DE69816291T2 - Dicker mit laser segmentierter keramischer hitzeschild für den anstreifring von turbinen - Google Patents

Dicker mit laser segmentierter keramischer hitzeschild für den anstreifring von turbinen Download PDF

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung betrifft abschleifbare keramische Isolierschilde, insbesondere Keramikschilde für den Anstreifring von Turbinen und ganz besonders einen segmentierten keramikbeschichteten Turbinenanstreifring und ein Herstellungsverfahren durch Laserschneiden von Rillen durch den Keramikschild in einem Gittermuster.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Dem Durchschnittsfachmann ist bekannt, dass sich der Leistungsverlust einer Hochdruckturbine rasch erhöht, wenn der Spalt von der Schaufelspitze zum Anstreifring der Turbine entweder infolge einer Abnutzung der Schaufelspitzen, welche vom Kontakt mit dem Anstreifring herrührt, oder durch eine Bauform zur Vermeidung der Abnutzung der Schaufelspitze und des Abschleifens des Anstreifrings größer wird. Jegliche Hochdruckluft, welche zwischen der Schaufelspitzen der Turbine und dem Anstreifring der Turbine durchströmt, leistet keine Arbeit und ist daher ein Systemverlust. Ein anderer Verlust ist die Verwendung von Verdichterablassluft, um den Turbinenanstreifring zu kühlen. Wenn eine Isoliertechnologie für Anstreifringe bereitgestellt werden könnte, welche kleine Schaufelspitzenspalte während der Lebensdauer der Turbine erlaubt, gäbe es eine Erhöhung der gesamten Arbeitsleistung der Turbine, welche eine höhere Leistungsabgabe bei niedrigeren Betriebstemperaturen, eine bessere Brennstoffnutzung, eine längere Betriebslebensdauer und reduzierte Kühlungserfordernisse für den Anstreifring einbezieht.
  • Zu diesem Zweck wurden in der Gasturbinenindustrie Versuche unternommen, abschleifbare Turbinenanstreifringe zu entwickeln, um den Spalt zwischen den Schaufelspitzen und dem Turbinenanstreifring und die damit verbundenen Lässigkeitsverluste zu reduzieren. Ver schiedene Techniken wurden zum Beschichten von Turbinenanstreifringen mit keramischen Materialien, wie in erster Linie yttriumoxidstabilisiertem Zirkondioxid, entwickelt. Ein Nachteil dieser Techniken liegt darin, dass der Keramikschild dazu neigt, infolge des steilen Wärmegradienten quer durch die Dicke des keramischen Werkstoffs während des Motorbetriebs abzusplittern. Das Absplittern reduziert den Wirksamkeitsgrad der Abdichtung und die Isoliereigenschaften des Keramikschilds stark und verursacht Verziehen des Anstreifrings, was zu einer Veränderung des Spalts von der Schaufelspitze zum Anstreifring, Leistungsverlust und teuren Reparaturen führt.
  • Strangman stellt im US-Pat. Nr. 4,914,794 mit dem Titel „Method of Making an Abradable Strain-Tolerant Ceramic coated Turbine Shroud", welches auf den Erwerber dieser Anmeldung übertragen ist, eine Lösung für das Absplitterungsproblem bereit. Strangman offenbart eine abschleifbare keramikbeschichtete Struktur für den Turbinenanstreifring, welche ein Gitter von Schrägstufen, die durch Rillen getrennt sind, in einem Anstreifringsubstrat aus Superlegierungsmetall umfasst. Eine dünne Bindeschicht wird auf die Schrägstufen aufgetragen, gefolgt von einer stabilisierten Zirkondioxidschicht, welche in einem genügend großen Spritzwinkel plasmagespritzt wird, um die Bildung von tiefen Schattenfugen in der Zirkondioxidschicht zu bewirken. Die Schattenfugen stellen eine Spannungstoleranz bereit und vermeiden Absplittern. Die Erfindung bei Strangman erfordert jedoch, dass die Substratoberfläche genügend Dicke aufweist, um die darin ausgebildeten Rillen anzupassen. Für dünne Turbinenanstreifringe aus Metall mit einem dicken Keramikschild wird es unpraktisch, eine genügend tiefe Rille im Metallsubstrat zu haben, um angemessene im Zirkondioxid zu bildende Schattenfugen zu bewirken.
