DE69509334T2

DE69509334T2 - Schaufeln mit Spitzen auf Zirkonoxidbsis mit Macroriss-Struktur und Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE69509334T2
Application number: DE69509334T
Authority: DE
Inventors: Don Joseph Lemen; Thomas Alan Taylor
Original assignee: Praxair ST Technology Inc; Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair ST Technology Inc; Praxair Technology Inc
Priority date: 1994-09-16
Filing date: 1995-09-15
Publication date: 1999-09-23
Anticipated expiration: 2015-09-16
Also published as: ES2130488T3; DE69509334D1; EP0707091A1; US5743013A; US5520516A; JPH0893402A; JP2939164B2; EP0707091B1; CA2158387A1; CA2158387C

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Schaufeln wie z. B. Turbinen- und Kompressorschaufeln für Gasturbinen, in denen die Spitzen der Schaufeln mit einer Oxidbeschichtung auf Zirconiumbasis mit einer Mehrzahl von Makrosprüngen beschichtet sind, welche sich mindestens 0,1 mm (4 mils) durch die Beschichtung erstrecken und die zwischen 5 bis 90 vertikale Makrosprünge pro 1 cm Linearabmessung aufweisen, gemessen in einer Linie parallel zu der Oberfläche der Schaufelspitze und in einer Ebene senkrecht zu der Oberfläche der Schaufelspitze.

Hinterrund der Erfindung

Moderne Gasturbinenmaschinen weisen drei Hauptabschnitte oder -komponenten auf, die zusammen agieren, um Schub für einen Flugzeugvortrieb zu erzeugen. In dem Kompressorabschnitt wird die eintretende Umgebungsluft komprimiert und dadurch durch eine Anzahl von Stufen rotierender Schaufeln und stationärer Leitschaufeln erwärmt. In den anfänglichen Kompressorstufen sind die Schaufeln im allgemeinen aus Titanlegierungen gefertigt, und in den späteren Stufen, wo die Temperaturen höher ausfallen, sind die Schaufeln im allgemeinen aus Eisen- oder Nickelbasis-Legierungen hergestellt. Die komprimierte Luft kann bei der letzten Kompressionsstufe auf 649ºC bis 760ºC (1200º bis 1400º F) erwärmt werden, von wo sie weiter zu dem Combustor geleitet wird, wo Brennstoff injiziert und verbrannt wird. Die aus dem Combustor austretenden heißen Gase können etwa 1315ºC (2400º F) warm sein und werden zu der Leitschaufel und Schaufel der ersten Stufe des Turbinenabschnitts geführt. In dem Turbinenabschnitt, der eine Anzahl an Stufen rotierender Schaufeln und stationärer Leitschaufeln aufweist, wird die tatsächliche Energie von den heißen, komprimierten Gasen extrahiert, die die Turbine dreht, welche verbunden ist, um den vorhergehenden Kompressorabschnitt anzutreiben. Ein signifikanter Teil des Maschinenschubs stammt von dem großen Gebläseabschnitt an der Vorderseite der Maschine, welcher die Umgebungsluft aufnimmt und sie mit hoher Geschwindigkeit zurückschiebt. Das Gebläse ist ebenfalls durch den Turbinenabschnitt betrieben.
In dem Kompressor weisen die frühen Stufen oder der niedrige Kompressorabschnitt Schaufeln aus einer Titanlegierung auf, die mit einer hohen Drehzahl rotieren. Die Schaufeln sind derart ausgelegt, daß sich ihre Spitzen sehr nahe zu einem stationären Dichtungsring befinden. Der Zweck des engen Spalts besteht in der Minimierung von Gasundichtigkeiten und der Ermöglichung, daß Druck der Luft von einer Stufe zu der nächsten zunimmt. Enge Spalte zwischen Spitze und Dichtung führen zu einer höheren Maschineneffizienz und einer größeren Energieabgabe. Ist der Spalt zu eng, besteht jedoch die Möglichkeit einer Reibung zwischen der Spitze und der Dichtung. Dies kann beispielsweise auftreten, wenn die Maschine gestartet wird oder der Pilot für mehr Leistung die Drosselklappe öffnet. In diesen Fällen kann sich die Schaufel schneller erwärmen als die sie umgebende Ummantelung, durch die thermische Ausdehnung wird sie länger und reibt sich daher an dem Dichtungsring. Ebenso liegen vermutlich weitere Reibung verursachende Mechanismen vor. Wenn die Schaufel aus Titanlegierung an der Dichtung reibt, kann die Reibung sehr hoch ausfallen, und die Schaufelspitze kann sich schnell auf Temperaturen erhitzen, bei welchen das heiße Titan in der Tat brennen oder mit einer weiteren Freisetzung an Hitze oxidieren kann. Diese Situationen sind im wesentlichen Titanfeuer, und wenn sie nicht überprüft werden, können sie zu einer Beschädigung der Maschine führen. Dementsprechend wird eine Beschichtung an der Spitze dieser Titanschaufeln aufgebracht, um das blanke Titan von dem Dichtungsmaterial zu trennen, wenn eine Reibung auftreten sollte.
