DE102009010109A1

DE102009010109A1 - Herstellung einer Turbinenblisk mit einer Oxikations- bzw. Korrosionsschutzschicht

Info

Publication number: DE102009010109A1
Application number: DE102009010109A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Uihlein
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2009-02-21
Filing date: 2009-02-21
Publication date: 2010-09-23
Also published as: DE102009010109A8; WO2010094273A3; WO2010094273A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer integralen Turbinen-Schaufel-Scheiben-Einheit (20) für eine Gasturbine, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer integralen Turbinen-Schaufel-Scheiben-Einheit (20) mit einer Scheibe (21) aus einer Ni-Basis-Superlegierung und mindestens einer stoffschlüssig an der Scheibe angeordneten Turbinenschaufel (22) und b) Beschichten von zumindest einem Teil der Oberfläche der Schaufel der Turbinen-Schaufel-Scheiben-Einheit mittels eines Niedertemperatur-Beschichtungsverfahrens mit einer Oxidations- und/oder Korrosionsschutzschicht, sowie ein entsprechendes Verfahren mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer Scheibe (21) aus einer Ni-Basis-Superlegierung; b) Bereitstellen mindestens einer Turbinenschaufel (22) zur Verbindung mit der Scheibe zur Bildung einer integralen Turbinen-Schaufel-Scheiben-Einheit; c) Beschichten mindestens eines Teils der Oberfläche der Turbinenschaufel mit einer Oxidations- und/oder Korrosionsschutzschicht und d) stoffschlüssiges Fügen der beschichteten Turbinenschaufel mit der Scheibe it.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer integralen Turbinen-Schaufel-Scheiben-Einheit (Turbinenblisk (Tblisk)) für eine Gasturbinen sowie eine entsprechende integrale Turbinen-Schaufel-Scheibe-Einheit.
STAND DER TECHNIK
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, sog. Schaufel-Scheiben-Einheiten für Gasturbinen, insbesondere auch für Gasturbinen für den Flugzeugbau herzustellen, bei denen die Turbinenschaufeln einstückig an den Rotorscheiben angeordnet sind. Entsprechend werden derartige Schaufel-Scheiben-Einheiten auch als Blisk bezeichnet, was als Kunstwort eine Kombination der englischen Begriffe „Blade” für Schaufel und „Disk” für Scheibe darstellt.
Derartige Blisks können einstückig gegossen, geschmiedet oder pulvermetallurgisch hergestellt sowie in anderer Weise einstückig gefertigt werden, wobei die Turbinenschaufeln und die Rotorscheibe bei diesen Verfahren aus dem einstückigen Halbzeug herausgearbeitet werden müssen.
Darüber hinaus ist es bekannt, derartige Schaufel-Scheiben-Einheiten auch durch Fügen von Einzelteilen zu stoffschlüssigen Verbünden zu vereinigen.
Während derartige Schaufel-Scheiben-Einheiten (Blisks) für Verdichtereinheiten von Gasturbinen aufgrund der dort herrschenden niedrigen Temperaturen herstellbar und einsetzbar sind (vgl. DE 10 2006 033 299 A1 , DE 10 2006 033 297 A1 ), besteht für Rotoren im Turbinenteil einer Gasturbine die Problematik, dass aufgrund der dort herrschenden höheren Temperaturen und Kräften die Schaufelblätter und die Rotorscheiben höhere und zudem unterschiedliche Anforderungen erfüllen müssen, die bei integralen Rotoreinheiten wie Turbinenblisks schwer zu erreichen sind. So wird beispielsweise in der US 2005/0271512 A1 beschrieben, dass bei der Beschichtung von Turbinen-Blisks mit einer Hartstoffbeschichtung eine entsprechende Kühlung der Rotorscheibe vorgenommen werden muss, um unerwünschte Gefügeänderungen in der Turbinenscheibe während der Temperatureinwirkung auf Grund der Beschichtung zu vermeiden. Dies macht jedoch die Herstellung derartiger Turbinen-Blisks sehr aufwändig und schwierig.
