EP2122009A1 - Vorrichtung zum schutz von bauteilen mit brennbarer titanlegierung vor titanfeuer und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Vorrichtung zum schutz von bauteilen mit brennbarer titanlegierung vor titanfeuer und verfahren zu deren herstellung

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EP2122009A1
EP2122009A1 EP08706819A EP08706819A EP2122009A1 EP 2122009 A1 EP2122009 A1 EP 2122009A1 EP 08706819 A EP08706819 A EP 08706819A EP 08706819 A EP08706819 A EP 08706819A EP 2122009 A1 EP2122009 A1 EP 2122009A1
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EP
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layer
titanium
layer system
components
ceramic
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Ceased
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EP08706819A
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English (en)
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Inventor
Thomas Uihlein
Wolfgang Eichmann
Falko Heutling
Markus Uecker
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Filing date
Publication date
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    • C23C28/42—Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition characterized by the composition of the alternating layers
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Definitions

  • the present invention is in the field of gas turbine technology, such as the power or power plant technology, settled, and in particular concerns occurring components.
  • the invention proposes a device for protecting combustible titanium alloys from titanium fire and / or damage by foreign objects.
  • the mass should be as small as possible, in particular the rotating, in mobile units and the static (non-rotating) elements in order to change the rotational speed or the overall speed engine to cause the least possible changes in kinetic energy.
  • a lower engine weight is desirable for the same performance, as this results in e.g. Fuel costs can be saved or a higher payload is enabled.
  • Titan fire Due to the weight saving in modern compressors more and more often found lightweight construction leads to an increased use of components made of titanium alloys. In order to achieve the desired high outputs and efficiencies, the operating pressures and temperatures must be further increased. From a certain temperature and pressure level, however, a so-called Titan fire can arise. Since titanium burns very easily due to its high affinity to oxygen, such a fire is then no longer extinguishable and can within a short time - 8 to 10 seconds - and at temperatures up to 2500 ° C to major damage to the components, in extreme cases even to Total loss of the engine, drove. Possible causes of a titanium fire may include damage to blades, severe rubbing of the turbine blades on the housing, or even bearing damage.
  • flammable (titanium-containing) mass can be removed from the critical area and replaced by steel or nickel alloys.
  • these coatings typically include anti-wear, anti-corrosion, hot gas corrosion and oxidation, titanium fire, and layers to minimize the rotor-stator gap, as well as thermal insulation layers.
  • these coatings typically include anti-wear, anti-corrosion, hot gas corrosion and oxidation, titanium fire, and layers to minimize the rotor-stator gap, as well as thermal insulation layers.
  • thermal insulation layers In the area of the compressor layers are mainly used for protection against titanium fire and erosion protection.
  • this can be coated with several millimeters thick layers.
  • These layers may include, for example, plasma sprayed oxide ceramic layers.
  • the blades in particular the guide vanes of the particularly heat-stressed high-pressure compressor themselves, are usually made of so-called "superalloys.”
  • Super alloys are high-alloy materials of complex composition (iron, nickel, platinum, chromium or cobalt-based with additions of the elements Co, Ni, Fe, Cr, Mo, W, Re, Ru, Ta, Nb, Al, Ti, Mn, Zr, C and B) for high-temperature applications. but in comparison with titanium, which is still used in forged form at least in low-pressure compressors, the density is approximately twice as high and therefore correspondingly heavy.
  • Another way to use titanium in high-stress parts of the engine is to alloy it with aluminum (TiAl). This option is used primarily in the manufacture of the blades.
  • US Pat. No. 5,114,797 Proposes a three-layer coating for protection against titanium fire, which comprises a metallic adhesion-promoting layer, a heat-insulating intermediate layer of an oxidic nature, and a titanium-fire-retardant metallic coating.
  • a nickel-aluminum alloy is proposed as the metallic adhesion-promoting layer, a zirconium oxide layer as the intermediate layer, and aluminum and / or aluminum oxide as the protective coating.
  • titanium Due to the high strength and the low specific gravity of titanium, it is desirable to use the material titanium as extensively as possible in the production of movable and fixed elements of gas turbines, especially in the area of the compressor, and especially in the area of the guide vanes. It would be particularly good, if care is taken to ensure that the material neither through so-called erosion and / or FODs (Foreign Object Damage, damage by foreign objects), nor by so-called Titanium fire, which occurs, for example, as a result of rubbing on moving parts that are stationary and made of titanium, can be damaged or best protected.
  • erosion and / or FODs Form Object Damage, damage by foreign objects
  • the outer layer of the layer system or the ceramic layer is preferably a titanium-free or Niedrigtitanlialtiges multicomponent system. It is particularly preferred that the underlying layer consists of a titanium-free or low titanium-containing metallic layer.
