DE4432998C1 - Anstreifbelag für metallische Triebwerkskomponente und Herstellungsverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Anstreifbelag für metallische Trieb­ werkskomponenten, die einen Anlaufbelag aufweisen, der sich beim Anstreifen in einen Einlaufbelag einarbeitet.

Anstreifbeläge, die als Einlaufbeläge dienen sind abreibbar und für Triebwerkskomponenten wie in US-PS 3,042,365 beschrieben, relativ komplex aufgebaut. Ein weiterer Einlaufbelag ist aus DE 84 11 277 U1 bekannt, der eine abreibbare korrosions- und erosionsfeste Schicht mit Stegen der gleichen chemischen Zusammensetzung aufweist. In diese Einlaufbeläge arbeiten sich beispielsweise Schaufelspitzen von Lauf­ schaufeln ein, die in der Regel nur die Härte des Grundwerkstoffs der Schaufel oder der Schaufelblattbeschichtung aufweisen und keine spe­ zifische Panzerung der Schaufelspitze in Form eines Anlaufbelages besitzen. Da der Wirkungsgrad von Verdichtern und Turbinen in hohem Maße von der Spaltgröße zwischen Stator und Rotor abhängt, vermindert er sich mit zunehmender Abarbeitung der Schaufelspitzen durch An­ streifvorgänge. Diese Abarbeitung der Schaufelspitzen oder Dicht­ spitzen an Labyrinthdichtungen wird noch verstärkt, wenn zur Stei­ gerung der Erosions- und Temperaturbeständigkeit von Einlaufbelägen, die Festigkeit und Härte dieser Einlaufbeläge gesteigert wird. In diesem Fall müssen die Schaufelspitzen oder die Dichtspitzen von Labyrinthdichtungen mit einem Anlaufbelag zusätzlich gepanzert wer­ den.

Ein derartige Anlaufbelag für Schaufelspitzen ist aus US-PS 4,169,020, DE 28 53 959 C2 bekannt. Dieser Anlaufbelag besteht aus einer metallischen Matrix mit in der Matrix verankerten Hartstoffpartikeln. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit des metallischen Matrixmaterials besteht nachteilig die Gefahr der Überhitzung des Bauteils, z. B. der Schau­ felspitze beim Anstreifvorgang. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Hartstoffpartikel keine Ausrichtung aufweisen und willkürlich In der Matrix angeordnet sind, so daß sich das Einarbeiten des An­ laufbelages in den Einlaufbelag in einem ungeordneten Einkratzen der Spitzen der Hartstoffpartikel in den Einlaufbelag erschöpft. Eine gezielte Verminderung der Reibungswärme ist mit den bekannten Anlauf­ belägen aus dem Stand der Technik nicht gegeben.

Aus EP 0 292 250 A1 ist eine auf einem ersten Teil angeordnete Schneid­ oberfläche zum Einschneiden in ein zweites Teil bekannt. Dazu weist die Schneidoberfläche mehrere durch Laserabtrag gebildete Ver­ tiefungen auf. Derartige Vertiefungen bilden weder Schneidkanten noch Freiräume hinter den Schneidkanten zum unverzüglichen Austrag des Abriebmaterials aus, sondern es wird eine Oberfläche durch kreis­ runde Vertiefungen mittels Laserabtrag aufgerauht, so daß eine schleiffähige Oberfläche entsteht, die jedoch nur so lange wirksam ist, bis alle Laservertiefungen mit Abriebmaterial aufgefüllt sind, da Freiräume zum Austragen des Abriebmaterials fehlen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Anstreifbelag anzugeben, der die Nachteile im Stand der Technik überwindet und für Einlaufbeläge mit größerer Festigkeit und Härte geeignet ist und Schaufelspitzen oder Dichtspitzen derart panzert, daß beim Anstreifvorgang ein minimaler Spalt zwischen Einlaufbelag und Anlaufbelag gebildet wird. Der Anlaufbelag soll darüberhinaus bei hoher Lebensdauer des Triebwerks einen Abfall des Wirkungsgrades vermindern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Anlaufbelag aus einer thermisch gespritzten Keramikschicht besteht und die Keramikschicht durch das thermische Spritzen derart profiliert ist, daß sie schneid­ fähige Kanten aufweist, wobei zwischen den Kanten Freiräume zum unverzüglichen Austragen vom Abriebmaterial angeordnet sind, die den Abrieb des Einlaufbelages aufnehmen und ausräumen.

