WO2005068784A1 - Turbomaschinenschaufel und verfahren zur herstellung einer schaufelspitzenpanzerung an turbomaschinenschaufeln - Google Patents

Turbomaschinenschaufel und verfahren zur herstellung einer schaufelspitzenpanzerung an turbomaschinenschaufeln Download PDF

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WO2005068784A1
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intermediate layer
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Reinhold Meier
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Mtu Aero Engines Gmbh
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    • F05D2300/131—Molybdenum

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine blade, in particular a gas turbine blade, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for producing blade tip armor on turbomachine blades, in particular on gas turbine blades, according to the preamble of patent claim 6.
  • Turbomachines such as aircraft engines, typically comprise several stages with rotating blades and fixed guide vanes, the rotor blades rotating together with a rotor, and the rotor blades and guide vanes being enclosed by a fixed housing of the gas turbine.
  • This also includes the so-called sealing systems in aircraft engines. Maintaining a minimal gap between the rotating blades and the fixed housing of a high-pressure compressor and between the fixed guide vanes and a rotating rotor shaft is particularly problematic in aircraft engines.
  • high-pressure compressors the highest temperatures and temperature gradients occur, which makes it difficult to maintain gaps.
  • shrouds such as those used in turbines are dispensed with in the case of compressor rotor blades and compressor guide vanes.
  • the guide vanes and the rotor blades have no shroud in the compressor.
  • the ends or tips of the rotating blades are therefore exposed to a direct frictional contact with the housing when they are rubbed into the fixed housing.
  • the free ends or tips of the guide vanes are exposed to direct frictional contact with the rotor shaft. Such a rubbing of the blade tips is caused by manufacturing tolerances when a minimal radial gap is set.
  • the present invention is based on the problem of creating a novel turbomachine blade and a novel method for producing blade tip armor on turbomachine blades.
  • an adhesion-promoting intermediate layer made of molybdenum is arranged between the blade tip and the blade tip armor made of a ceramic covering.
  • the intermediate layer made of molybdenum and the blade tip armor made of the ceramic covering are preferably applied by laser powder cladding.
  • Laser powder cladding is also referred to as laser beam cladding or laser beam generation.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a gas turbine blades in perspective
  • FIG. 2 shows a schematic cross section through a gas turbine blade according to the invention with a blade tip armor
  • Fig. 3 is a schematic representation to illustrate the invention
  • Fig. 4 is a schematic representation to illustrate an alternative of the inventive method.
  • FIG. 1 shows, as a turbomachine blade, a moving blade 10 of a gas turbine, namely an aircraft engine, the rotating blade 10 having an airfoil 11 and a blade root 12 adjoining the airfoil 11.
  • a blade tip 13 of the blade 1 1 is provided with a blade tip armor 14 made of a ceramic covering.
  • an adhesion-promoting intermediate layer 15 made of molybdenum is arranged between the blade tip 13 of the moving blade 10 and the blade tip armor 14 made of the ceramic covering.
  • 2 shows a partial cross section through the area of the metallic blade tip 13, the ceramic blade tip armor 14 and the intermediate layer 15 made of molybdenum arranged between the blade tip 13 and the blade tip armor 14. 2 is only a schematic illustration. The thickness ratios of the layer thicknesses shown in FIG. 2 of the intermediate layer 15 and blade tip armor 14 do not correspond to the actual circumstances.
  • the rotor blade 10 and thus the airfoil 11 and the blade tip 13 are made from a titanium-based alloy.
  • the intermediate layer 15 made of molybdenum is applied to such a blade tip 13 made of a titanium-based alloy, and a blade tip armor 14 made of an Al 2 O 3 -TiO 2 ceramic material is then applied to the intermediate layer 15.
  • the Combining a blade 10 made of a titanium-based alloy with such an aluminum oxide ceramic is particularly advantageous.
  • the blade 10 and the blade 1 1 and the blade tip 13 of a nickel-based alloy or Rail ⁇ is made sisleg réelle.