  • the device according to the invention serves to protect highly stressed components, in particular turbine components such as guide vanes or moving blades, from external influences, in particular from titanium fire and damage by foreign objects, by means of a layer system comprising at least two layers firmly connected to the component.
  • the layer system is preferably high-melting and / or non-combustible.
  • the layer system is also erosion-inhibiting, in particular as a supplement.
  • a significant advantage of the invention lies in the fact that it makes it possible to use lighter, titanium-based materials in the area of highly stressed components, in particular in the field of gas turbine construction, and above all in the area of the guide vanes of the compressor. This results in a significant reduction in the weight of compressors.
  • Due to the combination of metallic and ceramic layers provided in a preferred design an expansion-adapted adaptation of the ceramic layers to the metallic base material is achieved.
  • the metallic layers prevent propagation of cracks possibly occurring in the ceramic layers.
  • the ceramic layers in turn protect the entire system from damage caused by excessive temperatures. Also, these layers provide protection against metallic contact of the base material in FODs.
  • the possible removal volume that can be damaged in the event of damage can be further increased.
  • titan fire Even with complete, local removal of the protective layer, the remaining coated surfaces hinder propagation of heat-induced ignition or burn-up of titanium-based base material, i. a so-called titan fire.
  • the coating can be very thin, it does not or only insignificantly influences the weight, the aerodynamics and the vibration resistance of the components protected by it.
  • the invention relates to a device for protecting combustible titanium alloys from titanium fire and / or damage caused by foreign objects (FODs).
  • FODs foreign objects
  • a protective layer system which encloses the entire component or parts thereof and which consists of at least two layers.
  • the component may be a guide or moving blade of an axial turbomachine, for example a guide or moving blade of a compressor stage.
  • This outermost layer advantageously consists of a ceramic layer, in particular of a non-titanium-based multicomponent system.
  • Particularly preferred embodiments of the ceramic layer are a chromium nitride layer or an aluminum nitride layer, a chromium-aluminum nitride layer.
  • the layer following and concealing the ceramic layer consists in particular of a metallic layer, in particular of a non-titanium-based metal or metal alloy layer.
  • Particularly preferred embodiments of the metallic layer are, for example, a chromium or nickel or alumium layer, or alloys thereof.
  • basic composite
  • the layer system comprises a sequence of at least two base groups.
  • an adhesion-promoting layer is additionally present between the protective layer system and the base material.
  • a graded transition may be provided, for example in the form CrAl - (CrAl) N 1 -x-CrAlN.
  • the ceramic layer (s) is or are dimensioned such that they hinder the on and melting of the underlying titanium alloy of the base material for the duration of at least one titanium fire.
  • the layer thicknesses of the layers are dimensioned so that the total thickness of the layer system does not exceed some, in particular three, millimeters, and in a particularly preferred embodiment is less than one millimeter, particularly preferably less than 3 / 10 mm, more preferably less than 2/10 mm, more preferably less than 1/10 millimeter.
  • All versions of the layer system can cover either a component in its entirety or only parts of a component. Combinations of different designs, for example those of a basic composite with those of several base composites, with or without an adhesion-promoting layer, are likewise possible.
  • an entire assembly is in an area that requires protection from titanium fire and / or FODs, then all parts of the assembly, some parts, only a part, or only areas of a part can be protected with the device according to the invention. Any combination of protected parts or part areas is possible. If, for example, the assembly is a compressor, then either the guide vanes, the individual guide blade stages, the rotor blades, or the individual rotor blade stages and / or areas thereof can be protected by the device according to the invention.
  • this offers the possibility of being able to be renewed in case of repair.
  • the layer system by means of thermal spraying and / or by means of flame spraying and / or by means of vacuum plasma spraying and / or by means of EB-PVD (Electron Beam Physical Vapor Deposition, and / or by means of an electrochemical process and / or by sputtering and / or by vapor deposition (PVD) and / or by PVD (Physical Vapor Deposition) and / or by arc vapor deposition (CARC) is applied.
  • EB-PVD Electro Beam Physical Vapor Deposition, and / or by means of an electrochemical process and / or by sputtering and / or by vapor deposition (PVD) and / or by PVD (Physical Vapor Deposition) and / or by arc vapor deposition (CARC)
  • Figure 1 shows a structure of a layer system 1, which is composed of a ceramic outer layer Ia and an underlying metallic connection layer Ib ("basic composite"), which is located on a base material 2;
  • Figure 2 shows a structure of a layer system 1 of FIG. 1, which additionally a
  • Adhesive layer 3 which is located between the inner layer of the layer system of Figure 1 and the base material 2;
  • FIG. 3 shows a structure of a layer system 1 according to FIG. 1, which is composed of a plurality of mutually alternating ceramic layers Ia and metallic layers Ib (two basic composites); and
  • FIG. 4 shows a layer system according to FIG. 3, which has been damaged by the impact of foreign objects or by contact with liquid titanium on the outer layers and has cracks 4 and 5, but the innermost layer is undamaged and thus the base material is protected.
