DE3724626A1

DE3724626A1 - Beschichtete schaufel fuer dampfturbinen und hierfuer anzuwendendes beschichtungsverfahren

Info

Publication number: DE3724626A1
Application number: DE19873724626
Authority: DE
Inventors: Tetsuyoshi Wada; Yoshikiyo Nakagawa; Katsuyasu Hananaka; Masayuki Umehara; Michio Nakamura; Hiroaki Osaki; Shigekuni Katsuta; Masaaki Hatano
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1986-07-31
Filing date: 1987-07-22
Publication date: 1988-02-04

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaufel für Dampfturbinen, und insbesondere beschichtete oder mit einem Überzug versehene Dampfturbinenschaufeln, die gegenüber Abtragung oder Erosion durch abfallenden Dampf eine verbesserte Beständigkeit und Widerstandsfähigkeit besitzten. Darüber hinaus betrifft sie auch ein Verfahren zum Bilden des Überzugs auf einer Schaufel für Dampfturbinen.

Bisher wurden Dampfturbinenschaufeln gewöhnlich aus rostfreiem Stahl mit einem Gehalt von 13% Cr wie JIS SUS410Jl gefertigt. Es zeigten sich jedoch bei ihnen des öfteren Erosionserscheinungen durch Dampfdrainung. Dampf erfährt, wenn er der Hochdruckseite einer Dampfturbine unter Druck zugeführt wird, eine Reihe von Energieumwandlungen, d. h. eine Umwandlung des Drucks und der Wärmeenergie in Geschwindigkeitsenergie, die dann nach Einwirkung auf die Schaufeln in den nachfolgenden Stufen Drehenergie erzeugt. Schließlich wird der Dampf durch die Niederdruckseite und den Auslaß abgeführt. Nach der Energieumwandlung nimmt der Druck und die Temperatur des die Endstufe der Schaufeln erreichenden Dampfes ab und wird zu Abdampf enthaltender Satt- oder Naßdampf. Der abfallende Dampf oder Abdampf trifft auf die Schaufeln auf und verursacht dabei ein Erodieren der Schaufeloberfläche.

Ein herkömmliches Mittel, ein solches Erodieren zu verhindern, bestand bisher darin, durch Schweißlöten eine Platte einer Anti-Erosionslegierung (Co-Cr-W) an der Schaufel an dem Teil anzubringen, der erodierungsgefährdet ist. Dieses Vorgehen weist jedoch folgende Nachteile auf.

(1) Nach diesem Lötverfahren wird das Schweißen der Legierung auf Co-Basis an das Grundmaterial (13% Cr rostfreier Stahl) der Schaufel durch Schmelzen eines Lötmittels erreicht, das eine Legierung aus Ag, Cu, Zn, Cd oder dgl. bildet. Durch das Schweißen kommt es zum Legieren unähnlicher Metalle, was zu Fehlern im Material führt, z. B. als Absonderung. Durch derartige Fehler wird die Dauerfestigkeit der Schaufeln verringert, was wiederum zu einer einschneidenden Einschränkung bei der Ausführung der Schaufeln führt.
(2) Das Löten muß dabei von Hand ausgeführt werden. Es ist somit sehr arbeitsaufwendig. Darüber hinaus wird jedoch durch die Bearbeitung von Hand üblicherweise keine gleichförmige Güte erzielt.

Um die vorstehend angeführten Nachteile auszuräumen, wurde ein Verfahren zur Beschichtung der Schaufeloberfläche durch Vakuumauftrag wie Ionplating mit verschleiß- und erosionsfester Keramik vorgeschlagen. Von den Erfindern wurde dieses Verfahren auf seine Anwendbarkeit überprüft, indem durch Ionplating die Oberfläche aus 13% Cr rostfreiem Stahl mit TiN beschichtet und der derart aufgetragene Film im Hinblick auf seine Erosionsfestigkeit ausgewertet wurde. Es zeigte sich dabei, daß der Keramiküberzug von hoher Härte und erhöhter Verschleißfestigkeit der herkömmlichen Legierung auf Co-Basis an Erosionsfestigkeit vergleichbar war, daß sich jedoch in den meisten der Tests der aufgetragene Film teilweise abschälte und von den freigelegten Stellen die Erodierung weiter fortschritt. Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß die Keramikbeschichtung hinsichtlich Wirksamkeit und Gleichförmigkeit weitgehenden Schwankungen ausgesetzt ist.