Aus der EP 0 666 407 B1 ist weiterhin ein Verfahren zu Beschichtung der Schaufelspitzen von Schaufel-Scheiben-Einheiten (Blisks) bekannt, bei dem das abrassive Material der Schaufelspitzenbeschichtung mittels Reibschweißen auf einem Blisk-Rohling aufgebracht wird. Die Schaufelblätter werden aus dem scheibenförmigen Bliks-Rohling anschließend herausgearbeitet. Dies funktioniert jedoch nur für abrasives Verschleißmaterial, welches nur an den Spitzen der Schaufeln angeordnet werden soll, jedoch nicht für Oxidations- und/oder Korrosionsschutzbeschichtungen, die zumindest auch auf anderen Teilen des Schaufelblatts als den Spitzen vorgesehen sein sollen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer integralen Turbinen-Schaufel-Scheiben-Einheit, einer sog. Blisks für den Turbinenbereich einer Gasturbine, insbesondere einer Gasturbine für den Flugzeugbau sowie eine entsprechende Tblisk bereitzustellen, bei welchen ein ausgewogenes Eigenschaftsprofil für die Schaufeln bzw. Schaufelblätter und die Rotorscheibe einstellbar ist. Insbesondere soll das entsprechende Verfahren einfach und zuverlässig durchführbar sein.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 6 sowie einer Turbinen-Schaufel- Scheiben-Einheit mit den Merkmalen des Anspruchs 17. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß der Erfindung werden zwei unterschiedliche Routen zur Herstellung einer integralen Turbinen-Schaufel-Scheiben-Gasturbine vorgeschlagen, wobei gemäß einer ersten Verfahrensweise bei einer integralen Turbinen-Schaufel-Scheiben-Einheit, also einer Rotorscheibe mit stoffschlüssig an der Rotorscheibe angeordneten Turbinenschaufeln, zumindest ein Teil der Oberfläche der Schaufeln mittels eines Niedertemperatur-Beschichtungsverfahren mit einer Oxidations- und/oder Korrosionsschutzschicht überzogen wird, um die hochtemperaturbelasteten Turbinenschaufeln bzw. Turbinenblätter vor Oxidations- bzw. Korrosionsangriff zu schützen.
Das Niedertemperatur-Beschichtungsverfahren ist hierbei so gewählt, dass die üblicherweise aus einer Nickelbasis-Superlegierung gefertigte Rotorscheibe in ihrem Gefüge während der Beschichtung nicht verändert wird, so dass insbesondere keine mechanischen Eigenschaftsänderungen auftreten. Entsprechend kann das Niedertemperatur-Beschichtungsverfahren gemäß der Temperaturbelastbarkeit der Rotorscheibe ausgewählt werden.
Insbesondere kann das Niedertemperatur-Beschichtungsverfahren bei Temperaturen ≤ 350°C, insbesondere ≤ 250°C durchgeführt werden.
Da die Turbinen-Schaufel-Scheiben-Einheit insgesamt der Beschichtung unterzogen wird, können Teile, die nicht beschichtet werden sollen, wie beispielsweise Teile der Scheibe, insbesondere die Nabe und dergleichen, maskiert werden, um eine dauerhaft aufgebrachte Beschichtung zu vermeiden.
Darüber hinaus können die zu beschichtenden Teile, also insbesondere die Turbinenschaufeln bzw. Schaufelblätter einer Oberflächenvorbereitung unterzogen werden, um eine gute Haftung der Beschichtung zu gewährleisten. Für die PVD-Beschichtung können Oberflächenglättungsverfahren zur Vorbereitung der Oberfläche eingesetzt werden, während bei der Abscheidung der Schichtung durch Schlicker- oder Spritzver fahren die Oberflächen durch Strahlverfahren aufgeraut werden können.
Als Niedertemperatur-Beschichtungsverfahren können insbesondere Verfahren der physikalischen Dampfphasenabscheidung, die im Niedertemperaturbereich betrieben werden können, Niederdruckplasmaspritzen (Low Pressure Plasma Spraying LPPS), Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (High Velocity Oxy-Fuel Coating HVOF), kinetisches Kaltgasspritzen (kinetisches Kaltgaskompaktieren K³) oder Schlickerbeschichtungsverfahren wie Schlickergießverfahren eingesetzt werden. Die Prozesstemperaturen können dabei so gewählt werden, dass diese unterhalb der Wärmebehandlungstemperaturen von Schaufel- und/oder Scheibenmaterial liegen.
