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DE102004001722A1 - Turbomachine blade and method of making blade tip armor on turbomachinery blades - Google Patents

Turbomachine blade and method of making blade tip armor on turbomachinery blades Download PDF

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Publication number
DE102004001722A1
DE102004001722A1 DE102004001722A DE102004001722A DE102004001722A1 DE 102004001722 A1 DE102004001722 A1 DE 102004001722A1 DE 102004001722 A DE102004001722 A DE 102004001722A DE 102004001722 A DE102004001722 A DE 102004001722A DE 102004001722 A1 DE102004001722 A1 DE 102004001722A1
Authority
DE
Germany
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blade tip
molybdenum
blade
laser
intermediate layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102004001722A
Other languages
German (de)
Inventor
Reinhold Meier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MEIER, REINHOLD, 84405 DORFEN, DE
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Priority to DE102004001722A priority Critical patent/DE102004001722A1/en
Priority to PCT/DE2004/002795 priority patent/WO2005068784A1/en
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Abstract

Die Erfindung betrifft Turbomaschinenschaufel, insbesondere Gasturbinenschaufel. DOLLAR A Die Turbomaschinenschaufel weist ein Schaufelblatt und eine Schaufelspitze auf, wobei auf die Schaufelspitze eine Schaufelspitzenpanzerung aus einem keramischen Belag aufgebracht ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist zwischen der metallischen Schaufelspitze (13) und der Schaufelspitzenpanzerung (14) aus dem keramischen Belage eine haftvermittelnde Zwischenschicht (15) aus Molybdän angeordnet. Die Zwischenschicht (15) aus Molybdän und die Schaufelspitzenpanzerung (14) aus dem keramischen Belag werden jeweils durch Laser-Pulver-Auftragschweißen aufgetragen.The invention relates to turbomachinery blade, in particular gas turbine blade. DOLLAR A The turbomachine blade has an airfoil and a blade tip, wherein on the blade tip a blade tip armor made of a ceramic coating is applied. DOLLAR A According to the invention an adhesion-promoting intermediate layer (15) made of molybdenum is arranged between the metallic blade tip (13) and the blade tip armor (14) from the ceramic covering. The intermediate layer (15) of molybdenum and the blade tip armor (14) of the ceramic coating are each applied by laser powder build-up welding.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschinenschaufel, insbesondere eine Gasturbinenschaufel, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Schaufelspitzenpanzerung an Turbomaschinenschaufeln, insbesondere an Gasturbinenschaufeln, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.The The invention relates to a turbomachine blade, in particular a Gas turbine blade, according to the preamble of patent claim 1. Furthermore, the invention relates to a process for the preparation a blade tip armor on turbomachinery blades, in particular on gas turbine blades, according to the preamble of the claim 6th

Turbomaschinen, wie zum Beispiel Flugtriebwerke, umfassen in der Regel mehrere Stufen mit rotierenden Laufschaufeln sowie feststehenden Leitschaufeln, wobei die Laufschaufeln zusammen mit einem Rotor rotieren und wobei die Laufschaufeln sowie die Leitschaufeln von einem feststehenden Gehäuse der Gasturbine umschlossen sind. Zur Leistungssteigerung eines Flugtriebwerks ist es von Bedeutung, alle Komponenten und Subsysteme zu optimieren. Hierzu zählen auch die sogenannten Dichtsysteme in Flugtriebwerken. Besonders problematisch ist bei Flugtriebwerken die Einhaltung eines minimalen Spalts zwischen den rotierenden Laufschaufeln und dem feststehenden Gehäuse eines Hochdruckverdichters sowie zwischen den feststehenden Leitschaufeln und einer rotierenden Rotorwelle. Bei Hochdruckverdichtern treten nämlich die größten Temperaturen sowie Temperaturengradienten auf, was die Spalthaltung erschwert. Dies liegt unter anderem auch darin begründet, dass bei Verdichterlaufschaufeln sowie Verdichterleitschaufeln auf Deckbänder, wie sie bei Turbinen verwendet werden, verzichtet wird.Turbomachinery such as aircraft engines, typically include multiple stages with rotating blades and fixed vanes, wherein the blades rotate together with a rotor and wherein the blades and the vanes from a fixed casing the gas turbine are enclosed. To increase the performance of an aircraft engine It is important to optimize all components and subsystems. Which includes also the so-called sealing systems in aircraft engines. Especially The problem with aircraft engines is the maintenance of a minimum Gaps between the rotating blades and the fixed one casing a high pressure compressor and between the fixed vanes and a rotating rotor shaft. Occur at high pressure compressors namely the biggest temperatures and temperature gradients, which makes it difficult to cleave. This is partly due to the fact that in compressor blades and compressor vanes on shrouds, as in turbines used, is omitted.