  • Figure 1 shows the cross section through a layer system 1, which is composed of an outer ceramic layer Ia and an underlying metallic layer Ib.
  • This composite which is referred to below as the "basic composite”
  • the base composite has the task of preventing the base material 2 from external influences, in particular from To protect high temperatures and FODs, as well as a risk of titanium fire to prevent or at least obstruct this, if titanium or a titanium alloy is used as base material 2.
  • the outer ceramic layer 1a has poor heat conduction and an extremely high melting point. It therefore keeps the heat from the underlying metallic layer Ib and prevents melting or melting of the same or of the base material 2 at least for the duration of a titanium fire. Furthermore it offers a particularly good erosion resistance. Finally, it prevents a first metallic contact with the base material 2 when metallic FODs occur.
  • the ceramic layer Ia may have a significantly different expansion coefficient from the base material 2, it is not directly on the base material 2, from where it could easily flake off, but it is by the metallic layer Ib, with which it is firmly connected, and which functions inter alia as a temperature expansion compensation layer held.
  • both layers Ia and Ib are non-flammable and high-melting according to the invention, they can not ignite and burn and / or melt at normal or elevated operating temperatures.
  • the thickness and composition of the layers can be dimensioned such that the layer composite offers effective protection against titanium fire and FODs, while at the same time not having a negative effect on the vibration resistance of the protected component.
  • Figure 2 shows an inventive layer system 1 of FIG. 1 consisting of a ceramic layer Ia and a metallic layer Ib, which is additionally underlaid with an adhesive layer 3 and firmly connected thereto.
  • the adhesion-promoting layer 3 has the task of improving the adhesion between the metallic layer 1b and the base material 2 if the metallic layer 1b otherwise does not adhere sufficiently firmly to the base material 2.
  • FIG. 3 shows a layer system 1 according to the invention, which is constructed from two base composites from FIG. It therefore consists of an outer ceramic layer Ia, followed by a metallic layer Ib, another ceramic layer Ia, and finally a last metallic layer Ib. All layers are according to the invention firmly together and connected to the base material 2. Such a multi-layer construction increases the protective effect by providing a correspondingly higher volume, which can be removed in case of damage or titanium fire.
  • FIG. 4 shows a layer system according to FIG. 3 and discloses a further object of the metallic layers 1b.
  • the present invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiment. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the illustrated solution even with fundamentally different types of use.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Verwendung von titanbasierten Materialien im Gasturbinen-, speziell im Triebwerks-, und insbesondere im Verdichterbau, indem eine Vorrichtung bereitgestellt wird, welche die durch Titanfeuer und/oder FODs beanspruchten Bauteile (Leitschaufeln, Leitschaufelstufen, Laufschaufeln, Laufschaufelstufen) mittels eines mindestens zwei Lagen umfassenden Schichtsystems schützt, das sich auf der Oberfläche der zu schützenden Bauteile befindet und mit diesen, ggf. unter Zuhilfenahme einer Haftvermittlungsschicht, fest verbunden ist. Die äußerste Schicht ist dabei keramischer, die darunter liegende metallischer Natur. Ggf. können weitere Schichten folgen, wobei keramische und metallische Schichten einander abwechseln. Außerdem wird ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereitgestellt. Durch die zumindest teilweise Verwendung von Titanlegierungen insbesondere für Leitschaufeln von Gasturbinen ermöglicht die Erfindung eine signifikante Gewichtsreduzierung von Verdichtern, indem auf die nach dem Stand der Technik eingesetzten nickel- oder stahlbasierten Baumaterialien zugunsten leichterer Titanlegierungen verzichtet werden kann.

Description

Vorrichtung zum Schutz von Bauteilen mit brennbarer Titanlegierung vor Titanfeuer und Verfahren zu deren Herstellung
Die vorliegende Erfindung ist im Bereich der Gasturbinentechnik, wie zum Beispiel der Kraft- oder Trieb werkstechnik, angesiedelt, und betrifft insbesondere hier vorkommende Bauteile. Die Erfindung schlägt eine Vorrichtung zum Schutz brennbarer Titanlegierungen vor Titanfeuer und/oder Beschädigungen durch Fremdobjekte vor.
Um den Wirkungsgrad einer Gasturbine, zu denen Triebwerke oder beispielsweise auch Kraftwerksturbinen gehören, zu optimieren, sollte die Masse insbesondere der rotierenden, bei mobilen Einheiten auch der statischen (nicht-rotierenden) Elemente möglichst gering sein, um bei Änderungen der Rotationsgeschwindigkeit bzw. der Gesamtgeschwindigkeit des Triebwerks möglichst geringe Änderungen der kinetischen Energie zu verursachen. Insbesondere bei Flugzeugtriebwerken ist ein geringeres Triebwerksgewicht bei gleicher Leistung wünschenswert, da dadurch z.B. Treibstoffkosten gespart werden können oder eine höhere Zuladung ermöglicht wird.
