DE3785166T2 - Turbinenschaufel mit metallkeramischer, schleifender schaufelspitze. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Gasturbinentriebwerkslaufschaufel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Gasturbinentriebwerkslaufschaufel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Aufbau von Turbinenlaufschaufeln für Gasturbinentriebwerke, insbesondere auf verschleißbeständige Spitzenteile von solchen Gegenständen.
• In dem Turbinenabschnitt eines Gasturbinentriebwerks sowie in anderen Teilen und in anderen Strömungsmaschinen werden sehr enge Spalte zwischen den schnell umlaufenden Laufschaufeln eines Rotors und der umgebenden Konstruktion des Triebwerksgehäuses erzielt. Gelegentlich werden die Spitzen mit den umgebenden Teilen, die gewöhnlich als Dichtungssegmente oder einfach als Abdichtungen bezeichnet werden, in Berührung kommen. Zum Bewahren der engen Spalte, die für einen effizienten Triebwerksbetrieb notwendig sind, hat die Erfahrung gezeigt, daß das ohne nennenswerten Verschleiß der Laufschaufelspitzen erfolgen muß. Es ist daher eine Technologie entwickelt worden, durch die ein abschleifbares Material auf das innere des Gehäuses aufgebracht wird und die Spitzen der Laufschaufeln verhältnismäßig verschleißbeständig gemacht werden.
• Im Gefolge von höheren Betriebstemperaturen sind die zerreibbaren Metalle, aus denen die Abdichtungen ursprünglich bestanden, durch keramische Materialien ersetzt worden. Obgleich diese Materialien im Vergleich zu monolithischen Keramiken zerreibbar sind, können sie übermäßigen Verschleiß an den Turbinenlauf schaufeln verursachen. Es ist deshalb Praxis geworden, auf die Spitzen von solchen Laufschaufeln keramische Partikeln enthaltende Materialien aufzutragen, wie z.B. das Siliciumcarbid- und Superlegierungsmetallmatrixmaterial, das in der ebenfalls auf die Anmelderin zurückgehenden US-A-4 249 913 von Johnson et al. beschrieben ist. Das Johnson-Material wird durch Warmpressen und Sintern einer Mischung aus Metall- und Keramikpulvern und Verbinden des sich ergebenden Materials mit der Spitze einer Laufschaufel durch Schweißen unter Verwendung des Verbindens mit vorübergehender flüssiger Phase oder Hartlöten hergestellt.
• Das separat hergestellte Schleifmaterial unterliegt Beschränkungen. Dazu gehören, daß das Herstellen des separaten Teils und das Gewährleisten einer guten Verbindungsfläche teuer sein kann und daß dann, wenn mehr als 15 Volumenprozent Keramik in dem Material enthalten sind, eine Neigung zur Rißbildung besteht. Es gibt außerdem eine gewisse Tendenz zum Ausfall an dem Punkt, wo das Schleifmaterial verbunden ist.
• Andere haben ebenfalls bereits Schleifmaterialien zum Schützen der Spitzen von Turbinenlaufschaufeln hergestellt. Zum Beispiel beschreiben Zelahy et al. in der US-A-4 148 494 eine durch galvanische Abscheidung hergestellte Kombination. Stalker et al. beschreiben in den US-A-4 227 703, 4 169 020 und 4 232 995 die Verwendung eines Verbundmaterialgebildes an der Spitze in Kombination mit einer galvanisch abgeschiedenen Schleifoberflächenschicht.
• Die EP-A-0 166 676 von Novak et al. beschreibt plasmagespritze Spitzenschleifmaterialien, wobei das keramische Teilchenmaterial nur ein Partikel dick ist. Die Konstruktion von Turbinenlaufschaufelspitzen ist ebenfalls bereits Gegenstand von beträchtlicher Arbeit gewesen, die darauf abzielte, die Leistungsfähigkeit der Spitzen zu verbessern. Als Beispiel wird auf die vorerwähnten Patente von Stalker et al. und auf die US-A-4 390 320 von Eiswerth hingewiesen.
• Wegen des Vorhandenseins von keramischem Material und der Wahl der Matrizen hauptsächlich hinsichtlich ihrer Fähigkeit, das keramische Material festzuhalten, tendiert das Schleifmaterial als Ganzes dazu, eine andere Gesamtwärmeausdehnung als das Superlegierungssubstrat der Turbinenlaufschaufel zu haben. Da die Verwendung von Turbinenlaufschaufeln diese von Haus aus thermischer Wechselbeanspruchung unterwirft, werden beträchtliche zyklische Spannungen dort erzeugt, wo das Schleifmaterial und das Substrat verbunden sind, und diese Spannungen können zu einer unerwünschten Ausfallbetriebsart führen. Ebenso tendiert das Schleifmaterial, da es inhomogen ist, selbst dazu, inneren thermischen Spannungen und einem Ausfall in Gebieten hoher Temperaturdifferenz zu unterliegen. Zum Beispiel, nach einer langen Gebrauchsperiode können Risse an dem Eckrand des Schleifmaterials an dessen äußerer oder freier Oberfläche verursacht werden.
