DE102012219856A1

DE102012219856A1 - Turbinenschaufel und Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel mit hoher Oberflächenhärte

Info

Publication number: DE102012219856A1
Application number: DE201210219856
Authority: DE
Inventors: Michael Clossen-von Lanken Schulz; Kai Kadau
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2014-04-30
Also published as: WO2014067855A2; WO2014067855A3

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel mit hoher Oberflächenhärte, bei dem zumindest auf einen Abschnitt der Oberfläche der Turbinenschaufel eine Quasikristalle aufweisende Beschichtung aufgebracht wird.

Description

Turbinenschaufeln sind wichtige Bestandteile von Turbomaschinen, zu denen sowohl Kompressoren als auch Gasturbinen und Dampfturbinen zählen. In Abhängigkeit des Einsatzgebiets der Turbinenschaufeln tritt in vielen Fällen Erosion auf, das heißt während des Betriebs erfolgt ein Materialabtrag der Oberfläche. Die Stärke der auftretenden Erosion ist von der Geschwindigkeit der Turbinenschaufeln abhängig, die zum Teil mit Überschallgeschwindigkeit betrieben werden, daneben spielt auch die Art des Strömungsmediums eine große Rolle. Bei der Förderung von Wasser kann Kavitation auftreten. Wenn das Strömungsmedium dampfförmig ist, kann es zu Tropfenschlagerosion kommen, strömende Luft kann andererseits Partikel aufweisen, die ebenfalls Erosion begünstigen können. Darüber hinaus verursachen verschiedene Medien Korrosion an der Oberfläche von Turbinenschaufeln, die mit einem Materialabtrag verbunden ist. Erosion kann auch bei Pumpen oder Wasserkraftwerksanlagen beobachtet werden, da auch dort entsprechende Schaufeln verwendet werden.
Im Rahmen der Auslegung einer Turbinenschaufel wird versucht, diese so zu gestalten, dass Erosion minimiert oder vollständig vermieden wird. Üblicherweise werden Turbinenschaufeln durch Härteverfahren mit einer harten und damit verschleißfesten Oberfläche versehen. Bei metallischen Werkstoffen, die zur Herstellung von Turbinenschaufeln eingesetzt werden, werden Kanten durch konventionelle Härteverfahren mittels Temperaturerhöhung bearbeitet. Allerdings kann auch bei derart gehärteten Turbinenschaufeln nach längerer Betriebsdauer das Auftreten von Erosion beobachtet werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Turbinenschaufeln anzugeben, die weniger anfällig für Erosion sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art vorgesehen, dass zumindest auf einen Abschnitt der Oberfläche der Turbinenschaufel eine Quasikristalle aufweisende Beschichtung aufgebracht wird.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine sehr feste, duktile und korrosionsbeständige Oberfläche erzeugt werden kann, indem eine Beschichtung mit quasikristallinen Verbindungen auf die Oberfläche aufgebracht wird. Quasikristalle zeichnen sich dadurch aus, dass die Atome oder Moleküle in einer geordneten, aber aperiodischen Struktur angeordnet sind. Bei einem normalen Kristall sind die Atome oder Moleküle in einer periodischen Struktur angeordnet, so dass Gitterverschiebungen möglich sind. In einem Quasikristall befinden sich die Atome in einer regelmäßigen Struktur, im globalen Maßstab aber ist die Struktur aperiodisch, jede Zelle ist von einem jeweils anderen Muster umgeben. Man geht davon aus, dass diese quasiperiodische Anordnung für die günstigen Materialeigenschaften verantwortlich ist. Eine Quasikristalle aufweisende Beschichtung zeichnet sich unter anderem durch eine besonders hohe Härte aus, ebenso ist sie duktil sowie korrosionsbeständig und alterungsbeständig. Ein metallischer Werkstoff bzw. eine Metalllegierung kann somit durch eine Quasikristalle aufweisende Beschichtung erheblich hinsichtlich der Werkstoffeigenschaften verbessert werden, so dass sich eine Quasikristalle aufweisende Beschichtung besonders gut für den Einsatz bei Turbinenschaufeln eignet.