Die aufgrund der Gewichtsersparnis in modernen Verdichtern immer häufiger anzutreffende Leichtbauweise führt zu einem verstärkten Einsatz von Bauteilen aus Titanlegierungen. Um die gewünschten hohen Leistungen und Wirkungsgrade zu erreichen, müssen die Betriebsdrücke und — temperaturen immer weiter erhöht werden. Ab eines bestimmten Temperatur- und Druckniveaus kann jedoch ein so genanntes Titanfeuer entstehen. Da Titan aufgrund seiner hohen Affinität zu Sauerstoff sehr leicht brennt, ist ein derartiges Feuer dann nicht mehr löschbar und kann innerhalb kurzer Zeit — 8 bis 10 Sekunden — und bei Temperaturen bis zu 2500°C zu großen Schäden an den Bauteilen, im Extremfall sogar zum Totalverlust des Triebwerkes, fuhren. Mögliche Ursachen für ein Titanfeuer können unter anderem Schäden an Schaufeln, heftiges Anstreifen der Turbinenschaufeln am Gehäuse, oder auch Lagerschäden sein.
Um die Möglichkeit eines Titanfeuers - meist verursacht beim Anstreifen von Schaufelspitzen am Gehäuse - signifikant zu verringern, kann im einfachsten Fall brennbare (titanhaltige) Masse aus dem kritischen Bereich entfernt und durch Stahl- oder Nickellegierungen ersetzt werden.
Zum Schutz der zumeist sehr hoch beanspruchten Bauteile sowie zur Erhöhung der erzielbaren Präzision werden in der Technik häufig auch Beschichtungen eingesetzt. Beispielsweise umfassen in einem Triebwerk diese Beschichtungen typischerweise Schichten gegen Verschleiß, gegen Korrosion, gegen Heißgaskorrosion und -oxidation, gegen Titanfeuer sowie Schichten zur Minimierung des Spaltes zwischen Rotor und Stator, sowie Schichten zur Wärmedämmung. Im Bereich des Verdichters kommen vor allem Schichten zum Schutz gegen Titanfeuer und zum Erosionsschutz zum Einsatz.
Insbesondere im Bereich der Gehäusewand kann diese mit mehrere Millimeter dicken Schichten überzogen werden. Diese Schichten können beispielsweise plasmagespritze oxidkeramische Schichten umfassen.
Um die durch Erosion hervorgerufenen Beschädigungen zu minimieren, werden entweder besonders harte karbidische Schichten in einer Metallmatrix wie zum Beispiel Wolframkarbid-Kobalt oder Chromkarbid in Nickel-Chrom-Matrix verwendet, oder der Schutz erfolgt aufgrund der Fähigkeit der Schutzschicht, die kinetische Energie der erosiven Partikel mittels plastischer Verformung abzumildern, wie es beispielsweise durch entsprechende Lacke möglich ist.
Die Schaufeln, insbesondere die Leitschaufeln der besonders hitzebelasteten Hochdruckverdichter selber werden zumeist aus so genannten „Superlegierungen" hergestellt. Als Superle- gierungen werden hochlegierte Werkstoffe komplexer Zusammensetzung (Eisen, Nickel, Platin, Chrom oder Kobalt-Basis mit Zusätzen der Elemente Co, Ni, Fe, Cr, Mo, W, Re, Ru, Ta, Nb, Al, Ti, Mn, Zr, C und B) für Hochtemperaturanwendungen bezeichnet. Diese weisen je- doch im Vergleich zuTitan, das zumindest bei Niederdruckverdichtern noch in geschmiedeter Form Anwendung findet, eine in etwa doppelt so hohe Dichte und somit ein entsprechend hohes Gewicht auf. Eine weitere Möglichkeit, Titan in hoch beanspruchten Teilen des Triebwerkes einzusetzen, besteht in seiner Legierung mit Aluminium (TiAl). Diese Möglichkeit wird vornehmlich bei der Herstellung der Laufschaufeln genutzt.
In US 5.114.797 (Uihlein et al.) wird eine dreilagige Beschichtung zum Schutz vor Titanfeuer vorgeschlagen, die sich aus einer metallischen Haftvermittlungsschicht, einer hitzeisolierenden Zwischenschicht oxidischer Natur, sowie einem titanfeuerhemmenden metallischen Ü- berzug zusammensetzt. Als metallische Haftvermittlungsschicht wird insbesondere eine Ni- ckel-Aluminium-Legierung, als Zwischenschicht eine Zirkonium-Oxidschicht, und als Schutzüberzug Aluminium und/oder Aluminiumoxid vorgeschlagen.