Wie bereits erwähnt, verfügen die Leitschaufeln und die Laufschaufeln im Verdichter über kein Deckband. Daher sind Enden bzw. Spitzen der rotierenden Laufschaufeln beim sogenannten Anstreifen in das feststehende Gehäuse einem direkten Reibkontakt mit dem Gehäuse ausgesetzt. Die freien Enden bzw. Spitzen der Leitschaufeln sind einem direkten Reibkontakt mit der Rotorwelle ausgesetzt. Ein solches Anstreifen der Schaufelspitzen wird bei Einstellung eines minimalen Radialspalts durch Fertigungstoleranzen hervorgerufen.As already mentioned, feature the vanes and blades in the compressor via no shroud. Therefore, tips of the rotating blades are at so-called rubbing into the fixed housing a direct frictional contact with the housing exposed. The free ends or tips of the vanes are exposed to direct frictional contact with the rotor shaft. Such Scraping of the blade tips will result in setting a minimum Radial gaps caused by manufacturing tolerances.

Da durch den Reibkontakt der Schaufelspitzen an denselben Material abgetragen wird, kann sich über den gesamten Umfang von Gehäuse und Rotor eine unerwünschte Spalt vergrößerung einstellen. Um dies zu vermeiden ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, die Enden bzw. Spitzen der Schaufeln mit einem harten, keramischen Belag oder mit abrasiven Partikeln zu panzern, wobei die Schaufelspitzenpanzerung unmittelbar auf die zu panzernde Schaufelspitze aufgebracht wird. Nach dem Stand der Technik wird eine aus einem keramischen Belag hergestellte Schaufelspitzenpanzerung durch thermisches Spritzen aufgetragen, Schaufelspitzenpanzerungen aus abrasiven Partikeln werden hingegen unmittelbar auf die zu panzernde Schaufelspitze aufgelötet.There by the frictional contact of the blade tips with the same material can be removed, over the entire circumference of housing and rotor an undesirable Adjust the gap magnification. To avoid this, it is already known from the prior art the tips of the blades with a hard, ceramic Covering or with abrasive particles to armor, with the blade tip armor is applied directly to the blade tip to be armored. According to the prior art, a made of a ceramic coating Blade tip armor applied by thermal spraying, Shovel tip armor made of abrasive particles, on the other hand soldered directly onto the blade tip to be armored.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuartige Turbomaschinenschaufel sowie ein neuartiges Verfahren zur Herstellung einer Schaufelspitzenpanzerung an Turbomaschinenschaufeln zu schaffen.Of these, Based on the present invention, the problem underlying a novel turbine blade and a novel process for producing a blade tip armor on turbomachinery blades to accomplish.

Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass die eingangs genannte Turbomaschinenschaufel durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Erfindungsgemäß ist zwischen der Schaufelspitze und der Schaufelspitzenpanzerung aus einem keramischen Belag eine haftvermittelnde Zwischenschicht aus Molybdän angeordnet. Die Zwischenschicht aus Molybdän und die Schaufelspitzenpanzerung aus dem keramischen Belag sind vorzugsweise durch Laser-Pulver-Auftragschweißen aufgetragen. Laser-Pulver-Auftragschweißen wird auch als Laserstrahlauftragschweißen oder Laserstrahlgenerieren bezeichnet.This Problem is solved by that the above-mentioned turbomachinery blade by the features of the characterizing part of patent claim 1 is further developed. According to the invention is between the blade tip and the blade tip armor of a ceramic Covering an adhesion-promoting intermediate layer of molybdenum arranged. The intermediate layer of molybdenum and the blade tip armor are from the ceramic lining preferably applied by laser powder buildup welding. Laser powder buildup welding becomes also as laser beam deposition welding or laser beam generation designated.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Schaufelspitzenpanzerung an Turbomaschinenschaufeln, insbesondere an Gasturbinenschaufeln, ist im unabhängigen Patentanspruch 6 definiert.The inventive method for making a blade tip armor on turbomachinery blades, in particular gas turbine blades, is in the independent claim 6 defined.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:preferred Further developments of the invention will become apparent from the dependent claims and the following description. Embodiments of the invention without being limited to this to be closer to the drawing explained. Showing:

1 eine schematisierte Darstellung einer Gasturbinenschaufeln in perspektivischer Seitenansicht; 1 a schematic representation of a gas turbine blades in a perspective side view;

2 einen schematisierten Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Gasturbinenschaufel mit einer Schaufelspitzenpanzerung; 2 a schematic cross section through a gas turbine blade according to the invention with a blade tip armor;

3 eine schematisierte Darstellung zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und 3 a schematic representation to illustrate the method according to the invention; and

4 eine schematisierte Darstellung zur Verdeutlichung einer Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens. 4 a schematic representation to illustrate an alternative of the method according to the invention.

Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 4 in größerem Detail beschrieben.Hereinafter, the present inventions with reference to 1 to 4 described in more detail.

1 zeigt als Turbomaschinenschaufel eine Laufschaufel 10 einer Gasturbine, nämlich eines Flugtriebwerks, wobei die Laufschaufel 10 ein Schaufelblatt 11 sowie einen sich an das Schaufelblatt 11 anschließenden Schaufelfuß 12 aufweist. Eine Schaufelspitze 13 des Schaufelblatts 11 ist mit einer Schaufelspitzenpanzerung 14 aus einem keramischem Belag versehen. 1 shows as a turbomachinery blade a blade 10 a gas turbine, namely an aircraft engine, wherein the blade 10 an airfoil 11 and a to the blade 11 subsequent blade foot 12 having. A shovel tip 13 of the airfoil 11 is with a blade tip armor 14 made of a ceramic coating.

