DE102016221871A1

DE102016221871A1 - Gasturbinenbauteil und Verfahren zum Herstellen eines erosionsgeschützten Gasturbinenbauteils

Info

Publication number: DE102016221871A1
Application number: DE102016221871.9A
Authority: DE
Inventors: Christian Brunhuber; Stefan Wanjura; Heinrich Zeininger
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2016-11-08
Filing date: 2016-11-08
Publication date: 2018-05-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinenbauteil (1) mit zumindest einem Bauteilsegment (2) und zumindest einem Erosionsschutzelement (5), das das Bauteilsegment (2) zumindest teilweise bedeckt. Es ist vorgesehen, dass das Erosionsschutzelement (5) eine galvanisch abgeschiedene metallische Schicht umfasst.Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines erosionsgeschützten Gasturbinenbauteils, das zumindest einen Schritt des Aufbringens (12, 25) eines Erosionsschutzelements auf zumindest ein Bauteilsegment (2) des Gasturbinenbauteils (1) vorsieht, wobei das Erosionsschutzelement (5) eine galvanisch abgeschiedene metallische Schicht umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasturbinenbauteil, beispielsweise eine Verdichterschaufel, mit zumindest einem Bauteilsegment und zumindest einem Erosionsschutzelement, das das Bauteilsegment zumindest teilweise bedeckt.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines erosionsgeschützten Gasturbinenbauteils.
Eine Gasturbine ist eine Strömungsmaschine und umfasst zumindest einen Verdichterabschnitt, einen Brennkammerabschnitt und einen Turbinenabschnitt. Luft wird im Verdichterabschnitt mittels Verdichterschaufeln komprimiert, im Brennkammerabschnitt mit einem flüssigen oder gasförmigen Brennstoff vermischt, wobei durch die Verbrennung des Gemischs entstehendes Heißgas einem Turbinenabschnitt zugeführt wird, wo mittels Turbinenschaufeln damit eine Welle angetrieben wird.
Bei der Entwicklung insbesondere von landbasierten Gasturbinen gibt es einen Trend zu immer größeren und effizienteren Maschinen. Der dabei auch immer größer werdende Ansaugmassenstrom erfordert auch ein Anwachsen des Strömungsquerschnitts und somit der Größe der Kompressor- bzw. Verdichterschaufeln. Schaufeln von Gasturbinen sind aufgrund der großen Dichte (ca. 8 g/cm³) des oft als Material verwendeten Stahls relativ schwer, so dass bei immer größeren Gasturbinen mit immer größeren Schaufeln die Gefahr besteht, insbesondere bei der großen ersten Schaufelreihe, dass die mechanische Belastungsgrenze des Materials überschritten wird.
Leichtere Materialien bzw. Werkstoffe, die ebenfalls eine hohe spezifische Festigkeit bieten, sind beispielsweise Faserverbundwerkstoffe, insbesondere Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffe bzw. faserverstärkte Kunststoffe. So besitzen carbonfaserverstärkte Komposite (CFK) trotz ihrer vergleichsweise geringen Dichte (beispielsweise ca. 1,8 g/cm³) Zugfestigkeiten ähnlich denen von Stahl.
Allerdings stellt Erosion bzw. Verschleiß, beispielsweise durch Staub, Sand, Wassertropfen oder Eispartikel an Bauteilen bzw. Segmenten davon ein Problem dar, insbesondere wenn diese aus nichtmetallischen Werkstoffen bestehen, beispielsweise aus Kunststoffen oder Faserverbundwerkstoffen wie CFK. Bei Gasturbinen kommt es aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten zu besonders starker Erosion, gegen die ein effektiver Schutz erforderlich ist.
