DE102009043097A1

DE102009043097A1 - Blade for use in two-phase flows and method of making such a blade

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Publication number: DE102009043097A1
Application number: DE200910043097
Authority: DE
Inventors: Detlef Dr. Haje; Ulrich Maywald; Oliver Dr. Stier
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2011-03-31
Also published as: EP2480704B1; EP2480704A1; WO2011036045A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel 1 zur Verwendung in Zweiphasenströmungen mit wenigstens einer, an einem durch Erosion beanspruchten Bereich, ausgebildeten Beschichtung 4 zum Schutz vor Erosion. Die Beschichtung 4 ist dabei durch ein Kaltgasspritzverfahren auf den Grundkörper aufgebracht. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden einer solchen Laufschaufel 1.The invention relates to a blade 1 for use in two-phase flows with at least one coated erosion coating 4 for protection against erosion. The coating 4 is applied to the base body by a cold gas spraying process. Furthermore, the invention relates to a method for forming such a blade 1.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laufschaufel zur Verwendung in Zweiphasenströmungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Laufschaufel nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 26.The invention relates to a blade for use in two-phase flows according to the preamble of patent claim 1 and a method for producing such a blade according to the preamble of claim 26.

Laufschaufeln und insbesondere Laufschaufeln von Dampfturbinen sind einem hohen Verschleiß in Folge von Erosion, insbesondere Tropfenschlagerosion ausgesetzt. Der Grund hierfür ist, dass moderne Dampfturbinen den Dampf bis in den Unterdruckbereich bzw. bis in den Nassdampfbereich hinein entspannen. Durch Sicherstellung einer möglichst niedrigen unteren Prozesstemperatur kann ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden. Die Nassdämpfe am Ende der Expansion erreichen Werte von 10 bis 15%, teilweise auch darüber. Dabei wird Wasser aus dem Dampf ausgeschieden, welches in Form von kleinen Tröpfchen mit der Dampfströmung mitgerissen wird. Die mitgerissenen Wassertropfen schlagen dann mit hoher Relativgeschwindigkeit auf die sich mit hoher Umlaufgeschwindigkeit bewegenden Endstufenlaufschaufeln auf. Die Tropfen führen aufgrund der hohen kinetischen Energie selbst bei gehärteten Endstufenlaufschaufeln zu einem erhöhten Materialabtrag und zu einem vorzeitigen Verschleiß der Laufschaufeln. Um den Materialabtrag bzw. die vorzeitige Ermüdung der Laufschaufel in Grenzen zu halten, wenden die Turbinenhersteller verschiedene Maßnahmen an, so zum Beispiel:

– Härten der erosionsbeaufschlagten Eintrittskante der Laufschaufel;
– Abführen von anfallendem Kondensat aus den vorgelagerten Schaufelstufen,
– Absaugen des Kondensats von den vorgeschalteten Schaufelblättern,
– Beheizen der vorgeschalteten Schaufelblätter, um das Kondensat zu verdampfen.

Blades and in particular blades of steam turbines are exposed to high wear as a result of erosion, in particular drop impact erosion. The reason for this is that modern steam turbines relax the steam into the low pressure area or into the wet steam area. By ensuring the lowest possible process temperature, a high degree of efficiency can be achieved. The wet vapors at the end of the expansion reach values of 10 to 15%, sometimes even more. In this case, water is eliminated from the steam, which is entrained in the form of small droplets with the steam flow. The entrained water drops then strike the high-speed moving end-stage blades at a high relative speed. Due to the high kinetic energy, the droplets lead to increased material removal and premature wear of the blades, even with hardened end-stage blades. In order to limit the material removal or the premature fatigue of the blade, the turbine manufacturers apply various measures, for example:

- hardening the erosion-loaded leading edge of the blade;
Removal of accumulating condensate from the upstream blade stages,
Sucking off the condensate from the upstream airfoils,
- Heating the upstream blades to evaporate the condensate.

Die aufgeführten Maßnahmen sind jedoch mit zum Teil signifikanten Kostenerhöhungen verbunden und können in der Regel eine Erosion nicht vollständig verhindern. Laufschaufeln unterliegen bei Verwendung in Zweiphasenströmungen somit einem ständigen Verschleiß und müssen nach einer gewissen Betriebszeit ausgetauscht werden.However, the listed measures are associated with sometimes significant cost increases and can not completely prevent erosion in general. Blades are therefore subject to constant wear when used in two-phase flows and must be replaced after a certain period of operation.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik eine Laufschaufel zur Verwendung in Zweiphasenströmungen bereitzustellen, die einen verbesserten Schutz gegen Erosion bietet. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Laufschaufel bereitzustellen.The object of the present invention is to provide, starting from the prior art, a blade for use in two-phase flows, which offers improved protection against erosion. Furthermore, it is an object of the present invention to provide a method for producing such a blade.