Als Basis für diese erste Herstellungsvariante können unterschiedliche Turbinen-Schaufel-Scheiben-Einheiten (Turbinen-Blisks) gewählt werden, und zwar sowohl einstückig aus einem Rohmaterial gefertigte Blisks als auch durch Fügeverfahren aus Einzelteilen zusammengefügte Blisks.
Für Blisks, die aus mehreren Teilen zusammengefügt werden, kann auch eine separate Beschichtung der Turbinenschaufeln und anschließendes Fügen der Turbinenschaufeln mit der Scheibe gemäß einer zweiten Herstellungsvariante durchgeführt werden. In diesem Fall stehen für die Beschichtung der Turbinenschaufeln mit Oxidations- und/oder Korrosionsschutzbeschichtungen weitere Verfahren, die auch bei höheren Temperaturen durchgeführt werden, zur Verfügung, wie beispielsweise konventionelles Alitieren, bei welchem aluminiumreiche Schichten durch Eindiffusion von Aluminium aus einer aluminiumreichen Atmosphäre gebildet werden.
Für das stoffschlüssige Fügen sowohl der vorbeschichteten als auch unbeschichteteten Turbinenschaufeln mit der Turbinenscheibe können Schweißverfahren, wie insbesondere Elektronenstrahlschweißen oder Laserschweißen sowie Lötverfahren eingesetzt werden.
Darüber hinaus kann ein Fügeadapter Verwendung finden, der zwischen Scheibe und Schaufel eingesetzt wird, um die Verbindung zwischen Schaufel und Scheibe zu vereinfachen. Der Adapter kann je nach Design von Schaufel und Scheibe sowie dem gewählten Fügeverfahren in Form und Größe angepasst werden, um den Belastungen und Einflüssen im Betrieb und beim Fügen zu genügen.
Die Fügenaht zwischen Scheibe und Schaufel oder Schaufel und/oder Scheibe einerseits und Fügeadapter andererseits kann durch Span abhebende Bearbeitungsverfahren und/oder elektrochemische Bearbeitung nachbearbeitet werden, um insbesondere eine glatte und definierte Oberfläche zu erzielen, die den Formanforderungen der Rotoreinheit entspricht und einen geringen Korrosions- bzw. Oxidationsangriff ermöglicht.
Die Turbinenschaufeln können aus unterschiedlichen Materialien gefertigt werden, wie beispielsweise aus gegossenen, polykristallin erstarrten Nickelbasis-Superlegierungen, gegossenen, gerichtet erstarrten Nickelbasis-Superlegierungen, einkristallinen Nickelbasis-Superlegierungen, intermetallischen Verbindungen, wie insbesondere Titanaluminiden, Siliziden und insbesondere Niob-Siliziden sowie aus Metallmatrix-Verbundwerkstoffen, also insbesondere Metallwerkstoffe mit eingelagerten Keramikpartikeln, oder aus Keramikmatrixverbundwerkstoffen, wobei hier insbesondere Faserverbundwerkstoffe, wie insbesondere keramische Faserverbundwerkstoffe, bei denen keramische Fasern in einer keramischen Matrix eingebettet sind, zur Anwendung kommen können.
Insbesondere bei der zweiten Verfahrensweise, bei der die Turbinenschaufeln vor dem Fügen beschichtet werden, kann die Turbinenschaufel vor dem Fügen zusätzlich im Fügebereich bearbeitet werden. Insbesondere kann die Oberfläche durch Materialabtragsverfahren, insbesondere durch Span abhebende Verfahren, wie Schleifen und dergleichen bearbeitet werden. Dadurch kann die Oxidations- bzw. Korrosionsschutzschicht im Fügebereich entfernt werden, so dass eine sichere und zuverlässige stoffschlüssige Verbindung zwischen Turbinenschaufel und Turbinenscheibe oder einem Adapter realisiert werden kann.
Die Oxidations- und Korrosionsschutzschicht kann mehrlagig ausgebildet sein und insbesondere platin- und aluminiumreiche Schichten, insbesondere Alitierschichten, umfassen, die nicht nur auf der Oberfläche des Werkstoffs abgeschieden sein können, sondern auch durch Diffusion in den Werkstoff eindringen können, um so die Randbereiche des Werkstoffs zu verändern. Neben Aluminium und/oder Platin reichen Schichten, insbesondere Alitierschichten und Platin haltigen Alitierschichten oder entsprechend anders abgeschiedenen Pt/Al-Schichten, können auch Oxidations- und/oder Korrosionsschutzschichten auf Basis von MCrAlY-Schichten eingesetzt und aufgebracht werden, wobei M für Kobalt oder Nickel als Basiswerkstoff steht. Diese Schichten weisen durch ihren hohen Chrom- und Aluminiumgehalt ebenfalls eine gute Oxidations- und/oder Korrosionsbeständigkeit auf.