In der Turbine weisen die frühen Stufen des Hochdruck-Turbinenabschnitts im allgemeinen Schaufeln aus einer Superlegierung auf Nickelbasis auf, die mit einer hohen Drehzahl rotieren. Diese Schaufeln sind ebenfalls derart ausgelegt, daß sich ihre Spitzen sehr nahe an einem stationären Dichtungsring befinden. Der Zweck des engen Spalts besteht in der Minimierung von Gasundichtigkeiten und in der Ermöglichung, daß der Druck der Luft gegen die Turbinenschaufeln arbeiten kann, wodurch diese rotieren. Enge Spalte zwischen Spitze und Dichtung führen zu einer höheren Maschineneffizienz und einer größeren Energieabgabe. Ist der Spalt zu eng, besteht jedoch die Möglichkeit einer Reibung zwischen der Spitze und der Dichtung. Wie oben angeführt, kann dies beispielsweise dann auftreten, wenn die Maschine gestartet wird oder der Pilot für mehr Leistung die Drosselklappe öffnet. In diesen Fällen kann sich die Schaufel schneller erwärmen als die sie umgebende Ummantelung; durch die thermische Ausdehnung wird sie länger und reibt sich daher an dem Dichtungsring. Ebenso liegen vermutlich weitere Reibung verursachende Mechanismen vor. Wenn sich typischerweise eine blanke Schaufelspitze aus Superlegierung an einer offenliegenden Gußdichtung aus Superlegierung reibt, wird die Schaufelspitze abgetragen. In einem verbesserten Entwurf ist die Dichtung mit einem Werkstoff beschichtet, der abriebstoleranter als das Gußdichtungsmaterial ist, und die Dichtung nimmt einen größeren Anteil an Reibung auf, wodurch die Schaufelspitze weniger abgenutzt wird. Allerdings ist dieser Umstand immer noch kein idealer, und es sind weiterhin Beschichtungen für Schaufelspitzen erwünscht, die den Abrieb der Spitze noch mehr vermindern.
Mit der Zunahme der Maschinentemperaturen zwecks Bemühung um eine höhere Betriebseffizienz unterliegen die metallischen Dichtungsüberzüge einer Oxidation, weshalb einige Hersteller an keramische Dichtungsüberzüge denken. In diesem Fall steigen die Anforderungen nach einer abriebsfesten Schaufelspitzenbeschichtung noch weiter an. Ein weiterer Fortschritt bei der Bearbeitung von Spitzen besteht daher im Aufbringen einer Haftlage aus kubischem Bornitrid (CBN), das in einer Nickel- oder Nickel- Legierungsmatrix eingelassen ist, auf der Spitze. Dies ermöglicht es, daß im Falle einer Reibung die Beschichtung der Spitze in das Dichtungsmaterial schneiden oder dieses abwetzen kann. Allerdings ist diese Haftbeschichtung nur schwierig und teuer auf Schaufelspitzen wie z. B. Titanschaufelspitzen aufzutragen.
US-A-5 059 095 offenbart eine Turbinenrotor-Schaufelspitze, die mit einem Aluminiumoxid-Zirconiumoxid-Keramikwerkstoff beschichtet ist. Im einzelnen besteht die keramische Lage aus einer Kombination aus Aluminiumoxid und Zirconiumoxid oder mindestens teilweise stabilisiertem Zirconiumoxid. US-A-5 073 433 offenbart eine thermische Barrierebeschichtung, die Zirconiumoxid aufweist, das teilweise durch Yttriumoxid stabilisiert ist, und die über eine im wesentlichen homogene Verteilung der vertikalen Makrosprünge durch die Beschichtung verfügt, um deren Wärmeermüdung zu verbessern.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Schaufel für eine Gasturbinenmaschine, deren Spitzensegment mit einer Lage eines Oxids auf Zirconiumbasis beschichtet ist, das eine Mehrzahl von vertikalen Sprüngen und eine gute Abriebstoleranz aufweist, wenn es in Kontakt mit einem Dichtungsmaterial wie z. B. einer blanken Gußsuperlegierung kommt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer stabilisierten Zirconiumoxid-Beschichtung für den Teil der Spitze von Schaufeln für eine Turbinenmaschine, der eine Mehrzahl von Makrosprüngen in der Oberfläche der Beschichtung aufweist.
Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Turbinen- oder Kompressorschaufel, bei der die Schaufelspitze eine Oxidbeschichtung auf Zirconiumbasis mit eingelagerten Partikeln aufweist, die mehr Abrieb als Zirconiumoxid aufweisen, und mit einer Mehrzahl von Makrosprüngen in der Beschichtung.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Erzeugen einer Beschichtung für die Spitze der Turbinen- und Kompressorschaufeln mit guten Abriebstoleranzeigenschaften.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Schaufeln für eine Gasturbinenmaschine, die ein inneres Ende aufweisen, welches zur Montage auf einer Nabe wie z. B. einer drehbaren Nabe ausgelegt ist, und über eine gegenüberliegend dem inneren Ende angeordneten Schaufelspitze verfügen, und wobei mindestens die Schaufelspitze mit einer Lage eines Oxids auf Zirconiumbasis mit einer Mehrzahl von Makrosprüngen beschichtet ist, welche sich im wesentlichen senkrecht zu der Ebene der beschichteten Lage und sich von 0,1 mm (4 mils) und vorzugsweise von 0,2 mm (8 mils) bis zu der Dicke der beschichteten Lage erstreckt; 5 bis 100 vertikale Sprünge, vorzugsweise 8 bis 50 vertikale Makrosprünge, und am bevorzugtesten 16 bis 32 vertikale Makrosprünge aufweist, pro 1 cm Linearabmessung gemessen in einer Linie parallel zu und in einer Ebene senkrecht zu der Oberfläche der Schaufelspitze; und wobei die Schaufelspitze ein Eckenradius oder abgeschrägten Rand hat, in dem die Dicke der Beschichtung auf dem Schaufelrand etwa 1 1/3- bis 4-fach größer als der Eckenradius oder der abgeschrägte Rand der Schaufelspitze ist. Die Länge von mindestens 50% und vorzugsweise von 70% der vertikalen Sprünge sollte sich mindestens über 0,1 mm (4 mils) erstrecken, so daß diese durch mindestens 50 Flecken des abgeschiedenen Pulvers laufen. Vorzugsweise sollte sich die Beschichtung über die Spitze hinaus und auf mindestens einen Teil der Schaufel erstrecken. Die Schaufelfläche der Schaufel ist diejenige Fläche, die normalerweise während des Betriebsmodus der Maschine mit einem Fluid, z. B. einem Gas, in Kontakt kommt.
Vorzugsweise sollte die Dichte der Beschichtung mindestens etwa 88% der theoretischen Dichte betragen oder eine Porosität von weniger als etwa 12 Vol.% und bevorzugter eine Porosität von weniger als etwa 10 Vol.% aufweisen. Das Ausgangs-Zirconiumoxid-Pulver sollte vorzugsweise in einer Größe von 0,125 mm (120 Tyler mesh) oder feiner vorliegen. Wird eine zweite Komponente beteiligt, die einen höheren Abrieb als das Zirconiumoxid aufweist, sollte die zweite Komponente vorzugsweise eine Größe von mindestens 51 um (2 mils) in jeder Dimension bis zu 95% der Überzugsdicke aufweisen. In dieser Ausführungsform, bei der mindestens zwei Pulver verwendet werden, ist es bevorzugt, daß die feinen Zirconiumoxid-Partikel an der Oberfläche der größeren Abriebspartikel anhaften. Geeignete Abriebspartikel könnten Aluminiumoxid, Chromoxid, oder Legierungen daraus sein, die der gesamten Pulverzusammensetzung in einer Menge von 10 bis 40 Gewichtsprozent des gesamten Pulvers und vorzugsweise von 20 bis 30 Gewichtsprozent der gesamten Pulverzusammensetzung zugefügt werden.
Das Zirconiumoxid könnte teilweise durch mindestens ein stabilisierendes Oxid stabilisiert werden, das aus der aus Yttriumoxid, Calciumoxid, Zeroxid, und Magnesiumoxid bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Der bevorzugte Stabilisator ist Yttriumoxid, der vorzugsweise in einer Menge von 6,5 bis 9 Gewichtsprozent vorliegen könnte. Die stabilisierenden Oxide könnten ebenfalls zur teilweisen oder vollständigen Stabilisierung des Zirconiumoxids verwendet werden, um eine jede Phasentransformation zu minimieren oder zu verhindern, die andernfalls bei erhöhten Temperaturen in reinem Zirconiumoxid auftreten könnte.
In Abhängigkeit der zu beschichtenden Schaufel und der Umgebung, in der die Schaufel verwendet wird, könnte die Dicke der Beschichtung vorzugsweise von 50 bis 1000 um und noch bevorzugter 250 bis 750 um betragen. Es wurde Probeschaufeln mit einer flachen Oberfläche der Spitze und mit sehr scharfen Rändern hergestellt. Einige der Schaufeln wurden, so wie sie hergestellt wurden, beschichtet. Einer der ausgeführten Vortests bestand einfach darin, die Beschichtungsadhäsion an der Schaufel mit einem örtlichen Hochbelastungs-Stichprobentest zu überprüfen. Es ergab sich, daß die Beschichtung auf der scharfkantigen Schaufelspitze Defekte aufwies. Dann wurde eine Verfahren entwickelt, das im wesentlichen die Beschichtungsscherfestigkeit in einem solchen Stichprobentest erhöhte, und es ist zu erwarten, das sich dieses Verfahren in realen Maschinenabriebsinteraktionen, bei welchen ebenfalls eine hohe Scherbelastung auftritt, gleichfalls als nützlich erweist. Das Verfahren bestand darin, den Rand der Schaufelspitze auf etwa 1/4 bis 3/4 und vorzugsweise auf etwa die Hälfte der gesamten Menge der Überzugsdicke abzurunden. Vorzugsweise sollte das Verhältnis mindestens 0,25 mm (10 mils) betragen. Würde beispielsweise eine Überzugsdicke von 0,51 mm (20 mils) gewünscht, würde es ein Eckenradius von 0,25 mm (10 mils) ermöglichen, die Beschichtung um die Spitze herum zu führen, um die verbesserte Scherfestigkeit zu bewerkstelligen, wobei dieser Wert nicht groß genug