Die Aufgabe wird hinsichtlich der Laufschaufel durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 26 gelöst.The object is achieved with regard to the blade by the features of independent claim 1. With regard to the method, the object is solved by the features of independent claim 26.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, welche einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments and developments of the invention, which are used individually or in combination with each other, are the subject of the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Laufschaufel zur Verwendung in Zweiphasenströmungen, mit wenigstens einer, an einem durch Erosion beanspruchten Bereich, ausgebildeten Beschichtung zum Schutz vor Erosion zeichnet sich dadurch aus, dass die Beschichtung durch ein Kaltgasspritzverfahren aufgebracht ist. Beim Kaltgasspritzen werden Partikel des Beschichtungsmaterials mittels eines schnell strömenden Gasstrahls (Trägergas) auf die zur beschichtenden (erosionsbeanspruchten) Bereiche der Laufschaufel aufgespritzt. Die Partikelgeschwindigkeit ist dabei so hoch, dass sich beim Aufprall der Partikel auf die Bauteiloberfläche kurzzeitig eine lokale Aufschmelzung einstellt (Kaltverschweißung). Die Partikelgeschwindigkeit kann dabei so eingestellt werden, dass mit der minimal technisch notwendigen Temperaturerhöhung eine stoffschlüssige Verbindung erreicht wird. Die stoffschlüssige Verbindung hat dabei weitgehend ähnliche Eigenschaften wie eine Auftragschweißung, ohne jedoch die schweißbedingten Nachteile eines hohen Wärmeeintrags zu besitzen. Die kaltgasgespritzte Beschichtung hat dabei den Vorteil, das sie bereits durch den Spritzprozess selbst gehärtet ist und vorteilhaft tendenziell kompressive Spannungen aufweist, welche eine Ausbreitung von Rissen bzw. das Herauslösen von Stücken aus der Schaufeloberfläche entgegen wirkt.The blade according to the invention for use in two-phase flows, with at least one erosion-stressed coating for protection against erosion, is characterized in that the coating is applied by a cold gas spraying process. In cold gas spraying, particles of the coating material are sprayed onto the regions of the blade that are to be coated (erosion-stressed) by means of a rapidly flowing gas jet (carrier gas). The particle velocity is so high that a short-term local melting occurs when the particles impact the component surface (cold welding). The particle velocity can be adjusted so that a cohesive connection is achieved with the technically necessary minimum temperature increase. The cohesive connection has largely similar properties as an overlay welding, but without the sweat-related disadvantages of high heat input. The cold-gas-sprayed coating has the advantage that it is already hardened by the injection process itself and advantageously has compressive stresses which counteract the propagation of cracks or the detachment of pieces from the blade surface.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Beschichtung und/oder weitere Bereiche der Laufschaufel druckverfestigt sind. Durch die Druckverfestigung beispielsweise durch Kugelstrahlen werden die gespritzte Schicht bzw. die übrigen Bereiche der Laufschaufel einer weiteren Druckverfestigung unterzogen, wodurch die gespritzte Beschichtung bzw. die weiteren Bereiche der Laufschaufel weiter gehärtet werden und dadurch einen größeren Widerstand gegenüber Erosion bieten.An advantageous embodiment of the invention provides that the coating and / or other areas of the blade are pressure-consolidated. As a result of pressure hardening, for example by shot peening, the sprayed layer or the remaining regions of the blade are subjected to further pressure consolidation, as a result of which the sprayed coating or the further regions of the blade are further hardened and thus offer greater resistance to erosion.

Erfindungsgemäß werden als Beschichtungsmaterial für die durch Kaltgasspritzen aufgebrachte Beschichtung die nachfolgenden besonders bevorzugten Beschichtungsmaterialien verwendet.According to the invention, the following particularly preferred coating materials are used as coating material for the coating applied by cold gas spraying.