Die gewählten Oxidations- und/oder Korrosionsschutzschichten können zusätzlich als Haftvermittlerschicht für eine darauf folgende Wärmedämmschicht eingesetzt werden oder es kann eine Wärmedämmschicht über einer zusätzlichen Haftvermittlerschicht zwischen Oxidations- und/oder Korrosionsschutzschicht einerseits und Wärmedämmschicht vorgesehen werden, wie beispielsweise eine Aluminiumoxidschicht. Als Haftvermittlerschichten kommen insbesondere auch wieder MCrAlY- oder NiAl-Schichten zum Einsatz, die auch als Schlickerschichten aufgebracht werden können. Derartige Schichtsysteme sind auch in der EP 1 754 801 beschrieben, welche hiermit durch Verweis in die vorliegende Offenbarung entsprechend mit aufgenommen wird.
Die Wärmedämmschicht, die als Keramikschicht und insbesondere als Zirkonoxidschicht bzw. Yttrium stabilisierte Zirkonoxidschicht ausgebildet sein kann, kann durch Plasmaspritzen oder Elektronenstrahldampfphasenabscheidung (Eletron Beam Physical Vapor Deposition EBPVD) aufgebracht werden.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen deutlich. Die Figuren zeigen hierbei in rein schematischer Weise in
1 eine perspektivische Darstellung einer Turbinen-Schaufel-Scheiben-Einheit (TBlisk);
2 eine perspektivische Darstellung einer Turbinenschaufel, wie sie in der Turbinen-Schaufel-Scheiben-Einheit aus 1 eingesetzt wird;
3 ein Ablaufdiagramm eines ersten erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für eine mit einer Oxidations- und/oder Korrosionsschutzschicht versehenen TBlisk; und in
4 ein Ablaufdiagramm für ein zweites erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren für eine mit einer Oxidations- und/oder Korrosionsschutzschicht versehenen TBlisk.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine integrale Rotoreinheit 20, die auch als Turbinen-Schaufel-Scheiben-Einheit (TBlisk) bezeichnet wird. Eine derartige Rotoreinheit 20 kann im Turbinenteil einer Gasturbine für den stationären Betrieb oder einer Flugturbine für den Antrieb von Flugzeugen eingesetzt werden. Die integrale Rotoreinheit 20 zeichnet sich dadurch aus, dass auf der Rotorscheibe 21 einstückig, d. h. stoffschlüssig, eine Vielzahl von Turbinenschaufeln 22 angeordnet ist. Die Turbinenschaufeln 22 weisen Schaufelblätter 23 auf, die radial von der Rotorscheibe 21 nach Außen hervorstehen.
Die Schaufelblätter 23 sind, wie insbesondere 2 zeigt, an einem Fuß 25 der Turbinenschaufel 22 angeordnet, wobei der Schaufelfuß 25 stoffschlüssig mit der Rotorscheibe 21 verbunden ist.
Die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Turbinenschaufeln 22 und der Rotorscheibe 21 kann durch einstückige Herstellung der Tblisk 20 oder durch vielfältige stoffschlüssige Fügeverfahren erzielt werden, insbesondere Schweißverfahren, wie Elektronenstrahlschweißen, Laserstrahlschweißen und dergleichen. Entsprechende Schweißnähte 24 zwischen den Turbinenschaufeln 22 und der Rotorscheibe 21 bzw. zwi schen den Turbinenschaufeln 22 sind in 1 mit 24 bezeichnet. Die Schweißnähte 24 erstrecken sich hierbei ring- bzw. kreisförmig um die Rotorscheibe 21 herum als auch radial nach außen und axial entlang der Drehachse der Rotorscheibe 21.