  • Schienle et al. stellt im US-Pat. Nr. 5,352,540 mit dem Titel „Strain-Tolerant Ceramic Coated Seal", welches auf den Erwerber dieser Anmeldung übertragen ist, ein Verfahren des Herausarbeitens mit Laser einer Gruppe von Rillen in einer keramischen Hochtemperaturfestschmierstoff-Oberflächenschicht einer Abdichtung bereit. Als sie jedoch auf einen dünnen Turbinenanstreifring mit einer dicken TBC-Schicht aufgetragen wurde, waren die Ergebnisse nicht zufrieden stellend. Besonders bei einem dünnen Substrat muss die Tiefe der Rille genau kontrolliert werden, um zwar tief genug zu sein, um Spannungsabbau bereitzustellen, aber das Substrat nicht zu berühren. Der Laserbearbeitungsprozess von Schienle stellt nicht das erforderliche Niveau von Kontrolle über die Rillentiefe bereit. Außerdem neigt der Dampf von stabilisiertem Zirkondioxid, welcher durch den Laserbearbeitungsprozess erzeugt wird, dazu, nach dem Laser die Rille zu füllen. Um diese Erscheinung des nachträglichen Füllens auszugleichen, müssen die Rillen übermäßig breit gemacht werden, wodurch der Wirksamkeitsgrad der Abdichtung des Anstreifrings abnimmt.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bilden einer segmentierten Morphologie in einem dicken Hitzeschild auf einem dünnen Turbinenanstreifring aus Metall bereitzustellen.
  • Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen dünnen Turbinenanstreifring aus Metall mit einer dicken keramischen Hitzeschildschicht, welche spannungstolerant ist, bereitzustellen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen weniger teuren spannungstoleranten keramischen Sperrschild bereitzustellen.
  • Die vorliegende Erfindung erreicht diese Aufgaben durch Bereitstellen eines Metallgegenstands, zum Beispiel eines Turbinenanstreifrings, welcher ein Metallsubstrat, eine Bindeschicht, welche über dem Substrat liegt, und einen Hitzeschild aus stabilisiertem Zirkondioxid mit einer Innenfläche, welche über der Bindeschicht liegt, umfasst und dadurch gekennzeichnet ist, dass der Zirkondioxidschild eine offen liegende Außenfläche und eine Mehrzahl von Rillen, welche sich von der offen liegenden Außenfläche zur Innenfläche erstrecken, umfasst. Normalerweise erstrecken sich die Rillen beinahe bis zur ganzen Dicke des Zirkondioxidschilds, ohne in das darunter liegende Substrat einzudringen. Normalerweise wird jede Rille durch Laserbohren einer Reihe von Löchern gebildet, welche voneinander so beabstandet sind, dass die Rille einen vollständig segmentierten Abschnitt und einen teilweise segmentierten Abschnitt aufweist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Turbinenanstreifrings mit einem lasersegmentierten dicken Hitzeschild, wie er durch die vorliegende Erfindung beabsichtigt ist.
  • 2 ist eine aufgeschnittene Ansicht des Turbinenanstreifrings von 1.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist ein Turbinenanstreifring, welchen die vorliegende Erfindung betrifft, im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Der Turbinenanstreifring 10 umfasst einen dünnen Metallring oder ein ebensolches Substrat 12 mit einer Innenfläche, welche durch eine Bindeschicht 14 abgedeckt ist, welche wiederum durch einen dicken keramischen Hitzeschild oder eine ebensolche Schicht 16 abgedeckt ist. Der Metallring oder das Metallsubstrat 12 ist vorzugsweise über 0,25 mm (0,010 Zoll) dick und aus einem Hochtemperaturstrukturmetall auf Nickel-, Kobalt- oder Eisenbasis oder einer ebensolchen Legierung, woraus Turbinenanstreifringe und andere Bauteile von Gasturbinen üblicherweise sind, hergestellt werden. Vorzugsweise ist das Substrat 12 eine Hastalloy 25 oder Mar-M 509.