Dieser Anlaufbelag hat den Vorteil, daß er mit seinen profilierten schneidfähigen Kanten eine glatte Schnittfläche des Einlaufbelages beim Anstreifvorgang erzeugt und einen minimalen Spalt zwischen ro­ tierendem und stehendem Bauteil eines Triebwerks gewährleistet. Er schützt gleichzeitig das gepanzerte Bauteil vor Überhitzung, da er durchgehend aus einer wärmeisolierenden Keramik mit Zwischenräumen, die frei von einer wärmeleitenden Metallmatrix sind, besteht. Ferner sorgen die Zwischenräume dafür, daß das heiße Abriebmaterial des Einlaufbelages unverzüglich ausgetragen wird, so daß die Erwärmung durch Reibung reduziert werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Profilierung so ausgerichtet werden kann, daß ein optimaler Ab­ rieb unter Berücksichtigung der Richtung der Relativbewegung zwischen dem Bauteil mit oder ohne Einlaufbelag und dem Bauteil mit Anlaufbe­ lag erfolgt.

Vorzugsweise wird als keramisches Material für den Anlaufbelag ZrO₂7Y₂O₃ eingesetzt. Dieses Material besitzt nicht nur eine we­ sentlich höhere Härte als der metallische Grundwerkstoff des zu pan­ zernden Bauteils und der Werkstoffe des Einlaufbelages, sondern weist auch eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf.

Ein weiteres bevorzugtes keramisches Material für den Anlaufbelag ist Al₂O₃, das als Korund bekannt ist und entsprechend kostengünstig eingesetzt werden kann. Auch Mischoxide sind für den erfindungsge­ mäßen Anlaufbelag einsetzbar.

Dieser Anlaufbelag soll vorzugsweise die Schaufelblattspitze einer Triebwerksschaufel panzern, zumal der Spalt zwischen einem stehenden Einlaufbelag auf einem Mantelring des Gehäuses und der rotierenden Schaufelspitze wesentlich den Wirkungsgrad eines Triebwerks mitbe­ stimmt.

Als weiterer bevorzugter Einsatz der erfindungsgemäßen Panzerung sind Dichtspitzen von Labyrinthdichtungen vorgesehen, die in Triebwerken im wesentlichen zwischen Triebwerkswelle und Gehäuse zur Abdichtung von Lagerblöcken verwendet werden. Aber auch Dichtspitzen auf einem Schaufelspitzendeckband werden vorzugsweise mit dem erfindungsgemäßen Anstreifbelag geschützt. Diese Dichtspitzen auf Schaufelspitzendeck­ bändern arbeiten sich ebenfalls in einen stehenden Einlaufbelag auf einem Mantelring des Gehäuses beim Anstreifvorgang ein.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines Anstreifbelages für metallische Triebwerkskomponenten, die einen Anlaufbelag aufweisen, der sich beim Anstreifen in einen Einlaufbelag einarbeitet, hat folgende Verfahrensschritte

• a) Auflegen einer Lochmaske auf die zu beschichtende Bauteilober­ fläche,
• b) thermisches Spritzen eines keramischen Materials durch die Lochmaske auf die zu beschichtende Bauteiloberfläche unter einem Spritzwinkel α von 0 bis 50° vorzugsweise 5 bis 30° zur Ausbildung von Schneidkanten und Freiräumen.