Bei Flugzeugtriebwerken werden daher Lüfterflügel aus CFK mit umformtechnisch hinzugefügten Schutzkanten für die Lüfterflügel hergestellt oder Schutzkanten durch aufwendiges Auftragschweißen aufgebracht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen robusten, kostengünstigen Schutz für von Erosion betroffene Gasturbinenbauteile oder Bauteilsegmente zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Ein von Erosion betroffenes Gasturbinenbauteil kann jedes der Erosion durch in der Strömung durch die Gasturbine enthaltene Partikel ausgesetzte Bauteil sein, insbesondere die Schaufeln des Verdichters bzw. Kompressors. Ein Bauteilsegment kann das gesamte Gasturbinenbauteil bezeichnen oder einen Abschnitt davon, beispielsweise das Schaufelblatt oder auch einen besonders gegen Schädigung durch Erosion zu schützenden Abschnitt des Schaufelblattes, beispielsweise eine Einlaufkante bzw. Anströmkante einer Verdichterschaufel.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass metallische Schutzschichten einen geeigneten Schutz gegenüber Erosion, Verschleiß und Korrosion bieten können.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Gasturbinenbauteil, insbesondere eine Kompressor- oder Verdichterschaufel, zumindest ein Bauteilsegment und zumindest ein Erosionsschutzelement umfasst, das das Bauteilsegment zumindest teilweise bedeckt, wobei das Erosionsschutzelement eine galvanisch abgeschiedene metallische Schicht umfasst.
Ein Erosionsschutzelement bzw. eine Erosionsschutzzkante oder Erosionskante besteht somit zumindest aus der galvanisch abgeschiedenen metallischen Schicht.
Die Galvanotechnik oder Galvanik, bei der durch elektrochemische Abscheidung metallische Niederschläge auf Substrate aufgebracht werden, um eine metallische Schicht auf dem Substrat zu erzeugen bzw. aufzuwachsen, ist ein Prozess, der kostengünstig durchgeführt werden kann und sich für die Metallbeschichtung von Bauteilen aus Metall, aber auch aus Kunststoffen oder Verbundwerkstoffen eignet. Bei der Galvanik wird durch ein Galvanikbad bzw. elektrolytisches Bad Strom geleitet, wobei der elektrische Strom dabei Metallionen von einer Verbrauchselektrode ablöst und an dem in das Bad getauchte Substrat als weiterer Elektrode ablagert. Ein galvanotechnischer Prozess eignet sich prinzipiell für Substrate jeder Größe, die nur durch die Abmessungen des verwendeten Galvanikbades begrenzt wird.
Die dabei abgeschiedene Metallschicht bietet Schutz gegen Verschleiß und Korrosion und eine hohe Duktilität, das heißt eine beschädigungsfreie hohe plastische Verformbarkeit unter Belastung.
Zudem bietet eine durch galvanische Abscheidung erzeugte metallische Schicht den Vorteil, dass diese durch Anpassung der Stromdichte, durch die Regulierung der Eintauchdauer in das Galvanikbad oder durch Abdeckung von ausgewählten Bereichen während ihrer Erzeugung durch Galvanisierung in einfacher Weise in unterschiedlichen Schichtdicken erzeugt werden kann. So kann beispielsweise für einen Kantenbereich, beispielsweise die Anströmkante, einer Verdichterschaufel, wo die Erosionsbelastung besonders hoch ist, ein Erosionsschutzelement eine größere Stärke der metallischen Schicht vorsehen. Die Stärke einer galvanisch abgeschiedenen metallischen Schicht eines Erosionsschutzelements kann beispielsweise in einem Bereich von 0,2 bis 2 Millimetern liegen, kann aber auch andere Stärken aufweisen. Beispielsweise kann die metallische Schicht in einem Bereich, in dem eine besonders hohe Erosionsbelastung zu erwarten ist, doppelt so stark wie in anderen Bereichen vorgesehen sein.
In einer Ausführungsform besteht das Bauteilsegment aus einem Faserverbundwerkstoff. Aufgrund der mit Stahl vergleichbaren Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen wie CFK bei gleichzeitig geringerem Gewicht eignen sich Faserverbundwerkstoffe sehr gut, wenn bei Gasturbinenbauteilen, insbesondere Verdichterschaufeln, eine Gewichtsreduktion bei ähnlich hoher Belastbarkeit wie Stahl erforderlich ist. Zugleich eignen sich Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen, diese sicher mit einem Erosionsschutzelement mit bzw. aus einer metallischen Schicht zu verbinden. Auch ist es möglich, metallische Schichten direkt galvanisch auf die Oberfläche eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff aufzuwachsen.
