EP0702130B1 - Verfahren zur Fertigung eines Anstreifbelages für metallische Triebwerkskomponenten - Google Patents

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EP0702130B1
EP0702130B1 EP95113444A EP95113444A EP0702130B1 EP 0702130 B1 EP0702130 B1 EP 0702130B1 EP 95113444 A EP95113444 A EP 95113444A EP 95113444 A EP95113444 A EP 95113444A EP 0702130 B1 EP0702130 B1 EP 0702130B1
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coated
coating
blade
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Johannes Dr. Schröder
Thomas Dr. Uihlein
Hans Weber
Herbert Fischer
Erwin Fischhaber
Norbert Legrand
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MTU Aero Engines GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a brush coating for metallic Engine components according to the preamble of claim 1.
  • Rub-on pads that serve as run-in pads can be rubbed off and used for engine components as described in US-A-3 042 365, relatively complex.
  • In these Inlet linings for example, incorporate blade tips from moving blades that usually only the hardness of the base material of the blade or the blade blade coating have and no specific armor of the blade tip in the form have a tarnish.
  • the efficiency of compressors and turbines in depends to a large extent on the gap size between the stator and rotor, it reduces with increasing processing of the blade tips by rubbing processes.
  • This Processing of blade tips or sealing tips on labyrinth seals still reinforced if to increase the erosion and temperature resistance of Inlet coverings increase the strength and hardness of these coverings. In this Fall must be the blade tips or the sealing tips of labyrinth seals can also be armored with a tarnish.
  • Such a run-on covering for blade tips is known from US-A-4 169 020.
  • This The tarnish coating consists of a metallic matrix with anchored in the matrix Hard material particles. Due to the high thermal conductivity of the metallic matrix material there is a disadvantage that the component overheats, e.g. the tip of the blade during the brushing process. Another disadvantage is that the hard material particles have no alignment and arbitrarily arranged in the matrix are so that the incorporation of the run-in covering in the run-in covering in one disorderly scratching the tips of the hard material particles in the enema exhausted. This does not result in a targeted reduction in the frictional heat.
  • EP-A-0 292 250 describes engine seals, i.a. in labyrinth design, at those rotating parts with a wear-resistant, ceramic or metal carbide Coating are provided, wherein as ceramic materials oxides of Al, Ti, Cr, Zr and Mg can be called.
  • the coating is applied with a laser Provide a large number of depressions, which free spaces between cutting-like Form edges. This geometrically rather undefined, more random and difficult to reproduce Surface geometry (“random pattern”) certainly has no optimal cutting properties.
  • US-A-5 223 332 protects two-layer hard coatings on metallic substrates, especially on engine blades, with a metal carbide adhesive layer and a ceramic top layer.
  • the combination coating is supposed to particularly firm adhesion to the substrate and particularly high wear resistance be achieved.
  • oxides of Al, Ca, Mg, Cr, Ti, Si, Zr and Y and chromium carbide are proposed. It is pointed out that the ceramic top layer should have cutting properties, there are but no concrete information on realizing these properties.
  • EP-A-0 661 415 deals with structured hard coatings on rotors, in particular on gas turbine blade tips, with a labyrinth-like ceramic structure in a metallic matrix.
  • the cutting-like edges of the ceramic structure protrude from the matrix, so that there is a large number of defined free spaces for absorbing abrasion.
  • the ceramic structure is first produced separately, for example by thermal spraying, and adapted to the shape of the blade tip by cutting. When the blade is manufactured by fine or precision casting, the structure is cast into the blade metal. After machining the blade tip to size, the ceramic structure is partially exposed again by deep etching. Good geometrical abrasion properties and high wear resistance can be expected from this geometrically defined ceramic structure with possibly asymmetrical cutting edges.
  • the disadvantage is the complex integration into the component.
  • the object of the invention is to provide a method for producing a brush coating to create metallic engine components that rely on reliable, reproducible and inexpensive, geometrically defined, wear-resistant Have ceramic structures with cutable edges and free spaces manufactured.
  • the component surface is roughened for better adhesion of the ceramic spray layer or coated with an adhesive layer.
  • An advantage of this method is that achieves a cuttable profile of the component surface with one spraying process can be done without complex preparation of the component surface and without time-consuming post-processing or incorporation of a cuttable profile into a Ceramic layer.