Die Bauteiloberfläche ist zur besseren Haftung der keramischen Spritzschicht aufgerauht oder mit einer Haftschicht beschichtet. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist, daß mit einem Spritzvorgang eine schneidfähige Profilierung der Bauteiloberfläche erreicht werden kann, ohne aufwendige Präparation der Bauteiloberfläche und ohne aufwendige Nachbearbeitung oder Einarbeitung eines schneidfähigen Profils in eine Keramikschicht. Die Lochmaske besteht vorzugsweise aus einem Drahtgitter, wobei das Verhältnis zwischen Maschenweite und Drahtdurchmesser zwischen 2 und 6 sowie der Drahtdurchmesser vorzugs­ weise zwischen 0,1 und 0,5 mm liegt. Lochmasken aus einem Drahtgitter haben den zusätzlichen Vorteil, daß sie aus runden Abdeckungen (Drähten) bestehen und damit die Ausbildung von schneidfähigen Kanten fördern, da nur ein Bruchteil der Drahtoberfläche orthogonal zum Spritzstrahl liegt und ein hoher Anteil des Spritzgutes vom Draht in Richtung auf die Bauteiloberfläche abgelenkt wird, so daß es zu schneidkantenartigen Anhäufungen von Spritzgut auf der Bauteilober­ fläche kommt. Ein weiterer Vorteil von Drahtgittern als Lochmasken liegt darin, daß die Maschen Quadrate bilden und folglich scharfe Kanten unter einem Winkel von 90° zueinander auftreten. Diese Winkel können zu scharfen dreieckförmigen Spitzen, wie sie von Feinfeilen bekannt sind, optimiert werden. Dazu wird das Drahtgitter so ange­ ordnet, daß es diagonal vom abgewinkelten Spritzstrahl getroffen wird. Als Folge entstehen schuppenartige Schneidspitzen. Die Ausrich­ tung der schuppenartigen Schneidspitzen kann durch die Lage des Drahtgitters und durch die Wahl des Einstrahlwinkels des Spritz­ strahls geändert werden. Dadurch ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine optimale Ausrichtung der schuppenartigen Schneid­ spitzen in Bezug auf die Relativbewegung zwischen dem Bauteil mit oder ohne Einlaufbelag und dem Bauteil mit Anlaufbelag.

Die folgende Beschreibung erläutert die Erfindung an Hand von bevor­ zugten Ausführungsformen und zugehörigen Abbildungen.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze eines profilierten Anstreif­ belages,

Fig. 2 zeigt eine photographische Abbildung einer erfindungs­ gemäßen Schaufelspitzenpanzerung,

Fig. 3 zeigt eine Prinzipskizze eines Spritzverfahrens mit Lochmaske zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Schaufel­ spitzenpanzerung,

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze eines profilierten Anstreifbelages 1 für metallische Triebwerkskomponenten 2, die einen Anlaufbelag 3 aufweisen, der sich beim Anstreifen in einen Einlaufbelag 4 eines zweiten Bauteils 14 einarbeitet, wobei der Anlaufbelag 3 aus einer thermisch gespritzten Keramikschicht besteht und die Keramikschicht derart profiliert ist, daß sie schneidfähige Kanten 5-9 aufweist, wobei zwischen den Kanten 5-9 Freiräume 10-13 angeordnet sind, die den Abrieb des Einlaufbelages 4 aufnehmen und ausräumen. Beim Anstreifvorgang bewegt sich das Bauteil 2 relativ zum Bauteil 14 in Pfeilrichtung A. In Bezug auf die Richtung dieser Relativbewegung sind die schneidfähigen Kanten 5-9 des profilierten Anstreifbelages 3 angeordnet. Die Höhe des profilierten Anstreifbelages 1 ist in dieser Prinzipskizze stark übertrieben. Sie liegt zwischen 25 und 150 µm. Triebwerkskomponenten 2 sind vorzugsweise Schaufelblattspitzen von Laufschaufeln, Dichtspitzen von Labyrinthdichtungen oder von Schaufeldeckbändern.

Fig. 2 zeigt eine photographische Vergrößerung einer erfindungsge­ mäßen Schaufelspitzenpanzerung im Maßstab von etwa 5 : 1. Deutlich sind Schaufelblatt und Schaufelfuß erkennbar. Auf der Schaufelblattspitze befindet sich ein profilierter Anstreifbelag aus sich hell gegen­ über der Schaufelkontur abzeichnenden Zwischenräumen zum Austragen des Abriebs eines Einlaufbelages, in den sich dieser Anlaufbelag beim Anstreifvorgang einarbeitet. Wie bei einer Oberflächenstruktur einer Feinfeile ist deutlich eine schuppenartige Struktur auf der Schau­ felspitze zu erkennen. Diese schuppenartige Struktur besteht bei dieser Ausführungsform aus thermisch durch eine Drahtgittermaske gespritztem ZrO₂7Y₂O₃. Die Drahtstärke der Drahtgittermaske ist in diesem Ausführungsbeispiel 0,22 mm bei einer lichten Maschenweite von 0,4 mm. Der Anlaufbelag wurde unter einem Spritzwinkel von 25° aufgebracht. Die Schaufelblattbreite ist 25 mm und die aufgespritzten Schneidkanten sind maximal 70 µm hoch. Mit einem derartigen Anlaufbe­ lag wird der Einlaufbelag beim Anstreifvorgang auf eine minimale Spaltbreite ausgerieben und dabei eine glatte Schnittfläche des Ein­ laufbelages erzeugt.