• Es gibt daher einen anhaltenden Bedarf an Verbesserungen auf dem Gebiet, um eine gute Dauerhaftigkeit bei niedrigen Fertigungskosten zu erzielen.
• Ein Ziel der Erfindung ist es, Turbinenlaufschaufeln mit Schleifspitzen, die eine verbesserte Dauerhaftigkeit haben, durch eine Kombination von metallurgischen und strukturellen Merkmalen zu schaffen. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Neigung der Schleifmaterialien, sich von dem Superlegierungssubstrat der Gasturbinentriebwerkslaufschaufeln zu lösen, zu verringern.
• Die Gasturbinentriebwerkslaufschaufel nach der vorliegenden Erfindung ist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 definiert. Das Verfahren zum Herstellen der Gasturbinentriebwerkslaufschaufel nach der vorliegenden Erfindung ist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 9 definiert.
• Gemäß der Erfindung hat eine Gasturbinenlaufschaufelspitze ein Schleifmaterial, welches eine geschmolzene Superlegierungsmetallmatrix und gleichmäßig verteilte keramische Partikeln, die darin enthalten sind, hat. Die Spitze an dem Ende einer gewöhnlichen Laufschaufel hat eine gußgekrümmte Peripherie, die aus der Oberflächenspannung an dem schmelzflüssigen Teil der Spitze resultiert, welche mit der schärferen Ecke von bekannten Schleifspitzen kontrastiert. Die Spitze hat ein metallurgisches Gefüge, welches das Gefüge eines Teils des ungeschmolzenen ursprünglichen Materials und den Fertigungsprozeß widerspiegelt, bei dem das meiste, aber nicht alles Pulvermetall geschmolzen wurde. In ihrer besten Ausführungsform wird die Spitze ein feines dendritisches Gefüge und wenigstens einige gleichachsige Körner haben und somit gute Hochtemperatureigenschaften aufweisen.
• Gemäß der Erfindung wird eine dünne Hülle aus einer Metallsuperlegierung um die Peripherie wenigstens eines Teils des Schleifmaterials geschaffen. Die Hülle ist eine Superlegierung, die bessere Eigenschaften als das Keramik enthaltende Schleifmaterial hat und dadurch dem Gebilde eine bessere thermische Wechselfestigkeit verleiht sowie dazu neigt, eine bessere Haftung des Schleifmaterials an dem Substrat zu bewirken. Wenn Turbinenlaufschaufeln sehr dünne Hinterkanten haben, wird die Hülle nur in der Nähe der Vorderkante plaziert, um eine unnötige Verringerung der gewünschten Verschleißfestigkeit der Spitze zu vermeiden.
• Die vorstehenden und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform und den beigefügten Zeichnungen deutlicher werden.
• Fig. 1 zeigt eine Turbinenlaufschaufel, die eine Schleifmaterialspitze hat, welche in einer Hülle enthalten ist.
• Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den Spitzenteil der Laufschaufel nach Fig. 1.
• Fig. 3 ist ein Querschnitt durch den Spitzenteil einer Laufschaufel, der separat hergestellt und dann mit der Laufschaufel verbunden worden ist.
• Fig. 4 zeigt den Querschnitt einer weiteren Ausführungsform ähnlich der in Fig. 3 gezeigten.
• Fig. 5 ist eine Draufsicht auf eine Laufschaufelspitze, die eine Teilhülle zeigt.
• Fig. 6 ist eine Draufsicht auf eine Laufschaufelspitze, die veranschaulicht, wie ein separates Gußstück mit der darunterliegenden Form der Laufschaufelspitze zusammenpaßt.
• Die Fig. 7 und 8 sind Querschnitte durch das in Fig. 6 gezeigte Gebilde.
• Die Erfindung wird im Hinblick auf das Anbringen einer Schleifspitze an einer Gasturbinentriebwerkslaufschaufel beschrieben, die aus einer Nickelsuperlegierung in Einkristallform hergestellt ist, bei welcher es sich um die bekannte Legierung PWA 1480 der Anmelderin handelt. Diese Legierung, die als PWA 1480 von United Technologies Corporation, Hartford, Connecticut, USA, bekannt ist, ist in der US-A-4 209 348 von Duhl et al. allgemein beschrieben. Das keramische Teilchenmaterial ist ein Siliciumcarbidmaterial, das mit Aluminiumoxid überzogen ist, um der Wechselwirkung mit der Matrix Beständigkeit zu geben, ähnlich dem, was in dem oben erwähnten Patent von Johnson et al. beschrieben ist. Die Offenbarungen von beiden Patenten werden hiermit in Bezug genommen.