Anstelle einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Turbinenschaufeln 22 und der Rotorscheibe 21 kann die Rotorscheibe 21 zusammen mit den Turbinenschaufeln 22 auch einstückig hergestellt werden, so dass keine Fügenähte 24 vorhanden sind.
Die 2 zeigt in einer ebenfalls perspektivischen Darstellung eine einzelne Turbinenschaufel 22 mit einem Schaufelblatt 23 und dem Schaufelfuß 25, welcher in der gezeigten Ausführungsform der 2 als quaderförmige Platte ausgeführt ist.
Die Turbinenschaufeln 22 werden mit den Längsseiten 26 des Schaufelfußes 25 parallel zur Drehachse der TBlisk 20 nebeneinander angeordnet, wobei zwischen den einzelnen Turbinenschaufeln 22 Stege (nicht gezeigt) der Rotorscheibe 21 vorhanden sein können. Zudem ist es auch möglich, dass die Turbinenschaufeln 22 mit den Längsseiten 26 des Schaufelfußes 25 jeweils direkt nebeneinander liegen. Entlang der Längsseiten 26 werden die Turbinenschaufeln 22 mit den Stegen der Rotorscheibe 21 oder mit den benachbarten Turbinenschaufeln 22 verschweißt. Zusätzlich wird die Unterseite des Schaufelfußes 25 entlang der Längsseiten 26 und der Stirnseite 27 mit der Rotorscheibe 21 stoffschlüssig verbunden, so dass sich eine integrale Rotoreinheit 20 ergibt, wie in 1 gezeigt. Neben der rein schematisch dargestellten Form der Ausführungsbeispiele der 1 und 2 für die Ausbildung der TBlisk 20 können unterschiedlichste Geometrien und Formen der Turbinenschaufeln 22 und insbesondere des Schaufelfußes 25 als auch der Rotorscheiben 21 gewählt werden.
Bei der gewählten Art der TBlisk, bei der die Rotoreinheit 20 durch stoffschlüssiges Verbinden von Schaufeln 22 und Scheibe 21 hergestellt wird, können zwei unterschiedliche Vorgehensweisen der Beschichtung der Turbinenschaufeln 22 realisiert werden, wobei insbesondere die Schaufelblätter 23 und die Oberseite des Schaufelfußes 25 mit einer Oxidations- und/oder Korrosionsschutzschicht versehen werden können.
Die beiden unterschiedlichen Vorgehensweisen, die in den Ablaufdiagrammen der 3 und 4 dargestellt sind, werden nachfolgend detailliert beschrieben, wobei zunächst die zweite Variante der 4 beschrieben wird, die unterschiedliche Beschichtungsverfahren für die Turbinenschaufeln ermöglicht. Entsprechend ist bei dieser Variante auch eine Beschichtung gemäß der nachfolgend dargestellten Vorgehensweise nach 3 möglich.
Gemäß der zweiten Vorgehensweise, die in einem Ablaufdiagramm in 4 dargestellt ist, werden die Scheibe 21, die beispielsweise aus einer Nickelbasissuperlegierung geschmiedet wird oder pulvermetallurgisch hergestellt worden ist, sowie die entsprechenden Schaufeln 22 in den Schritten 201 und 202 separat bereitgestellt. Die Schaufeln 22 können in gleicher Weise wie die Scheibe 21 aus einer Nickelbasissuperlegierung gebildet sein, wobei die Schaufeln und insbesondere die Schaufelblätter sowohl polykristallin erstarrt, gerichtet erstarrt oder einkristallin ausgebildet sein können.
Daneben können die Schaufeln auch intermetallische Werkstoffe, wie insbesondere Titanaluminide oder Silizide, insbesondere Niob-Silizide sowie Metallmatrix-Verbundstoffe mit keramischen Einlagerungen (Metal Matrix Composits MMC) oder keramische Verbundwerkstoffe (Ceramic Maxtric Composists) umfassen, bei denen insbesondere keramische Fasern in keramischen Matrizen angeordnet sind.
Die getrennt vorliegenden Schaufeln werden im Schritt 203 mit einer Oxidations- und/oder Korrosionsschutzschicht aus Platin und Aluminium bzw. nur Aluminum versehen, wobei übliche Beschichtungsverfahren eingesetzt werden können. Insbesondere können thermochemische Verfahren angewandt werden, bei welchen die Turbinenschaufeln in entsprechend platin- und/oder aluminiumhaltigen Atmosphären geglüht werden. Hierbei können Aufdampfverfahren der physikalischen Dampfphasenabscheidung eingesetzt werden. Die Platin-Aluminiumschicht kann vor allem durch galvanische bzw. elektrochemische Aufbringung von Platin und Überalitierung nach Wärmebehandlung erzeugt werden.