  • the shadow mask preferably consists of a wire mesh, whereby the ratio between mesh size and wire diameter between 2 and 6 and the wire diameter is preferably between 0.1 and 0.5 mm.
  • shadow masks from a wire mesh have the additional advantage that they are made from round Covers (wires) exist and thus the formation of cutable edges promote, since only a fraction of the wire surface orthogonal to the spray jet and a high proportion of the sprayed material from the wire towards the component surface is distracted so that there is cutting edge-like accumulation of spray material comes on the component surface.
  • wire mesh as perforated masks is that the stitches form squares and consequently sharp edges occur at an angle of 90 ° to each other. These angles can be too sharp triangular tips, as known from fine files, can be optimized. To the wire mesh is arranged so that it is diagonal from the angled spray jet is hit. As a result, scale-like cutting tips arise.
  • the alignment the scale-like cutting tips can by the location of the wire mesh and by the choice of the angle of incidence of the spray jet can be changed. This enables the inventive method optimal alignment of the scale-like Cutting tips in relation to the relative movement between the component with or without running-in surface and the component with start-up surface.
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of a profiled scraping 1 for metallic Engine components 2, which have a run-on coating 3 which is in contact with one another incorporated into an inlet lining 4 of a second component 14, the starting lining 3 consists of a thermally sprayed ceramic layer and the ceramic layer is profiled in such a way that it has cutable edges 5 - 9, with between the edges 5 - 9 free spaces 10 - 13 are arranged, which are the abrasion of the inlet covering 4 pick up and clear out.
  • This moves during the brushing process Component 2 relative to component 14 in the direction of arrow A.
  • the cutting edges 5 - 9 of the profiled brushing surface are relative movements 3 arranged.
  • Engine components 2 are preferably blade tips of rotor blades, sealing tips of labyrinth seals or from shovel cover tapes.
  • FIG. 2 shows a photographic enlargement of a blade tip armor according to the invention on a scale of about 5: 1.
  • the blade and blade root are clearly recognizable.
  • On the tip of the airfoil there is a profiled rubbing surface made of gaps which are bright in relation to the blade contour to discharge the abrasion of an inlet lining into which this starting lining is incorporated during the brushing process.
  • a scale-like structure can be clearly seen on the tip of the blade.
  • this scale-like structure consists of ZrO 2 7Y 2 O 3 thermally sprayed through a wire mesh mask.
  • the wire thickness of the wire mesh mask is 0.22 mm with a clear mesh width of 0.4 mm.
  • the tarnish was applied at a spray angle of 25 °.
  • the airfoil width is 25 mm and the sprayed cutting edges are a maximum of 70 ⁇ m high.
  • the run-in cover is rubbed to a minimum gap width during the rubbing process and a smooth cut surface of the run-in cover is thereby produced.
  • Fig. 3 shows a schematic diagram of a spraying method with shadow mask 15 for production a blade tip armor 16 according to the invention on a blade 17.
  • the metallic component surface 19 is roughened or coated before coating a rough metallic adhesive layer made of MCrAlY.
  • the wire mesh 18 has a smooth wire 20 with a diameter between 0.1 and 0.5 mm.
  • the clear mesh size is larger by a factor of 2 to 6.
  • a ceramic Material is passed through the shadow mask 15 onto the component surface to be coated at a spray angle of 10 to 30 ° to form cutting edges and free space thermally sprayed. To a greatly exaggerated degree is shown in Fig.
  • the spray material does not adhere to the wire surface, but instead bounces off the wire surface and piles up between the wires.
  • larger areas are kept free of spray material and an asymmetrical distribution of the spray material between the wires reached so that cutting edges 21-25 form in predetermined directions.
  • the cutting edge height can increase from 25 to 150 ⁇ m.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Anstreifbelags für metallische Triebwerkskomponenten, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Anstreifbeläge, die als Einlaufbeläge dienen, sind abreibbar und für Triebwerkskomponenten wie in US-A-3 042 365 beschrieben, relativ komplex aufgebaut. In diese Einlaufbeläge arbeiten sich beispielsweise Schaufelspitzen von Laufschaufeln ein, die in der Regel nur die Härte des Grundwerkstoffs der Schaufel oder der Schaufelblattbeschichtung aufweisen und keine spezifische 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 Anstreifvorgänge. Diese Abarbeitung von Schaufelspitzen oder Dichtspitzen an Labyrinthdichtungen wird noch verstärkt, wenn zur Steigerung 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 werden.