Die Gründe für diese Erscheinung wurde von den Erfindern untersucht. Die Untersuchung führte zu den folgenden Ergebnissen:

Die Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht im Schnitt der Schaufeloberfläche mit dem Keramikauftrag auf der maschinell endbearbeiteten Oberfläche. Hierbei steht die Bezeichnung R max für die maximale Rauhtiefe des Grundmaterials. Der in µm gegebene Wert von R max bezeichnet im allgemeinen die Rauhtiefe (in der Praxis wird S anstelle von µm verwendet). In der Erfindung wird R max als primäre Oberflächenrauheit oder Rauhtiefe definiert. Die von den Erfindern zur Untersuchung verwendeten Proben weisen eine primäre Rauhtiefe (R max) von 2 S bis 12 S auf. Die Rauhtiefe ist etwa gleich der der maschinell endbearbeiteten Schaufel. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet in Fig. 4 das Grundmaterial aus 13% Cr rostfreiem Stahl. Auf der Oberfläche des Grundmaterials befinden sich auf der Bearbeitungsfläche kleine Fehlstellen oder Riefen wie Verwölbungen 2, scharfe Vorsprünge 3 und Kleinstrisse 4 zusätzlich zu der oben angeführten Rauhtiefe (R max), die auf die Gleitreibung im Laufe der maschinellen Fertigbearbeitung zurückzuführen sind. Hier werden diese Oberflächenriefen als sekundäre Oberflächenrauheit definiert. Dasselbe ist besser ersichtlich aus Fig. 5, die eine gegenüber der Fig. 4 vergrößerte Ansicht der Oberfläche des Grundmaterials darstellt.

Auch wenn die mit unzähligen Riefen versehene Bearbeitungsfläche mit einem harten Keramikfilm 5 überzogen ist, wie dies Fig. 4 zeigt, schält sich der aufgetragene Film 5 ab, wenn die Schaufeln von abfallendem Dampf getroffen werden, weil die aufgetragene Schicht 5 eine hohe Steifigkeit besitzt und gegen Verformung resistent ist, wogegen die Riefen auf der Bearbeitungsfläche wie Verwölbungen, scharfe Vorsprünge und Kleinstrisse 4, die die sekundäre Rauheit darstellen, durch Kräfte von außen leicht verformt werden. Mit anderen Worten, der Verformungsunterschied zwischen dem Keramikauftrag 5 von hoher Steifigkeit und dem weniger starren Grundmaterial 1 führt zum Abschälen des Keramiküberzugs 5, worauf dann die Abtragung oder Erodierung folgt. Zu allem Übel ist der Auftrag nicht gleichförmig wirksam, da die Anzahl und die Verteilung der Riefen auf der bearbeiteten Oberfläche von einem Grundmaterial zum anderen variiert.

Die Grundmaterialoberfläche mit ihren unzähligen Unregelmäßigkeiten wird durch Entfetten oder Ionenbeschuß vor der Beschichtung nicht vollständig gereinigt. Aus diesem Grunde neigt sie dazu, weniger aktiv als die hochglanzpolierte glatte Oberfläche zu sein. Bei der Verwendung von rostfreiem Stahl ist die Oberfläche mit einem sich im passiven Zustand befindlichen inaktiven Film bedeckt. Wird nun eine derart inaktive Oberfläche unmittelbar mit chemisch wirkungsloser Keramik beschichtet, die Metallen unähnlich ist, so schält sich der aufgetragene Überzug wegen der geringen Affinität und der schlechten Haftfestigkeit von Überzug und Grundmaterial leicht ab.

Um dieses Problem zu lösen, wurde, wie bisher üblich, die Oberfläche durch zeitaufwendiges Glanzschleifen poliert, bis R max etwa auf die Größenordnung von 0,2 S gemäß Fig. 6 verringert wurde. Eine derart glatte Oberfläche sorgt für eine günstige Haftung des aufgetragenen Films sowie für eine verbesserte und gleichförmige Erosionsfestigkeit. Der Nachteil einer solchen Maßnahme besteht darin, daß ein großer Arbeitsaufwand notwendig ist, die Oberfläche bis auf eine R max Rauhtiefe von 1-0,2 S glattzuschleifen. Aus diesem Grunde kann diese Maßnahme praktisch nicht für Turbinenschaufeln von komplizierter Ausformung für große Stückzahlen in wirtschaftlichem Rahmen angewendet werden.