Besonders bevorzugt ist eine Beschichtung mit einer Kobalt-Basis-Legierung mit Chrom oder Nickel als zweiten Hauptbestandteil und den folgenden Legierungsbestandteilen:

– Co 30–65 Massen%
– Cr 18–33 Massen%
– Ni 0–27 Massen%
– W 0–19 Massen%
– Mo 0–18 Massen%
– Fe 0–18 Massen%
– Nb 0–5 Massen%
– V 0–5 Massen%
– Si 0–3,5 Massen%
– C 0,06–3,3 Massen%
– B 0–3 Massen%
– Mn 0–1,5 Massen%
– Cu 0–1 Massen%.

Particularly preferred is a coating with a cobalt-based alloy with chromium or nickel as the second main constituent and the following alloy constituents:

- Co 30-65 mass%
- Cr 18-33% by mass
Ni 0-27 mass%
- W 0-19 mass%
- Mo 0-18 mass%
Fe 0-18 mass%
- Nb 0-5 mass%
- V 0-5 mass%
Si 0-3.5 mass%
C 0.06-3.3 mass%
- B 0-3 mass%
Mn 0-1.5 mass%
- Cu 0-1 mass%.

Eine weitere besonders vorteilhafte Beschichtung besteht aus einer Kobalt-Basis-Legierung mit Molybdän als zweitem Hauptbestandteil und den folgenden Legierungsbestandteilen:

– Co 37–60 Massen%
– Mo 22–29 Massen%
– Cr 8–18 Massen%
– Ni 0–16 Massen%
– Si 1–4 Massen%
– Fe 0–3 Massen%
– C 0–0,2 Massen%.

Another particularly advantageous coating consists of a cobalt-based alloy with molybdenum as the second main constituent and the following alloy constituents:

- Co 37-60 mass%
- Mo 22-29 mass%
Cr 8-18 mass%
Ni 0-16 mass%
- Si 1-4 mass%
Fe 0-3% by mass
- C 0-0.2 mass%.

Eine weitere vorteilhafte Beschichtung besteht aus einer Eisen-Legierung mit Mangan als zweitem Hauptbestandteil und den folgenden Legierungsbestandteilen:

– Fe 55–70 Massen%
– Mn 19–26 Massen%
– Cr 7–10 Massen%
– Si 5–7 Massen%
– Cu 0–2 Massen%
– C 0,01–0,06 Massen%.

Another advantageous coating consists of an iron alloy with manganese as the second main constituent and the following alloy components:

Fe 55-70% by mass
- Mn 19-26 mass%
Cr 7-10% by mass
- Si 5-7 mass%
- Cu 0-2 mass%
C 0.01-0.06 mass%.

Eine weitere vorteilhafte Beschichtung ist eine Eisen-Legierung mit Chrom als zweitem Hauptbestandteil und folgenden Legierungsbestandteilen:

– Fe 46–83 Massen%
– Cr 16–26 Massen%
– Mn 0–15 Massen%
– Ni 0–12 Massen%
– Co 0–10 Massen%
– Si 0–5,5 Massen%
– Mo 0–3 Massen%
– Cu 0–3 Massen%
– C 0,1–1,8 Massen%
– B 0–0,3 Massen%
– N 0–0,3 Massen%.

Another advantageous coating is an iron alloy with chromium as the second main constituent and the following alloy components:

- Fe 46-83 mass%
- Cr 16-26 mass%
- Mn 0-15 mass%
Ni 0-12 mass%
Co 0-10% by mass
Si 0-5.5 mass%
- Mo 0-3 mass%
- Cu 0-3 mass%
C 0.1-1.8 mass%
B 0-0.3 mass%
- N 0-0.3 mass%.

Eine weitere besonders vorteilhafte Beschichtung besteht aus einer Eisen-Legierung mit Nickel als zweitem Hauptbestandteil und den folgenden Legierungsbestandteilen:

– Fe 64–67 Massen%
– Ni 17–18 Massen%
– Co 10–12 Massen%
– Mo 4–5 Massen%
– Ti 0,5–2 Massen%
– C 0–0,03 Massen%.

Another particularly advantageous coating consists of an iron alloy with nickel as the second main constituent and the following alloy constituents:

Fe 64-67% by mass
Ni 17-18 mass%
- Co 10-12 mass%
- Mo 4-5 mass%
Ti 0.5-2 mass%
- C 0-0.03 mass%.