• In der besten Ausführungsform ist Siliciumcarbidteilchenmaterial in einer geschmolzenen Metallmatrix enthalten, wobei insgesamt die Techniken benutzt werden, die in der US-A-4 735 656 beschrieben sind.
• Gemäß der ausführlicheren Beschreibung in der US -A-4 735 656 werden 15 - 25 Volumenprozent aluminiumoxidüberzogenes Siliciumcarbidteilchenmaterial mit einer US-Sieb-Maschenweite von -35 bis +45 (420 - 500 Mikrometer) mit 75 - 85 Volumenprozent metallischem Teilchenmaterial von -80 Maschenweite (177 Mikrometer) vermischt. Das metallische Teilchenmaterial besteht vorzugsweise aus der bekannten Nickelsuperlegierung Tipaloy 105, welches eine Legierung wie die nach dem Patent nach Johnson et al. ist, aber Silicium zur Herabsetzung der Schmelztemperatur hat. Die nominelle Zusammensetzung von Tipaloy 105 lautet in Gewichtsprozent Ni, 25 Cr, 8 W, 4 Ta, 6 Al, 1,2 Si, 1 Hf, 0,1 Y. Die Bestandteile können mit polymeren Bindemitteln und Vehikeln vermischt werden, wie es üblicherweise z.B. bei der Herstellung von Hartlötbändern bekannt ist, vgl. US-A-4 596 746 und 4 563 329.
• Die vorstehende Mischung wird in einem Teil der Laufschaufelspitze angeordnet, wie es unten beschrieben ist, und in einem Vakuum auf eine Temperatur erhitzt, die ausreicht, um jegliche Bindemittel entweichen zu lassen und zu bewirken, daß das Metall schmilzt und sich vollständig verdichtet. Dieses Verfahren wird hier als Sintern bezeichnet. Das Erhitzen wird so begrenzt, daß das metallische Teilchenmaterial nicht gänzlich schmilzt; üblicherweise liegt die Temperatur des Sinterns gerade unter der Liquidustemperatur. Wenn so vorgangen wird, wird verhindert, daß das Teilchenmaterial oben auf dem verflüssigtem Material schwimmt, und es wird eine im wesentlichen gleichmäßige Dispersion von Keramik in der Metallmatrix erzeugt. Außerdem erzeugt das Verfahren eine Metallmatrix, welche das metallurgische Gefüge der Ausgangsmaterialien widerspiegelt. Üblicherweise hat sie wenigstens einige gleichachsige Körner; vorzugsweise gibt es gänzlich gleichachsiges Korn, aber typischer gibt es 10 - 70 Volumenprozent gleichachsiges Korn in Kombination mit feinem dendritschem Gefüge. Das feine dendritische Gefüge wird mit dem groberen dendritischen und sogar stengeligen Korn verglichen, einem Gefüge, das sich ergibt, wenn die Matrix völlig geschmolzen wird. Die gewünschten metallurgischen Gefüge erzeugen gute Hochtemperaturfestigkeit.
• Fig. 1 zeigt eine Turbinenlaufschaufel 20 gemäß der vorliegenden Erfindung, die ein Fußende 25, ein Spitzenende 27 und eine Vorderkante 24 sowie eine Hinterkante 26 hat. Es gibt eine Schleifspitze 22, die von einer Hülle 28 umgeben ist, welche eine Fortsetzung des Substrats (oder Schaufelblattes) der Laufschaufel ist. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil des Spitzenendes 27 der Laufschaufel. Es ist zu erkennen, daß die Laufschaufel einen inneren Hohlraum 30 hat, der gegossen oder spanabhebend hergestellt werden kann. Die Schleifspitze 22 besteht aus einer Metallmatrix 32 und keramischen Partikeln 34. Während des oben erwähnten Schmelzens werden die Wände 28 sowie der Boden 31 der Konkavität der Schaufelspitze durch die Matrix benetzt. Ausreichend Material, das vor dem Sintern bereitgestellt wird, bewirkt, daß die schmelzflüssige Masse die Konkavität der Spitze ausfüllt.
• Das Einschließen des Schleifmaterials in der Hülle der Lauf schaufel verleiht der Spitze zusätzliche Dauerhaftigkeit. Im allgemeinen wird das Schleifmaterial nicht so stabil, wärmeermüdungsbeständig oder oxidationsbeständig wie das Laufschaufelsubstrat sein, und zwar wegen der Kompromisse, die gemacht werden, um die Schmelztemperatur zu senken und die erforderliche Verdichtung zu erzielen, und wegen des Vorhandenseins der keramischen Teilchen. Darüber hinaus hat das Schleifmaterial nicht das erwünschte Einkristallgefüge des bevorzugten Substrats aus PWA 1480. Daher erstreckt sich die Hülle vorzugsweise im wesentlichen vollständig über die Schaufelblattlänge (Dicke) des Schleifmaterials, so daß die nominelle obere Hüllenecke 48 die stärkste thermische Beanspruchung erfährt und das Schleifmaterial schützt, wodurch die Rißbeständigkeit verbessert wird. Ein geringerer Vorteil wird erzielt, wenn die Hülle sich nicht über die volle Länge erstreckt. (Gemäß der Darstellung in Fig. 3 kann das Ätzen zum Freilegen der Körner entsprechend bedeuten, daß die Hülle auch entfernt wird und sich nicht exakt bis zu der äußersten Spitze der Laufschaufel erstreckt. Die Hülle wird aber noch so betrachtet, daß sie sich über die volle Länge der Schleifspitze erstreckt.)