Darüber hinaus können insbesondere für das Aufbringen von Aluminium auch Spritzverfahren und nachfolgenden Diffusionsglühbehandlungen durchgeführt werden. Wesentlich ist, dass es zur Ausbildung einer platin- bzw. aluminiumreichen Oberfläche, insbesondere einer Mischkristallschicht mit Platinaluminiden und Aluminium reichen Phasen kommt, die eine gute Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit gewährleisten.
Derart behandelte Schaufeln weisen bereits eine gute Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit auf, so dass sie unmittelbar eingesetzt werden können. Lediglich in stark temperaturbelasteten Bereichen kann eine zusätzliche Aufbringung einer Wärmedämmschicht gemäß Schritt 204 erfolgen. Die Wärmedämmschicht, die üblicherweise aus Yttrium stabilisiertem Zirkonoxid oder einer anderen keramischen Schicht gebildet ist, kann mittels Plasmaspritzen oder Elektronenstrahldampfphasenabscheidung (Electron Beam Physical Vapor Deposition EBPVD) aufgebracht werden. Zusätzlich kann zwischen der Alitierschicht aus Schritt 203 und der Wärmedämmschicht auch zusätzlich eine Haftschicht bzw. Haftvermittlerschicht, beispielsweise in Form von Aluminiumoxid, vorgesehen sein.
Die derart beschichteten Schaufeln werden im Schritt 205 zum Fügen mit der Scheibe vorbereitet, indem beispielsweise die Korrosions- und Oxidationsschutzschicht bzw. die Wärmedämmschicht und evtl. angeordnete Haftvermittlerschichten durch Oberflächenbearbeitung, beispielsweise Schleifen oder andere Span abhebende Verfahren, entfernt wird, um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Schaufelfuß und der Scheibe zu ermöglichen. Die Oberflächenbearbeitung des Schritts 205 kann auch zur Vorbereitung oder Ausbildung der entsprechenden Geometrie des Schaufelfußes dienen, der für das Fügen mit der Scheibe erforderlich ist.
Im Schritt 206 werden dann die Rotorscheibe aus der Nickelbasissuperlegierung mit den entsprechend beschichteten Schaufeln durch stoffschlüssige Fügeverfahren, wie insbesondere Schweißen und Löten, miteinander verbunden. Zusätzlich kann ein Fügeadapter vorgesehen sein, der zwischen der Scheibe und den Schaufeln vorgesehen ist, wobei der Adapter insbesondere bei unterschiedlichen Werkstoffen der Scheibe und der Schaufeln gute Verbindungseigenschaften mit dem jeweils anderen Werkstoff ermöglicht und/oder eine Anpassung der entsprechenden Geometrien erlaubt.
Nach dem Fügen der Schaufeln mit der Scheibe bzw. mittels des Adapters werden die entstandenen Fügenähten durch Span abhebende Bearbeitungsverfahren und/oder elektrochemisch nachbearbeitet, um eine saubere und glatte Oberfläche zu ermöglichen, die einen geringen Oxidations- bzw. Korrosionsangriff ermöglicht.
Nach einer weiteren Ausgestaltung, welche schematisch im Ablaufdiagramm der 3 dargestellt ist, kann das Herstellungsverfahren so durchgeführt werden, dass nach dem Bereitstellen der entsprechenden Scheibe bzw. der Schaufeln in den Schritten 101 und 102, die den Schritten 201 und 202 entsprechen, zunächst das Fügen der Scheibe mit den Schaufeln erfolgt, wobei identisch zum Schritt 203 beim Schritt 103 ebenfalls entsprechende Adapter eingesetzt werden können.
Nach dem Fügen werden die entstandenen Fügenähte wiederum im Schritt 104 gemäß dem Schritt 207 spanend oder elektrochemisch nachbearbeitet, um eine saubere, definierte und glatte Oberfläche zu schaffen.
Entsprechend ist in den Schritten 101 bis 104 ein entsprechender integraler Rotor bzw. eine TBlisk gebildet worden.