Eine weitere vorteilhafte Beschichtung besteht aus einer Nickel-Basis-Legierung mit Chrom als zweitem Hauptbestandteil und folgenden Legierungsbestandteilen:

– Ni 55–80 Massen%
– Cr 7–23 Massen%
– Co 0–12 Massen%
– Mo 0–18 Massen%
– Si 0–10 Massen%
– B + Si 0–8 Massen%
– Fe 0–8 Massen%
– B 0–6 Massen%
– Nb + Ta 0–5 Massen%
– Cu 0–2 Massen%
– C 0–0,8 Massen%
– Mn 0–0,5 Massen%
– Ti 0–0,5 Massen%
– Al 0–0,5 Massen%.

A further advantageous coating consists of a nickel-base alloy with chromium as the second main constituent and the following constituents of the alloy:

Ni 55-80 mass%
- Cr 7-23 mass%
Co 0-12 mass%
- Mo 0-18 mass%
Si 0-10 mass%
B + Si 0-8 mass%
Fe 0-8 mass%
- B 0-6 mass%
- Nb + Ta 0-5 mass%
- Cu 0-2 mass%
C 0-0.8 mass%
Mn 0-0.5 mass%
Ti 0-0.5 mass%
Al 0-0.5 mass%.

Eine weitere besonders bevorzugte Beschichtung besteht aus einer Nickel-Basis-Legierung der oben genannten Art und Hartstoffpartikeln mit einem Massenanteil von 15 bis 93%.Another particularly preferred coating consists of a nickel-base alloy of the type mentioned above and hard material particles with a mass fraction of 15 to 93%.

Besonders vorteilhaft sind dabei Hartstoffpartikel aus Wolframkarbid und/oder Chromkarbid und/oder Titankarbid.Hard material particles of tungsten carbide and / or chromium carbide and / or titanium carbide are particularly advantageous.

Eine weitere besonders bevorzugte Beschichtung ist eine NiCrBSi-Legierung mit den folgenden Legierungsbestandteilen:

– Ni 45–86 Massen%
– Co 0–27 Massen%
– Cr 9–25 Massen%
– Fe 0–14 Massen%
– B 1,5–5 Massen%
– Si 1–5 Massen%
– Mo 0–3 Massen%
– Cu 0–3 Massen%
– W 0–3 Massen%
– La₂O₃ 0–1 Massen%
– C 0–1 Massen%
– Al 0–1 Massen%.

Another particularly preferred coating is a NiCrBSi alloy with the following alloy constituents:

Ni 45-86 mass%
- Co 0-27 mass%
Cr 9-25% by mass
Fe 0-14 mass%
B 1.5-5 mass%
- Si 1-5 mass%
- Mo 0-3 mass%
- Cu 0-3 mass%
- W 0-3 mass%
- La ₂ O ₃ 0-1 mass%
- C 0-1 mass%
Al 0-1 mass%.

Eine weitere besonders bevorzugte Beschichtung besteht aus einer NiCrBSi-Legierung der oben genannten Art und Hartstoffpartikeln mit einem Massenanteil von 20 bis 60%.Another particularly preferred coating consists of a NiCrBSi alloy of the type mentioned above and hard material particles with a mass fraction of 20 to 60%.

Besonders vorteilhaft sind Hartstoffpartikel aus Wolframkarbid und/oder Chromkarbid und/oder Titankarbid.Hard material particles of tungsten carbide and / or chromium carbide and / or titanium carbide are particularly advantageous.

Eine weitere bevorzugte Beschichtung ist eine Nickel-Basis-Legierung mit Molybdän als zweitem Hauptbestandteil und folgenden Legierungsbestandteile:

– Ni 43–47 Massen%
– Mo 26–33 Massen%
– Cr 15–26 Massen%
– Si 1–4 Massen%
– Fe 0–3 Massen%
– Co 0–2 Massen%
– C 0–0,1 Massen%.

Another preferred coating is a nickel-base alloy with molybdenum as the second major constituent and the following alloy constituents:

Ni 43-47% by mass
- Mo 26-33 mass%
- Cr 15-26 mass%
- Si 1-4 mass%
Fe 0-3% by mass
- Co 0-2% by mass
- C 0-0.1 mass%.

Eine weitere bevorzugte Beschichtung besteht aus einer Nickel-Phosphor-Legierung mit:

– Ni 89–91 Massen% und
– P 9–11 Massen%.

Another preferred coating consists of a nickel-phosphorus alloy with:

- Ni 89-91 mass% and
- P 9-11 mass%.