  • the intermediate layer 15 made of molybdenum is then in turn applied to such a blade tip 13 made of a nickel-based alloy or an iron-based alloy, and a blade tip armor 14 made of a Zr0 2 -Y 2 0 3 ceramic material is applied to the intermediate layer 15.
  • the combination of a blade made of a nickel-based alloy or an iron-based alloy with a zirconium oxide ceramic is also particularly advantageous.
  • a common feature of the above-described turbomachine blades or rotor blades 10 of a gas turbine is that a blade tip armor 14 made of oxide ceramic is applied to a metallic blade, an intermediate layer 15 made of molybdenum being applied between the metallic blade tip 13 and the blade tip armor 14 made of oxide oxide.
  • the intermediate layer 15 made of molybdenum improves the adhesion of the oxide ceramic to the tip of the blade.
  • the blade tip armor 15 made of oxide ceramic is therefore not applied directly to the blade tip 13, but rather with the intermediate layer 15 made of molybdenum.
  • the intermediate layer 15 made of molybdenum and the blade tip armor 14 made of the ceramic material to the blade tip 13 or the intermediate layer 15 by laser powder deposition welding.
  • the details of the method according to the invention for producing a blade tip armor on turbomachine blades are discussed in greater detail below.
  • a C0 2 laser is used for laser powder build-up welding of the intermediate layer 15 made of molybdenum and the blade tip armor 14 made of the ceramic material used.
  • a C0 2 laser with a nominal output of 6000 W and a wavelength of 10.6 ⁇ m is preferably used.
  • the adhesion-promoting intermediate layer 15 made of molybdenum is first applied to the metallic blade tip 13 to be armored by laser powder deposition welding in a first step of the method according to the invention.
  • This adhesion-promoting intermediate layer 15 made of molybdenum is applied for blades made of a titanium-based alloy or nickel-based alloy or iron-based alloy using the same process parameters.
  • the laser is operated with a laser beam intensity of 1 * 10 to 3 * 10 5 W / cm 3 , in particular with a laser beam intensity of 1.6 * 10 5 to 2 * 10 5 W / cm 3 .
  • the feed rate of the laser for applying the intermediate layer 15 made of molybdenum is between 1000 and 1800 mm / min, in particular in the order of 1200 to 1600 mm / min.
  • a feed rate of the CO 2 laser when applying the molybdenum intermediate layer of 1400 mm / min is particularly preferred.
  • the molybdenum material or the molybdenum powder is preferably conveyed in the direction of the laser with a powder amount of 3 to 6 g / min, in particular with a powder amount of 4 to 5 g / min.
  • a molybdenum output of 4.5 g / min is particularly preferred.
  • Argon is used as the conveying gas to convey the molybdenum towards the laser.
  • the blade tip armor 14 made of the ceramic coating namely an oxide ceramic
  • a molybdenum intermediate layer 15 applied using the above process parameters.
  • a blade tip 13 which consists of a titanium-based alloy
  • an Al 2 0 3 -Ti0 2 ceramic material is used
  • a Zr0 2 - Y 2 0 3 ceramic material is applied.
  • the CO 2 laser is used with a laser beam intensity of 2 * 10 4 to 4 * 10 4 , preferably with a laser beam intensity of 2.9 * 10 4 to 3.2 * 10 4 W / cm 3 operated.
  • the feed rate of the laser during laser powder build-up welding of the ceramic layer is between 50 to 400 mm / min, preferably between 100 and 350 mm / min.
  • the ceramic powder is conveyed towards the laser with an appropriate delivery rate.
  • the delivery rate is 3 to 5 g / min
  • the Zr0 2 N 2 ⁇ 3 ceramic powder the powder amount is 3 to 9 g / min.
  • Helium is used as the conveying gas to convey the ceramic powder.
  • an intermediate layer of molybdenum to the blade tip to be armored and only then to coat the blade tip armor from the oxide ceramic.
  • Both the molybdenum intermediate layer and the blade tip armor made of oxide ceramics are applied using laser powder cladding.
  • the adhesion of the applied layers, in particular the applied oxide ceramic is based on adhesive mechanisms such as chemical interaction (diffusion) and chemical adsorption.