Vorteilhaft ist auch, dass Gasturbinenbauteilen wie Verdichterschaufeln aus einem Faserverbundwerkstoff wie CFK sich in Serienfertigung herstellen lassen und ein galvanotechnischer Prozess sich in diese Serienfertigung integrieren lässt. Dadurch können kostenintensivere Fertigungstechnologien wie Schmieden oder Feinguss vermieden werden.
In einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die galvanisch abgeschiedene metallische Schicht auf zumindest einem Teil des Bauteilsegments aufgewachsen ist.
Dabei wird die metallische Schicht auf einem Teil oder dem gesamten Bauteilsegment aufgewachsen, so dass das Bauteilsegment von der auf diese Weise aufgebrachten metallischen Schutzschicht direkt geschützt wird. Auf diese Weise kann bei der Herstellung des Bauteils ein zusätzlicher Arbeitsschritt des Verbindens des Erosionsschutzelements mit dem zu schützenden Bauteilsegment vermieden werden und eine sehr gute Anpassung an die Oberflächenkontur des Bauteilsegments erreicht werden.
So lassen sich nichtmetallische Gasturbinenbauteile ebenso wie metallische Bauteilsegmente durch eine direkt aufgewachsene metallische Schicht als Erosionsschutzelement schützen.
Beispielsweise kann im Falle einer Abscheidung der Metallschicht auf ein Bauteilsegment aus Edelstahl an exponierten Stellen, beispielsweise den Kanten einer Verdichterschaufel, dort zuvor die Passivschicht entfernt werden, um dann dort eine harte metallische Schicht, beispielsweise aus einer Nickel-Cobalt-Legierung, aufwachsen zu lassen.
In einer weiteren Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass auf mehrere Bauteilsegmente oder ein Bauteilsegment, das aus einer Kombination aus zumindest einem Faserverbundwerkstoff oder Kunststoff und zumindest einem Metall, insbesondere einem Leichtmetall wie Titan (Ti), Aluminium (Al) oder Magnesium (Mg) besteht, eine galvanisch abgeschiedene metallische Schicht, das heißt eine Galvanikschicht, aufgewachsen ist. So können beispielsweise massive Leichtmetallteile je nach Anwendung geformt werden und mit anderen Leichtbaumaterialien wie Faserverbundwerkstoffen oder Kunststoffen verbunden werden, wobei der gemeinsame Oberflächenschutz durch eine galvanisch abgeschiedene metallische Schicht hoher Dichte erfolgt, beispielsweise eine Nickel-Cobalt-Schicht.
Insbesondere ist es in einer Ausführungsform vorgesehen, dass die galvanisch abgeschiedene metallische Schicht das Bauteilsegment ummantelt.
Das Bauteilsegment bzw. das gesamte Bauteil, beispielsweise eine Gasturbinenschaufel bzw. deren Schaufelblatt, wird hierbei von der galvanisch abgeschiedenen metallischen Schicht umschlossen. Dies ermöglicht zum einen einen lückenlosen Schutz, zum anderen kann durch einfaches Eintauchen in ein Galvanikbad die metallische Schutzschicht einfach in einem Schritt aufgebracht werden. Durch Abdecken mit einem geeigneten Schutz, beispielsweise einer wasserlöslichen Harzschicht, die später entfernt wird, lassen sich definierte Segmente bzw. Oberflächenabschnitte, für die eine metallische Schutzschicht nicht erforderlich ist, von dem Aufwachsen der metallischen Schicht ausnehmen.
In einer anderen Ausführungsform wird das Erosionsschutzelement zunächst separat hergestellt, indem die galvanisch abgeschiedene Schicht zunächst auf eine Form, das heißt ein auf der Kontur des Bauteilsegments basierendes formgebendes Substrat, beispielsweise aus Edelstahl, galvanisch aufgewachsen wird, von der sie dann abgelöst wird, anstatt die galvanisch abgeschiedene metallische Schicht direkt auf das zu schützende Bauteilsegment aufzuwachsen. Dies ermöglicht beispielsweise das gleichzeitige oder zeitlich voneinander unabhängige Herstellen des Bauteilsegments und des Erosionsschutzelements.