Eine weitere bevorzugte Beschichtung besteht aus einer Wolfram-Legierung mit folgenden Legierungsbestandteilen:

– W 90–97 Massen%
– Ni 0–9 Massen%
– Cu 0–9 Massen%
– Fe 0–4 Massen%.

Another preferred coating consists of a tungsten alloy with the following alloy constituents:

- W 90-97% by mass
Ni 0-9 mass%
- Cu 0-9 mass%
Fe 0-4 mass%.

Eine weitere bevorzugte Beschichtung besteht aus Wolfram oder Tantal.Another preferred coating is tungsten or tantalum.

Eine weitere bevorzugte Beschichtung besteht aus NiAl-Ni₃Al-Intermetallkompositen.Another preferred coating consists of NiAl-Ni ₃ Al intermetallic composites.

Besonders bevorzugt weist die Beschichtung dabei als weitere Bestandteile TiC oder Cr₂C₃ oder WC Hartstoffpartikel auf.Particularly preferably, the coating has as further constituents TiC or Cr ₂ C ₃ or WC hard material particles.

Eine weitere bevorzugte Beschichtung ist eine korrosionsbeständige Hartmetallbeschichtung mit folgenden Legierungsbestandteilen:

– Ni mit 80–93 Massen% Cr₂C₃ Hartstoffpartikeln;
– CoCr oder FeCo oder FeNi oder NiCr oder Ni mit 80–93 Massen% WC Hartstoffpartikeln;
– Fe-C mit 50–80 Massen% WC Hartstoffpartikeln;
– NiCrCo oder NiMo mit TiC oder Mo₂C Hartstoffpartikel;
– CoCr oder NiCr mit MoB Hartstoffpartikeln.

Another preferred coating is a corrosion-resistant cemented carbide coating with the following alloy constituents:

Ni with 80-93 mass% Cr ₂ C ₃ hard material particles;
CoCr or FeCo or FeNi or NiCr or Ni with 80-93% by mass of WC hard material particles;
- Fe-C with 50-80% by mass of WC hard material particles;
- NiCrCo or NiMo with TiC or Mo ₂ C hard particles;
- CoCr or NiCr with MoB hard particles.

Besonders bevorzugt sind Hartstoffpartikel aus Titannitrid, Titansiliziumkarbonnitrid und Diamant geeignet.Particular preference is given to hard material particles of titanium nitride, titanium silicon carbonitride and diamond.

Eine weitere besonders bevorzugte Beschichtung besteht aus einer Aluminium-Bronze-Legierung mit:

– Cu 90 Massen%
– Al 9–10 Massen%
– Fe 0–1 Massen%

Another particularly preferred coating consists of an aluminum-bronze alloy with:

- Cu 90 mass%
Al 9-10% by mass
Fe 0-1 mass%

Alle oben genannten Beschichtungsmaterialien weisen eine besonders hohe Beständigkeit gegen Erosion und insbesondere gegen Tropfenschlagerosion auf. Neben diesen Werkstoffen sind selbstverständlich auch andere Werkstoffe mit hoher Beständigkeit gegen Tropfenschlagerosion geeignet. Die Materialauswahl ist somit nicht auf die genannten Beschichtungsmaterialien beschränkt. Eine abschließende Auswahl des Beschichtungsmaterials ist darüber hinaus schwierig, da keine direkte Korrelation zwischen der Erosionsbeständigkeit und den mechanischen Eigenschaften eines Beschichtungsmaterials beobachtet werden kann. Härte ist innerhalb gewisser Grenzen zwar vorteilhaft, jedoch nur bei gleichzeitig hoher Bruchfestigkeit. Vorteilhaft ist grundsätzlich auch eine hohe Dichte des Materials. Die Korrelation der Tropfenschlag-Erosionsbeständigkeit zur Reib- und Abrasionsbeständigkeit ist im Allgemeinen schwächer ausgeprägt als die zur Kavitationsbeständigkeit. Die Oberflächenaktivierung durch Feuchtigkeit oder Nässe (Rehbinder-Effekt) spielt hierbei eine Rolle.All the above-mentioned coating materials have a particularly high resistance to erosion and in particular to drop impact erosion. In addition to these materials, of course, other materials with high resistance to drop impact erosion are suitable. The selection of materials is thus not limited to the aforementioned coating materials. In addition, a final selection of the coating material is difficult because no direct correlation can be observed between the erosion resistance and the mechanical properties of a coating material. Hardness is advantageous within certain limits, but only with high breaking strength. In principle, a high density of the material is also advantageous. The correlation of drop impact erosion resistance to friction and abrasion resistance is generally less pronounced than that for cavitation resistance. The surface activation by moisture or moisture (Rehbinder effect) plays a role here.