Erfindungsgemäß ist zwischen die Schaufelspitze 13 der Laufschaufel 10 und der Schaufelspitzenpanzerung 14 aus dem keramischen Belag eine haftvermittelnde Zwischenschicht 15 aus Molybdän angeordnet. 2 zeigt einen ausschnittsweisen Querschnitt durch den Bereich der metallischen Schaufelspitze 13, der keramischen Schaufelspitzenpanzerung 14 und der zwischen der Schaufelspitze 13 und der Schaufelspitzenpanzerung 14 angeordneten Zwischenschicht 15 aus Molybdän. Bei 2 handelt es sich lediglich um eine schematische Darstellung. Die Dickenverhältnisse der in 2 dargestellten Schichtdicken von Zwischenschicht 15 und Schaufelspitzenpanzerung 14 entsprechen nicht den tatsächlichen Gegebenheiten.According to the invention is between the blade tip 13 the blade 10 and the blade tip armor 14 from the ceramic coating an adhesion-promoting intermediate layer 15 made of molybdenum. 2 shows a fragmentary cross section through the area of the metallic blade tip 13 , the ceramic blade tip armor 14 and between the blade tip 13 and the blade tip armor 14 arranged intermediate layer 15 made of molybdenum. at 2 it is only a schematic representation. The thickness ratios of in 2 shown layer thicknesses of the intermediate layer 15 and blade tip armor 14 do not correspond to the actual circumstances.

Nach einer ersten bevorzugten Weiterbildung der hier vorliegenden Erfindung ist die Laufschaufel 10 und damit das Schaufelblatt 11 sowie die Schaufelspitze 13 aus einer Titanbasislegierung hergestellt. Auf eine derartige Schaufelspitze 13 aus einer Titanbasislegierung ist die Zwischenschicht 15 aus Molybdän und auf die Zwischenschicht 15 ist dann eine Schaufelspitzenpanzerung 14 aus einem Al2O3-TiO2-Keramikwerkstoff aufgetragen. Die Kombination einer Schaufel 10 aus einer Titanbasislegierung mit einer derartigen Aluminiumoxidkeramik ist besonders vorteilhaft.According to a first preferred development of the present invention, the blade is 10 and with it the blade 11 as well as the blade tip 13 made of a titanium-based alloy. On such a blade tip 13 Titanium based alloy is the intermediate layer 15 made of molybdenum and on the intermediate layer 15 is then a blade tip armor 14 made of an Al 2 O 3 -TiO 2 ceramic material. The combination of a shovel 10 Of a titanium-based alloy with such alumina ceramic is particularly advantageous.

Nach einer alternativen Weiterbildung der Erfindung ist die Laufschaufel 10 und damit das Schaufelblatt 11 sowie die Schaufelspitze 13 aus einer Nickelbasislegierung oder Eisenbasislegierung hergestellt. Auf eine derartige Schaufelspitze 13 aus einer Nickelbasislegierung oder einer Eisenbasislegierung ist dann wiederum die Zwischenschicht 15 aus Molybdän und auf die Zwischenschicht 15 ist eine Schaufelspitzenpanzerung 14 aus einem ZrO2-Y2O3-Keramikwerkstoff aufgetragen. Die Kombination einer Schaufel aus einer Nickelbasislegierung oder Eisenbasislegierung mit einer Zirkonoxidkeramik ist ebenfalls besonders vorteilhaft.According to an alternative development of the invention, the blade 10 and with it the blade 11 as well as the blade tip 13 made of a nickel-base alloy or iron-based alloy. On such a blade tip 13 a nickel-based alloy or an iron-based alloy is then again the intermediate layer 15 made of molybdenum and on the intermediate layer 15 is a blade tip armor 14 made of a ZrO 2 -Y 2 O 3 ceramic material. The combination of a blade of a nickel-base alloy or iron-based alloy with a zirconia ceramic is also particularly advantageous.

Den oben beschriebenen Turbomaschinenschaufeln bzw. Laufschaufeln 10 einer Gasturbine ist gemeinsam, dass auf eine metallische Schaufel eine Schaufelspitzenpanzerung 14 aus einer Oxidkeramik aufgetragen ist, wobei zwischen der metallischen Schaufelspitze 13 und der Schaufelspitzenpanzerung 14 aus der Oxidkeramik eine Zwischenschicht 15 aus Molybdän aufgetragen ist. Die Zwischenschicht 15 aus Molybdän verbessert die Haftung der Oxidkeramik auf der Schaufelspitze. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird die Schaufelspitzenpanzerung 15 aus der Oxidkeramik demnach nicht unmittelbar auf die Schaufelspitze 13 aufgetragen, sondern unter Zwischenanordnung der haftvermittelnden Schicht 15 aus Molybdän.The turbomachinery blades or blades described above 10 A gas turbine has in common that on a metallic blade a blade tip armor 14 is applied from an oxide ceramic, wherein between the metallic blade tip 13 and the blade tip armor 14 from the oxide ceramic an intermediate layer 15 made of molybdenum. The intermediate layer 15 made of molybdenum improves the adhesion of the oxide ceramic on the blade tip. For the purposes of the present invention, the blade tip armor 15 from the oxide ceramic therefore not directly on the blade tip 13 applied, but with intermediate arrangement of the adhesion-promoting layer 15 made of molybdenum.