  • the existence of the molybdenum intermediate layer favors the formation of a diffusion zone between the base material, i.e. the titanium-based alloy or nickel-based alloy or iron-based alloy, the blade to be armored and the ceramic material of the actual blade tip armor.
  • the laser powder deposition welding of the molybdenum intermediate layer 15 and the blade tip armor 1 made of the ceramic material takes place either in the sense of FIG. 3 in the variant of a coaxial powder supply of the material currently to be applied or in the sense of FIG. 4 in the variant of a lateral powder supply of the material to be applied.
  • 3 and 4 each show the application of the molybdenum intermediate layer 15 on the blade tip 13 to be armored, a laser beam 17 generated by a laser source 16 being focused in each case onto the surface to be coated.
  • a separately configured feed device 18 is used, with the coaxial feed according to FIG. 3, the feed device 18 is integrated into the laser arrangement 16. It is particularly preferred to apply the intermediate molybdenum layer and the oxide ceramic after the so-called laser powder deposition welding in mold. Details of this process are familiar to the expert addressed here.
  • a non-porous and low-crack blade tip armor with good adhesion to the metallic base material of the blade to be armored can be provided.
  • the adhesive strength of the blade tip armor to the metallic base material is optimized due to the use of a molybdenum intermediate layer.
  • the structure of the blade tip armor made of oxide ceramics is very fine, the thermal insulation is extremely good.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Turbomaschinenschaufel, insbesondere Gasturbinenschaufel. Die Turbomaschinenschaufel weist ein Schaufelblatt und eine Schaufelspitze auf, wobei auf die Schaufelspitze eine Schaufelspitzenpanzerung aus einem keramischen Belag aufgebracht ist. Erfindungsgemäss ist zwischen der metallischen Schaufelspitze (13) und der Schaufelsptzenpanzerung (14) aus dem keramischen Belag eine haftvermittelnde Zwischenschicht (15) aus Molybdän angeordnet. Die Zwischenschicht (15) aus Molybdän und die Schaufelspitzenpanzerung (14) aus dem keramischen Belag werden jeweils durch Laser-Pulver-Auftragschweissen aufgetragen.

Description

Turbomaschinenschaufel und Verfahren zur Herstellung einer Schaufelspitzenpanzerung an Turbomaschinenschaufeln
Die Erfindung betrifft eine Turbomaschinenschaufel, insbesondere eine Gasturbinenschaufel, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Schaufelspitzenpanzerung an Turbomaschinenschaufeln, insbesondere an Gasturbinenschaufeln, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
Turbomaschinen, wie zum Beispiel Flugtriebwerke, umfassen in der Regel mehrere Stufen mit rotierenden Laufschaufeln sowie feststehenden Leitschaufeln, wobei die Laufschaufeln zusammen mit einem Rotor rotieren und wobei die Laufschaufeln sowie die Leitschaufeln von einem feststehenden Gehäuse der Gasturbine umschlossen sind. Zur Leistungssteigerung eines Flugtriebwerks ist es von Bedeutung, alle Komponenten und Subsysteme zu optimieren. Hierzu zählen auch die sogenannten Dichtsysteme in Flugtriebwerkeπ. Besonders problematisch ist bei Flugtriebwerken die Einhaltung eines minimalen Spalts zwischen den rotierenden Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse eines Hochdruckverdichters sowie zwischen den feststehenden Leitschaufeln und einer rotierenden Rotorwelle. Bei Hochdruckverdichtem treten nämlich die größten Temperaturen sowie Temperaturengradienten auf, was die Spalthaltung erschwert. Dies liegt unter anderem auch darin begründet, dass bei Verdichterlaufschaufeln sowie Verdichterleitschaufeln auf Deck- bänder, wie sie bei Turbinen verwendet werden, verzichtet wird.
Wie bereits erwähnt, verfügen die Leitschaufeln und die Laufschaufeln im Verdichter über kein Deckband. Daher sind Enden bzw. Spitzen der rotierenden Laufschaufeln beim sogenannten Anstreifen in das feststehende Gehäuse einem direkten Reibkontakt mit dem Gehäuse ausgesetzt. Die freien Enden bzw. Spitzen der Leitschaufeln sind einem direkten Reibkontakt mit der Rotorwelle ausgesetzt. Ein solches Anstreifen der Schaufelspitzen wird bei Einstellung eines minimalen Radialspalts durch Fertigungstoleranzen hervorgerufen.