In US 5.006.419 (Grunke et al.) wird ebenfalls Aluminium als Schutzschicht für die Strukturkomponenten vorgeschlagen. Der Schutzmechanismus wird hierbei durch das Verdampfen des Aluminiums erreicht.
Die aus dem Stand der Technik zitierte Schrift US 5.114.797 nutzt genau drei Schichten, wobei die Haftvermittlungsschicht zwingend vorgeschrieben ist. Eine besonders verschleiß- oder korrosionshemmende Wirkung der Beschichtung ist nicht bekannt.
Die in US 5.006.419 vorgeschlagene Aluminium-Beschichtung wird insbesondere bei lokal wirkenden thermischen Belastungen ebenfalls lokal abgetragen, woraus die Möglichkeit einer frühzeitigen Schädigung (Rekristallisation, Entzündung) des Grundmaterials erwächst.
Aufgrund der hohen Festigkeit und des geringen spezifischen Gewichtes von Titan ist es wünschenswert, das Material Titan möglichst umfassend bei der Herstellung von beweglichen und feststehenden Elementen von Gasturbinen, insbesondere auch im Bereich des Verdichters, und dort vor allem im Bereich der Leitschaufeln, einzusetzen. Dabei wäre es besonders gut, wenn Sorge dafür getragen wird, dass das Material weder durch so genannte Erosion und / oder FODs (Foreign Object Damage; Schäden durch Fremdobjekte), noch durch so genanntes Titanfeuer, welches beispielsweise durch Anstreifen von bewegten an unbewegten und aus Titan gefertigten Teilen entsteht, beschädigt werden kann bzw. bestmöglich geschützt ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Schutz von Bauteilen mit brennbarer Titanlegierung vor Titanfeuer und/oder vor Beschädigung durch Fremdobjekte zur Verfügung zu stellen, die einfach und kostengünstig aber dennoch reproduzierbar und prozesssicher herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder gemäß Ansprach 2 oder gemäß Anspruch 3 gelöst. Ein erfmdungsgemäßes System ist Gegenstand des Anspruchs 11. Ein erfmdungsgemäßes Verfahren ist Gegenstand des Anspruchs 12. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei der Gestaltung gemäß Ansprach 1 ist die äußere Schicht des Schichtsystems bzw. die keramischen Lage vorzugsweise ein titanfreien oder niedrigtitanlialtiges Mehrkomponentensystem. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die darunter liegende Schicht aus einer titanfreien oder niedrigtitanhaltiges metallischen Lage besteht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient dem Schutz hochbeanspruchter Bauteile, insbesondere Turbinenbauteile wie Leit- oder Laufschaufeln, vor äußeren Einflüssen, insbesondere vor Titanfeuer und Beschädigungen durch Fremdobjekte, mittels eines mindestens zwei Lagen umfassenden, mit dem Bauteil fest verbundenen Schichtsystems.
Das Schichtsystem ist vorzugsweise hochschmelzend und / oder nicht brennbar. In besonders vorteilhafter Gestaltung ist das Schichtsystem - insbesondere ergänzend - auch erosions- hemmend.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin begründet, dass sie eine Verwendung leichter, titanbasierter Werkstoffe im Bereich hochbeanspruchter Bauteile, insbesondere im Bereich des Gasturbinenbaus, und dort vor allem im Bereich der Leitschaufeln des Verdichters, ermöglicht. Daraus resultiert eine signifikante Verringerung des Gewichtes von Verdichtern. Durch die in bevorzugter Gestaltung vorgesehene Kombination metallischer und keramischer Lagen wird eine ausdehnungsmäßige Anpassung der keramischen Lagen an das metallische Grundmaterial erreicht. Weiterhin verhindern die metallischen Lagen eine Ausbreitung von möglicherweise in den keramischen Lagen auftretenden Rissen. Die keramischen Lagen wiederum schützen das Gesamtsystem vor Schäden durch zu hohe Temperaturen. Auch bieten diese Lagen einen Schutz vor metallischem Kontakt des Grundmaterials bei FODs.
Durch die Verwendung mehrerer aufeinander folgender Kombinationen aus jeweils einer keramischen und einer metallischen Lage kann das mögliche, bei einer Beschädigung verkraftbare Abtragsvolumen weiter gesteigert werden.
Selbst bei vollständigem, lokalem Abtrag der Schutzschicht behindern die verbleibenden beschichteten Flächen eine Ausbreitung einer hitzebedingten Entzündung bzw. eines Abbrandes titanbasierten Grundmaterials, d.h. ein so genanntes Titanfeuer.