Es liegt im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, die Zwischenschicht 15 aus Molybdän sowie die Schaufelspitzenpanzerung 14 aus dem keramischen Werkstoff jeweils durch Laser-Pulver-Auftragschweißen auf die Schaufelspitze 13 bzw. die Zwischenschicht 15 aufzutragen. Nachfolgend wird auf die Details des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Schaufelspitzenpanzerung an Turbomaschinenschaufeln in größerem Detail eingegangen.It is within the meaning of the present invention, the intermediate layer 15 made of molybdenum and the blade tip armor 14 from the ceramic material in each case by laser powder buildup welding on the blade tip 13 or the intermediate layer 15 apply. The details of the inventive method for producing a blade tip armor on turbomachinery blades will be discussed in more detail below.

Zum Laser-Pulver-Auftragschweißen der Zwischenschicht 15 aus Molybdän sowie der Schaufelspitzenpanzerung 14 aus dem keramischen Werkstoff wird jeweils ein CO2-Laser verwendet. Bevorzugt findet ein CO2-Laser mit einer Nennleistung von 6000 W und einer Wellenlänge von 10,6 μm Verwendung.For laser powder build-up welding of the intermediate layer 15 made of molybdenum and the blade tip armor 14 From the ceramic material, a CO 2 laser is used in each case. Preferably, a CO 2 laser with a nominal power of 6000 W and a wavelength of 10.6 microns is used.

Unter Verwendung des obigen CO2-Lasers wird in einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die zu panzernde, metallische Schaufelspitze 13 zuerst die haftvermittelnde Zwischenschicht 15 aus Molybdän durch Laser-Pulver-Auftragsschweißen aufgebracht. Das Aufbringen dieser haftvermittelnden Zwischenschicht 15 aus Molybdän erfolgt für Schaufeln aus einer Titanbasislegierung oder Nickelbasislegierung oder Eisenbasislegierung unter Verwendung derselben Prozessparameter. So wird zur Auftragung der Zwischenschicht 15 aus Molybdän der Laser mit einer Laserstrahlintensität von 1·105 bis 3·105 W/cm3, insbesondere mit einer Laserstrahlintensität von 1,6·105 bis 2·105 W/cm3 betrieben. Die Vorschubgeschwindigkeit des Lasers zum Auftragen der Zwischenschicht 15 aus Molybdän liegt zwischen 1000 und 1800 mm/min, insbesondere in einer Größenordnung von 1200 bis 1600 mm/min. Besonders bevorzugt ist eine Vorschubgeschwindigkeit des CO2-Laser bei der Auftragung der Molybdän-Zwischenschicht von 1400 mm/min. Der Molybdän-Werkstoff bzw. das Molybdän-Pulver wird zum Laser-Pulver-Auftragschweißen dabei vorzugsweise mit einer Pulvermenge von 3 bis 6 g/min, insbesondere mit einer Pulvermenge von 4 bis 5 g/min in Richtung auf den Laser gefördert. Besonders bevorzugt ist eine Molybdänfördermenge von 4,5 g/min. Zur Förderung des Molybdäns in Richtung auf den Laser wird als Fördergas Argon verwendet.Using the CO 2 laser above, in a first step of the method according to the invention, the metallic blade tip to be armored is applied 13 first the adhesion-promoting intermediate layer 15 made of molybdenum applied by laser powder build-up welding. The application of this adhesion-promoting intermediate layer 15 of molybdenum is made of titanium-based or nickel-based alloy or iron-based alloy blades using the same process parameters. This is how to apply the interlayer 15 made of molybdenum, the laser with a laser beam intensity of 1 · 10 5 to 3 · 10 5 W / cm 3 , in particular operated with a laser beam intensity of 1.6 · 10 5 to 2 · 10 5 W / cm 3 . The feed rate of the laser for applying the intermediate layer 15 of molybdenum is between 1000 and 1800 mm / min, in particular of the order of 1200 to 1600 mm / min. Particularly preferred is a feed rate of the CO 2 laser in the application of the molybdenum interlayer of 1400 mm / min. The molybdenum material or the molybdenum powder is preferably conveyed for laser powder buildup welding with a powder quantity of 3 to 6 g / min, in particular with a powder quantity of 4 to 5 g / min in the direction of the laser. Particularly preferred is a molybdenum flow rate of 4.5 g / min. To promote the molybdenum in the direction of the laser argon is used as a carrier gas.