Die Tropfenschlagerosion basiert auf dem destruktiven Ineinandergreifen eines mechanischen und eines chemischen Zerstörungsmechanismus. Dabei spielt die abwechselnde Entstehung nichtmetallischer Korrosionsprodukte und deren mechanisches Entfernen eine große Rolle. Viele Stoffe werden durch Erosion bzw. Tropfenschlag zunächst kalt gehärtet und später spröde, so dass sie beim Auftreten chemischer Korrosion stückweise zum Abplatzen gebracht werden können. Daher müssen die Beschichtungen, welche eine hohe Beständigkeit gegen Erosion bilden sollen, nicht nur möglichst lange duktil und bruchfest bleiben, sondern auch eine hohe Beständigkeit gegen chemische Korrosion bei Nässe und erhöhten Temperaturen aufweisen. Die oben genannten Materialien bieten allesamt diese Eigenschaft und eignen sich daher besonders vorteilhaft als Beschichtungsmaterial.Drop impact erosion is based on the destructive interlocking of a mechanical and a chemical destruction mechanism. The alternating formation of non-metallic corrosion products and their mechanical removal play a major role here. Many substances are first cold-hardened by erosion or droplet impact and later become brittle so that they can be chipped off piece by piece when chemical corrosion occurs. Therefore, the coatings, which are to form a high resistance to erosion, not only remain as long as possible ductile and unbreakable, but also have a high resistance to chemical corrosion in wet and elevated temperatures. The above-mentioned materials all offer this property and are therefore particularly advantageous as a coating material.

Eine neben den oben genannten Beschichtungen weitere bevorzugte Beschichtung der Laufschaufel besteht aus einer Formgedächtnislegierung. Formgedächtnislegierungen haben unter anderem den Vorteil, dass sie große elastische Dehnungen ermöglichen. Hierdurch ergibt sich eine höhere Beanspruchbarkeit der Beschichtung gegenüber anderen Beschichtungen. Eine besonders bevorzugte Formgedächtnislegierung ist eine NiTi-Formgedächtnislegierung. Hierbei handelt es sich um eine superelastische Formgedächtnislegierung, die eine elastische Dehnung bis zu 14% ermöglicht und dabei außerordentlich korrosionsbeständig ist. Sie ist darüber hinaus, wie auch einige der oben genannten Legierungen, in der Lage, Verformungsenergie zunächst durch Phasenumwandlung zu absorbieren und zeitlich verzögert als Wärme wieder abzugeben. Wegen dieser Eigenschaften besitzt sie eine besonders hohe Beständigkeit gegen Erosion. Anstelle von superelastischen Formgedächtnislegierungen, die auch als „pseudoelastisch” bezeichnet werden, sind auch sog. superplastische Legierungen, mit oder ohne Formgedächniseffekt, verwendbar. Hier ergibt sich ein hoher Erosionswiderstand durch die besondere mechanisch-chemische Beständigkeit der Werkstoffe.A further preferred coating of the blade in addition to the abovementioned coatings consists of a shape memory alloy. One of the advantages of shape memory alloys is that they allow large elastic strains. This results in a higher resistance of the coating over other coatings. A particularly preferred shape memory alloy is a NiTi shape memory alloy. This is a super-elastic shape memory alloy that provides elastic elongation of up to 14% while being extremely corrosion-resistant. It is also capable, like some of the alloys mentioned above, of absorbing deformation energy initially by phase transformation and retarding it as heat with a time delay. Because of these properties, it has a particularly high resistance to erosion. Instead of superelastic shape memory alloys, which are also referred to as "pseudoelastic", it is also possible to use so-called superplastic alloys, with or without a shape memory effect. This results in a high erosion resistance due to the special mechanical-chemical resistance of the materials.

Das Spritzverfahren eignet sich insbesondere auch zum Aufbringen von Formgedächtnislegierungen, da diese nach dem Auftragen nur sehr schwer spanend bearbeitet werden können. Durch das Kaltgasspritzen kann die Beschichtung bereits so endformnah erfolgen, dass ein Nachbearbeiten nicht mehr erforderlich ist. The spray method is particularly suitable for applying shape memory alloys, since these can be machined only very difficult after application. By cold gas spraying, the coating can already be so close to the final shape that reworking is no longer necessary.

