebrannt wird, um im sich ausbildenden Einlaufbelag eine Makroporosität auszubilden. Weiterhin können in Schritt b) in die Mischung im Lösungsmittel unlösliche keramische Partikel eingebracht werden.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Einlaufbelags auf einem statorseitigen Bauteil einer Turbomaschine, insbesondere auf einem Bauteil eines Gehäuses eines Gasturbinenflugtriebwerks.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren untergliedert sich in fünf Hauptschritte. In einem ersten Hauptschritt wird ein statorseitiges, mit einem Einlaufbelag zu versehendes Bauteil einer Turbomaschine bereitgestellt. In einem zweiten Hauptschritt wird eine Mischung bereitgestellt, wobei die Mischung zumindest aus einem Lösungsmittel, im Lösungsmittel unlöslichen Partikeln eines metallischen Grundwerkstoffs für den Einlaufbelag und einem Füllstoff, der mindestens einen im Lösungsmittel löslichen Bestandteil aufweist, gebildet wird. In einem sich hieran anschließenden dritten Hauptschritt wird die Mischung auf das statorseitige Bauteil aufgetragen, und zwar in dem Abschnitt, in welchem der Einlaufbelag bereitgestellt werden soll. Darauffolgend wird in einem vierten Hauptschritt das statorseitige Bauteil und die auf das Bauteil aufgetragene Mischung getrocknet, wobei bei dieser Trocknung das Lösungsmittel zumindest teilweise aus der aufgetragenen Mischung unter Bildung eines im Bereich der aufgetragenen Mischung entstehenden, porösen Grünkörpers ausgetrieben wird. Nachfolgend wird in einem fünften Hauptschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens über eine Diffusionswärmebehandlung Aluminium und/oder Chrom eindiffundiert, um so im sich ausbildenden Einlaufbelag eine intermetallische Phase bereitzustellen.
  • Bei der Bereitstellung der Mischung im zweiten Hauptschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird, wie bereits erwähnt, eine Mischung bereitgestellt, die zumindest ein Lösungsmittel, im Lösungsmittel unlösliche Partikel des metallischen Grundwerkstoffs für den Einlaufbelag und den Füllstoff, der mindestens einen im Lösungsmittel löslichen Bestandteil aufweist, umfasst. Bei dem Lösungsmittel handelt es sich insbesondere um Wasser. Bei den im Lösungsmittel unlöslichen Partikeln für den metallischen Grundwerkstoff des Einlaufbelags handelt es sich vorzugsweise um pulverförmige MCrAlY-Partikel. Bei dem Füllstoff handelt es sich insbesondere um Polyvinylalkohol oder Methylcelluloseester.
  • Zusätzlich zu den obigen Bestandteilen der Mischung kann weiterhin in die Mischung ein im Lösungsmittel unlöslicher Zusatzstoff angebracht werden, wobei der Zusatzstoff bei der Diffusionswärmebehandlung im fünften Hauptschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zersetzt bzw. ausgebrannt wird. Bei diesem Zusatzstoff handelt es sich vorzugsweise um ein Polymer wie Polyester oder Polyimid, welches nach dem Ausbrennen im Einlaufbelag eine Makroporosität ausgebildet. Es sei darauf hingewiesen, dass bereits bei Ausdampfen des Lösungsmittels eine Porosität im Einlaufbelag bereitgestellt wird, hierbei handelt es sich jedoch um kleinere Poren und demnach um eine Mikroporosität.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden im zweiten Hauptschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Bereitstellung der Mischung keramische Partikel in die Mischung eingebracht. Bei den keramischen Partikeln kann es sich um Partikel aus hexagonalem Bornitrid, aus Graphit oder aus Tonmineral handeln. Weiterhin können als keramische Partikel CaO-Partikel bzw. MgO-Partikel verwendet werden. Dann, wenn in der Mischung NiC-Partikel als Grundwerkstoff für den Einlaufbelag verwendet werden, werden vorzugsweise keramische Partikel aus Graphit der Mischung beigemischt. Dann hingegen, wenn in der Mischung NiCrAl-Partikel als Grundwerkstoff für den Einlaufbelag verwendet werden, werden keramische Partikel aus Tonmineral in die Mischung eingebracht. Dann hingegen, wenn in der Mischung Nickelbasislegierungs-Partikel oder Aluminiumbasislegierungs-Partikel oder Kobaltbasislegierungs-Partikel als Grundwerkstoff für den Einlaufbelag verwendet werden, werden keramische Partikel aus hexagonalem Bornitrid in die Mischung eingebracht.
  • Bei der im zweiten Hauptschritt bereitgestellten Mischung handelt es sich entweder um eine dünnflüssige, schlickerartige Mischung oder um eine dickflüssige, pastöse Mischung.
  • Im dritten Hauptschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die als dünnflüssiger Schlicker oder dickflüssige Paste ausgebildete Mischung durch Streichen oder Tauchen oder Spritzen auf den Bereich des statorseitigen Bauteils aufgetragen, auf welchem der Einlaufbelag auszubilden ist.
  • Die im zweiten Hauptschritt bereitgestellte Mischung kann alternativ auch als hochviskoser, tapeartiger Formkörper bereitgestellt werden, der dann im dritten Hauptschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens auf den Bereich des statorseitigen Bauteils, auf welchem der Einlaufbelag auszubilden ist, aufgeklebt wird.