  • Die Bindebeschichtung oder -schicht 14 liegt über der Innenfläche des Substrats 12. Die Bindebeschichtung 14 besteht für gewöhnlich aus einer MCrAlY-Legierung. Derartige Legierungen weisen eine allgemeine Zusammensetzung aus 10 bis 35% Chrom, 5 bis 15% Aluminium, 0,01 bis 1% Yttrium, Hafnium oder Lanthan auf, wobei M der Rest ist. M wird aus einer Gruppe bestehend aus Eisen, Kobalt, Nickel und Mischungen davon ausgewählt. Geringere Mengen von anderen Elementen, wie beispielsweise Ta oder Si, können ebenfalls vorhanden sein. Diese Legierungen sind bekannter Stand der Technik und werden in den US-Patenten Nr. 4,880,614; 4,405,659; 4,401,696 und 4,321,311 beschrieben. Die Bindeschicht 14 ist vorzugsweise NiCrAlY mit der Zusammensetzung aus 31 Gewichtsprozent Chrom, 11 Gewichtsprozent Aluminium und 0,6 Gewichtsprozent Yttrium, wobei der Rest Nickel ist, und wird vorzugsweise durch einen Luftplasmaspritzprozess, einen Niederdruck (Vakuum)-Plasmaspritzprozess oder einen Edelgas (z. B. Argon)-umhüllten Luftplasmaspritzprozess aufgetragen. Die Schicht 14 weist eine bevorzugte Dicke von etwa 0,10 mm (0,004 Zoll) auf. Die Auswahl der Plasmaspritzumgebung hängt von den Erfordernissen hinsichtlich Substrattemperatur und Schildlebensdauer ab. Die NiCrAlY-Schicht 14 stellt einen hohen Grad von Haftung an der Metalloberfläche 12 auf Nickelbasis und ebenso am keramischen TBC-Schild, der darauf aufgebracht ist, bereit.
  • Die Keramikschicht 16 wird durch eine Luftplasmaspritzpistole auf die Oberfläche der NiCrAlY-Bindeschicht 14 bis zu einer Dicke aufgetragen, welche vorzugsweise etwa 0,88 mm (0,035 Zoll) ist. Die Keramikschicht 16 ist vorzugsweise aus yttriumoxidstabilisiertem Zirkondioxid gebildet, welches eine Zusammensetzung mit einem Nominalgehalt von 8 Gewichtsprozent Yttriumoxid aufweist, um die Bildung von großen Volumenanteilen von monokliner Phase zu hemmen. Die Oberfläche in gespritztem Zustand der Keramikschicht 16 weist Oberflächenunebenheiten auf, welche abgetragen werden müssen, um eine gleichmäßige Oberfläche mit ausreichenden Tribologie- und Dichtungseigenschaften bereitzustellen. Die Unebenheiten der Oberfläche in gespritztem Zustand der Schicht 16 werden durch Abtragen und/oder Abschleifen entfernt, so dass die Schicht 16 bei etwa 0,05 mm (0,002 Zoll) von ihrer Enddicke von etwa 0,75 mm (0,030 Zoll) ist.
  • Eine Gruppe von Rillen 20 wird bei Verwendung eines automatisierten gepulsten Kohlendioxidlasers in die Außenfläche 18 der Keramikschicht 16 geschnitten, um eine Reihe von eng beabstandeten konisch zulaufenden Löchern 22 mit einem Abstand D3 von 0,15 mm (0,006 Zoll) zwischen den Lochmitten zu bilden. Für eine Keramik schicht mit einer Enddicke von 0,75 mm (0,030 Zoll) sollte der Laser mit einer Impulsdauer von 400 Mikrosekunden, einer Frequenz von 278 Hz, einer Leistungseinstellung von 112 Watt, einer Brennweite von 62,5 mm (2,5 Zoll), einem Luftdruck von 3,45 × 10–5 Pa (50 psi) und einer Verarbeitungsrate von 41,7 mm/Sekunde (100 Zoll pro Minute) betrieben werden. Bedeutenderweise macht es das Bohren jedes Loches 22 bei dieser Trennung möglich, dass das verdampfte yttriumoxidstabilisierte Zirkondioxid überwiegend aus dem oberen Ende des Loches hervorstößt, wodurch unerwünschter Niederschlag an den Wänden von vorher gebohrten Löchern und Brückenbildung zwischen den Rillen auf ein Minimum herabgesetzt wird. Ein Abschnitt jedes Loches 22, welcher der Außenfläche 18 am nächsten ist, wie durch gestrichelte Linien 24 dargestellt, bricht schließlich durch die vorhergehenden Löcher durch, wodurch ein kontinuierlicher vollständig segmentierter Bereich 30 und ein teilweise segmentierter Bereich 32 darunter gebildet werden.
  • Noch immer unter Bezugnahme auf 2 wird der Durchmesser D1 jedes Loches 22 an der Oberfläche 18 durch die Laserleistung bestimmt, welche erforderlich ist, um Löcher einer Tiefe D2 zu erzeugen, welche im Bereich von 70 bis 100 Prozent der Dicke der Schicht 16 sein sollte, wobei D1 aber höchstens 0,25 mm (0,010 Zoll) sein sollte. Die Löcher 22 sollten innerhalb von plus oder minus 10 Grad normal auf die Oberfläche 18 bei einem Nominalabstand D3 zwischen den Löchern so gebohrt werden, dass der vollständig segmentierte Bereich 30 eine Tiefe D4 aufweist, die wenigstens 30 Prozent der Dicke der Schicht 16 ist. Kleinere Werte von D2 und D4 sind bis zu 5 Prozent einer Rillenlänge zulässig. Außerdem können Fugen in der Kontinuität der Lochreihen, das heißt fehlende Löcher, toleriert werden, vorausgesetzt, dass die Gesamtlänge der Fugen 5 Prozent der Rillenlänge nicht überschreitet.