Zur Lösung der vorstehenden bei herkömmlichen Dampfturbinenschaufeln auftretenden Probleme wird erfindungsgemäß folgendes vorgeschlagen:

Bei der neuartigen Schaufel für Dampfturbinen und dem Verfahren zu dessen Herstellung weist die Schaufeloberfläche einen Filmüberzug von hoher Haftfestigkeit und Erosionsfestigkeit auf, der auch bei auftreffendem abfallendem Dampf sich nur selten abschält.

Als erstes Merkaml der Erfindung wird eine mit einem Überzug versehene Dampfturbinenschaufel geschaffen, die aus der eigentlichen Schaufel besteht und einen einschichtigen Überzug aus harter verschleißfester Keramik oder einen mehrschichtigen Überzug aufweist, der aus einer Unterschicht eines aktiven Metalls wie Cr und Ti und aus einer aus Keramik durch Ionplating gebildeten Deckschicht besteht.

Als zweites Merkmal der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen zur Beschichtung einer Dampfturbinenschaufel, nach dem die Schaufeloberfläche fertigbearbeitet wird, bis die Rauhtiefe der Oberfläche auf R max 1-2 S verringert ist, und nach dem durch Ionplating ein einschichtiger oder mehrschichtiger Überzug aus Keramik gebildet wird.

Als drittes Merkmal der Erfindung wird ein Verfahren zur Beschichtung einer Dampfturbinenschaufel geschaffen, nach dem die Schaufeloberfläche fertigbearbeitet wird, bis die Riefen auf der Bearbeitungsfläche, die die sekundäre Oberflächenrauheit darstellen, entfernt sind, und nach dem durch Ionplating ein einschichtiger oder mehrschichtiger Überzug aus Keramik gebildet wird.

Als viertes Merkmal der Erfindung wird ein Verfahren zur Beschichtung einer Dampfturbinenschaufel geschaffen, nach dem auf der Schaufeloberfläche durch Ionnitrierung oder Ionkarburierung eine harte Schicht gebildet und nach dem hiernach durch Ionplating ein einschichtiger oder mehrschichtiger Überzug aus Keramik gebildet wird.

Weitere Merkmale der Erfindung und deren technische Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Hierbei zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt, der einen Überzugsfilm zeigt, der auf der Oberfläche der Schaufel aufgetragen ist, die bis auf eine erfindungsgemäße Rauhtiefe von 1 bis 2 S oberflächenbearbeitet ist,

Fig. 2 einen Schnitt, der einen Überzugsfilm zeigt, der auf der gewöhnlichen oder normalen rauhen Oberfläche der Schaufel aufgetragen ist, wobei die sekundäre Rauheit erfindungsgemäß entfernt wurde,

Fig. 3 einen Schnitt, der einen Überzugsfilm zeigt, der auf einer harten Schicht aufgetragen ist, die durch Ionnitridieren oder Ionkarburieren nach der Erfindung gebildet wird, wobei die Ausbildung eines derartigen Überzugs vorgenommen wird, wenn die Schaufeloberfläche eine Rauheit aufweist, die normal oder feiner als normal ist,

Fig. 4 einen Schnitt, der einen Überzugsfilm zeigt, der auf einer normalen Schaufeloberfläche aufgetragen ist, die die primäre und sekundäre Oberflächenrauheit aufweist,

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht eines Schnitts eines Teils des Überzugsfilms der Fig. 4,

Fig. 6 einen Schnitt, der einen normalen Überzugsfilm zeigt, der eine hohe Haftfestigkeit besitzt,

Fig. 7 eine Prinzipskizze des angewandten Erosionstests zur Auswertung der Leistungsfähigkeit des nach der Erfindung aufgetragenen Überzugs,

Fig. 8 eine graphische Darstellung, aus der die Erosionsfestigkeit der beschichteten Schaufeln des Beispiels 1 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 hervorgeht,

Fig. 9 eine graphische Darstellung, aus der die Dauerfestigkeit der beschichteten Schaufeln des Beispiels 1 und der Vergleichsbeispiele 1 und 2 hervorgeht,

Fig. 10 eine graphische Darstellung, aus der die Erosionsfestigkeit der beschichteten Schaufeln der Beispiele 2 bis 4 und der Vergleichsbeispiele 5 und 6 hervorgeht,

Fig. 11 (A), (B), (C) und (D) Mikrophotos der Oberflächen vor dem Beschichten der Beispiele 2 bis 4 und des Vergleichsbeispiels 5,

Fig. 12 eine graphische Darstellung, aus der die Erosionsfestigkeit der beschichteten Schaufeln der Beispiele 5 bis 8 und der Vergleichsbeispiele 7 und 8 hervorgeht, und die

Fig. 13 zeigt eine graphische Darstellung, aus der die Dauerfestigkeit der beschichteten Schaufeln der Beispiele 5 und 6 und der Vergleichsbeispiele 7 und 8 hervorgeht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen im einzelnen beschrieben.