Diese integrale Turbinenrotoreinheit wird im Schritt 105 für die Beschichtung vorbereitet, wobei die Bereiche, die beschichtet werden sollen, einer entsprechenden Oberflächenvorbereitung unterzogen werden. Gleichzeitig können die Bereiche, die nicht beschichtet werden sollen, beispielsweise außerhalb des Schaufelblattes, insbesondere im Bereich des Schaufelfußes, entsprechend maskiert werden, so dass durch die Maskierung verhindert wird, dass diese Bereiche ebenfalls beschichtet werden.
Nach diesen vorbereitenden Maßnahmen für die Beschichtung wird dann im Schritt 106 die Beschichtung der Schaufeln, insbesondere der Schaufelblätter, durch entsprechende Niedertemperaturverfahren durchgeführt, so dass das in der Scheibe eingestellte Gefüge nicht beeinträchtigt oder verändert wird, in dem es eine unzulässige Temperaturbehandlung erfährt.
Als mögliche Niedertemperaturbeschichtungsverfahren kommen insbesondere Verfahren der physikalischen Dampfphasenabscheidung (Physical Vapor Deposition PVD) zum Einsatz, die bei niedrigen Temperaturen im Bereich von ≤ 350°C, insbesondere ≤ 250°C betrieben werden können. Entsprechend kann das Niederdruckplasmaspritzen (Low Pressure Plasma Spraying LPPS) oder das Hochgeschwindigkeitsspritzen (High Velocity Oxy-Fuel Coating HVOF) bzw. das kinetische Kaltgasspritzen (kinetisches Kaltgaskompaktieren K3) eingesetzt werden, wobei insbesondere bei den beiden letzten Verfahren durch die hohen Geschwindigkeiten, mit denen das Beschichtungsmaterial auf die zu beschichtende Oberfläche beschleunigt wird, niedrige Prozesstemperaturen eingestellt werden können. Darüber hinaus können auch durch Schlickerverfahren, wie insbesondere Schlickergussverfahren, Schichten aufgebracht werden.
Neben den Aluminium- bzw. Alitierschichten, insbesondere in Verbindung mit Platinanteilen, können Schichten des Typs MCrAlY aufgebracht werden, wobei M für das Basismaterials aus Nickel oder Kobalt steht. Derartige Schichten mit hohem Chrom- und Aluminiumanteil bieten ebenfalls sehr gute Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit. Insbesondere das Niederdruckplasmaspritzen, das Hochgeschwindigkeitsspritzen und das kinetische Kaltgaskompaktieren sowie die anorganischen Schlickerverfahren bieten sich zur Abscheidung von MCrAlY-Schichten an.
Nach dem Aufbringen der Oxidations- und/oder Korrosionsschutzschicht im Schritt 106 kann bei Bedarf für die Turbinenbauteile, die besonders hohen Temperaturen ausgesetzt sind, eine Wärmedämmschicht aus Keramik, insbesondere Yttrium stabilisiertem Zirkonoxid mittels Plasmaspritzen oder Elektronenstrahldampfphasenabscheidung aufgebracht werden. Auch ist es möglich, hier wiederum eine Haftvermittlerschicht, beispielsweise aus Aluminiumoxid, vorzusehen.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der darstellten Ausführungsformen detailliert beschrieben worden ist, sind Änderungen und Abwandlungen möglich ohne den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche zu verlassen. Insbesondere können einzelne vorgestellte Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen der vorgestellten Merkmale vorgenommen werden. Insbesondere offenbart der vorliegende Text sämtliche Kombinationen aller vorgestellter Merkmale.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102006033299 A1 [0005]
- DE 102006033297 A1 [0005]
- US 2005/0271512 A1 [0005]
- EP 0666407 B1 [0006]
- EP 1754801 [0023]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer integralen Turbinen-Schaufel-Scheiben-Einheit (20) für eine Gasturbine, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer integralen Turbinen-Schaufel-Scheiben-Einheit (20) mit einer Scheibe (21) aus einer Ni-Basis-Superlegierung und mindestens einer stoffschlüssig an der Scheibe angeordneten Turbinenschaufel (22); und b) Beschichten von zumindest einem Teil der Oberfläche der Schaufel (22) der Turbinen-Schaufel-Scheiben-Einheit (20) mittels eines Niedertemperatur-Beschichtungsverfahrens mit einer Oxidations- und/oder Korrosionsschutzschicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beschichtenden Teile der Oberfläche einer Oberflächenvorbereitung unterzogen und/oder nicht zu beschichtende Teile maskiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Niedertemperatur-Beschichtungsverfahren