ausfällt, um die Geometrie der Spitze in bemerkenswertem Ausmaß zu verändern. Wir erwarten, daß die gleiche Verbesserung der Scherfestigkeit auftritt, wenn wir unter Verwendung der gleichen Vorgaben für den Überzug von 1/4 bis 3/4 eine Abschrägung um den Rand der Spitze herum anfertigen. Zusätzlich zu dem Verfahren des Erzeugens eines Eckenradius oder einer Abschrägung für die Schaufel zwecks verbesserter Anhaftung hat sich herausgestellt, daß die Schaufelspitze für die beste Verbundstärke unmittelbar vor dem Beschichten aufgerauht werden sollte. Vorzugsweise verbessert eine minimale Rauhheit von 38 um (150 Mikroinch) Ra und bevorzugter ein Minimum von 51 um (200 Mikroinch) Ra die Verbundstärke. Das Verfahren zum Aufrauhen kann aus Abriebssandstrahlen bestehen, z. B. mit 0,35 oder 0,25 mm (60 oder 46 mesh) großem kantigen Aluminiumoxid in einem Druckluftstrom, oder unter Verwendung eines reinen Hochdruckwasserstrahls vollzogen werden. Der Standard-Hochdruckwasserstrahl für den Abrieb, der typischerweise feine Granatabriebspartikel in einem Wasserstrahl bei Drücken von 345 Mpa (50000 psi) verwendet, kann zum Schneiden oder Bearbeiten der metallischen Oberflächen verwendet werden. Es hat sich gezeigt, daß der Granatabrieb entfernt und der Strahl mit reinem Wasser betrieben werden kann, um die Oberfläche des metallischen Substrats vor dem Beschichten aufzurauhen. Entgegen gängigen Erwartungen erodiert dieser reine Hochdruckwasserstrahl eine metallische Oberfläche und erzeugt eine neue Oberfläche, die für das nachfolgende Beschichten ideal geeignet ist, da sie in sehr feinem Umfang aufgerauht und vollkommen frei von Oberflächenverunreinigungen wie z. B. Abriebssandeinschlüssen ist, die bei normalen Oberflächenaufrauhungsverfahren wie dem Sandstrahlen auftreten. Der Wasserstrahldruck und die Düsenüberquerungsgeschwindigkeit müssen jedoch sorgfältig gesteuert werden, um eine zu große Abtragung zu vermeiden.
Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff "Fleck" auf ein einziges, auf die Oberfläche des Substrats aufgetroffenes geschmolzenes Pulverpartikel, wo es sich ausbreitet und einen dicken Belag ausbildet. Im allgemeinen weisen diese Beläge einen Durchmesser von 5 bis 100 um und eine Dicke von 1 bis 5 um und allgemeiner eine Dicke von etwa 2 um auf.
Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff "vertikaler Makrosprung" auf einen Sprung in der Beschichtung, wenn diese sich ausweitet und mit der Oberfläche des Substrats in Kontakt kommt, und der einen Winkel von 30º bis 0º an einer Linie ausbildet, die sich von dem Kontaktpunkt senkrecht zu der Oberfläche des Substrats erstreckt. Vorzugsweise bilden die vertikalen Makrosprünge einen Winkel von 10º bis 0º auf. Wenn vorhanden, sollten jegliche horizontalen Makrosprünge sich vorzugsweise nicht so weit erstrecken, daß sie mit mehr als einem vertikalen Makrosprung in Kontakt kommen, da andernfalls die Beschichtung geschwächt würde und abblättern könnte. Die Längenabmessung des vertikalen Makrosprungs und die Längenabmessung des horizontalen Makrosprungs ist dabei der gerade Linienabstand von einem Ende des Sprungs zu dem gegenüberliegenden Ende des Sprungs.
Die Porosität der Beschichtung sollte vorzugsweise zwischen 2% und 10% und am bevorzugtesten etwa 8% betragen. Die vertikalen Makrosprünge könnten in der Beschichtung durch Plasmaabscheiden von Pulvern der Beschichtung auf der Oberfläche des Substrats in diskreten Monolagen ausgebildet werden, wobei die Dicke jeder Monolage mindestens zwei überlagerte Flecken des abgeschiedenen Pulvers enthält, die etwa 4,1 um (etwa 0,16 mils) groß sind, und vorzugsweise von etwa drei bis fünf Flecken des abgeschiedenen Pulvers (mit einer Größe von etwa 6,1 um (0,24 mils) bis 10,2 um (0,40 mils)). Obgleich theoretisch nicht untermauert, wird angenommen, daß die Abscheidung von zwei oder mehr überlagerten Flecken des Pulvers dazu führt, daß die zweiten und nachfolgenden Flecken bei höheren Temperaturen als die vorhergehenden Flecken abgeschieden werden. Dies kommt durch den Umstand zustande, daß der erste Fleck des Pulvers auf einem relativ kälteren Substrat abgeschieden wird, während die zweiten und nachfolgenden Flecken auf vorhergehenden Flecken abgeschieden werden, die zunehmend heißer sind. Somit führt die Gesamtabscheidung von zwei oder mehr Flecken zu einem Temperaturgradienten mit der höheren Temperatur an der obersten Oberfläche. Während des Abkühlens und Verfestigens der Monolagenabscheidung schrumpfen die zweiten und nachfolgenden Flecken mehr als die vorhergehenden Flecken und bilden vertikale durch die abgeschiedene Lage laufende Makrosprünge aus. Zusätzliche Monolagen werden auf dem Substrat überlagert, wobei jede Monolage vertikale Makrosprünge ausbildet, die über die Tendenz verfügen, sich an den zuvor ausgebildeten Makrosprüngen in den vorhergehenden Monolagen auszurichten. Dieser Vorgang erzeugt auf effektive Weise einige Makrosprünge, die sich im wesentlichen durch die Dicke der Beschichtung erstrecken. Die Weite der vertikalen Makrosprünge, d. h. der Abstand zwischen den die vertikalen Makrosprünge festlegenden gegenüberliegenden Seiten, beträgt im allgemeinen weniger als etwa 25 um (1 mil) und vorzugsweise weniger als 13 um (1/2 mil).