(1) Einstellen der Oberflächenrauheit des Grundmaterials der Schaufel

(i) Vor dem Beschichten wird die Oberfläche des Grundmaterials 1 bearbeitet, so daß die primäre Oberflächenrauheit auf einen Wert von R max = 1-2 S verringert ist. Hiernach wird die Oberfläche des Grundmaterials durch Ionplating mit einem einschichtigen Überzug beschichtet, oder auf ihr wird ein mehrschichtiger Überzug durch Ionplating aufgetragen, der aus einer Unterschicht aus aktivem Metall und einer Deckschicht aus Keramik besteht. Nach diesem Verfahren ist die Oberflächenrauheit des Grundmaterials 1 kleiner als die im herkömmlichen Fall (R max 5-10 S). Demzufolge wird die sekundäre (in den Fig. 4 und 5 gezeigte) Oberflächenrauheit, die auf Riefenbildung bei der Oberflächenbearbeitung zurückzuführen ist und sich bei abfallendem Dampf schädlich auswirkt, ebenfalls verringert, was zu einer erhöhten Haftfestigkeit der aufgetragenen Schicht führt.
(ii) Für den Fall, daß das Grundmaterial wie im herkömmlichen Fall eine Oberflächenrauheit von R max 5-10 S aufweist, wird das Grundmaterial oberflächenbearbeitet, so daß die sekundäre Oberflächenrauheit vor der Beschichtung größtenteils entfernt ist. Hiernach wird, wie unter (i) oben, die Oberfläche des Grundmaterials durch Ionplating mit einem ein- oder mehrschichtigen Überzug versehen. Hierbei hat das Grundmaterial eine gegenüber (i) gröbere primäre Oberflächenrauheit. Es kommt in diesem Falle jedoch gegenüber (i) zu einer höheren Haftfestigkeit, weil die sekundäre Oberflächenrauheit größtenteils entfernt ist.

(2) Härten der Oberfläche des Schaufelgrundmaterials

Ungeacht dessen, daß die Grundmaterialoberfläche eine primäre Oberflächenrauheit von R max 5-10 S, wie bei herkömmlichen Schaufeln, besitzt oder daß die Grundmaterialoberfläche wie unter (i) oberflächenbehandelt wird, wird die Oberfläche des Grundmaterials vor dem Auftragen des Keramiküberzugs durch Ionnitrierung oder Ionkarburieren gehärtet. Fig. 3 zeigt die auf diese Weise ausgebildete harte Schicht 6. Der ein- oder mehrschichtige Keramiküberzug 5 wird auf der harten Schicht 6 in derselben Weise gebildet, wie sie vorstehend erwähnt wurde. Die harte Schicht verhindert, daß die Schaufeloberfläche durch abfallenden Dampf verformt wird und daß die Unterschiede in der Verformung zwischen der Überzugsschicht und der Grundmaterialoberfläche auf ein Minimum zurückgeführt werden. Hierdurch wird das Abschälen der Überzugsschicht auf ein äußerstes Maß verringert.

Wie unter (1) und (2) ausgeführt, besitzt die mit dem Überzug versehene Schaufel nach der Erfindung einen einschichtigen Keramiküberzug oder einen mehrschichtigen Überzug, der sich zusammensetzt aus einer Unterschicht aus aktivem Metall und einer Deckschicht aus Keramik. Der einschichtige Keramiküberzug wird eine hinreichende Haftfestigkeit aufweisen, wenn das Grundmaterial eine aktive Oberfläche besitzt.

Demgegenüber ist der mehrschichtige Überzug in dem Fall erforderlich, wenn als Grundmaterial rostfreier Stahl verwendet wird, auf dessen Oberfläche sich ein inaktiver Film im passiven Zustand befindet, oder das Grundmaterial besitzt eine inaktive Oberfläche wie niedriglegierter Stahl, der oxidierendes Metall enthält. Die inaktive Oberfläche wird durch Unterbeschichtung mit einem aktiven Metall wie Cr und Ti aktiviert. Die Unterschicht ergibt für den Keramiküberzug eine hohe Haftfestigkeit.