Auf eine mit den obigen Prozessparametern aufgebrachte Molybdän-Zwischenschicht 15 wird sodann in einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens die Schaufelspitzenpanzerung 14 aus dem keramischen Belag, nämlich einer Oxidkeramik, ebenfalls durch Laser-Pulver-Auftragschweißen aufgebracht. Bei einer Schaufelspitze 13, die aus einer Titanbasislegierung besteht, wird ein Al2O3-TiO2- Keramikwerkstoff verwendet, bei einer Schaufelspitze 13 aus einer Nickelbasislegierung oder Eisenbasislegierung wird ein ZrO2-Y2O3-Keramikwerkstoff aufgebracht. Zum Aufbringen der Keramikschicht auf die Molybdän-Zwischenschicht 15 wird der CO2-Laser mit einer Laserstrahlintensität von 2·104 bis 4·104, vorzugsweise mit einer Laserstrahlintensität von 2,9·104 bis 3,2·104 W/cm3 betrieben. Die Vorschubgeschwindigkeit des Laser beim Laser-Pulver-Auftragsschweißen der Keramikschicht liegt zwischen 50 bis 400 mm/min, vorzugsweise zwischen 100 und 350 mm/min. Das Keramikpulver wird mit einer entsprechenden Fördermenge in Richtung auf den Laser gefördert. Beim Auftragen des Al2O3-TiO2-Keramikpulvers liegt die Fördermenge bei 3 bis 5 g/min, bei Auftragen des ZrO2-Y2O3-Keramikpulvers liegt die Pulvermenge bei 3 bis 9 g/min. Für die Förderung der Keramikpulver wird als Fördergas Helium verwendet.On a molybdenum interlayer applied with the above process parameters 15 Then, in a second step of the method according to the invention, the blade tip armor 14 from the ceramic coating, namely an oxide ceramic, also applied by laser powder buildup welding. At a blade tip 13 , which consists of a titanium-based alloy, an Al 2 O 3 -TiO 2 - ceramic material is used, with a blade tip 13 From a nickel-based alloy or iron-based alloy, a ZrO 2 -Y 2 O 3 ceramic material is applied. For applying the ceramic layer to the molybdenum intermediate layer 15 For example, the CO 2 laser is operated with a laser beam intensity of 2 × 10 4 to 4 × 10 4 , preferably with a laser beam intensity of 2.9 × 10 4 to 3.2 × 10 4 W / cm 3 . The feed rate of the laser during laser powder build-up welding of the ceramic layer is between 50 to 400 mm / min, preferably between 100 and 350 mm / min. The ceramic powder is conveyed with a corresponding delivery in the direction of the laser. When applying the Al 2 O 3 -TiO 2 ceramic powder, the flow rate is 3 to 5 g / min, when applying the ZrO 2 -Y 2 O 3 ceramic powder, the powder quantity is 3 to 9 g / min. For the promotion of ceramic powder helium is used as a carrier gas.

Unter Verwendung der obigen Prozessparameter lassen sich äußerst stabile und gut haftende Schaufelspitzenpanzerungen an Turbomaschinenschaufeln bereitstellen.Under Using the above process parameters can be extremely stable and well-adhered blade tip armor on turbomachinery blades provide.

Für das hier vorliegenden, erfindungsgemäße Verfahren ist es demnach von Bedeutung, auf die zu panzernde Schaufelspitze zuerst eine Zwischenschicht aus Molybdän und anschließend erst die Schaufelspitzenpanzerung aus der Oxidkeramik aufzutragen. Sowohl die Molybdän-Zwischenschicht als auch die Schaufelspitzenpanzerung aus der Oxidkeramik werden mithilfe von Laser-Pulver-Auftragschweißen aufgetragen. Bei einem derartigen Laserstrahlbeschichten wird die Haftung der aufgetragenen Schichten, insbesondere der aufgetragenen Oxidkeramik, durch Haftmechanismen wie chemische Wechselwirkung (Diffusion) und chemische Adsorption begründet. Die Existenz der Molybdän-Zwischenschicht begünstig dabei die Bildung einer Diffusionszone zwischen dem Basismaterial, also der Titanbasislegierung oder Nickelbasislegierung oder Eisenbasislegierung, der zu panzernden Schaufel und dem keramischen Werkstoff der eigentlichen Schaufelspitzenpanzerung. Sowohl beim Auftragen des Al2O3-TiO2-Keramikpulvers auf eine Schaufelspitze aus einer Titanbasislegierung als auch beim Auftragen des ZrO2-Y2O3-Keramikwerkstoffs auf eine Schaufelspitze aus einer Nickelbasislegierung oder Eisenbasislegierung spielt das Vorhandensein der Zwischenschicht aus Molybdän bei der Bildung einer Diffusionszone zwischen der Oxidkeramik und dem Substratmaterial der Schaufelspitze eine entscheidende Rolle für eine gute Haftung der Schaufelspitzenpanzerung. So verfügt Molybdän gegenüber den verwendeten Keramikpulvern über ein gutes Benetzungsverhalten, was das Haftverhalten des Keramikwerkstoffs auf dem metallischen Grundwerkstoff der zu panzernden Schaufel positiv beeinflusst. Das Benetzungsverhalten wird im Wesentlichen von der Neigung des Molybdäns zur Oxidbildung bestimmt. Diese Neigung ist beim Molybdän bei Temperaturen von größer als 400 °C stark ausgeprägt, sodass die Oxidkeramik das Molybdän sehr gut benetzt. Weiterhin spielt die hohe Sauerstoffaffinität des Molybdän bei der Bildung der Diffusionsschicht eine wichtige Rolle. Die Sauerstoffaffinität des Molybdäns unterstützt die Diffusion des Sauerstoffs aus dem grenznahen Bereich der Keramikschicht in die Molybdän-Zwischenschicht hinein.For the method according to the present invention, it is therefore important to first apply an intermediate layer of molybdenum on the blade tip to be armored, and then first apply the blade tip armor from the oxide ceramic. Both the molybdenum interlayer and the oxide ceramic blade tip armor are applied using laser powder buildup welding. In such a laser beam coating, the adhesion of the applied layers, in particular the applied oxide ceramic, by adhesion mechanisms such as chemical interaction (diffusion) and chemical adsorption is justified. The existence of the molybdenum intermediate layer thereby promotes the formation of a diffusion zone between the base material, ie the titanium-based alloy or nickel-based alloy or iron-based alloy, the armor to be armored and the ceramic material of the actual blade tip armor. Both when applying the Al 2 O 3 -TiO 2 ceramic powder to a blade tip of a titanium-based alloy and when applying the ZrO 2 -Y 2 O 3 ceramic material to a blade tip made of a nickel-based alloy or iron-based alloy, the presence of the intermediate layer of molybdenum in the Formation of a diffusion zone between the oxide ceramic and the substrate material of the blade tip is crucial for a good adhesion of the blade tip armor. Thus, molybdenum has a good wetting behavior with respect to the ceramic powders used, which has a positive effect on the adhesive behavior of the ceramic material on the metallic base material of the blade to be armored. The wetting behavior is essentially determined by the tendency of molybdenum to form oxides. This tendency is pronounced for molybdenum at temperatures greater than 400 ° C, so that the oxide ceramic wets the molybdenum very well. Furthermore, the high oxygen affinity of molybdenum plays an important role in the formation of the diffusion layer. The oxygen affinity of molybdenum promotes the diffusion of oxygen from the near-boundary region of the ceramic layer into the molybdenum interlayer.