Es hat sich herausgestellt, daß bei einer Porosität der Beschichtung von mehr als 10% pro Volumen die von dem Schrumpfen der Flecken in der Monolage verursachte Belastung durch eine solch höhere Porosität der Beschichtung absorbiert oder kompensiert werden kann. Dies führt jedoch effektiv zu einer Verhinderung der Ausbildung von Makrosprüngen durch die Beschichtung, wie sie gemäß dieser Erfindung notwendig ist. Die durch diese Erfindung notwendige im wesentlichen homogene Verteilung der vertikalen Makrosprünge durch die Beschichtung reduziert den Elastizitätsmodul der Beschichtungsstruktur, wodurch die gesamten örtlichen Belastungen reduziert werden.
Die Dichte der vertikalen Makrosprünge sollte vorzugsweise 10 oder mehr, und am bevorzugtesten 20 oder mehr vertikale Makrosprünge pro 1 cm Linearabmessung, gemessen in einer Querschnittsebene Ebene der Beschichtung entlang einer Linie parallel zu der Oberfläche des Substrats, betragen. Dies stellt sicher, daß genügend vertikale Makrosprünge in der Beschichtung vorliegen, um gute thermische und mechanische Eigenschaften bereitzustellen. Um diese notwendigen vertikalen Makrosprünge in dieser Beschichtung zu erhalten, sollte die Plasmavorrichtung hocheffizient und über den Abscheidungszeitraum der Beschichtung hinweg stabil sein. Der Aufspritzbrenner sollte in festem Abstand von dem Substrat angeordnet sein, und die relative Geschwindigkeit zwischen dem Brenner und dem Substrat sollte gesteuert werden, um sicherzustellen, daß die durch ein Überstreichen des Brenners unmittelbar aufgetragene Monolage genügend groß ist, um eine Überlappung der abgeschiedenen Flecken von Pulver zu erzeugen, bei der aus den oben angeführten Gründen die zweiten und nachfolgenden abgeschiedenen Flecken heißer als die vorhergehenden abgeschiedenen Flecke sind. Die Gesamtdicke der Beschichtung kann in Abhängigkeit von der letztlich verwendeten Anwendung variieren. Die Überzugsdicke der Schaufelspitzen kann von 50 bis 1000 um variieren. Die bevorzugte Pulverzusammensetzung besteht aus Zirconiumoxid, das teilweise durch Yttriumoxid in einer Menge von 6,5 bis 9 Gewichtsprozent Yttriumoxid stabilisiert ist, und Zirconiumoxid als Rest, und am bevorzugtesten aus etwa 7 bis 8 Gewichtsprozent Yttriumoxid, und im wesentlichen Zirconiumoxid als Rest. Die Beschichtung dieser Erfindung ist ebenfalls ideal für eine Oberseitenbeschichtung für eine Schaufel einer Gasturbinenmaschine aus metallischer, haftbeschichteter Superlegierung geeignet. Die bevorzugte metallische Haftbeschichtung würde eine Legierung aufweisen, die mindestens ein Element enthält, das aus der aus Chrom, Aluminium, und Yttrium bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und mindestens ein Metall, das aus der aus Nickel, Kobalt und Eisen bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Diese Haftbeschichtung kann unter Verwendung jeder konventionellen Plasmaaufspritzverfahren oder jedes anderen konventionellen Verfahrens abgeschieden werden. Das Substrat könnte jeder geeignete Werkstoff wie Titan, eine Titanlegierung, eine Legierung auf Nickelbasis, eine Legierung auf Kobaltbasis oder eine Legierung auf Eisenbasis sein.