Ein derartiger Anlaufbelag für Schaufelspitzen ist aus US-A-4 169 020 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 Schaufelspitze 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 Anlaufbelages in den Einlaufbelag in einem ungeordneten Einkratzen der Spitzen der Hartstoffpartikel in den Einlaufbelag erschöpft. Eine gezielte Verminderung der Reibungswärme ist hiermit nicht gegeben.
Die EP-A-0 292 250 beschreibt Triebwerksdichtungen, u.a. in Labyrinthbauart, bei denen rotierende Teile mit einer verschleißfesten, keramischen bzw. metallkarbidischen Beschichtung versehen sind, wobei als keramische Werkstoffe Oxide von Al, Ti, Cr, Zr und Mg genannt werden. Die Beschichtung wird mittels Laser mit einer Vielzahl von Vertiefungen versehen, welche Freiräume zwischen schneidenartigen Kanten bilden. Diese geometrisch eher undefinierte, mehr zufällige und schwer reproduzierbare Oberflächengeometrie ("random pattern") weist mit Sicherheit keine optimalen Schneideigenschaften auf.
Die US-A-5 223 332 schützt zweischichtige Hartbeläge auf metallischen Substraten, insbesondere auf Triebwerksschaufeln, mit einer metallkarbidischen Haftschicht und einer keramischen Deckschicht. Durch die Kombinationsbeschichtung sollen eine besonders feste Haftung auf dem Substrat und eine besonders hohe Verschleißfestigkeit erzielt werden. Für die keramische Deckschicht werden Oxide von Al, Ca, Mg, Cr, Ti, Si, Zr und Y sowie Chromkarbid vorgeschlagen. Es wird zwar darauf hingewiesen, dass die keramische Deckschicht Schneideigenschaften besitzen soll, es gibt aber keine konkreten Hinweise zur Realisierung dieser Eigenschaften.
Die EP-A-0 661 415 behandelt strukturierte Hartbeläge auf Rotoren, insbesondere auf Gasturbinen-Schaufelspitzen, mit einer labyrinthartigen Keramikstruktur in einer metallischen Matrix. Die schneidenartigen Kanten der Keramikstruktur ragen aus der Matrix heraus, so dass eine Vielzahl von definierten Freiräumen zur Aufnahme von Abrieb vorhanden ist.
Die Keramikstruktur wird zunächst separat hergestellt, beispielsweise durch thermisches Spritzen, und durch Zuschneiden an die Schaufelspitzenform angepasst. Bei der Fertigung der Schaufel durch Fein- bzw. Präzisionsgießen wird die Struktur in das Schaufelmetall eingegossen. Nach einer Bearbeitung der Schaufelspitze auf Maß wird die Keramikstruktur durch Tiefätzen wieder teilweise freigelegt. Von dieser geometrisch definierten Keramikstruktur mit ggf. asymmetrischen Schneiden sind gute Abrasionseigenschaften und hohe Verschleißfestigkeit zu erwarten. Nachteilig ist aber die aufwendige Integration in das Bauteil.
Angesichts des genannten Standes der Technik und seiner Nachteile besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Anstreifbelages für metallische Triebwerkskomponenten zu schaffen, mit dem sich auf zuverlässige, reproduzierbare und kostengünstige Weise geometrisch definierte, verschleißfeste Keramikstrukturen mit schneidfähigen Kanten und Freiräumen fertigen lassen.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen des Oberbegriffs.
Das 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 Bauteiloberfläche,
  • b) thermisches Spritzen eines keramischen Materials durch die Lochmaske auf die zu beschichtende Bauteiloberfläche unter einem Spritzwinkel von 10 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 vorzugsweise 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 Bauteiloberfläche 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 angeordnet, dass es diagonal vom abgewinkelten Spritzstrahl getroffen wird. Als Folge entstehen schuppenartige Schneidspitzen. Die Ausrichtung der schuppenartigen Schneidspitzen kann durch die Lage des Drahtgitters und durch die Wahl des Einstrahlwinkels des Spritzstrahls geändert werden. Dadurch ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine optimale Ausrichtung der schuppenartigen Schneidspitzen 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 bevorzugten Ausführungsformen und zugehörigen Abbildungen.
    Fig. 1
    zeigt eine Prinzipskizze eines profilierten Anstreifbelages,
    Fig. 2
    zeigt eine photographische Abbildung einer erfindungsgemäßen Schaufelspitzenpanzerung,
    Fig. 3
    zeigt eine Prinzipskizze eines Spritzverfahrens mit Lochmaske zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Schaufelspitzenpanzerung.
    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.
    Figur 2 zeigt eine photographische Vergrößerung einer erfindungsgemäßen Schaufelspitzenpanzerung im Maßstab von etwa 5:1. Deutlich sind Schaufelblatt und Schaufelfuß erkennbar. Auf der Schaufelblattspitze befindet sich ein profilierter Anstreifbelag aus sich hell gegenüber 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 Schaufelspitze 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 Anlaufbelag wird der Einlaufbelag beim Anstreifvorgang auf eine minimale Spaltbreite ausgerieben und dabei eine glatte Schnittfläche des Einlaufbelages 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 10 bis 30° zur Ausbildung von Schneidkanten und Freiräumen 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 abprallt 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 (3)