Das Laser-Pulver-Auftragschweißen der Molybdän-Zwischenschicht 15 sowie der Schaufelspitzenpanzerung 14 aus dem keramischen Werkstoff erfolgt entweder im Sinne der 3 in der Variante einer koaxialen Pulverzuführung des aktuell aufzutragenden Werkstoffs oder im Sinne der 4 in der Variante einer seitlichen Pulverzuführung des aufzutragenden Werkstoffs. So zeigen 3 und 4 jeweils die Auftragung der Molybdän-Zwischenschicht 15 auf der zu panzernden Schaufelspitze 13, wobei jeweils ein von einer Laserquelle 16 erzeugter Laserstrahl 17 fokusiert auf die zu beschichtende Oberfläche gerichtet wird. Bei der seitlichen Zuführung des Molybdänpulvers gemäß 4 kommt eine separat ausgestaltete Zuführeinrichtung 18 zum Einsatz, bei der koaxialen Zuführung gemäß 3 ist die Zuführeinrichtung 18 in die Laseranordnung 16 integriert. Besonders bevorzugt ist die Auftragung der Molybdän-Zwischenschicht sowie der Oxidkeramik nach dem sogenannten Laser-Pulver-Auftragschweißen in Kokille. Details dieses Prozesses sind dem hier angesprochenen Fachmann geläufig.The laser powder buildup welding of the molybdenum interlayer 15 and the blade tip armor 14 from the ceramic material takes place either in the sense of 3 in the variant of a coaxial powder feed of the currently applied material or in the sense of 4 in the variant of a lateral powder feed of the material to be applied. To show 3 and 4 in each case the application of the molybdenum interlayer 15 on the blade tip to be armored 13 , one each from a laser source 16 generated laser beam 17 focused on the surface to be coated is directed. In the lateral supply of molybdenum powder according to 4 comes a separately designed feeder 18 for use, in the coaxial feed according to 3 is the feeder 18 in the laser arrangement 16 integrated. Particularly preferred is the application of the molybdenum intermediate layer and the oxide ceramic after the so-called laser powder build-up welding in mold. Details of this process are familiar to the person skilled in the art.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung kann eine porenfreie und rissarme Schaufelspitzenpanzerung mit einer guten Haftung zum metallischen Grundwerkstoff der zu panzernden Schaufel bereitgestellt werden. Die Haftfestigkeit der Schaufelspitzenpanzerung auf dem metallischen Grundwerkstoff ist aufgrund der Verwendung einer Molybdän-Zwischenschicht optimiert. Die Struktur der Schaufelspitzenpanzerung aus der Oxidkeramik ist sehr fein, die Wärmedämmung ist äußerst gut.in the For the purposes of the present invention, a non-porous and low-crack Blade tip armor with good adhesion to the metallic base material be provided to be armored shovel. The adhesive strength the blade tip armor on the metallic base material is optimized due to the use of a molybdenum interlayer. The structure the blade tip armor from the oxide ceramic is very fine, the thermal insulation is extremely good.