Fig. 3 zeigt eine Prinzipskizze eines Spritzverfahrens mit Lochmaske 15 zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Schaufelspitzenpanzerung 16 auf einem Schaufelblatt 17. Dabei wird zunächst die Lochmaske 15, die in diesem Durchführungsbeispiel aus einem Drahtgitter 18 besteht, auf die zu beschichtende Bauteiloberfläche 19 gelegt. Die metallische Bauteiloberfläche 19 ist vor einer Beschichtung aufgerauht oder mit einer rauhen metallischen Haftschicht aus MCrAlY beschichtet worden. Das Drahtgitter 18 weist einen glattgezogenen Draht 20 mit einem Durchmesser zwischen 0,1 und 0,5 mm auf. Die lichte Maschenweite ist um den Faktor 2 bis 6 größer. Ein keramisches Material wird durch die Lochmaske 15 auf die zu beschichtende Bauteiloberfläche unter einem Spritzwinkel von 0 bis 50° zur Ausbildung von Schneidkanten und frei­ räumen thermisch gespritzt. In stark übertriebenen Maßen wird in Fig. 3 gezeigt, daß aufgrund der glatten Oberfläche der Drahtmaske, die beispielsweise aus Edelstahl besteht, das Spritzmaterial nicht auf der Drahtoberfläche haftet, sondern von der Drahtoberfläche ab­ prallt und sich zwischen den Drähten auftürmt. Dabei werden je nach Größe des Spritzwinkels größere Flächen von Spritzgut freigehalten und eine asymmetrische Verteilung des Spritzmaterials zwischen den Drähten erreicht, so daß sich Schneidkanten 21-25 in vorbestimmten Richtungen ausbilden. Die Schneidkantenhöhe kann dabei von 25 bis 150 µm anwachsen.

Claims (7)

1. Anstreifbelag für metallische Triebwerkskomponente, die einen Anlaufbelag aufweisen, der sich beim Anstreifen in einen Einlauf­ belag einarbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß der Anlaufbelag (3) aus einer thermisch gespritzten Keramikschicht besteht und die Keramikschicht durch das thermische Spritzen derart profiliert ist, daß sie schneidfähige Kanten (5-9; 21-25) aufweist, wobei zwischen den Kanten (5-9; 21-25) Freiräume (10-13) zum unverzüglichen Austragen von Abriebmaterial angeordnet sind, die den Abrieb des Einlaufbelages (4) aufnehmen und ausräumen.

2. Anstreifbelag nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus ZrO₂7Y₂O₃ besteht.

3. Anstreifbelag nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus Al₂O₃ der Mischoxiden besteht.

4. Anstreifbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die metallische Triebwerkskomponente (2) die Schau­ felblattspitze einer Triebwerksschaufel (17) ist.

5. Anstreifbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die metallische Triebwerkskomponente (2) eine Dichtspitze einer Labyrinthdichtung ist.

6. Anstreifbelag nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die metallische Triebwerkskomponente (2) eine Dichtspitze auf einem Schaufelspitzen-Deckband ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Anstreifbelages für metallische Triebwerkskomponenten, die einen Anlaufbelag aufweisen, der sich beim Anstreifen in einen Einlaufbelag einarbeitet, das durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist

• a) Auflegen einer Lochmaske (18) auf die zu beschichtende Bau­ teiloberfläche (19),
• b) thermisches Spritzen eines keramischen Materials durch die Lochmaske (18) auf die zu beschichtende Bauteiloberfläche (19) unter einem Spritwinkel α von 10 bis 30° zur Ausbildung von schneidfähigen Kanten (21-25) und Freiräumen.