Da durch den Reibkontakt der Schaufelspitzen an denselben Material abgetragen wird, kann sich über den gesamten Umfang von Gehäuse und Rotor eine unerwünschte Spalt- Vergrößerung einstellen. Um dies zu vermeiden ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, die Enden bzw. Spitzen der Schaufeln mit einem harten, keramischen Belag oder mit abrasiven Partikeln zu panzern, wobei die Schaufelspitzenpanzerung unmittelbar auf die zu panzernde Schaufelspitze aufgebracht wird. Nach dem Stand der Technik wird eine aus einem keramischen Belag hergestellte Schaufelspitzenpanzerung durch thermisches Spritzen aufgetragen, Schaufelspitzenpanzerungen aus abrasiven Partikeln werden hingegen unmittelbar auf die zu panzernde Schaufelspitze aufgelötet.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuartige Turbomaschinenschaufel sowie ein neuartiges Verfahren zur Herstellung einer Schaufelspitzenpanzerung an Turbomaschinenschaufeln zu schaffen.
Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass die eingangs genannte Turbomaschinenschaufel durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Erfindungsgemäß ist zwischen der Schaufelspitze und der Schaufelspitzenpanzerung aus einem keramischen Belag eine haftvermittelnde Zwischenschicht aus Molybdän angeordnet. Die Zwischenschicht aus Molybdän und die Schaufelspitzenpanzerung aus dem keramischen Belag sind vorzugsweise durch Laser-Pulver-Auftragschweißen aufgetragen. Laser-Pulver-Auftragschweißen wird auch als Laserstrahlauftragschweißen oder Laserstrahlgenerieren bezeichnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Schaufelspitzenpanzerung an Turbomaschinenschaufeln, insbesondere an Gasturbinenschaufeln, ist im unabhängigen Patentanspruch 6 definiert.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematisierte Darstellung einer Gasturbinenschaufeln in perspektivischer
Seitenansicht; Fig. 2 einen schematisierten Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Gasturbinenschaufel mit einer Schaufelspitzenpanzerung;
Fig. 3 eine schematisierte Darstellung zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen
Verfahrens; und
Fig. 4 eine schematisierte Darstellung zur Verdeutlichung einer Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 4 in größerem Detail beschrieben.
Fig. 1 zeigt als Turbomaschinenschaufel eine Laufschaufel 10 einer Gasturbine, nämlich eines Flugtriebwerks, wobei die Laufschaufel 10 ein Schaufelblatt 1 1 sowie einen sich an das Schaufelblatt 1 1 anschließenden Schaufelfuß 12 aufweist. Eine Schaufelspitze 13 des Schaufelblatts 1 1 ist mit einer Schaufelspitzenpanzerung 14 aus einem keramischem Belag versehen.
Erfindungsgemäß ist zwischen die Schaufelspitze 13 der Laufschaufel 10 und der Schaufelspitzenpanzerung 14 aus dem keramischen Belag eine haftvermittelnde Zwischenschicht 15 aus Molybdän angeordnet. Fig. 2 zeigt einen ausschnittsweisen Querschnitt durch den Bereich der metallischen Schaufelspitze 13, der keramischen Schaufelspitzenpanzerung 14 und der zwischen der Schaufelspitze 13 und der Schaufelspitzenpanzerung 14 angeordneten Zwischenschicht 15 aus Molybdän. Bei Fig. 2 handelt es sich lediglich um eine schematische Darstellung. Die Dickenverhältnisse der in Fig. 2 dargestellten Schichtdicken von Zwischenschicht 15 und Schaufelspitzenpanzerung 14 entsprechen nicht den tatsächlichen Gegebenheiten.