Erfindungsgemäß kann die Beschichtung aus mehreren der zuvor beschriebenen Beschichtungsmaterialien bestehen.According to the invention, the coating can consist of several of the coating materials described above.

Das Verfahren zum Ausbilden einer Laufschaufel mit einer der zuvor genannten Beschichtungen zeichnet sich durch die folgenden Verfahrensschritte aus:

– Herstellen einer Turbinenschaufel;
– Beschichten wenigstens der erosionsgefährdeten Bereiche mit einer Erosionsschutzschicht mittels Kaltgasspritzen.

The method for forming a blade with one of the aforementioned coatings is characterized by the following method steps:

- Producing a turbine blade;
Coating of at least the erosion-prone areas with an erosion protection layer by means of cold gas spraying.

Das Verfahren zeichnet sich besonders durch seine wenigen und einfachen Verfahrensschritte aus.The process is characterized in particular by its few and simple process steps.

Ein besonders bevorzugtes Verfahren zum Ausbilden einer Laufschaufel zeichnet sich dadurch aus, dass die Bereiche der Laufschaufel, die mit einer Erosionsschutzschicht beschichtet werden, vor dem Beschichten entsprechend der späteren Schichtdicke ausgenommen werden. Aufgrund der großen Härte/Verschleißbeständigkeit ist eine nachträgliche Bearbeitung der Beschichtung sehr aufwendig. Im Wesentlichen kommen hierzu nur Schleifbearbeitungen mit Hilfe von keramischen Schneidstoffen in Frage. Durch das Ausnehmen der zu beschichtenden Bereiche in der entsprechenden Tiefe kann die Vertiefung mit der Beschichtung aufgefüllt und so eine endformnahe Beschichtung erreicht werden. Hierdurch wird das Nachbearbeiten auf ein Mindestmass beschränkt.A particularly preferred method of forming a blade is characterized in that the portions of the blade which are coated with an erosion control layer are excluded prior to coating according to the later layer thickness. Due to the high hardness / wear resistance subsequent processing of the coating is very expensive. Essentially, only grinding operations with the aid of ceramic cutting materials come into question. By excluding the areas to be coated in the appropriate depth, the recess can be filled with the coating and thus a near net shape coating can be achieved. This restricts post-processing to a minimum.

Zur Begrenzung des Beschichtungsbereiches kann die Laufschaufel an den nicht zu beschichtenden Stellen vorzugsweise mit einer Schutzeinrichtung oder einer Maske bedeckt werden.To limit the coating area, the blade can preferably be covered with a protective device or a mask at the locations not to be coated.

Zur Fixierung und Positionierung der Schaufel werden vorteilhafter Weise Fixierungen vorgesehen, die eine reproduzierbare Lage und eine sichere Halterung der Schaufel gewährleisten. Für die Endstufenlaufschaufel von Dampfturbinen hat sich dabei eine Halterung am Schaufelfuß, am Schaufelblatt (bevorzugt) oder an der Schaufelspitze bewährt. Die Halterung kann auch an später zu entfernenden Abschnitten der Schaufel erfolgen.For fixing and positioning of the blade fixings are advantageously provided, which ensure a reproducible position and secure support of the blade. For the output stage blade of steam turbines, a holder on the blade root, on the blade leaf (preferred) or on the blade tip has proven to be useful. The bracket can also be done on later to be removed portions of the blade.

Vorteilhaft wird die Beschichtung mit einem fließenden Übergang zum Grundmaterial der Laufschaufel ausgeführt. Hierdurch werden zusätzliche Nachbearbeitungsschritte, insbesondere ein Nachbehandeln der Kanten, auf ein Minimum reduziert.Advantageously, the coating is made with a smooth transition to the base material of the blade. As a result, additional post-processing steps, in particular post-treatment of the edges, are reduced to a minimum.

Ein weiteres vorteilhaftes Verfahren zum Ausbilden einer Laufschaufel sieht vor, dass die Erosionsschutzschicht lagenweise mit einer Schichtdicke von 0,01 bis 0,25 mm pro Sprayvorgang oder Lage aufgebracht wird. Hierbei ergibt sich eine gute Verbindung zwischen dem Beschichtungsmaterial und dem Grundmaterial bzw. zwischen den einzelnen Schichten.Another advantageous method for forming a blade provides that the erosion control layer is applied in layers with a layer thickness of 0.01 to 0.25 mm per spray process or layer. This results in a good connection between the coating material and the base material or between the individual layers.