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass eine ternäre Legierung von Quasikristallen verwendet wird. Ternäre Legierungen umfassen drei verschiedene Legierungselemente. Quasikristalle kommen überwiegend in dreidimensionalen Legierungssystemen vor und bilden eine thermodynamisch stabile Legierung, die die gewünschten günstigen Materialeigenschaften aufweist.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann als Hauptbestandteil der ternären Legierung Aluminium oder Zink oder Cadmium oder Titan verwendet werden. Die Auswahl des jeweiligen Hauptbestandteils richtet sich nach dem beabsichtigten Einsatzzweck und den gewünschten Werkstoffeigenschaften.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können als quasikristalline Phasen insbesondere Verbindungen der folgenden nominalen atomaren Zusammensetzung verwendet werden: Al_wCo_xM_y, wobei M wenigstens ein Element ausgewählt aus der Gruppe Nickel (Ni) und Chrom (Cr) ist und wobei wenigstens 30 Massenprozent der Verbindung als quasikristalline Struktur oder als Approximant vorliegen, wobei gilt: 70 ≤ w ≤ 76 und w + x + y = 100 ist. Zusätzlich kann eine der folgenden Verbindungen als quasikristalline Phase verwendet werden: Al65Cu20Co15; Al70Co10Ni20; Al75Co10Ni15; Al70Pd15Mn15; Al72MgxPd28-x 5 < x < 10; Al62Cu25.5Fe12.5; Zn-Mg-RE Quasikristalle (RE: Selten-Erd-Element); zwölfzählige Quasikristalle, z. B. Tantaltellurid; binäre Quaikristalle wie z. B. RE13Zn58, RECd6, ZnSc, Eu4Cd25, Dy13Zn57, Ca13Cd76; in den zuerst genannten Verbindungen (decagonal QC und icosahedral QC) können die Elemente Ni durch Pd oder Ru ersetzt werden und/oder Co durch Fe oder Mn.
Eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass eine zu beschichtende Oberfläche mit einem Laser angeschmolzen und mit Quasikristallen bestreut oder beschossen wird. Bei diesem Verfahren wird zunächst die Turbinenschaufel auf ein festgelegtes Endmaß bearbeitet, anschließend wird die Oberfläche der Turbinenschaufel erneut angeschmolzen, die angeschmolzenen Stellen werden mit quasikristallinen Zusatzstoffen bestreut oder beschossen. Auf diese Weise wird eine hochwiderstandfähige Oberfläche erhalten.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass die zu beschichtende Oberfläche einer Turbinenschaufel mit Quasikristallen beschossen wird, wobei Größe und Geschwindigkeit der Quasikristalle so gewählt werden, dass die Oberfläche beim Aufprall der Quasikristalle plastisch verformt wird. Die beiden Varianten des Verfahrens können kombiniert werden, indem eine zu beschichtende Oberfläche zunächst mit einem Laser angeschmolzen und anschließend mit Quasikristallen beschossen wird. Durch den Aufprall der Quasikristalle erfolgt eine Kaltverformung der Oberfläche, wobei die Quasikristalle in Partikelform in die Oberfläche eindringen, wodurch diese plastisch verformt wird, dadurch erfolgt eine Kaltverfestigung sowie eine Härtung der Oberfläche. Die Quasikristalle befinden sich anschließend in oberen Schichten des Grundwerkstoffs der Turbinenschaufel.
Als weiteres alternatives Herstellungsverfahren kann die Innenseite einer Gussform für eine Turbinenschaufel vor dem Gießen mit Quasikristallen in Pulverform beschichtet werden. Nach dem Aufbringen der pulverförmigen Quasikristalle können diese vorzugsweise durch eine elektrostatische Kraft an der Gussform gehalten werden. Anschließend wird das flüssige Metall in die mit den Quasikristallen versehene Gussform gegossen, so dass sich die Quasikristalle in oberflächennahen Bereichen der gegossenen Turbinenschaufel befinden. Diese mit Quasikristallen beschichtete bzw. versehene Oberfläche zeichnet sich durch eine erhöhte Härte aus.
Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass eine Schmelze für Turbinenschaufeln mit Quasikristallen versetzt wird. Dabei ist es jedoch wichtig, dass die Schmelze vorzugsweise nicht über den Schmelzpunkt der Quasikristalle erhitzt wird, um eine Beeinträchtigung oder Zerstörung der quasikristallinen Struktur zu vermeiden.