Nach einer ersten bevorzugten Weiterbildung der hier vorliegenden Erfindung ist die Laufschaufel 10 und damit das Schaufelblatt 1 1 sowie die Schaufelspitze 13 aus einer Titanbasislegierung hergestellt. Auf eine derartige Schaufelspitze 13 aus einer Titanbasislegierung ist die Zwischenschicht 15 aus Molybdän und auf die Zwischenschicht 15 ist dann eine Schaufelspitzenpanzerung 14 aus einem Al203-Ti02-Keramikwerkstoff aufgetragen. Die Kombination einer Schaufel 10 aus einer Titanbasislegierung mit einer derartigen Aluminiumoxidkeramik ist besonders vorteilhaft.
Nach einer alternativen Weiterbildung der Erfindung ist die Laufschaufel 10 und damit das Schaufelblatt 1 1 sowie die Schaufelspitze 13 aus einer Nickelbasislegierung oder Eisenba¬ sislegierung hergestellt. Auf eine derartige Schaufelspitze 13 aus einer Nickelbasislegierung oder einer Eisenbasislegierung ist dann wiederum die Zwischenschicht 15 aus Molybdän und auf die Zwischenschicht 15 ist eine Schaufelspitzenpanzerung 14 aus einem Zr02-Y203-Keramikwerkstoff aufgetragen. Die Kombination einer Schaufel aus einer Ni- ckeibasislegierung oder Eisenbasislegierung mit einer Zirkonoxidkeramik ist ebenfalls besonders vorteilhaft.
Den oben beschriebenen Turbomaschinenschaufeln bzw. Laufschaufeln 10 einer Gasturbine ist gemeinsam, dass auf eine metallische Schaufel eine Schaufelspitzenpanzerung 14 aus einer Oxidkeramik aufgetragen ist, wobei zwischen der metallischen Schaufelspitze 13 und der Schaufelspitzenpanzerung 14 aus der Oxidkeramik eine Zwischenschicht 15 aus Molybdän aufgetragen ist. Die Zwischenschicht 15 aus Molybdän verbessert die Haftung der Oxidkeramik auf der Schaufelspitze. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird die Schaufelspitzenpanzerung 15 aus der Oxidkeramik demnach nicht unmittelbar auf die Schaufelspitze 13 aufgetragen, sondern unter Zwischenanordnung der haftvermittelnden Schicht 15 aus Molybdän.
Es liegt im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, die Zwischenschicht 15 aus Molybdän sowie die Schaufelspitzenpanzerung 14 aus dem keramischen Werkstoff jeweils durch Laser-Pulver-Auftragschweißen auf die Schaufelspitze 13 bzw. die Zwischenschicht 15 aufzutragen. Nachfolgend wird auf die Details des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Schaufelspitzenpanzerung an Turbomaschinenschaufeln in größerem Detail eingegangen.
Zum Laser-Pulver-Auftragschweißen der Zwischenschicht 15 aus Molybdän sowie der Schaufelspitzenpanzerung 14 aus dem keramischen Werkstoff wird jeweils ein C02-Laser verwendet. Bevorzugt findet ein C02-Laser mit einer Nennleistung von 6000 W und einer Wellenlänge von 10,6 μm Verwendung.
Unter Verwendung des obigen C02-Lasers wird in einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die zu panzernde, metallische Schaufelspitze 13 zuerst die haftvermittelnde Zwischenschicht 15 aus Molybdän durch Laser-Pulver-Auftragsschweißen aufgebracht. Das Aufbringen dieser haftvermittelnden Zwischenschicht 15 aus Molybdän erfolgt für Schaufeln aus einer Titanbasislegierung oder Nickelbasislegierung oder Eisenbasislegierung unter Verwendung derselben Prozessparameter. So wird zur Auftragung der Zwischenschicht 15 aus Molybdän der Laser mit einer Laserstrahlintensität von 1*10 bis 3*105 W/cm3, insbesondere mit einer Laserstrahlintensität von 1,6* 105 bis 2* 105 W/cm3 betrieben. Die Vorschubgeschwindigkeit des Lasers zum Auftragen der Zwischenschicht 15 aus Molybdän liegt zwischen 1000 und 1800 mm/min, insbesondere in einer Größenordnung von 1200 bis 1600 mm/min. Besonders bevorzugt ist eine Vorschubgeschwindigkeit des C02-Laser bei der Auftragung der Molybdän-Zwischenschicht von 1400 mm/min. Der Molybdän-Werkstoff bzw. das Molybdän-Pulver wird zum Laser-Pulver- Auftragschweißen dabei vorzugsweise mit einer Pulvermenge von 3 bis 6 g/min, insbesondere mit einer Pulvermenge von 4 bis 5 g/min in Richtung auf den Laser gefördert. Besonders bevorzugt ist eine Molybdänfördermenge von 4,5 g/min. Zur Förderung des Molybdäns in Richtung auf den Laser wird als Fördergas Argon verwendet.