Im nachstehenden wird das Verfahren zum Einstellen oder Zurechtmachen der Oberflächenrauheit des Grundmaterials beschrieben. In dem oben angeführten Fall (1)-(i) wird die Oberfläche poliert, bis die Oberflächenrauheit den Wert R max 1-2 S erreicht. Dieses Polieren oder Schleifen wird durchgeführt, indem ein Schleifleinentuch oder eine Schleifbürste verwendet wird, das bzw. die Schleifkörner mitführt, wodurch die Oberflächenrauheit nicht mehr als notwendig verringert wird, oder indem unter geeigneten Bedingungen (Stromdichte, Dauer, Temperatur und Elektrolyt) ein elektrolytischer Schleifvorgang durchgeführt wird. Der Glanzschleifarbeit kann ein Grobschleifen mit Sand- oder Schleifpapier oder dgl. bis auf etwa R max 3 S vorangehen.

Der vorstehend erwähnte Polier- oder Schleifvorgang (1)-(ii) ist anwendbar in dem Fall, wenn die Schaufeloberfläche eine Oberflächenrauheit von R max 5- 10 S oder R max 2-5 S besitzt. Wie beim vorbeschriebenen Vorgang (1= -(i) wird das Polieren oder Schleifen unter Verwendung eines Schleifleinentuchs oder einer Schleifbürste, von den Schleifkörner mitgeführt werden, oder durch elektrolytisches Schleifen unter geeigneten Bedingungen durchgeführt, so daß die Oberflächenrauheit schließlich auf R max 1-2 S verringert wird. Die sich ergebende glanzgeschliffene Oberfläche besitzt eine primäre Rauheit von R max 1-2 S, wobei die sekundäre Rauheit offensichtlich entfernt ist. Die Wirkung des Oberflächenglanzschleifens wird in den folgenden Vergleichsbeispielen behandelt.

Die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Überzugsfilms wurde im Erosionstest ausgewertet. Das Testverfahren ist in Fig. 7 dargestellt. Das Probestück 7 besitzt eine Überzugsoberfläche 9 mit einem Durchmesser von 15 mm. Sie ist auf die gewünschte Oberflächenrauheit glattgeschliffen und durch Ionplating mit einer einzigen Schicht aus TiN oder mit einem mehrschichtigen Überzug versehen, der sich zusammensetzt aus einer Unterschicht aus Cr oder Ti und einer Deckschicht aus TiN durch Ionplating. Das Probe- oder Teststück 7 liegt am Ultraschalltrichter 8, durch den die Schwinkungsenergie übertragen wird. Es ist so positioniert, daß die Überzugsoberfläche 9 etwa 2 mm unter die Wasseroberfläche untergetaucht ist. Die Ultraschallwelle F mit einer Frequenz von 18,5 kHz und einer Amplitude von 25 µm wird an den Trichter 8 gegeben. Durch die Schwingungsenergie werden zahlreiche Luftblasen sowie Strahlströme im Wasser erzeugt, was die Erosion der Überzugsoberfläche 9 bewirkt. Die Erosionsfestigkeit wurde ausgewertet, indem der Gewichtsverlust nach der Beaufschlagung mit der Ultraschallwelle während einer vorgeschriebenen Zeitspanne gemessen wurde. Das Probestück nach der Erfindung wurde mit dem eine herkömmliche Schaufel darstellenden Probestück mit einer Oberflächenrauheit von R max 5-10 S, einem Probestück mit Hochglanzpolitur von R max 0,2 S und einem Probestück verglichen, das mit einer erosionsfesten Legierung auf Kobaltbasis überzogen ist und eine Oberflächenrauheit von R max 1-3,2 S aufweist. Sämtliche Probestücke wurden aus rostfreiem Stahl JIS SUS410Jl für Schaufeln gefertigt.