  • Nach dem Auftragen der Mischung auf das Bauteil erfolgt im vierten Hauptschritt das Trocknen des statorseitigen Bauteils sowie der aufgetragenen Mischung bei einer Temperatur von maximal 100°C, wobei das Trocknen vorzugsweise bei Raumtemperatur durchgeführt wird. Beim Trocknen wird das Lösungsmittel zumindest teilweise aus der Mischung ausgetrieben, so dass im Bereich der aufgetragenen sowie getrockneten Mischung ein poröser, nämlich mikroporöser, Grünkörper ausgebildet wird. Der im Lösungsmittel lösliche Bestandteil des Füllstoffs dient als Bindemittel für den Grünkörper.
  • Nach dem Trocknen erfolgt im fünften Hauptschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens die Diffusionswärmebehandlung im Sinne eines Diffusionsglühens, um durch Eindiffundieren von Aluminium und/oder Chrom eine intermetallische Phase im Einlaufbelag auszubilden. Dabei wird vorzugsweise eine intermetallische Phase aus β-NiAl ausgebildet. Diese intermetallische Phase entsteht demnach durch die Wärmediffusionsbehandlung und liegt demnach nur teilweise in stöchiometrischer Form vor.
  • Der so bereitgestellte Einlaufbelag verfügt über eine metallische Phase aus vorzugsweise einem MCrAlY-Werkstoff, wobei diese metallische Phase die Grundstruktur des Einlaufbelags bereitstellt und der Anbindung an das statorseitige Bauteil dient. Weiterhin verfügt der Einlaufbelag über eine intermetallische Phase, die dazu dient, dem Werkstoff an den Verbindungsstellen einzelner Partikel im Einlaufbelag einen spröden Charakter zu verleihen, wodurch die Einlauffähigkeit des Einlaufbelags verbessert wird.
  • Weiterhin erhöht die intermetallische Phase die Oxidationsbeständigkeit des Einlaufbelags. Über die Porosität des Einlaufbelags wird weiterhin die Einlauffähigkeit desselben optimiert. Durch das Einbringen der kera mischen Partikel können Partikelausbrüche beim Anstreifen von Laufschaufeln in den Einlaufbelag gesteuert werden.
    •

Claims (14)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Einlaufbelags auf einem statorseitigen Bauteil einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, mit zumindest folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines statorseitigen, mit einem Einlaufbelag zu versehenden Bauteils einer Turbomaschine; b) Bereitstellen einer Mischung aus einem Lösungsmittel, im Lösungsmittel unlöslichen Partikeln eines metallischen Grundwerkstoffs für den Einlaufbelag und einem Füllstoff, wobei der Füllstoff mindestens einen in dem Lösungsmittel löslichen Bestandteil aufweist; c) Auftragen der Mischung auf das statorseitige Bauteil; d) Trocknen des statorseitigen Bauteils und der auf das Bauteil aufgetragenen Mischung unter zumindest teilweisem Austreiben des Lösungsmittels zur Bereitstellung eines im Bereich der aufgetragenen sowie getrockneten Mischung porösen Grünkörpers; e) Diffusionswärmebehandlung des Bauteils zur Eindiffusion von Aluminium und/oder Chrom und zur Ausbildung intermetallischer Phasen im sich ausbildenden Einlaufbelag.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) in die Mischung weiterhin ein im Lösungsmittel unlöslicher Zusatzstoff eingebracht wird, wobei der Zusatzstoff bei der Diffusionswärmebehandlung zersetzt bzw. ausgebrannt wird, um im sich ausbildenden Einlaufbelag eine Makroporosität auszubilden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzstoff Polyester und/oder Polyimid verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) in die Mischung weiterhin im Lösungsmittel unlösliche keramische Partikel eingebracht werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass keramische Partikel aus hexagonalem Bornitrid und/oder aus Graphit und/oder aus Tonmineral und/oder CaO und/oder MgO verwendet werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn in der Mischung NiC-Partikel als Grundwerkstoff für den Einlaufbelag verwendet werden, keramische Partikel aus Graphit verwendet werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn in der Mischung NiCrAl-Partikel als Grundwerkstoff für den Einlaufbelag verwendet werden, keramische Partikel aus Tonmineral verwendet werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn in der Mischung Nickelbasislegierungs-Partikel oder Aluminiumbasislegierungs-Partikel oder Kobaltbasislegierungs-Partikel als Grundwerkstoff für den Einlaufbelag verwendet werden, keramische Partikel aus hexagonalem Bornitrid verwendet werden.
  9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Mischung als dünnflüssiger Schlicker bereitgestellt und durch Tauchen oder Spritzen aufgetragen wird.
  10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Mischung als dickflüssige Paste bereitgestellt und durch Streichen aufgetragen wird.
  11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Mischung als hochviskoser, tapeartiger Formkörper bereitgestellt und durch Aufkleben aufgetragen wird.
  12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) das Trocken bei einer Temperatur von maximal 100°C, vorzugsweise bei Raumtemperatur, durchgeführt wird.
  13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) beim zumindest teilweisen Austreiben des Lösungs mittels im Bereich der aufgetragenen sowie getrockneten Mischung eine Mikroporosität bereitgestellt wird.
  14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt e) bei der Diffusionswärmebehandlung des Bauteils als intermetallische Phase β-NiAl ausgebildet wird.
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