Da die Beschichtung sehr dünn sein kann, beeinflusst sie das Gewicht, die Aerodynamik und die Schwingfestigkeit der durch sie geschützten Bauelemente nicht oder nur unwesentlich.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz brennbarer Titanlegierungen vor Titanfeuer und/oder Beschädigungen durch Fremdobjekte (FODs). Dies wird erreicht, in dem erfindungsgemäß ein schützendes, das gesamte Bauteil oder Teile davon umhüllendes Schichtsystem bereitgestellt wird, das aus mindestens zwei Lagen besteht. Dabei kann das Bauteil eine Leit- oder Laufschaufel einer axialen Turbomaschine, beispielsweise eine Leit- oder Laufschaufel einer Verdichterstufe sein.
Die wichtigsten Eigenschaften dieser Lagen sind deren fehlende Brennbarkeit und deren hoher oder sehr hoher Schmelzpunkt. Hinzu kommt eine erosionshemmende Wirkung mindestens der äußersten Lage des erfindungsgemäßen Schichtsystems. Diese äußerste Lage besteht vorteilhafterweise aus einer keramischen Schicht, insbesondere aus einem nicht auf Titan basierenden Mehrkomponentensystem. Besonders bevorzugte Ausführungen der keramischen Schicht sind eine Chrom-Nitridschicht oder eine Aluminium-Nitridschicht eine Chrom- Aluminium-Nitridschicht. Die auf die keramische Lage folgende und von ihr verdeckte Lage besteht insbesondere aus einer metallischen Schicht, insbesondere aus einer nicht auf Titan basierenden Metall- oder Metalllegierungsschicht. Besonders bevorzugte Ausführungen der metallischen Schicht sind zum Beispiel eine Chrom- oder Nickel- oder Alummiumschicht, oder Legierungen derselben.
Diese beiden Lagen bilden in ihrer gemeinsamen Kombination die einfachste Ausfuhrung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, im Folgenden „Basisverbund" genannt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung umfasst das Schichtsystem eine Folge von mindestens zwei Basisverbünden. Ein wesentlicher Vorteil eines derartigen Aufbaus besteht in der Bereitstellung einer erhöhten Abtragsmasse, woraus eine erhöhte Sicherheit gegen Durchbrennen oder Durchschlagen des Schichtsystems resultiert.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist zusätzlich eine Haftvermittlungsschicht zwischen dem schützenden Schichtsystem und dem Grundmaterial vorhanden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung kann anstelle eines abrupten Übergangs zwischen einigen oder allen Lagen des Schichtsystems ein gradierter Übergang vorgesehen sein, beispielsweise in der Form CrAl - (CrAl)N1-x - CrAlN.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist bzw. sind insbesondere die keramische(n) Lage(n) so bemessen, dass sie das An- und Aufschmelzen der darunter liegenden Titanlegierung des Grundmaterials für die Dauer mindestens eines Titanfeuers behindern.
In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Schichtdicken der Lagen so bemessen, dass die Gesamtdicke des Schichtsystems einige, insbesondere drei, Millimeter nicht überschreitet, und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform kleiner als ein Millimeter ist, besonders bevorzugt kleiner als 3/10 Millimeter ist, besonders bevorzugt kleiner als 2/10 Millimeter ist, besonders bevorzugt kleiner als 1/10 Millimeter ist. Alle Ausführungen des Schichtsystems können entweder ein Bauteil in seiner Gesamtheit oder lediglich Teile eines Bauteils bedecken. Kombinationen unterschiedlicher Ausführungen, zum Beispiel solche aus einem Basisverbund mit solchen aus mehreren Basisverbünden, mit oder ohne Haftvermittlungsschicht, sind ebenfalls möglich. Befindet sich eine ganze Baugruppe in einem Bereich, der den Schutz vor Titanfeuer und/oder FODs benötigt, so können alle Teile der Baugruppe, einige Teile, nur ein Teil, oder nur Areale eines Teiles mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung geschützt werden. Auch beliebige Kombinationen geschützter Teile bzw. Teileareale sind möglich. Ist die Baugruppe beispielsweise ein Verdichter, so können wahlweise die Leitschaufeln, die einzelnen Leitschaufelstufen, die Laufschaufeln, oder die einzelnen Laufschaufelstufen und/oder Areale derselben durch die erfindungsgemäße Vorrichtung geschützt werden.
Allen beschriebenen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass die Aerodynamik und die Schwingfestigkeit der mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung geschützten Bauteile nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bietet diese die Möglichkeit, im Reparaturfall erneuert werden zu können.