Die Beschichtung dieser Erfindung ist ebenfalls ideal als eine Oberseitenbeschichtung für eine Schaufel einer Gasturbinenmaschine aus haftbeschichteter Titanlegierung geeignet. Die bevorzugte metallische Haftbeschichtung würde Titan oder Titanlegierungen aufweisen, die so gewählt ist, daß sie dieser Art von Legierung der Schaufel zu entsprechen. Diese Beschichtung kann unter Verwendung von Schutzgasplasmaspritz-Verfahren oder von HVOF-Verfahren abgeschieden werden. Die bevorzugte nichtmetallische Haftbeschichtung würde Aluminiumoxid oder Legierungen aus Aluminiumoxid und Titanoxid oder Chromoxid aufweisen. Diese Beschichtung kann unter Verwendung von Detonationskanonen-, konven tionellen Plasmaspritzverfahren oder durch jedes andere konventionelle Verfahren abgeschieden werden. Das Substrat könnte jeder geeignete Werkstoff wie Titan oder eine Titanlegierung sein. Die Beschichtung dieser Erfindung kann auch auf einem Substrat aus Titanlegierung und insbesondere einer Kompressorschaufelspitze aus Titanlegierung ohne eine Haftschicht abgeschieden werden.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zum Herstellen einer Beschichtung auf der Spitze einer Schaufel, wobei im Zuge des Verfahrens:
(a) der Rand der Schaufelspitze in einem Ausmaß abgerundet wird, so daß der Radius der Schaufelspitze etwa 1/4 bis 3/4 der Dicke der gemäß den unten beschriebenen Schritten (b) bis (d) aufgebrachten Beschichtung ausmacht;
(b) Pulver auf Zirconiumoxidbasis auf mindestens die Spitze einer Schaufel thermisch aufgebracht wird, so daß eine Monolage gebildet wird, die über mindestens zwei überlagerte Flecken der auf mindestens der Schaufelspitze abgeschiedenen Pulver verfügt, wobei die Temperatur eines nachfolgend abgeschiedenen Fleckens höher als die Temperatur eines zuvor abgeschiedenen Fleckens ist;
(c) die Monolage gekühlt und verfestigt wird, wobei die Monolage eine Porosität von weniger als etwa 12 Volumenprozent aufweist und wobei aufgrund des Schrumpfens der abgeschiedenen Flecken eine Mehrzahl vertikaler Sprünge in der Monolage erzeugt wird;
(d) die Verfahrensschritte (b) und (c) mindestens einmal wiederholt werden, um eine beschichtete Gesamtlage zu bilden, in welcher jede Monolage vertikale Sprünge durch die Flecken aufweist und in welcher mindestens 50% der vertikalen Sprünge in jeder Monolage zu vertikalen Sprüngen in einer benachbarten Monolage ausgerichtet sind, um vertikale Makrosprünge zu bilden, deren Länge zwischen mindestens 0,1 mm (4 mils) und der Dicke des Überzuges liegt, wobei die beschichtete Lage mindestens 10 vertikale Makrosprünge pro 1 cm Linearabmessung aufweist, wobei dieses Maß in einer Linie parallel zu der Oberfläche der Schaufel gemessen ist.
Vorzugsweise sollten die Aufspritzabscheidungsparameter derart ausfallen, daß die Zirconiumoxid-Pulver mindestens teilweise und vorzugsweise vollständig geschmolzen, und anschließend mit einer Rate abgeschieden werden, so daß mindestens zwei überlagerte Flecken bei jedem einzelnen Durchlauf der Schaufel unter der thermischen Aufspritzvorrichtung in einer Fläche auftreten. Vorzugsweise werden die Abriebspartikel, falls vorhanden, nicht geschmolzen, während die Zirconiumoxid-Partikel mindestens teilweise geschmolzen werden. In einigen Anwendungen können einige der Abriebspartikel mit kleinerer Größe während des Abscheidungsschrittes geschmolzen werden, ohne die Beschichtung dieser Erfindung zu beeinflussen.
Es hat sich gezeigt, daß sich eine weitere Verbesserung dadurch ergab, daß eine Wärmebehandlung der abgeschiedenen Beschichtung deren Erosionsbeständigkeit verbesserte, und aus diesem Umstand kann gefolgert werden, daß dadurch deren Abriebsfestigkeit ebenfalls verbessert werden kann. Es ergab sich, daß eine Vakuumwärmebehandlung von 1 bis 10 Stunden bei etwa 982º bis 1204ºC (1800º bis 2200º F) effizient und ein Erwärmen für etwa 4 Stunden bei etwa 1079ºC (1975º F) geeignet wäre. Ebenso stellte sich heraus, daß ein Wärmebehandeln in Luft zur Verbesserung des Zirconiumoxids effizienter als in Vakuum war. Befindet sich jedoch eine metallische Haftbeschichtung unter dem Zirconiumoxid, kann eine anfängliche Wärmebehandlung in Luft zur einer Oxidation der Haftbeschichtung führen. Wenn das Wärmebehandeln der Schaufel, der Hafibeschichtung und der Oberseitenbeschichtung zunächst in Vakuum durchgeführt wird, wird die Haftbeschichtung auf eine höhere Dichte gesintert und anschließend oxidationsbeständig ausfallen. Somit besteht eine alternative Abfolge in einer vorgängigen Vakuumwärmebehandlung durch ein Erwärmen der Schaufel auf 982º bis 1204ºC (1800º bis 2200º F) für einen Zeitraum von etwa 1 bis 10 Stunden und in einer anschließenden Wärmebehandlung in Luft bei etwa 316º bis 649ºC (600º bis 1200º F) für einen Zeitraum von 0,1 bis 4 Stunden, um die Eigenschaften der Lage auf Zirconiumoxid-Basis weiter zu verbessern. Um die Verbesserung hinsichtlich der Erosionsbeständigkeit aufgrund der Vakuumwärmebehandlung zu belegen, wurde der Gewichtsverlust von identisch beschichteten Zirconiumoxidlagen auf Knöpfen mit einem Durchmesser von 2,54 cm (1 inch) gemessen, nachdem diese der nachfolgenden Partikelerosionsüberprüfung ausgesetzt wurden.