Für alle Verfahrensvarianten gilt, dass entweder ein bestimmter Bereich einer Turbinenschaufel mit den Quasikristallen versehen werden kann oder dass alternativ auch die gesamte Oberfläche einer Turbinenschaufel entsprechend beschichtet wird.
Vorzugsweise wird jedoch zumindest einer der folgenden Abschnitte der Oberfläche einer Turbinenschaufel mit Quasikristallen beschichtet: Kante der Dampfeintrittsseite, Kante der Dampfaustrittsseite, Blattspitze.
Daneben betrifft die Erfindung eine Turbinenschaufel für eine Strömungsmaschine. Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest ein Abschnitt der Oberfläche eine Quasikristalle aufweisende Beschichtung aufweist.
Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel wird vorzugsweise durch ein Verfahren der beschriebenen Art hergestellt.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
1–3 Verfahrensschritte bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
4 eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel in einer perspektivischen Ansicht.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung einer Turbinenschaufel erfolgt zunächst eine Fertigbearbeitung der einzelnen Turbinenschaufeln, die zum Beispiel für eine Niederdruckturbine vorgesehen sein können, auf ein festgelegtes Endmaß. Anschließend werden die zu beschichtenden Oberflächen der Turbinenschaufel mit einem Strahlwerkzeug, in diesem Ausführungsbeispiel mit einem Laser, erneut angeschmolzen.
In 1 ist dargestellt, dass eine Oberfläche 1 einer Turbinenschaufel 2 mit einem Laserstrahl 3 angeschmolzen wird. Die angeschmolzenen Stellen werden mit quasikristallinen Zusatzstoffen 4 bestreut oder beschossen, wie in 2 gezeigt ist. Diese gelangen somit in die erstarrende Oberflächenschmelze und führen dort zu einer graduellen Zunahme an quasikristallinen Zusatzstoffen nahe der so behandelten Oberflächenschicht. 3 zeigt die Oberfläche 1 der Turbinenschaufel 2 mit den eingelagerten quasikristallinen Zusatzstoffen 4.
Aus wirtschaftlichen Gründen werden vorzugsweise solche Abschnitte der Oberfläche der Turbinenschaufel behandelt, die starken erosiven Umweltbedingungen ausgesetzt sind. Bei einer Turbinenschaufel für eine Niederdruckturbine werden die Kanten der Dampfeintrittsseite, die Kanten der Dampfaustrittsseite sowie die Blattspitzen mit Quasikristallen beschichtet.
In diesem Ausführungsbeispiel wird eine ternäre Legierung mit Aluminium als Hauptbestandteil verwendet, die auf die Turbinenschaufel aufgebracht wird.
Ein zweites Ausführungsbeispiel des Verfahrens sieht vor, dass die Oberfläche einer auf Endmaß bearbeiteten Turbinenschaufel mittels eines Lasers angeschmolzen wird, anschließend wird die zu beschichtende Oberfläche mit Quasikristallen beschossen. Größe und Geschwindigkeit der Quasikristalle werden dabei so gewählt, dass die Oberfläche beim Aufprall der Quasikristalle plastisch verformt wird. Auf diese Weise erfolgt eine Kaltverformung (shot peening). Die Aufprallgeschwindigkeit der Quasikristalle wird so hoch gewählt, dass die partikelförmigen Quasikristalle beim Auftreffen auf die Turbinenschaufel eine plastische Verformung und somit eine Kaltverfestigung verursachen. Durch die in die oberen Schichten des Grundwerkstoffs der Turbinenschaufel eindringenden Partikel erfolgt eine Härtung der Oberfläche, durch die ein guter Schutz vor Erosion gewährleistet wird.
Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird die Innenseite einer Gussform für eine Turbinenschaufel vor dem Gießen mit pulverförmigen Quasikristallen beschichtet. Das Anhaften der quasikristallinen Partikel erfolgt dabei elektrostatisch. Anschließend wird das flüssige Metall in die Gussform eingefüllt. Das quasikristalline Pulver dringt von der Oberfläche der Gussform in die oberflächennahen Bereiche der Turbinenschaufel ein, wodurch diese gehärtet werden. Die Gussform kann entweder vollständig oder lediglich in ausgewählten Abschnitten der Oberfläche mit Quasikristallen beschichtet werden.
Gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird eine Schmelze, mit der Turbinenschaufeln gegossen werden, mit Quasikristallen versetzt. Das Zugeben der Quasikristalle erfolgt, wenn die Temperatur der Schmelze unterhalb des Schmelzpunkts der Quasikristalle liegt. Ein Erhitzen der Quasikristalle über ihren Schmelzpunkt muss verhindert werden, da ansonsten die quasikristalline Struktur zerstört wird.
4 zeigt eine Turbinenschaufel 2 in einer perspektivischen Ansicht. Die Turbinenschaufel 2 erstreckt sich von einer Blattwurzel 5 bis zu Deckbändern 6 (shrouds) am entgegengesetzten, äußeren Ende, dazwischen befindet sich ein profilierter Bereich 7. Ein Pfeil 8 gibt den Ort und die Bewegungsrichtung des Dampfeintritts wieder, ein Pfeil 9 zeigt die Richtung des Dampfaustritts an. In 4 sind zwei Abschnitte 10, 11 gestrichelt dargestellt, diese Abschnitte der Oberfläche der Turbinenschaufel 2 weisen eine Quasikristalle aufweisende Beschichtung auf.
Die verschiedenen, anhand der Ausführungsbeispiele erläuterten Varianten des Verfahrens können selbstverständlich auch beliebig miteinander kombiniert werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Turbinenschaufel mit hoher Oberflächenhärte, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest auf einen Abschnitt der Oberfläche der Turbinenschaufel eine Quasikristalle aufweisende Beschichtung aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine ternäre Legierung von Quasikristallen verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Hauptbestandteil der ternären Legierung Aluminium oder Zink oder Cadmium oder Titan verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindung mit der atomaren Zusammensetzung Al_xCo_xM_y als quasikristalline Phase verwendet wird, wobei M wenigstens eines der Elemente aus der Gruppe Nickel (Ni) und Chrom (Cr) ist und wenigstens 30 Massenprozent der Verbindung als quasikristalline Struktur oder als Approximant vorliegen, wobei gilt: 70 ≤ x ≤ 76 und wobei w + x + y = 100 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass eine der folgenden Verbindungen als quasikristalline Phase verwendet wird: Al65Cu20Co15; Al70Co10Ni20; Al75Co10Ni15; Al70Pd15Mn15; Al72MgxPd28-x 5 < x < 10; Al62Cu25.5Fe12.5; Zn-Mg-RE Quasikristalle (RE: Selten-Erd-Element); zwölfzählige Quasikristalle, z. B. Tantaltellurid; binäre Quaikristalle wie z. B. RE13Zn58, RECd6, ZnSc, Eu4Cd25, Dy13Zn57, Ca13Cd76; in den zuerst genannten Verbindungen (decagonal QC und icosahedral QC) können die Elemente Ni durch Pd oder Ru ersetzt werden und/oder Co durch Fe oder Mn.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zu beschichtende Oberfläche mit einem Laser angeschmolzen und mit Quasikristallen bestreut oder beschossen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beschichtende Oberfläche mit Quasikristallen beschossen wird, wobei Größe und Geschwindigkeit der Quasikristalle so gewählt werden, dass die Oberfläche beim Aufprall der Quasikristalle plastisch verformt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite einer Gussform für eine Turbinenschaufel vor dem Gießen mit Quasikristallen in Pulverform beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die pulverförmigen Quasikristalle durch eine elektrostatische Kraft an der Gussform gehalten werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schmelze für Turbinenschaufeln mit Quasikristallen versetzt wird und die Schmelze vorzugsweise nicht über den Schmelzpunkt der Quasikristalle erhitzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der folgenden Abschnitte der Oberfläche einer Turbinenschaufel beschichtet wird: – Kante der Dampfeintrittseite; – Kante der Dampfaustrittseite; – Blattspitze; – Wurzelbereich.
Turbinenschaufel für eine Strömungsmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt der Oberfläche eine Quasikristalle aufweisende Beschichtung aufweist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt ist.