Ferner wird erfindungsgemäß ein entsprechendes Verfahren zum Aufbringen eines erfindungsgemäßen Schichtsystems auf die zu schützenden Oberflächen vorgeschlagen. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Schichtsystem mittels thermischen Spritzens und / oder mittels Flammspritzens und / oder mittels Vakuum-Plasmaspritzens und / oder mittels EB-PVD (Electron Beam Physical Vapour Deposition; elektronenstralil-induzierte Abscheidung aus der Dampfphase), und / oder mittels eines elektrochemischen Verfahrens und / oder mittels Sputterns und / oder mittels Aufdampfens (PVD) und / oder mittels PVD (Physical Vapour Deposition) und / oder mittels Bogenversdampfens (CARC) aufgebracht wird.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigen: Figur 1 einen Aufbau eines Schichtsystems 1, welches sich aus einer keramischen Außenlage Ia und einer darunter liegenden metallischen Verbindungslage Ib zusammensetzt („Basisverbund"), welcher sich auf einem Grundmaterial 2 befindet;
Figur 2 einen Aufbau eines Schichtsystems 1 nach Fig. 1, welches zusätzlich eine
Haftvermittlungsschicht 3 umfasst, die sich zwischen der inneren Lage des Schichtsystems aus Fig. 1 und dem Grundmaterial 2 befindet;
Figur 3 einen Aufbau eines Schichtsystems 1 nach Fig. 1, welches sich aus mehreren, einander abwechselnden keramischen Lagen Ia und metallischen Lagen Ib zusammensetzt (zwei Basisverbünde); und
Figur 4 ein Schichtsystem nach Fig. 3, welches durch das Auftreffen von Fremdobjekten oder durch Kontakt mit flüssigem Titan an den äußeren Schichten beschädigt worden ist und Risse 4 und 5 aufweist, wobei die innerste Schicht jedoch unbeschädigt und das Grundmaterial somit geschützt ist.
Figur 1 zeigt den Querschnitt durch ein Schichtsystem 1, welches sich aus einer außenliegenden keramischen Schicht Ia und einer darunter liegenden metallischen Schicht Ib zusammensetzt. Dieser Verbund, der im folgenden „Basisverbund" genannt wird, ist seinerseits auf einem Grundmaterial 2, von welchem nur der oberflächennahe Teil dargestellt ist, aufgebracht und mit diesem fest verbunden. Der Basisverbund hat die Aufgabe, das Grundmaterial 2 vor äußeren Einflüssen, insbesondere vor zu hohen Temperaturen und FODs zu schützen, sowie einer Gefahr von Titanfeuer vorzubeugen bzw. dieses zu ver- oder zumindest zu behindern, wenn Titan bzw. einer Titanlegierung als Grundmaterial 2 benutzt wird.
Dies wird dadurch erreicht, dass die außenliegende keramische Schicht Ia eine schlechte Wärmeleitung sowie einen extrem hohen Schmelzpunkt besitzt. Sie hält daher die Wärme von der darunter liegenden metallischen Schicht Ib ab und verhindert ein Auf- oder Abschmelzen derselben bzw. des Grundmaterials 2 zumindest für die Dauer eines Titanfeuers. Außerdem bietet sie eine besonders gute Erosionsfestigkeit. Schließlich verhindert sie beim Auftreten von metallischen FODs einen ersten metallischen Kontakt mit dem Grundmaterial 2.
Da die keramische Schicht Ia unter Umständen einen vom Grundmaterial 2 deutlich verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, befindet sie sich nicht direkt auf dem Grundmaterial 2, von wo sie leicht abplatzen könnte, sondern sie wird durch die metallische Schicht Ib, mit welcher sie fest verbunden ist, und welche unter anderem als Temperaturausdeh- nungsausgleichsschicht fungiert, gehalten.
Da beide Schichten Ia und Ib erfindungsgemäß nicht brennbar und hochschmelzend sind, können sie sich weder bei normalen noch bei erhöhten Betriebstemperaturen entzünden und abbrennen und/oder schmelzen.
Die Dicke und Zusammensetzung der Schichten kann erfindungsgemäß so bemessen werden, dass der Schichtverbund einen wirksamen Schutz gegen Titanfeuer und FODs bietet, und gleichzeitig keine negative Beeinflussung der Schwingfestigkeit des geschützten Bauteils mit sich bringt.
Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Schichtsystem 1 nach Fig. 1 bestehend aus einer keramischen Lage Ia und einer metallischen Lage Ib, welches zusätzlich mit eine Haftvermittlungsschicht 3 unterlegt und mit dieser fest verbunden ist. Die Haftvermittlungsschicht 3 hat die Aufgabe, die Haftung zwischen der metallischen Lage Ib und dem Grundmaterial 2 zu verbessern, wenn die metallische Lage Ib ansonsten nicht ausreichend fest auf dem Grundmaterial 2 anhaftet.