1010
Laufschaufelblade
1111
Schaufelblattairfoil
1212
Schaufelfußblade
1313
Schaufelspitzeblade tip
1414
SchaufelspitzenpanzerungBlade tip armor
1515
Zwischenschichtinterlayer
1616
Laserquellelaser source
1717
Laserstahllaser beam
1818
Zuführeinrichtungfeeding

Claims (19)

Turbomaschinenschaufel, insbesondere Gasturbinenschaufel, mit einem Schaufelblatt (11) und einer Schaufelspitze (13), wobei auf die Schaufelspitze (13) eine Schaufelspitzenpanzerung (14) aus einem keramischen Belag aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Schaufelspitze (13) und der Schaufelspitzenpanzerung (14) aus dem keramischen Belag eine haftvermittelnde Zwischenschicht (15) aus Molybdän angeordnet ist.Turbomachinery blade, in particular gas turbine blade, with an airfoil ( 11 ) and a blade tip ( 13 ), wherein on the blade tip ( 13 ) a blade tip armor ( 14 ) is applied from a ceramic coating, characterized in that between the blade tip ( 13 ) and the blade tip armor ( 14 ) from the ceramic covering an adhesion-promoting intermediate layer ( 15 ) is arranged from molybdenum. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (15) aus Molybdän auf die Schaufelspitze (13) durch Laser-Pulver-Auftragschweißen aufgetragen ist.Turbomachine blade according to claim 1, characterized in that the intermediate layer ( 15 ) of molybdenum on the blade tip ( 13 ) is applied by laser powder buildup welding. Turbomaschinenschaufel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelspitzenpanzerung (14) aus dem keramischen Belag auf die Zwischenschicht (15) aus Molybdän durch Laser-Pulver-Auftragschweißen aufgetragen ist.Turbomachine blade according to claim 2, characterized in that the blade tip armor ( 14 ) from the ceramic coating to the intermediate layer ( 15 ) of molybdenum is applied by laser powder buildup welding. Turbomaschinenschaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt (11) und damit die zu panzernde Schaufelspitze (13) aus einer Titanbasislegierung, die Zwischenschicht (15) aus Molybdän und die Schaufelspitzenpanzerung (14) aus einem Al2O3-TiO2-Kermaikwerkstoff gebildet ist.Turbomachine blade according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the blade ( 11 ) and thus the blade tip to be armored ( 13 ) of a titanium-based alloy, the intermediate layer ( 15 ) made of molybdenum and the blade tip armor ( 14 ) is formed of an Al 2 O 3 -TiO 2 -Kerkaikwerkstoff. Turbomaschinenschaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaufelblatt (11) und damit die zu panzernde Schaufelspitze (13) aus einer Nickelbasislegierung oder einer Eisenbasislegierung, die Zwischenschicht (15) aus Molybdän und die Schaufelspitzenpanzerung (14) aus einem ZrO2-Y2O3-Keramikwerkstoff gebildet ist.Turbomachine blade according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the blade ( 11 ) and thus the blade tip to be armored ( 13 ) made of a nickel-based alloy or an iron-based alloy, the intermediate layer ( 15 ) made of molybdenum and the blade tip armor ( 14 ) is formed of a ZrO 2 -Y 2 O 3 ceramic material. Verfahren zur Herstellung einer Schaufelspitzenpanzerung an Turbomaschinenschaufeln, insbesondere an Gasturbinenschaufeln, wobei auf eine Schaufelspitze (13) eines Schaufelblatts (11) eine Schaufelspitzenpanzerung (14) aus einem keramischen Belag aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Schaufelspitze zuerst durch Laser-Pulver-Auftragschweißen eine haftvermittelnde Zwischenschicht (15) aus Molybdän aufgebracht wird, und dass anschließend auf die haftvermittelnde Zwischenschicht aus Molybdän die Schaufelspitzenpanzerung (14) aus dem keramischen Belag ebenfalls durch Laser-Pulver-Auftragschweißen aufgebracht wird.Method for producing a blade tip armor on turbomachinery blades, in particular on gas turbine blades, wherein a blade tip ( 13 ) of an airfoil ( 11 ) a blade tip armor ( 14 ) is applied from a ceramic covering, characterized in that on the blade tip first by laser powder build-up welding an adhesion-promoting intermediate layer ( 15 ) is applied from molybdenum, and that subsequently to the adhesion-promoting intermediate layer of molybdenum, the blade tip armor ( 14 ) is also applied from the ceramic coating by laser powder buildup welding. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine zu panzernde Schaufelspitze (13) aus einer Titanbasislegierung zuerst die Zwischenschicht (15) aus Molybdän und dann die Schaufelspitzenpanzerung aus einem Al2O3-TiO2-Kermaikwerkstoff aufgebracht wird.A method according to claim 6, characterized in that on a blade tip to be armored ( 13 ) from a titanium-based alloy first the intermediate layer ( 15 ) of molybdenum and then the blade tip armor of an Al 2 O 3 -TiO 2 -Kermaikwerkstoff is applied. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine zu panzernde Schaufelspitze (13) aus einer Nickelbasislegierung oder einer Eisenbasislegierung zuerst die Zwischenschicht (15) aus Molybdän und dann die Schaufelspitzenpanzerung (14) aus einem ZrO2-Y2O3-Kermaikwerkstoff aufgebracht wird.A method according to claim 6, characterized in that on a blade tip to be armored ( 13 ) of a nickel-based alloy or an iron-based alloy, first the intermediate layer ( 15 molybdenum and then the blade tip armor ( 14 ) is applied from a ZrO 2 -Y 2 O 3 -Kerkaikwerkstoff. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Laser-Pulver-Auftragschweißen jeweils unter Verwendung eines CO2-Lasers durchgeführt wird.Method according to one or more of claims 6 to 8, characterized in that the laser powder deposition welding is carried out in each case using a CO 2 laser. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für das Auftragen der Molybdän-Zwischenschicht (15) der Laser mit einer Laserstrahlintensität von 1·105 bis 3·105 W/cm3 und mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 1000 bis 1800 mm/min betrieben wird.Method according to one or more of claims 6 to 9, characterized in that for the application of the molybdenum intermediate layer ( 15 ) The laser is operated with a laser beam intensity of 1 × 10 5 to 3 × 10 5 W / cm 3 and at a feed rate of 1000 to 1800 mm / min. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für das Auftragen der Molybdän-Zwischenschicht (15) der Laser mit einer Laserstrahlintensität von 1,6·105 bis 2·105 W/cm3 und mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 1200 bis 1600 mm/min, vorzugsweise 1400 mm/min, betrieben wird.A method according to claim 10, characterized in that for the application of the molybdenum intermediate layer ( 15 ) the laser is operated with a laser beam intensity of 1.6 × 10 5 to 2 × 10 5 W / cm 3 and at a feed rate of 1200 to 1600 mm / min, preferably 1400 mm / min. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass für das Auftragen der Molybdän-Zwischenschicht (15) das Molybdän in einer Pulvermenge von 3 bis 6 g/min in Richtung auf den Laser gefördert wird.Method according to one or more of claims 6 to 11, characterized in that for the application of the molybdenum intermediate layer ( 15 ) The molybdenum is conveyed in a powder amount of 3 to 6 g / min in the direction of the laser. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für das Auftragen der Molybdän-Zwischenschicht (15) das Molybdän in einer Pulvermenge von 4 bis 5 g/min, vorzugsweise 4,5 g/min, in Richtung auf den Laser gefördert wird.A method according to claim 10, characterized in that for the application of the molybdenum intermediate layer ( 15 ) The molybdenum in a powder amount of 4 to 5 g / min, preferably 4.5 g / min, is conveyed in the direction of the laser. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass für das Auftragen der Molybdän-Zwischenschicht (15) das Molybdän unter Verwendung von Argon als Fördergas in Richtung auf den Laser gefördert wird.Method according to one or more of claims 6 to 13, characterized in that for the application of the molybdenum intermediate layer ( 15 ) The molybdenum is conveyed using argon as a conveying gas in the direction of the laser. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass für das Auftragen der Schaufelspitzenpanzerung (14) aus dem keramischen Belag der Laser mit einer Laserstrahlintensität von 2·104 bis 4·104 W/cm3 und mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 50 bis 400 mm/min betrieben wird.Method according to one or more of claims 6 to 14, characterized in that for the application of the blade tip armor ( 14 ) From the ceramic coating of the laser with a La serstrahlintensität 2 x 10 4 to 4 x 10 4 W / cm 3 and at a feed rate of 50 to 400 mm / min is operated. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass für das Auftragen der Schaufelspitzenpanzerung (14) aus dem keramischen Belag der Laser mit einer Laserstrahlintensität von 2,9·104 bis 3,2·104 W/cm3 und mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 100 bis 350 mm/min, betrieben wird.A method according to claim 15, characterized in that for the application of the blade tip armor ( 14 ) is operated from the ceramic coating of the laser with a laser beam intensity of 2.9 × 10 4 to 3.2 × 10 4 W / cm 3 and at a feed rate of 100 to 350 mm / min. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass für das Auftragen der Schaufelspitzenpanzerung (14) aus dem keramischen Belag das Keramikpulver in einer Pulvermenge von 2 bis 10 g/min in Richtung auf den Laser gefördert wird.Method according to one or more of claims 6 to 16, characterized in that for the application of the blade tip armor ( 14 ) is conveyed from the ceramic coating, the ceramic powder in a powder amount of 2 to 10 g / min in the direction of the laser. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass für das Auftragen der Schaufelspitzenpanzerung (14) aus dem keramischen Belag das Al2O3-TiO2-Keramikpulver in einer Pulvermenge von 3 bis 5 g/min oder das ZrO2-Y2O3-Keramikpulver in einer Pulvermenge von 3 bis 9 g/min in Richtung auf den Laser gefördert wird.A method according to claim 17, characterized in that for the application of the blade tip armor ( 14 ) from the ceramic coating, the Al 2 O 3 -TiO 2 ceramic powder in a powder amount of 3 to 5 g / min or the ZrO 2 -Y 2 O 3 ceramic powder in a powder amount of 3 to 9 g / min in the direction of Laser is promoted. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass für das Auftragen der Schaufelspitzenpanzerung (14) aus dem keramischen Belag das Keramikpulver unter Verwendung von Helium als Fördergas in Richtung auf den Laser gefördert wird.Method according to one or more of claims 6 to 18, characterized in that for the application of the blade tip armor ( 14 ) From the ceramic coating, the ceramic powder is conveyed using helium as a conveying gas in the direction of the laser.
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