Die Fig. 8 gibt die Ergebnisse des Erosionstests wieder. Hierbei wurde das Probestück des Vergleichsbeispiels 1 aus einem Grundmaterial mit einer Oberflächenrauheit von R max 6 S gefertigt, die mit der von einer herkömmlichen Schaufel identisch ist. Das Probestück des Vergleichsbeispiels 2 wurde aus einem Grundmaterial mit einer Oberflächenrauheit von R max 3,2 S gefertigt. Das Probestück des Vergleichsbeispiels 3 wurde aus einem Grundmaterial mit einer Oberflächenrauheit von R max 0,2 S gefertigt. Das Probestück des Beispiels 1 wurde aus einem Grundmaterial mit einer Oberflächenrauheit von R max 1-2 S gefertigt. Jedes dieser Probestücke wurde mit einem einschichtigen Überzug eines 3,5 µm dicken TiN-Films oder mit einem mehrschichtigen Überzug versehen, der aus einer 10 µm dicken Unterschicht aus Cr oder Ti und einer 3,5 µm dicken Deckschicht aus TiN besteht. Das Probestück in Vergleichsbeispiel 4 wurde mit einer Legierung auf Kobaltbasis überzogen und besitzt eine Oberflächenrauheit von R max 1-3,2 S.

Aus der Fig. 8 ist ersichtlich, daß das Probestück in Vergleichsbeispiel 1 den größten Gewichtsverlust erfahren hat, gefolgt von dem Probestück des Vergleichbeispiels 2, wobei einige Daten überlappen. Das Probestück von Beispiel 1 mit entweder einem ein- oder mehrschichtigen Überzug hat dabei einen sehr geringfügigen Gewichtsverlust erfahren. Es ist den Probestücken der Vergleichsbeispiele 3 und 4 vergleichbar. Hierbei stellt sich beim einschichtigen Überzug oder bei dem mehrschichtigen Überzug bestehend aus der Unterschicht aus Cr oder Ti und einer Deckschicht aus TiN eine deutliche Wirkung ein, wenn das Grundmaterial eine Oberflächenrauheit von R max 6 S oder R max 3,2 S aufweist, in welchem Falle der Gewichtsverlust breit gestreut oder verteilt ist. Nach den statistischen Untersuchungen ist der mehrschichtige Überzug im Erosionstest dem einschichtigen Überzug überlegen.

Die Fig. 9 gibt die Dauerfestigkeit der jeweiligen Probestücke von Beispiel 1, Vergleichsbeispiel 1 sowie Vergleichsbeispiel 4 (mit hartgelöteter Legierung auf Kobaltbasis) wieder. Es zeigt sich in diesem Zusammenhang, daß das Probestück von Beispeil 1 die höchste Dauerfestigkeit besitzt, weil es eine glatte Oberfläche hat und frei ist von Fehlern, die auf das Hartlöten eines unähnlichen Metalls zurückzuführen sind.

Die Fig. 10 zeigt das Ergebnis des Erosionstests. Das Grundmaterial für die Probestücke in diesem Test wurde vor dem Auftragen des Überzugs mit Sandpapier, Schleifleinentuch (nichtgewebtes Tuch aus Nylon mit Schleifkörnern) oder einer Schleifkörner mitführenden Nylonbürste geschliffen oder elysiergeschliffen, um die (durch Oberflächenbearbeitung zustandegekommenen Riefen wie Verwölbungen 2, scharfen Vorsprüngen 3 und Mikrorissen 4 der) sekundäre(n) Oberflächenrauheit nach den Fig. 4 und 5 zu entfernen. Das derart geschliffene Grundmaterial wurde, wie Fig. 2 zeigt, mit einem einschichtigen Überzug aus TiN versehen.

Das Probestück von Beispiel 2 wurde aus einem Grundmaterial gefertigt, das mit Sandpapier auf eine Oberflächenrauheit von R max 3,2 S geschliffen und danach auf eine Rauheit von R max 1,5 S poliert wurde, um die sekundäre Rauheit mit einem Schleiftuch (aus nichtgewebten und Schleifkörner mitführenden Nylon) zu entfernen. Das Probestück von Beispiel 3 wurde aus einem Grundmaterial gerfertigt, das mit Sandpapier auf eine Oberflächenrauheit von R max 3,2 S geschliffen und danach auf eine Oberflächenrauheit von R max 2 S poliert wurde, um durch leichtes Elysierschleifen die sekundäre Rauheit zu entfernen. Das Probestück von Beispiel 4 wurde aus einem Grundmaterial gefertigt, das mit Sandpapier auf eine Oberflächenrauheit von R max 12 S geschliffen und danach auf eine Oberflächenrauheit von R max 10 S poliert wurde, um die sekundäre Oberflächenrauheit mit einer Schleifkörner mitführenden Nylonbürste zu entfernen. Das Probestück von Vergleichsbeispiel 5 wurde aus einem Grundmaterial gefertigt, das mit Sandpapier auf eine Oberflächenrauheit von R max 12 S geschliffen wurde. Das Probestück von Vergleichsbeispiel 6 wurde aus einem Grundmaterial gefertigt, das durch Glanzschleifen auf eine Oberflächenrauheit von R max 0,2 S poliert wurde. Die in den Beispielen 2 bis 4 verwendeten Probestücke sowie das von Vergleichsbeispiel 5 besitzen die Oberflächenrauheit, wie sie in den elektronischen Aufnahmen der Fig. 11 wiedergeben ist.