Figur 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Schichtsystem 1, welches aus zwei Basisverbünden aus Fig. 1 aufgebaut ist. Es besteht demnach aus einer äußeren keramischen Lage Ia, gefolgt von einer metallischen Lage Ib, einer weiteren keramischen Lage Ia, und schließlich einer letzten metallischen Lage Ib. Alle Schichten sind erfindungsgemäß fest miteinander und mit dem Grundmaterial 2 verbunden. Ein derartiger Mehrschichtaufbau steigert die Schutzwirkung dadurch, dass ein entsprechend höheres Volumen bereitgestellt wird, welches bei Schäden oder Titanfeuer abgetragen werden kann. Figur 4 zeigt ein Schichtsystem entsprechend der Fig. 3 und offenbart eine weitere Aufgabe der metallischen Schichten Ib. Dieser kommt zusätzlich zu den oben genannten Funktionen die Aufgabe zu, eine Ausbreitung von Rissen 4 und 5, wie sie beispielsweise durch die ther- moschockähnliche Beanspruchung beim Auftreten von Titanfeuer während des Kontaktes mit flüssiger Titanschmelze auftreten, zu verhindern. Weitere Ursachen für derartige Risse können beispielsweise die Schwingbelastung der Bauteile, oder das Auftreten von FODs auf die Bauteile sein.
Selbst im Falle eines vollständigen, in Fig. 4 nicht dargestellten, lokalen Abreibens des Schichtsystems 1, ver- oder behindern die noch intakten Areale des Schichtsystems 1 die Ausbreitung eines Titanfeuers.
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

A n s p r ü c h e
1. Vorrichtung zum Schutz von Bauteilen mit brennbarer Titanlegierung vor Titanfeuer und/oder Beschädigung durch Fremdobjekte, insbesondere zum Schutz von Schaufeln einer Turbomaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Schutz der Bauteile ein mindestens zwei Lagen aufweisendes Schichtsystem aufweist und die äußere Schicht des Schichtsystems aus einer keramischen Lage und die darunter liegende Schicht aus einer metallischen Lage besteht.
2. Vorrichtung zum Schutz von Bauteilen mit brennbarer Titanlegierung vor Titanfeuer und/oder Beschädigung durch Fremdobjekte, insbesondere zum Schutz von Schaufeln einer Turbomaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Schutz der Bauteile Schichtsystem mit wenigstens einer Schicht aufweist, wobei die Schicht dieses Schichtsystems bzw. die äußere Schicht dieses Schichtsystems Keramik und Metall aufweist und als gradierte Schicht ausgebildet ist, und zwar derart, dass in dieser (äußeren) Schicht der Anteil an Keramik von innen nach außen zunimmt und der Anteil an Metall von innen nach außen abnimmt.
3. Vorrichtung zum Schutz von Bauteilen mit brennbarer Titanlegierung vor Titanfeuer und/oder Beschädigung durch Fremdobjekte, insbesondere zum Schutz von Schaufeln einer Turbomaschine, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile mit einem mindestens zwei Lagen aufweisenden Schichtsystem geschützt sind, wobei das Schichtsystem hochschmelzend, nicht brennbar und erosionshemmend ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei einem mehr als zwei Lagen umfassenden Schichtsystem jeweils eine keramische mit jeweils einer metallischen Lage abwechselt.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zusätzlich eine Haftvermittlungsschicht zwischen der innersten Lage des Schichtsystems und dem Grundmaterial befindet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen einigen oder allen Lagen gradiert ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Lage bzw. die keramischen Lagen das An- und Aufschmelzen der darunter liegenden Titanlegierungen für die Dauer zumindest eines Titanfeuers behindert bzw. behindern.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das
Schichtsystem eine maximale Dicke aufweist, die kleiner als 0,1 mm ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Schichtsystem auf einigen oder allen Bauteilen oder Arealen derselben befindet, die die Gruppe der Leitschaufeln, der einzelnen Leitschaufelstufen, der Laufschaufeln, oder der einzelnen Laufschaufelstufen eines Verdichters umfasst.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das
Schichtsystem die Schwingfestigkeit des Grundelements nicht beeinflusst, und dass das Schichtsystem im Reparaturfall erneuerbar ist.
11. System mit wenigstens einem aus Titan oder aus einer Titanlegierung bestehenden oder Titan aufweisenden Bauteil, insbesondere Verdichter- Laufschaufel oder -Leitschaufel einer Gasturbine, und einer Vorrichtung zum Schutz dieses wenigstens einen Bauteils vor Titanfeuer und/oder Beschädigung durch Fremdobjekte dadurch gekennzeichnet, dass diese Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist, und das Schichtsystem, welches von dieser Vorrichtung umfasst ist bzw. gebildet wird, auf dieses Bauteil aufgebracht ist, wobei die äußere Schicht des Schichtsystems aus einer keramischen Lage besteht.
12. Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 0 bis 10 oder des
Systems gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des Schichtsystems mittels eines Beschichtungsverfahren, insbesondere mittels Aufdampfen und/oder Sput- tern, erfolgt.
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