Insbesondere ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass das Erosionsschutzelement zumindest in einem Kontaktabschnitt mit dem Bauteilsegment eine aufgeraute Oberfläche aufweist. Diese kann durch die Beschaffenheit der Form oder nach dem Ablösen von der Form erzeugt werden.
Auf diese Weise wird eine stärkere Verbindung zum bzw. eine bessere Haftung auf dem zu schützenden Bauteilsegment ermöglicht, insbesondere zu einem Bauteilsegment aus einem carbonfaserverstärkten Komposit (CFK) oder anderen Faserverbundwerkstoff oder Kunststoff.
Alternativ oder zusätzlich ist es in einer Ausführungsform vorgesehen, dass das Erosionsschutzelement mit einem Klebemittel an dem Bauteilsegment befestigt ist. In einer weiteren Ausführungsform des Gasturbinenbauteils, bei der das zu schützende Bauteilsegment aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, ist das Erosionsschutzelement durch Infiltrieren während der Herstellung des Faserverbundwerkstoffs mit dem Bauteilsegment verbunden. Beispielsweise kann bei der Herstellung des Bauteilsegments als carbonfaserverstärktes Komposit das Erosionsschutzelement oder ein Abschnitt davon zusammen mit dem Fasergelege während des Herstellungsschritts, der beispielsweise Spritzpressen (resin transfer molding bzw. rapid transfer molding) umfasst, in das verwendete Epoxidharz infiltriert werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Erosionsschutzelement zumindest ein Halteelement. Ein Halteelement oder mehrere der Halteelemente bilden eine zumindest im Kontaktbereich mit dem Bauteilsegment vorgesehene, auf der Oberfläche des Erosionsschutzelements angebrachte Struktur, die eine verbesserte Haftung am bzw. formschlüssige Verbindung zum Bauteilsegment ermöglicht, insbesondere auch, wenn dieses aus einem Faserverbundwerkstoff oder Kunststoff besteht. Halteelemente können beispielsweise die Form von stecknadelkopfartigen Pins oder Stiften haben.
Insbesondere ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass das Halteelement durch CMT-Schweißen (CMT: cold metal transfer) auf die galvanisch abgeschiedene metallische Schicht aufgeschweißt ist.
Prinzipiell kann jedes galvanisch abscheidbare Material für die galvanisch abscheidbare metallische Schicht verwendet werden. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die galvanisch abgeschiedene metallische Schicht zumindest eine der Substanzen Nickel (Ni), Cobalt (Co), Chrom (Cr), eine Nickel-Cobalt-Legierung, eine Cobalt-Chrom-Legierung, Kupfer (Cu), Zinn (Sn), Silber (Ag) oder Gold (Au) umfasst. Insbesondere sind beispielsweise Nickel, Cobalt, Nickel-Cobalt-Legierungen und Cobalt-Chrom-Legierungen aufgrund ihrer großen Härte als Erosionsschutzmaterial geeignet und sind gut aus wässriger Lösung abscheidbar. Ebenso können Kupfer, Zinn, Silber und Gold galvanisch abgeschieden werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die galvanisch abgeschiedene metallische Schicht eine Nickel-Cobalt-Legierung umfasst, die zumindest in einem Bereich einen Cobalt-Anteil aufweist, der mindestens 25 % Cobalt beträgt.
In der Luftfahrt werden häufig Nickel-Cobalt-Schichten verwendet, die etwa 80 % Nickel und 20 % Cobalt enthalten, wobei lokal Nickel-Cobalt-Legierung aufgetragen werden, deren Cobalt-Gehalt über 15 % und unter 25 % liegt. Aufgrund der besonders starken Erosionskräfte, die auf ein Gasturbinenbauteil oder einzelne Segmente davon einwirken können, ist es vorteilhaft, durch die Verwendung eines erhöhten Cobalt-Anteils zumindest bereichsweise die Erosionsschutzwirkung weiter zu erhöhen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die galvanisch abgeschiedene metallische Schicht Titan (Ti). Aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften, insbesondere seiner hohen Festigkeit und Duktilität bei gleichzeitig geringe Dichte, eignet sich Titan als Erosionsschutzmaterial. Titan kann aus nichtwässrigen Titansalz-Lösungen galvanisch abgeschieden werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines erosionsgeschützten Gasturbinenbauteils umfasst zumindest einen Schritt eines Aufbringens eines Erosionsschutzelements auf zumindest ein Bauteilsegment des Gasturbinenbauteils, wobei das Erosionsschutzelement eine galvanisch abgeschiedene metallische Schicht umfasst. Auf diese Weise werden die Vorteile und Besonderheiten des erfindungsgemäßen Gasturbinenbauteils im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen eines solchen erosionsgeschützten Gasturbinenbauteils umgesetzt. Dies gilt auch für die nachfolgend angegebenen bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Aufbringen des Erosionsschutzelements umfasst, die galvanisch abgeschiedene metallische Schicht auf das Bauteilsegment des Bauteils galvanisch aufzuwachsen.