Auf eine mit den obigen Prozessparametern aufgebrachte Molybdän-Zwischenschicht 15 wird sodann in einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens die Schaufelspitzenpanzerung 14 aus dem keramischen Belag, nämlich einer Oxidkeramik, ebenfalls durch Laser-Pulver-Auftragschweißen aufgebracht. Bei einer Schaufelspitze 13, die aus einer Titanbasislegierung besteht, wird ein Al203-Ti02- Keramikwerkstoff verwendet, bei einer Schaufelspitze 13 aus einer Nickelbasislegierung oder Eisenbasislegierung wird ein Zr02- Y203-Keramikwerkstoff aufgebracht. Zum Aufbringen der Keramikschicht auf die Molybdän-Zwischenschicht 15 wird der C02-Laser mit einer Laserstrahlintensität von 2*104 bis 4*104, vorzugsweise mit einer Laserstrahlintensität von 2,9* 104 bis 3,2* 104 W/cm3 betrieben. Die Vorschubgeschwindigkeit des Laser beim Laser-Pulver-Auftragsschweißen der Keramikschicht liegt zwischen 50 bis 400 mm/min, vorzugsweise zwischen 100 und 350 mm/min. Das Keramikpulver wird mit einer entsprechenden Fördermenge in Richtung auf den Laser gefördert. Beim Auftragen des Al2θ3-Ti02-Keramikpulvers liegt die Fördermenge bei 3 bis 5 g/min, bei Auftragen des Zr02N2θ3-Keramikpulvers liegt die Pulvermenge bei 3 bis 9 g/min. Für die Förderung der Keramikpulver wird als Fördergas Helium verwendet.
Unter Verwendung der obigen Prozessparameter lassen sich äußerst stabile und gut haftende Schaufelspitzenpanzerungen an Turbomaschinenschaufeln bereitstellen.
Für das hier vorliegenden, erfindungsgemäße Verfahren ist es demnach von Bedeutung, auf die zu panzernde Schaufelspitze zuerst eine Zwischenschicht aus Molybdän und anschließend erst die Schaufelspitzenpanzerung aus der Oxidkeramik aufzutragen. Sowohl die Molybdän-Zwischenschicht als auch die Schaufelspitzenpanzerung aus der Oxidkeramik werden mithilfe von Laser-Pulver-Auftragschweißen aufgetragen. Bei einem derartigen Laserstrahlbeschichten wird die Haftung der aufgetragenen Schichten, insbesondere der aufgetragenen Oxidkeramik, durch Haftmechanismen wie chemische Wechselwirkung (Diffusion) und chemische Adsorption begründet. Die Existenz der Molybdän-Zwischenschicht begünstig dabei die Bildung einer Diffusionszone zwischen dem Basismaterial, also der Titanbasislegierung oder Nickelbasislegierung oder Eisenbasislegierung, der zu panzernden Schaufel und dem keramischen Werkstoff der eigentlichen Schaufelspitzenpanzerung. Sowohl beim Auftragen des AI203-Tiθ2-Keramikpulvers auf eine Schaufelspitze aus einer Titanbasislegierung als auch beim Auftragen des Zr02N2θ3-Keramikwerkstoffs auf eine Schaufelspitze aus einer Nickelbasislegierung oder Eisenbasislegierung spielt das Vorhandensein der Zwischenschicht aus Molybdän bei der Bildung einer Diffusionszone zwischen der Oxidkeramik und dem Substratmaterial der Schaufelspitze eine entscheidende Rolle für eine gute Haftung der Schaufelspitzenpanzerung. So verfügt Molybdän gegenüber den verwendeten Keramikpulvern über ein gutes Benetzungsverhalten, was das Haftverhalten des Keramikwerkstoffs auf dem metallischen Grundwerkstoff der zu panzernden Schaufel positiv beeinflusst. Das Benetzungsverhalten wird im Wesentlichen von der Neigung des Molybdäns zur Oxidbildung bestimmt. Diese Neigung ist beim Molybdän bei Temperaturen von größer als 400 CC stark ausgeprägt, sodass die Oxidkeramik das Molybdän sehr gut benetzt. Weiterhin spielt die hohe Sauerstoffaffinität des Molybdän bei der Bildung der Diffusionsschicht eine wichtige Rolle. Die Sauerstoffaffinität des Molybdäns unterstützt die Diffusion des Sauerstoffs aus dem grenznahen Bereich der Keramikschicht in die Molybdän-Zwischenschicht hinein.