  • Das Bohren der Löcher 22 führt zur Bildung von drei Bereichen in der Schicht 16. Diese sind der vollständig segmentierte Bereich 30, der teilweise segmentierte Bereich 32 und ein nicht segmentierter Bereich 34. Der Bereich 30 sollte vorzugsweise eine Tiefe D4 von wenigstens 30 Prozent der Dicke der Schicht 16 aufweisen. Unter dem Bereich 30 ist der Bereich 32, welcher eine Stitchwork-Mikrostruktur aufweist, welche aus den restlichen Lochböden gebildet ist. Vorzugsweise sollte die kombinierte Tiefe beider Bereiche 30 und 32 D2 zwischen 70 und 100 Prozent der Dicke der Schicht 16 sein. Schließlich ist der Bereich 34 nicht segmentiert und sollte eine Dicke zwischen 0 und 30 Prozent der Dicke der Schicht 16 aufweisen.
  • Der vollständig segmentierte oder gerillte Bereich 30 bewirkt, dass dieser Abschnitt der Schicht 16 einen effektiv vorhandenen Elastizitätsmodul von beinahe Null in der Ebene des Schildes aufweist. Dieser Zustand ist vorteilhaft, da dieser Bereich die größte Wärmezunahme erfährt, und zwar besonders während des Anlassens eines Motors wenn die keramische Oberflächenschicht 18 warm und das Substrat kalt ist. Der teilweise segmentierte Bereich 32 wechselt den Modulzustand in der gleichen Ebene von Null an der Grenzfläche mit dem Bereich 30 in seinen Höchstwert an der Grenzfläche mit dem Bereich 34. Der Hochmodulbereich 34 ist, wo Wärmebeanspruchungen verhältnismäßig gering sind. Anschließende Temperaturwechselbeanspruchung, wie sie während einer Wärmebehandlung nach dem Laserprozess oder während des Motorbetriebs auftreten kann, erlaubt es, dass sich der Wärmedehnungsversatz und die Wärmespannungen (-beanspruchungen) des Keramiksubstrats Mikrorisse im Bereich 32 nach unten zum oberen Ende des Bindeschildes 14 fortpflanzen. Dieses Ergebnis ist vorteilhaft, dass es zur vollständigen Segmentierung der Keramikschicht 16 führt, welche den Modul in der gleichen Ebene in den Bereichen 32 und 34 senkt.
  • Diese abgestuften Bereiche haben die vorteilhafte Wirkung des Ausgleichens der großen Disparität in der Wärmezunahme quer durch die TBC-Schicht. Der hohe Wärmewiderstand der TBC-Schicht führt zu einem steilen Temperaturgradienten durch ihre Dicke; am höchsten an ihrer Außenfläche und am niedrigsten benachbart zum Metallanstreifring. Ohne Rillen dehnt sich der Abschnitt der warmen Oberfläche viel mehr aus als der verhältnismäßig kühle Abschnitt, der dem Anstreifring am nächsten liegt, wodurch ein thermischer Kampf ausgelöst wird. Dieser thermische Kampf kann Rissbildung des keramischen Werkstoffs und Absplittern verursachen. Die abgestuften Bereiche erlauben es, dass die wärmsten Schichten nahe der Oberfläche sich beinahe ungehindert ausdehnen, wodurch ein thermischer Kampf und seine schädigenden Wirkungen verhindert werden.
  • Der Laser ist programmiert, die Reihen von Rillen 20 in zwei rechtwinkligen Richtungen zu schneiden, so dass die Rillen gleichmäßig beabstandet sind und die Erscheinung eines gleichförmigen Gitterwerks bilden. Die Tiefe der mit Laser herausgearbeiteten Rillen 20 und die relativen Tiefen der Bereiche 31 bis 33 können in Abhängigkeit von der Dicke des Metallanstreifrings 12 und der Gesamtdicke der keramischen TBC-Schicht variieren. Der Prozess des Bohrens der Rillen kann zu anhaftendem Bohrmehl, das an der Außenfläche 18 hängen bleibt, führen. Dieses Mehl muss durch Schleifen auf die erforderliche Dicke entfernt werden, um die Oberfläche aerodynamisch gleichmäßig zu machen.