In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens ist es vorgesehen, die galvanisch abgeschiedene metallische Schicht durch galvanisches Aufwachsen der Schicht auf eine Form zu erzeugen und diese galvanisch abgeschiedene metallische Schicht dann von der Form abzulösen. Auf diese Weise steht die metallische Schicht als Erosionsschutzelement separat von dem zu schützenden Bauteilsegment zur Verfügung, wobei deren Herstellung somit zeitgleich oder zeitlich unabhängig voneinander stattfinden kann. Das Aufbringen des Erosionsschutzelements auf das Bauteilsegment umfasst hier ein Verbinden der galvanisch abgeschiedenen metallischen Schicht mit zumindest einem Teil des Bauteilsegments.
In einer Ausführungsform des Verfahrens ist es weiterhin vorgesehen, dass das Verbinden ein Kleben eines Kontaktabschnitts des Erosionsschutzelements an das Bauteilsegment umfasst. In einer anderen Ausführungsform, in der das Bauteilsegment aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt wird, kann das Verbinden auch durch Infiltrieren während einer Herstellung des Bauteilsegments realisiert werden.
Zudem kann in einer Ausführungsform des Verfahrens vorgesehen sein, ein oder mehrere Halteelemente, beispielsweise eine Struktur von Pins, an der galvanisch abgeschiedenen metallischen Schicht anzubringen, um so eine festere Verbindung mit dem Bauteilsegment zu ermöglichen.
Die Erfindung wird nachstehend im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Verdichterschaufel als Beispiel eines Gasturbinenbauteils;
2 einen Schnitt durch das in 1 gezeigte Gasturbinenbauteil;
3 einen weiteren Schnitt durch ein Gasturbinenbauteil;
4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines erosionsgeschützten Gasturbinenbauteils;
5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines erosionsgeschützten Gasturbinenbauteils;
6 beispielhaft eine Gasturbine in einem Längsteilschnitt;
7 in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel; und
8 zeigt eine Brennkammer einer Gasturbine.

In den Figuren sind identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Verdichterschaufel 1 als Beispiel eines Gasturbinenbauteils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die gezeigte Verdichterschaufel 1 verfügt über ein Schaufelblatt 2, sowie über eine Schaufelplattform 3 und einen Schaufelfuß 4. Die Verdichterschaufel 1 kann einstückig als ein Gasturbinenbauteilsegment ausgebildet sein oder aus mehreren Bauteilsegmenten bestehen. So kann das Schaufelblatt 2 ein erstes Bauteilsegment sein, das mit der Schaufelplattform 3 als zweites Bauteilsegment verbunden ist. So kann beispielsweise das Gasturbinenbauteil aus einem Werkstoff hergestellt sein, beispielsweise einem faserverstärkten Kunststoff, oder das erste Bauteilsegment aus einem ersten Werkstoff bestehen, beispielsweise einem faserverstärkten Kunststoff, während das zweite Bauteilsegment aus einem zweiten Werkstoff besteht, beispielsweise Stahl. In dem in 1 gezeigten Beispiel überdeckt eine Erosionsschutzkante bzw. ein Erosionsschutzelement 5, das aus einer galvanisch abgeschiedenen metallischen Schicht besteht, einen der Erosion besonders ausgesetzten Bereich des Schaufelblattes 2.