Die Ergebnisse des Erosionstests zeigen an, daß die jeweiligen Probestücke der vorgenannten Beispiele in der Erosionsfestigkeit mit dem Probestück vergleichbar sind, das durch Glattschleifen im Vergleichsbeispiel 6 hochglanzpoliert wurde. Es ist anzumerken, daß das Probestück von Beispiel 4 trotz seiner groben Oberflächenrauheit eine verbesserte Leistungsfähigkeit besitzt. Übrigens erfuhr der Überzug von Vergleichsbeispiel 5 mehr als die anderen Überzüge einen größeren Gewichtsverlust. Es war auch in seiner Haftung schwankend und unterschiedlich.

Die Fig. 12 zeigt die Ergebnisse des durchgeführten Erosionstests unter Verwendung der Probestücke, die - wie anhand von Fig. 3 bereits erläutert - einen mehrschichtigen Überzug aufweisen, der sich zusammensetzt aus einer auf dem Grundmaterial durch Ionnitri erung oder Ionkaburierung gebildeten Unterschicht und einer auf der Unterschicht gebildeten Deckschicht.

Das Probestück von Beispiel 5 besitzt eine (etwa 2,2 µm tiefe) Oberflächenschicht, die durch Ionnitrierung auf dem Grundmaterial mit einer Oberflächenrauheit von R max 1,6 S und einer 3 µm dicken, durch Ionplating gebildeten Deckschicht aus TiN gebildet ist. Das Probestück von Beispiel 6 besitzt eine (etwa 2,0 µm tiefe) Oberflächenschicht, die durch Ionkarburieren auf dem Grundmaterial mit einer Oberflächenrauheit von R max 1,6 S und einer 3 µm dicken, durch Ionplating gebildeten Deckschicht aus TiN gebildet ist. Das Probestück von Beispiel 7 besitzt eine (etwa 0,8 µm tiefe) Oberflächenschicht, die durch Ionnitrierung auf dem Grundmaterial mit einer Oberflächenrauheit von R max 1,6 S und einer 3 µm dicken, durch Ionplating gebildeten Deckschicht aus TiN gebildet ist. Das Probestück von Beispiel 8 besitzt eine (etwa 1,2 µm tiefe) Oberflächenschicht, die durch Ionnitrieren auf dem Grundmaterial mit einer Oberflächenrauheit von R max 1,6 S und einer 3 µm dicken, durch Ionplating gebildeten Deckschicht aus TiN gebildet ist. Das Probestück von Vergleichbeispiel 7 besitzt einen 3 µm dicken Überzug, der durch Ionnitrieren unmittelbar auf dem Grundmaterial mit einer Oberflächenrauheit von R max 1,6 S gebildet ist (es entspricht dem Probestück von Beispiel 1 in Fig. 8). Das Probestück von Vergleichsbeispiel 8 besitzt einen etwa 3 µm dicken Überzug, der unmittelbar auf dem hochglanzpollierten Grundmaterial mit einer Oberflächenrauheit von R max 0,2 S gebildet ist.

Aus der Fig. 12 ist zu entnehmen, daß die Probestücke der Beispiele 5 und 6 eine sehr gute Erosionsfestigkeit aufweisen. Sie weisen mit anderen Worten die Wirkung der Oberflächenschicht aus, die durch Ionnitrieren oder Ionkarburieren gebildet wurde und die eine Tiefe besitzen, die größer ist als die Oberflächenrauheit R max des Grundmaterials. Die Probestücke der Beispiele 7 und 8 liegen gegenüber denen der Beispiele 5 und 6 in ihrer Erosionsfestigkeit geringfügig ungünstiger, da erstere eine dünnere Nitridschicht besitzen als letztere. Dennoch sind sie besser als das von Vergleichsbeispiel 8, das die fehlerfreie hochglanzpolierte Oberfläche aufweist. Hierdurch wird der Nachweis der Wirkung der durch Ionnitrierung gebildeten Schicht erbracht.