• Es ist außerdem zu erkennen, daß das Vorhandensein der Hülle bedeutet, daß das Schleifmaterial auf mehr Oberfläche verbunden ist, nämlich durch Haftung an den Seiten des Schleifmaterials, im Vergleich zu einer nicht vorhandenen Hülle. Das verbessert die Beständigkeit des Schleifmaterials gegen Ablösung von der Spitze an der Oberfläche 31. Bei dem Erzielen dieser Vorteile wird jedoch das Ausmaß an Hülle auf einem Minimum gehalten, um die maximale Schleifmaterialpräsenz aufrechtzuerhalten. Deshalb wird die Hüllenwanddicke auf einer Dicke von 0,25 - 0,50 mm (0.010 -0.020 Zoll) in einem typischen Fall gehalten.
• Fig. 3 und Fig. 4 zeigen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die Spitzenteile 36, 36a separat hergestellt werden, z.B. durch Gießen, und dann mit dem Laufschaufelende 21a, 21b verbunden werden, z. B. durch Diffusionsverbinden mit flüssiger Phase oder Hartlöten. Das Gußstück kann aus derselben oder aus einer ähnlichen Superlegierung wie das Substrat bestehen.
• Die Hülle ist zwar dünn, die Hinterkante von vielen Laufschaufeln ist jedoch sehr schmal, und das Vorhandensein der Hülle in diesen Gebieten subtrahiert zuviel von der Menge an Schleifmaterial, das dort vorhanden sein kann, und somit von ihrer Verschleißfestigkeit. Die Hülle kann daher an der Hinterkante dünner gemacht werden als an der Vorderkante.
• Eine Laufschaufelspitze wie die in der Draufsicht in Fig. 5 gezeigte kann ebenfalls konstruiert werden. Die Hülle 28a ist nur um das Schleifmaterial 22a an dem Vorderkantenende 24a und nicht an dem Hinterkantenende 26a vorhanden. Wie dieses Teil hergestellt wird, wird durch die Fig. 6 - 8 veranschaulicht. Fig. 6 zeigt in Drauf sicht das separate Gußteil 38 (als ein "Boot"-Gußstück bezeichnet), wie es auf dem Schaufelblatt der Laufschaufel ruht, das durch eine gestrichelte Linie 40 gezeigt ist. Der innere Hohlraum 42 des Bootes ist unregelmäßig. Obgleich sie noch etwa die Form des Schaufelblattes hat, ist die Breite der Bootskonkavität an der Hinterkante größer als an der Vorderkante, verglichen mit der Projektion des Schaufelblattes.
• Die Konkavität des Bootes wird mit Schleifspitzenmaterial gefüllt; das Boot wird mit dem Schaufelblatt verbunden; und es wird dann spanabhebend so bearbeitet, daß die Umfangsabmessungen Fortsetzungen der Schaufelblattoberfläche 40 sind, damit sich das in Fig. 5 gezeigte Gebilde ergibt. Die Fig. 7 und 8 veranschaulichen durch einen Querschnitt, wie das Abtragen der überhängenden Teile der Laufschaufel durch spanabhebende Bearbeitung die gewünschte Konfiguration ergibt. Das Teil, das soeben beschrieben worden ist, kann auch dadurch hergestellt werden, daß der Bootsteil einen integralen Bestandteil des ursprünglichen Gußstückes bildet.
• Selbstverständlich kann der Aspekt der Erfindung, der soeben beschrieben worden ist, hergestellt werden, indem das Gebilde vor dem spanabhebenden Bearbeiten einstückig mit dem Gußstück ausgebildet wird statt als ein separates Bootsgußstück. Die Auswahl der einen oder anderen Möglichkeit wird durch Fertigungsfaktoren diktiert.
• Die Erfindung beinhaltet allgemein die Verwendung eines Schleifmaterials, das eine Metallmatrix hat, die aus der Superlegierungsgruppe ausgewählt worden ist, welche auf Nickel, Kobalt, Eisen oder Gemischen derselben basiert. Vorzugsweise wird die Superlegierung ein reaktives Metall enthalten, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die im wesentlichen aus Y, Hf, Ti, Mo, Mn und Gemischen derselben besteht, um die Haftung der Matrix an dem Substrat und der Keramik zu verbessern. Außerdem, es wird oft bevorzugt, daß ein Mittel zum Herabsetzen des Schmelzpunkts und ein Verbindungshilfsmittel wie S, P, B oder C vorhanden ist. Das keramische Teilchenmaterial wird ein feuerfestes Material sein, das üblicherweise aus einem Oxid, Carbid, Nitrid oder Kombinationen derselben besteht. Vorzugsweise wird die Keramik ein Material sein, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die im wesentlichen aus Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Silicium-Aluminium-Oxynitrid ( SiAlON) und Gemischen derselben besteht.