2 zeigt einen Schnitt durch das Schaufelblatt 2 entlang der in 1 gezeigten gestrichelten Linie (II-II). Es ist erkennbar, dass das durch die galvanisch abgeschiedene metallische Schicht gebildete Erosionsschutzelement 5 mit dem Schaufelblatt 2 als zu schützendes Bauteilsegment abschließt. In dem gezeigten Beispiel ist die metallische Schicht direkt auf dem Schaufelblatt 2 aufgewachsen, wodurch der Kontaktbereich 6 direkt an dem Schaufelblatt 2 haftet. In weiteren Ausführungsformen ist vorgesehen, dass das Erosionsschutzelement zumindest im Kontaktbereich 6 über eine aufgeraute Oberfläche verfügt und bzw. oder mit einem Klebemittel an dem Schaufelblatt 2 haftet. Auf diese Weise lassen sich auch getrennt hergestellte Erosionsschutzelemente mit der Verdichterschaufel verbinden.
3 zeigt einen weiteren Schnitt durch ein Schaufelblatt gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei nur von der Darstellung in 2 abweichende Elemente erläutert werden. In 3 verfügt das Erosionsschutzelement 5 im Kontaktbereich 6 zusätzlich über Halteelemente 7 in Form von Pins, mit denen das Erosionsschutzelement 5 zusätzlich im Schaufelblatt 2 verankert ist. Eine solche Verbindung kann beispielsweise bereits während der Herstellung des Bauteilsegments, also hier des Schaufelblattes 2, aus einem Faserverbundwerkstoff wie CFK erzeugt werden, während dieser noch nicht ausgehärtet ist.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines erosionsgeschützten Gasturbinenbauteils. In einem Bereitstellungsschritt 11 wird zunächst ein Gasturbinenbauteil mit einem zu schützenden Bauteilsegment bereitgestellt. In einem weiteren Schritt 12 wird dann ein Erosionsschutzelement, das eine galvanisch abgeschiedene metallische Schicht umfasst, auf das Bauteilsegment des Gasturbinenbauteils aufgebracht. In einer Ausführungsform, bei der die metallische Schicht direkt auf das Bauteilsegment aufgewachsen wird, wird das Bauteilsegment hierzu beispielsweise vollständig oder teilweise in ein Galvanikbad getaucht.
In einer anderen Ausführungsform wird ein separat erzeugtes Erosionsschutzelement mit dem Bauteilsegment verbunden. Hierzu zeigt 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines erosionsgeschützten Gasturbinenbauteils. In einem ersten Bereitstellungsschritt 21 wird ein Gasturbinenbauteil mit einem zu schützenden Bauteilsegment bereitgestellt. In einem zweiten Bereitstellungsschritt 22 wird ein an die Verbindung mit dem Bauteilsegment angepasstes formgebendes Substrat, beispielsweise aus Stahl, als Form bereitgestellt.
In einem weiteren Schritt 23 wird, beispielsweise durch vollständiges oder teilweises Eintauchen des Substrats in ein Galvanikbad, durch galvanisches Aufwachsen auf die Form eine galvanisch abgeschiedene metallische Schicht erzeugt, die dann in einem weiteren Schritt 24 von der Form abgelöst wird.
Schließlich wird in einem weiteren Schritt 25 die galvanisch abgeschiedene metallische Schicht mit dem Bauteilsegment verbunden. Das Verbinden kann je nach Ausführungsform weitere Schritte umfasst, beispielsweise das Aufrauen eines Kontaktabschnitts, das Aufbringen eines Klebemittels oder das Anbringen von Halteelementen.
Die 6 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt.
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.
Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.
Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet.
Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.
Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur).
Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 .
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt.
Die 7 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.
Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt).
Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt).
Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.
Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.
Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures).
Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 A1 bekannt.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 .
Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.
Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer).
Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr-8Al-0,6Y-0,7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0,6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al-0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-11Al-0,4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr-10A1-0,4Y-1,5Re.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeutet) auf.
Die 8 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1000°C bis 1600°C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt.
Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 .