    1. 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 Bauteiloberfläche (19),
      b) thermisches Spritzen eines keramischen Material durch die Lochmaske (18) auf die zu beschichtende Bauteiloberfläche (19) unter einem Spritzwinkel von 10 bis 30° zur Ausbildung von Schneidkanten (21-25) und Freiräumen.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als keramisches Material ZrO27Y2O3, Al2O3 oder Mischoxide aufgespritzt werden.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beschichtende, metallische Triebwerkskomponente (2) die Schaufelblattspitze einer Triebwerksschaufel (17), eine Dichtspitze einer Labyrinthdichtung oder eine Dichtspitze auf einem Schaufelspitzen-Deckband ist.
    EP95113444A 1994-09-16 1995-08-26 Verfahren zur Fertigung eines Anstreifbelages für metallische Triebwerkskomponenten Expired - Lifetime EP0702130B1 (de)

    Applications Claiming Priority (2)

    Application Number Priority Date Filing Date Title
    DE4432998A DE4432998C1 (de) 1994-09-16 1994-09-16 Anstreifbelag für metallische Triebwerkskomponente und Herstellungsverfahren
    DE4432998 1994-09-16

    Publications (3)

    Publication Number Publication Date
    EP0702130A2 EP0702130A2 (de) 1996-03-20
    EP0702130A3 EP0702130A3 (de) 1998-06-10
    EP0702130B1 true EP0702130B1 (de) 2003-04-23

    Family

    ID=6528373

    Family Applications (1)

    Application Number Title Priority Date Filing Date
    EP95113444A Expired - Lifetime EP0702130B1 (de) 1994-09-16 1995-08-26 Verfahren zur Fertigung eines Anstreifbelages für metallische Triebwerkskomponenten

    Country Status (5)

    Country Link
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