Die Fig. 13 zeigt die Ergebnisse des Dauerfestigkeitstests, das mit den Probestücken der Beispiele 5 und 6 sowie der Vergleichsbeispiele 7 und 8 durchgeführt wurde. Durch ihn wird der Nachweis erbracht, daß die Probestücke der Beispiele eine bessere Dauerfestigkeit aufweisen.

In den vorgenannten Beispielen wurde die Beschreibung spezifisch auf die Probestücke abgestellt, die einen Keramiküberzug aus TiN besitzen. Derselbe Effekt wurde erzielt, obgleich TiN durch andere harte, verschleißfeste Keramiken wie Nitrid und Carbid des Cr, Si, B usw. ersetzt wurde.

Anhand der vorgenannten Beispiele wird bewiesen, daß der einschichtige oder der mehrschichtige Keramiküberzug auf der Schaufeloberfläche eine erhöhte Haftfestigkeit besitzt, wenn die Überzugsoberfläche geringfügig geschliffen und vor dem Aufbringen des Keramiküberzugs mit einer die Oberfläche härtenden Schicht versehen ist. Die auf diese Weise beschichtete Schaufel besitzt eine günstigere Festigkeit gegenüber Erosion durch abfallenden Dampf als eine herkömmliche Schaufel, die durch Hartlöten mit einer Legierung auf Kobaltbasis abgedeckt wurde. Es ist somit offensichtlich, daß durch die Erfindung eine produktive und wirtschaftliche Wirkung erzielt wird.

Claims

1. Mit einem Überzug versehenes Schaufelblatt für Dampfturbinen, das gekennzeichnet ist durch das eigentliche Schaufelblatt und einem einschichtigen Überzug aus harter verschleißfester Keramik oder einem mehrschichtigem Überzug bestehend aus einer Unterschicht aus aktivem Metall wie Cr und Ti und einer Deckschicht aus Keramik, wobei der Keramiküberzug durch Ionplating gebildet wird.

2. Schaufel oder Schaufelblatt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Keramik ein Nitrid oder Carbid aus Ti, Cr, Si, B oder dgl. verwendet wird.

3. Verfahren zum Beschichten einer Schaufel für Dampfturbinen gekennzeichnet durch Oberflächenbehandeln der Schaufeloberfläche bis die Oberflächenrauheit auf R max 1-2 S verringert ist und durch Bilden eines einschichtigen oder mehrschichtigen Überzugs aus Keramik durch Ionplating.

4. Verfahren zum Beschichten einer Schaufel für Dampfturbinen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Keramik ein Ti-, Cr-, Si-, B- oder dgl. Nitrid oder Carbid verwendet wird und daß der mehrschichtige Überzug sich zusammensetzt aus einer Unterschicht aus aktivem Metall wie Cr und Ti und einer Deckschicht aus der angegebenen Keramik.

5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, gekennzeichnet durch Behandeln der Schaufeloberfläche bis die durch Formgebung entstandenen Riefen, die die sekundäre Oberflächenrauheit darstellen, entfernt sind und durch Bilden eines einschichtigen oder mehrschichtigen Überzugs aus Keramik durch Ionplating.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Keramik ein Ti-, Cr-, Si-, B- oder dgl. Nitrid oder Carbid verwendet wird und daß der mehrschichtige Überzug aus einer Unterschicht aus aktivem Metall wie Cr und Ti und einer Deckschicht aus Keramik besteht.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch Bilden einer harten Schicht auf der Schaufeloberfläche durch Ionnitrierung oder Ioncarburierung und anschließendem Bilden eines einschichtigen oder mehrschichtigen Überzugs aus Keramik durch Ionplating.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Keramik ein Ti-, Cr-, Si-, B- oder dgl. Nitrid oder Carbid verwendet wird und daß der mehrschichtige Überzug aus einer Unterschicht aus aktivem Metall wie Cr und Ti und einer Deckschicht aus Keramik besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die harte Schicht auf der Schaufeloberfläche derart ausgebildet ist, daß die Tiefe größer ist als die maximale Höhe der Oberflächenrauheit der Schaufel.