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Hitzeschildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Hitzeschildelemente 155.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1204776 B1 [0063, 0076]
EP 1306454 [0063, 0076]
EP 1319729 A1 [0063, 0076]
WO 9967435 [0063, 0076]
WO 0044949 [0063, 0076]
EP 0486489 B1 [0064, 0083, 0096]
EP 0786017 B1 [0064, 0083, 0096]
EP 0412397 B1 [0064, 0083, 0096]
EP 1306454 A1 [0064, 0083, 0096]
US 6024792 [0082]
EP 0892090 A1 [0082]

Claims

Gasturbinenbauteil (1), umfassend - zumindest ein Bauteilsegment (2) und - zumindest ein Erosionsschutzelement (5), das das Bauteilsegment (2) zumindest teilweise bedeckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Erosionsschutzelement (5) eine galvanisch abgeschiedene metallische Schicht umfasst.
Gasturbinenbauteil nach Anspruch 1, wobei das Bauteilsegment (2) aus einem Faserverbundwerkstoff besteht.
Gasturbinenbauteil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die galvanisch abgeschiedene metallische Schicht auf zumindest einem Teil des Bauteilsegments (2) aufgewachsen ist.
Gasturbinenbauteil nach Anspruch 3, wobei die galvanisch abgeschiedene metallische Schicht das Bauteilsegment (2) ummantelt.
Gasturbinenbauteil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Erosionsschutzelement (5) zumindest in einem Kontaktabschnitt (6) mit dem Bauteilsegment (2) eine aufgeraute Oberfläche aufweist.
Gasturbinenbauteil nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 5, wobei das Erosionsschutzelement (5) mit einem Klebemittel an dem Bauteilsegment (2) befestigt ist.
Gasturbinenbauteil nach Anspruch 2, wobei das Erosionsschutzelement (5) durch Infiltrieren während der Herstellung des Faserverbundwerkstoffs mit dem Bauteilsegment (2) verbunden ist.
Gasturbinenbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Erosionsschutzelement (5) zumindest ein Halteelement (7) umfasst.
Gasturbinenbauteil nach Anspruch 8, wobei das Haltelement (7) auf die galvanisch abgeschiedene metallische Schicht aufgeschweißt ist.
Gasturbinenbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die galvanisch abgeschiedene metallische Schicht zumindest eine der Substanzen Nickel, Cobalt, Chrom, eine Nickel-Cobalt-Legierung, eine Cobalt-Chrom-Legierung, Kupfer, Zinn, Silber oder Gold umfasst.
Gasturbinenbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die galvanisch abgeschiedene metallische Schicht eine Nickel-Cobalt-Legierung umfasst, die zumindest in einem Bereich einen Cobalt-Anteil aufweist, der mindestens 25% Cobalt beträgt.
Gasturbinenbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die galvanisch abgeschiedene metallische Schicht Titan umfasst.
Verfahren zum Herstellen eines erosionsgeschützten Gasturbinenbauteils, gekennzeichnet durch ein Aufbringen (12, 25) eines Erosionsschutzelements (5) auf zumindest ein Bauteilsegment (2) des Gasturbinenbauteils, wobei das Erosionsschutzelement (5) eine galvanisch abgeschiedene metallische Schicht umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Aufbringen (12) des Erosionsschutzelements (5) umfasst, die galvanisch abgeschiedene metallische Schicht auf das Bauteilsegment (2) des Gasturbinenbauteils galvanisch aufzuwachsen.
Verfahren nach Anspruch 13, umfassend ein Erzeugen (23) der galvanisch abgeschiedenen metallischen Schicht durch galvanisches Aufwachsen der Schicht auf eine Form; ein Ablösen (24) der galvanisch abgeschiedenen metallischen Schicht von der Form; und wobei das Aufbringen (25) des Erosionsschutzelements (5) auf das Bauteilsegment (2) ein Verbinden der galvanisch abgeschiedenen metallischen Schicht mit zumindest einem Teil des Bauteilsegments umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Verbinden ein Kleben eines Kontaktabschnitts des Erosionsschutzelements (5) an das Bauteilsegment (2) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Verbinden ein Infiltrieren während einer Herstellung des Bauteilsegments (2) aus einem Faserverbundwerkstoff umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, umfassend ein Anbringen von zumindest einem Halteelement (7) an der galvanisch abgeschiedenen metallischen Schicht.