Es wurde eine S. S. White-Abriebsstrahlungskanone verwendet, um 600 g Aluminiumoxid mit einer Größe von 50 um bei einem Winkel von 20º gegen einen 2,5 mal 5,1 cm (1 mal 2 inch) großen Abschnitt mit einer Plasmaspritzbeschichtung auftreffen zu lassen, und ein identisch beschichteter Abschnitt wurde 4 Stunden lang bei 1079ºC (1975º F) in Vakuum erwärmt. Es ergab sich, daß die Erosionsrate der wärmebehandelten Beschichtung gegenüber der nicht erwärmten Beschichtung um 34% reduziert war.
Die Beschichtung dieser Erfindung kann auf einer Schaufelspitze ohne den Bedarf an einer Haftbeschichtung abgeschieden werden. Insbesondere trifft dies für Titanschaufeln zu, und somit werden der erforderliche Zeitraum und die Kosten für die Bereitstellung der Einzelbeschichtungen für die Schaufelspitze wesentlich abgesenkt. Es ergab sich, daß ein Vorwärmen der Schaufeln vor dem Abscheiden des Aufspritzpulvers ein verbessertes Beschichtungsverfahren bewirkte. Im einzelnen konnte die Schaufel auf etwa 93ºC (200º F) bis etwa 316ºC (600º F) vorgewärmt werden, bevor der Schritt (b) in diesem Verfahren vollzogen wurde.
Es wurden Schaufeln aus Nickel-Legierung mit 7 Gewichtsprozent Yttriumoxid, stabilisiert durch Zirconiumoxid, über eine NiCoCrAlY-Haftbeschichtung beschichtet. Die beschichteten Proben wurden 4 Stunden lang bei 1079ºC (1975º F) im Vakuum wärmebehandelt. Die beschichteten Schaufeln wurden unter Verwendung einer Testanordnung mit den folgenden Testparametern überprüft:
Geschwindigkeit der Spitzen 152 m (500 Fuß) pro Sekunde
Zielwert der Abriebstiefe Tiefe von 25 um (1 mil) pro Sekunde bis zu 508 um (20 mils)
Es zeigte sich, daß der beste Weg, die Wirksamkeit der Beschichtungen der Spitzen in dieser Überprüfung einzuordnen, darin bestand, das Volumen des Werkstoffs zu messen, der von der Spitze und den Dichtungsmaterialien entfernt wurde, und den Wert zu berechnen, der als Volumabriebsverhältnis (VWR) bezeichnet wird. Der VWR-Wert ist das Verhältnis des Volumenabriebs der Spitze zu dem Volumenabrieb der Dichtung als dimensionsloses Verhältnis. Ein idealer VWR-Wert bestünde in einem Wert von 0,05 oder weniger. Die folgende Tabelle zeigt die Abriebstestergebnisse für die Beschichtung dieser Erfindung. Tabelle: Volumenabriebsverhältnis, Beschichtung der Spitze zur Abdichtung der Schaufel aus Nickel-Legierung
* Eigentum des Maschinenherstellers, eine Art aus weichem und hartem Werkstoff.
** Eigentum des Maschinenherstellers, eine Art keramischer Beschichtung.
Gemäß dieser Überprüfung wies die Beschichtung der vorliegenden Erfindung außergewöhnlich gute VWR-Ergebnisse auf und ist somit für Beschichtungen für die Spitze von Schaufeln für Turbinenmaschinen ideal geeignet.
Obgleich die Erfindung mit Bezug auf spezifische Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht sich für den Fachmann, daß viele Abänderungen und Modifikationen erfolgen können. Somit sollten die beiliegenden Ansprüche angesichts des Stands der Technik als so umfassend wie möglich interpretiert werden, um sämtliche derartige Abänderungen und Modifikationen einzuschließen.

Claims

1. Schaufel für eine Gasturbinenmaschine mit einem inneren Ende, das zur Montage an einer Nabe ausgelegt ist, und einer gegenüber dem inneren Ende angeordneten Schaufelspitze, wobei mindestens die Schaufelspitze mit einer Lage eines Oxids auf Zirconiumbasis beschichtet ist, die eine Mehrzahl von Makrosprüngen aufweist, die im wesentlichen vertikal zu der Ebene der beschichteten Lage verlaufen und sich über eine Länge von mindestens 0,1 mm (4 mils) bis zu der Dicke der beschichteten Lage erstrecken und die 5 bis 100 vertikale Makrosprünge pro 1 cm Linearabmessung aufweist, wobei dieses Maß in einer Linie parallel zu der Oberfläche der Schaufelspitze und in einer Ebene senkrecht zu der Schaufelspitze gemessen ist, und wobei die Schaufelspitze einen Eckenradius oder einen abgeschrägten Rand hat, und die Dicke der Beschichtung auf dem Schaufelrand etwa 1 1/3 bis 4 mal größer als der Eckenradius oder der abgeschrägte Rand an der Schaufelspitze ist.