Das Laser-Pulver-Auftragschweißen der Molybdän-Zwischenschicht 15 sowie der Schaufelspitzenpanzerung 1 aus dem keramischen Werkstoff erfolgt entweder im Sinne der Fig. 3 in der Variante einer koaxialen Pulverzuführung des aktuell aufzutragenden Werkstoffs oder im Sinne der Fig. 4 in der Variante einer seitlichen Pulverzuführung des aufzutragenden Werkstoffs. So zeigen Fig. 3 und 4 jeweils die Auftragung der Molybdän- Zwischenschicht 15 auf der zu panzernden Schaufelspitze 13, wobei jeweils ein von einer Laserquelle 16 erzeugter Laserstrahl 17 fokusiert auf die zu beschichtende Oberfläche gerichtet wird. Bei der seitlichen Zuführung des Molybdänpulvers gemäß Fig. 4 kommt eine separat ausgestaltete Zuführeinrichtung 18 zum Einsatz, bei der koaxialen Zuführung gemäß Fig. 3 ist die Zuführeinrichtung 18 in die Laseranordnung 16 integriert. Besonders bevorzugt ist die Auftragung der Molybdän-Zwischenschicht sowie der Oxidkeramik nach dem sogenannten Laser-Pulver-Auftragschweißen in Kokille. Details dieses Prozesses sind dem hier angesprochenen Fachmann geläufig.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung kann eine porenfreie und rissarme Schaufelspitzenpanzerung mit einer guten Haftung zum metallischen Grundwerkstoff der zu panzernden Schaufel bereitgestellt werden. Die Haftfestigkeit der Schaufelspitzenpanzerung auf dem metallischen Grundwerkstoff ist aufgrund der Verwendung einer Molybdän- Zwischenschicht optimiert. Die Struktur der Schaufelspitzenpanzerung aus der Oxidkeramik ist sehr fein, die Wärmedämmung ist äußerst gut.

Claims

Patentansprüche
1. Turbomaschinenschaufel, insbesondere Gasturbinenschaufel, mit einem Schaufelblatt (1 1) und einer Schaufelspitze (13), wobei auf die Schaufelspitze (13) eine Schaufelspitzenpanzerung (14) aus einem keramischen Belag aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Schaufelspitze (13) und der Schaufelspitzenpanzerung (14) aus dem keramischen Belag eine haftvermittelnde Zwischenschicht (15) aus Molybdän angeordnet ist.
2. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (15) aus Molybdän auf die Schaufelspitze (13) durch Laser-Pulver-Auftragschweißen aufgetragen ist.
3. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelspitzenpanzerung (14) aus dem keramischen Belag auf die Zwischenschicht (15) aus Molybdän durch Laser-Pulver-Auftragschweißen aufgetragen ist.
4. Turbomaschinenschaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt (1 1) und damit die zu panzernde Schaufelspitze (13) aus einer Titanbasislegierung, die Zwischenschicht (15) aus Molybdän und die Schaufelspitzenpanzerung (14) aus einem AI2θ3-Tiθ2-Kermaikwerkstoff gebildet ist.
5. Turbomaschinenschaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt (1 1) und damit die zu panzernde Schaufelspitze (13) aus einer Nickelbasislegierung oder einer Eisenbasislegierung, die Zwischenschicht (15) aus Molybdän und die Schaufelspitzenpanzerung (14) aus einem Zr02-Y203- Keramikwerkstoff gebildet ist.
6. Verfahren zur Herstellung einer Schaufelspitzenpanzerung an Turbomaschinenschaufeln, insbesondere an Gasturbinenschaufeln, wobei auf eine Schaufelspitze (13) eines Schaufelblatts (1 1) eine Schaufelspitzenpanzerung (14) aus einem keramischen Belag aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Schaufelspitze zuerst durch Laser-Pulver-Auftragschweißen eine haftvermittelnde Zwischenschicht (15) aus Molybdän aufgebracht wird, und dass anschließend auf die haftvermittelnde Zwischenschicht aus Molybdän die Schaufelspitzenpanzerung ( 14) aus dem keramischen Belag ebenfalls durch Laser-Pulver- Auftragschweißen aufgebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine zu panzernde Schaufelspitze (13) aus einer Titanbasislegierung zuerst die Zwischenschicht (15) aus Molybdän und dann die Schaufelspitzenpanzerung aus einem Al2θ3-Ti02-Kermaikwerkstoff aufgebracht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine zu panzernde Schaufelspitze (13) aus einer Nickelbasislegierung oder einer Eisenbasislegierung zuerst die Zwischenschicht (15) aus Molybdän und dann die Schaufelspitzenpanzerung (14) aus einem Zrθ2N2θ3-Kermaikwerkstoff aufgebracht wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Laser-Pulver-Auftragschweißen jeweils unter Verwendung eines C02-Lasers durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für das Auftragen der Molybdän-Zwischenschicht (15) der Laser mit einer Laserstrahlintensität von 1*105 bis 3* 105 W/cm3 und mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 1000 bis 1800 mm/min betrieben wird.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für das Auftragen der Molybdän-Zwischenschicht (15) der Laser mit einer Laserstrahlintensität von 1,6*105 bis 2*105 W/cm3 und mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 1200 bis 1600 mm/min, vorzugsweise 1400 mm/min, betrieben wird.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass für das Auftragen der Molybdän-Zwischenschicht (15) das Molybdän in einer Pulvermenge von 3 bis 6 g/min in Richtung auf den Laser gefördert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für das Auftragen der Molybdän-Zwischenschicht (15) das Molybdän in einer Pulvermenge von 4 bis 5 g/min, vorzugsweise 4,5 g/min, in Richtung auf den Laser gefördert wird.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass für das Auftragen der Molybdän-Zwischenschicht (15) das Molybdän unter Verwendung von Argon als Fördergas in Richtung auf den Laser gefördert wird.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass für das Auftragen der Schaufelspitzenpanzerung (14) aus dem keramischen Be- lag der Laser mit einer Laserstrahlintensität von 2* 10 bis 4* 104 W/cm3 und mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 50 bis 400 mm/min betrieben wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass für das Auftragen der Schaufelspitzenpanzerung (14) aus dem keramischen Belag der Laser mit einer Laserstrahlintensität von 2,9* 104 bis 3,2* 104 W/cm3 und mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 100 bis 350 mm/min, betrieben wird.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass für das Auftragen der Schaufelspitzenpanzerung (14) aus dem keramischen Belag das Keramikpulver in einer Pulvermenge von 2 bis 10 g/min in Richtung auf den Laser gefördert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass für das Auftragen der Schaufelspitzenpanzerung (14) aus dem keramischen Belag das Ai203-Tiθ2-Keramikpulver in einer Pulvermenge von 3 bis 5 g/min oder das Zr02N2θ3- Keramikpulver in einer Pulvermenge von 3 bis 9 g/min in Richtung auf den Laser gefördert wird.
19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass für das Auftragen der Schaufelspitzenpanzerung (14) aus dem keramischen Belag das Keramikpulver unter Verwendung von Helium als Fördergas in Richtung auf den Laser gefördert wird.
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