  • Auf diese Weise wird ein Verfahren zum Laserschneiden von Rillen im TBC-Schild eines dünnen Turbinenanstreifrings aus Metall bereitgestellt, ohne in den Metallanstreifring zu schneiden, wodurch ein abgestufte Wirkung im Schild erzeugt wird, welche den großen Unterschied in der Wärmezunahme zwischen der warmen Oberfläche der TBC-Schicht und dem Metallanstreifring ausgleicht.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass sie im Vergleich mit der beschriebenen Erfindung von Strangman, US-Pat. Nr. 4, 914,794, mit dem Titel „Method of Making an Abradable Strain-Tolerant Ceramic coated Turbine Shroud", weniger kostspielig ist. Die Gründe für diesen Vorteil sind, (1) dass die Kosten in Verbindung mit dem Herausarbeiten eines Rillen- und/oder Schrägstufenmusters im Superlegierungssubstrat wegfallen; (2) das gesamte Teil leichter ist, da weniger Superlegierungsmaterial benötigt wird; (3) das Herausarbeiten der Rillen in der Keramikschicht schneller vor sich geht als das Herausarbeiten der Rillen im Substrat; (4) die Dicke der Keramikschicht geringer sein kann, da sie nicht die Rillen im Substrat zu füllen hat.
  • Obwohl in Bezug auf einen Turbinenanstreifring beschrieben ist der Gegenstand der Erfindung auch auf andere Strukturen innerhalb eines Gasturbinenmotors, wie beispielsweise Brennkammern und Auskleidung, sowie auf Strukturen, die nicht mit Gasturbinenmotoren in Verbindung stehen, anwendbar.
  • Verschiedene Modifikationen und Änderungen der zuvor beschriebenen Erfindung sind für den Durchschnittsfachmann ersichtlich. Demgemäß sollte die vorhergehende ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als beispielhaft und nicht als den Rahmen der Erfindung einschränkend angesehen werden.

Claims (11)

  1. Gegenstand (10), umfassend ein Metallsubstrat (12), eine Bindeschicht (14), welche über dem Substrat liegt, und einen Hitzeschild (16) aus stabilisiertem Zirkondioxid mit einer Innenfläche, welche über der Bindeschicht liegt, und dadurch gekennzeichnet, dass der Zirkondioxidschild eine offen liegende Außenfläche (18) und eine Mehrzahl von Rillen (20), welche sich von der offen liegenden Außenfläche zur Innenfläche erstrecken, umfasst.
  2. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die Rillen auf eine vorgegebene Weise angeordnet sind.
  3. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei jede Rille aus Bohren einer Mehrzahl von sich überlappenden, konisch zulaufenden Löchern (22) gebildet wird, so dass während des Bohrens der Löcher die Wände (24) von benachbarten Löchern durchbrochen werden, wodurch ein Abschnitt der Zirkondioxidschicht von der Außenfläche entfernt wird.
  4. Gegenstand nach Anspruch 3, wobei der entfernte Abschnitt eine Tiefe (D4) von der Außenfläche von wenigstens 30% der Dicke der Keramikschicht aufweist.
  5. Gegenstand nach Anspruch 4, wobei jedes Loch einen Durchmesser (D1) an der Außenfläche von höchstens 0,25 mm (0,010 Zoll) aufweist.
  6. Gegenstand nach Anspruch 3, wobei sich jede Rille von der Außenfläche bis zu einer Tiefe (D2) von zwischen 70% und 100% der Dicke der Keramikschicht erstreckt.
  7. Gegenstand nach Anspruch 5, wobei die Löcher lasergebohrt sind.
  8. Gegenstand nach Anspruch 1, wobei die Zirkondioxidschicht des Weiteren einen vollständig segmentierten Bereich (30), welcher sich von dem offen liegenden Außenflächenteil weg nach innen zur Innenfläche erstreckt, und einen teilweise segmentierten Bereich (32) zwischen dem vollständig segmentierten Bereich und der Bindeschicht aufweist.
  9. Gegenstand nach Anspruch 8, wobei die Zirkondioxidschicht des Weiteren einen nicht segmentierten Bereich (34) zwischen der Bindeschicht und dem teilweise segmentierten Bereich umfasst.
  10. Gegenstand nach Anspruch 8, wobei die Tiefe (D4) des vollständig segmentierten Bereichs wenigstens 30% der Dicke der Keramikschicht ist.
  11. Gegenstand nach Anspruch 8, wobei die Tiefe des vollständig segmentierten Bereichs und des teilweise segmentierten Bereichs wenigstens 70% der Dicke der Keramikschicht ist.
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