2. Schaufel nach Anspruch 1, bei welcher der Überzug Abriebspartikel enthält, die aus der aus Aluminiumoxid, Chromoxid und Legierungen derselben bestehenden Gruppe ausgewählt sind.

3. Schaufel nach Anspruch 1, bei welcher eine Haftbeschichtung zwischen der Spitze einer aus einer Superlegierung oder einer Titanlegierung gefertigten Schaufel und dem Oxidüberzug auf Zirconiumbasis angeordnet ist, wobei die Hafibeschichtung für die aus einer Superlegierung gefertigte Schaufel eine Legierung aufweist, die mindestens ein aus der aus Aluminium, Yttrium, Chrom und Hafnium bestehenden Gruppe ausgewähltes Element sowie mindestens ein aus der aus Nickel, Kobalt und Eisen bestehenden Gruppe ausgewähltes Metall aufweist, wobei die Haftbeschichtung für die aus einer Titanlegierung gefertigte Schaufel Titan oder eine Titanlegierung aufweist.

4. Schaufel nach Anspruch 1, bei welcher die Schaufel eine Schaufelfläche zwischen dem inneren Ende der Schaufel und der Schaufelspitze aufweist, und wobei die Dicke des Oxidüberzugs auf Zirconiumbasis zwischen 50 und 1000 um liegt und sich über mindestens einen Teil der Schaufelfläche erstreckt.

5. Verfahren zur Ausbildung eines Überzugs auf mindestens der Spitze einer Schaufel, wobei im Zuge des Verfahrens:

(a) der Rand der Schaufelspitze in einem Ausmaß abgeschrägt wird, so daß der Radius der Schaufelspitze etwa 1/4 bis 3/4 der Dicke der gemäß den unten beschriebenen Schritten (b) bis (d) aufgebrachten Beschichtung ausgemacht;

(b) Pulver auf Zirconiumoxidbasis auf mindestens die Spitze einer Schaufel bei einer Rate thermisch aufgebracht wird, so daß eine Monolage gebildet wird, die über mindestens zwei überlagerte Flecken der auf mindestens der Schaufelspitze abgeschiedenen Pulver vertilgt, wobei die Temperatur eines nachfolgend abgeschiedenen Fleckens höher als die Temperatur eines zuvor abgeschiedenen Fleckens ist;

(c) die Monolage gekühlt und verfestigt wird, wobei die Monolage eine Porosität von weniger als etwa 12 Volumenprozent aufweist und wobei aufgrund des Schrumpfens der abgeschiedenen Flecken eine Mehrzahl vertikaler Sprünge in der Monolage erzeugt wird;

(d) die Verfahrensschritte (b) und (c) mindestens einmal wiederholt werden, um eine beschichtete Gesamtlage zu bilden, in welcher jede Monolage vertikale Sprünge durch die Flecken aufweist und in welcher mindestens 70% der vertikalen Sprünge in jeder Monolage zu vertikalen Sprüngen in einer benachbarten Monolage ausgerichtet sind, um vertikale Makrosprünge zu bilden, deren Länge zwischen mindestens 0,1 mm (4 mils) und der Dicke des Überzuges liegt, wobei die beschichtete Lage mindestens 5 vertikale Makrosprünge pro 1 cm Linearabmessung aufweist, wobei dieses Maß in einer Linie parallel zu der Oberfläche der Schaufel und in einer Ebene senkrecht zu der Schaufelspitze gemessen ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem vor dem Verfahrensschritt (b) die Schaufel auf eine Temperatur von etwa 93ºC (200ºF) bis etwa 316ºC (600ºF) erwärmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die Schaufelspitze im Verfahrensschritt (b) eine haftbeschichtete Schaufelspitze aus einer Superlegierung oder eine haftbeschichtete Schaufelspitze aus einer Titanlegierung ist, wobei die Haftbeschichtung für die aus einer Superlegierung gefertigte Schaufelspitze eine Legierung aufweist, die mindestens ein aus der aus Chrom, Aluminium, Hafnium und Yttrium bestehenden Gruppe ausgewähltes Element sowie mindestens ein aus der aus Nickel, Kobalt und Eisen bestehenden Gruppe ausgewähltes Metall aufweist, wobei die Haftbeschichtung für die aus einer Titanlegierung gefertigte Schaufelspitze Titan oder eine Titanlegierung aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die Schaufelspitze vor dem Verfahrensschritt (b) mit einem reinen Hochdruckwasserstrahl aufgerauht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem im Verfahrensschritt (b) den Pulvern auf Zirconiumoxidbasis Abriebspartikel zugesetzt werden, die aus der aus Aluminiumoxid, Chromoxid und Legierungen derselben bestehenden Gruppe ausgewählt sind.