bei Temperaturen kleiner oder gleich 350°C, insbesondere kleiner oder gleich 250°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Niedertemperatur-Beschichtungsverfahren ausgewählt ist aus der Gruppe, die umfasst: Niedertemperatur-PVD (physical vapour deposition (physikalische Dampfphasenabscheidung), Niederdruckplasmaspritzen (LPPS (low Pressure Plasma spraying)), Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF (high velocity oxy-fuel coating)), kinetisches Kaltgasspritzen, Schlickerbeschichtung und Schlickergießverfahren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinen-Schaufel-Scheiben-Einheit durch Formen aus einem einstückigen Werkstück oder durch stoffschlüssiges Fügen einer Scheibe mit mindestens einer Turbinenschaufel gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung einer integralen Turbinen-Schaufel-Scheiben-Einheit (20) für eine Gasturbine, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer Scheibe (21) aus einer Ni-Basis-Superlegierung; b) Bereitstellen mindestens einer Turbinenschaufel (22) zur Verbindung mit der Scheibe zur Bildung einer integralen Turbinen-Schaufel-Scheiben-Einheit; c) Beschichten mindestens eines Teils der Oberfläche der Turbinenschaufel mit einer Oxidations- und/oder Korrosionsschutzschicht; und d) stoffschlüssiges Fügen der beschichteten Turbinenschaufel mit der Scheibe zu der integralen Turbinen-Schaufel-Scheiben-Einheit.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das stoffschlüssige Fügen durch mindestens ein Verfahren aus der Gruppe durchgeführt wird, welche umfasst: Schweißen, Elektronenstrahlschweißen, Laserschweißen, Reibschweißen und Löten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Scheibe und Schaufel mindestens ein Fügeadapter vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fügenaht (24) und/oder umliegende Bereiche zwischen Scheibe und Schaufel oder Schaufel und/oder Scheibe einerseits und einem Fügeadapter andererseits durch Span abhebende Bearbeitungsverfahren und/oder elektrochemische Bearbeitung und/oder Erodieren bearbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel aus mindestens einem Material gefertigt ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die umfasst: gegossene polykristalline Ni-Basis-Superlegierung, gegossene gerichtet er starrte Ni-Basis-Superlegierung, einkristalline Ni-Basis-Superlegierung, intermetallische Verbindungen, Titanaluminide, Silizide, Niob-Silizide, Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe, Faser-Verbundwerkstoffe, keramische Faser-Verbundwerkstoffe.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel vor dem Fügen mit der Scheibe im Fügebereich bearbeitet, insbesondere Oberflächen bearbeitet und/oder Span abhebend bearbeitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidations- und/oder Korrosionsschutzschicht mehrschichtig ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidations- und/oder Korrosionsschutzschicht mindestens eine Schicht und/oder Komponente umfasst, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die umfasst: Platin, Aluminium, Alitierschicht und MCrAlY-Schicht mit M gleich Co oder Ni.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidations- und/oder Korrosionsschutzschicht zusätzlich als Haftvermittlerschicht für eine Wärmedämmschicht eingesetzt wird und/oder eine zusätzliche. Haftvermittlerschicht zwischen Oxidations- und/oder Korrosionsschutzschicht einerseits und Wärmedämmschicht andererseits aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmedämmschicht mittels Plasmaspritzen oder Elektronenstrahldampfphasenabscheidung aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht Zirkonoxid oder Yttrium stabilisiertes Zirkonoxid umfasst.
Turbinen-Schaufel-Scheiben-Einheit für eine Gasturbine, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer geschmiedeten oder pulvermetallurgisch hergestellten Scheibe (21) aus einer Ni-Basis-Superlegierung mit mindestens einer stoffschlüssig an der Scheibe angeordneten Schaufel (22), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Teile der Schaufel mit einer Oxidations- und/oder Korrosionsschutzschicht versehen sind, wobei keine Wärmeeinflusszone im schaufelnahen Bereich der Scheibe ausgebildet ist.