Claims (9)

1. Gasturbinentriebwerkslaufschaufel (20), hergestellt aus einer Superlegierung, gebildet aus einem Substrat, das eine Schleifspitze (22, 22a) hat, hergestellt aus keramischem Teilchenmaterial (34) und geschmolzener Metallmatrix (32), gekennzeichnet durch eine gegossene Superlegierungsmetallhülle (28; 28a), die längs eines Teils der Peripherie der Schleifspitze (22, 22a) keine keramischen Partikel enthält, wobei die Hülle (28, 28a) an dem Substrat der Laufschaufel befestigt ist.

2. Laufschaufel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Hülle (28), die eine Fortsetzung des Schaufelsubstrats ist.

3. Laufschaufel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Hülle (28a), die ein Teil eines separat hergestellten Gußstücks ist, welches an dem Laufschaufelsubstrat befestigt ist.

4. Laufschaufel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Hülle (28, 28a), die sich im wesentlichen bis zu der äußersten Oberfläche des Schleifmaterials an der Spitze erstreckt.

5. Laufschaufel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Hülle (28), die an der Laufschaufelhinterkante dünner als an der Vorderkante ist.

6. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (28a) nur an der Vorderkante vorhanden ist.

7. Laufschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (32) wenigstens etwas gleichachsiges Korn hat, wobei jeglicher Rest ein feines dendritisches Gefüge hat.

8. Laufschaufel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Spitze, die keramische Partikel (32) enthält, ausgewählt aus der Gruppe, die im wesentlichen aus Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Silicium-Aluminium-Oxynitrid und Gemischen derselben besteht.

9. Verfahren zum Herstellen einer Gasturbinentriebwerkslaufschaufel (20), die eine Schleifspitze (22; 22a) aus keramischem Teilchenmaterial (34) und geschmolzener Metallmatrix (32) hat, mit einer metallischen Hülle (28; 28a) um einen Teil der Spitze, gekennzeichnet durch Schmelzen des Schleifspitzenmaterials innerhalb eines Teils an dem Spitzenende der Laufschaufel, wobei der Teil eine Konkavität mit etwa der Form des Endes des Schaufelblattes an der Spitze der Laufschaufel hat; und spanabhebendes Bearbeiten des Teils, um einen Teil desselben zu entfernen, welcher die Konkavität begrenzt, um eine Schleifspitze (22; 22a) herzustellen, deren Peripherie nur teilweise von einer Hülle umgeben ist.