Ein weiteres bevorzugtes Verfahren zum Ausbilden einer Leitschaufel verwendet als Trägergas für das Kaltgasspritzen Stickstoff. Stickstoff eignet sich ähnlich gut wie Helium als Trägergas für das Kaltgasspritzen, allerdings sind die Prozesskosten bei der Verwendung von Stickstoff um ein Vielfaches niedriger.Another preferred method of forming a vane uses nitrogen gas as the carrier gas for cold gas spraying. Nitrogen is just as good as helium as a carrier gas for cold gas spraying, but the process costs for using nitrogen are many times lower.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, Laufschaufeln zur Verwendung in Zweiphasenströmungen zumindest bereichsweise mit einer Beschichtung zum Schutz vor Erosion zu versehen, wobei die Beschichtung durch ein Kaltgasspritzverfahren aufgebracht ist. Das Beschichten durch Kaltgasspritzen bietet den Vorteil, dass der Wärmeeintrag minimal ist und so Einflüsse aufgrund eines zu hohen Wärmeeintrags in die Laufschaufel vermieden werden. Das Kaltgasspritzverfahren ermöglicht es zudem, endformnahe Beschichtungen auf die Laufschaufel aufzubringen, was sich vor allem bei sehr schwierig nachzubearbeitenden Beschichtungsmaterialien vorteilhaft auswirkt.The basic idea of the invention is to provide blades for use in two-phase flows at least in regions with a coating for protection against erosion, wherein the coating is applied by a cold gas spraying process. The coating by cold gas spraying has the advantage that the heat input is minimal and so influences due to excessive heat input into the blade are avoided. The cold gas spraying process also makes it possible to apply near net shape coatings on the blade, which has an advantageous effect especially in very difficult to be reworked coating materials.

Da sich das vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren für die Neuanfertigung und die Erneuerung einer verschlissenen Schutzschicht durch Kaltgasspritzen nur marginal voneinander unterscheiden, kann das Verfahren auch bei der Erneuerung der Beschichtung eingesetzt werden. Die Laufschaufel kann dabei problemlos mehrfach beschichtet und wieder verwendet werden. Dies verbessert auch die Ökobilanz der Schaufel gegenüber den herkömmlichen Auftragungsverfahren, welche nicht so oft an ein und demselben Teil wiederholbar sind.Since the presented inventive method for the new production and the renewal of a worn protective layer by cold gas spraying differ only marginally from each other, the method can also be used in the renewal of the coating. The blade can easily be coated and reused several times. This also improves the life cycle assessment of the blade over conventional application methods, which are not as repeatable on one and the same part.

Zudem haben kaltgasgespritzte Schichten den Vorteil, dass beim Spritzen keine Phasenumwandlung im Spritzgut oder Dekarburisation auftreten, und dass nanostrukturierte Pulver auch zu nanostrukturierten Schichten führen.In addition, cold-gas sprayed coatings have the advantage that no phase transformation in the sprayed material or decarburization occurs during spraying and that nanostructured powders also lead to nanostructured coatings.

Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt schematisch:Exemplary embodiments and further advantages of the invention are explained below with reference to the drawings. It shows schematically:

1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Laufschaufel; 1 a side view of a blade according to the invention;

2 eine Schnittansicht der in 1 dargestellten Laufschaufel entlang der Schnittlinie A-A; 2 a sectional view of in 1 shown blade along the section line AA;

3 eine Draufsicht auf die in 1 dargestellte Laufschaufel aus Richtung x; 3 a top view of the in 1 illustrated blade from direction x;

4 eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Beschichtung, bestehend aus mehreren einzelnen übereinander angeordneten Schichten; 4 a sectional view through a coating according to the invention, consisting of a plurality of individual superimposed layers;

5 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer ersten Schicht einer erfindungsgemäßen Beschichtung; 5 a plan view of a first embodiment of a first layer of a coating according to the invention;

6 eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel einer ersten Schicht einer erfindungsgemäßen Beschichtung; 6 a plan view of a second embodiment of a first layer of a coating according to the invention;

7 eine Draufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel einer ersten Schicht einer erfindungsgemäßen Beschichtung; 7 a plan view of a third embodiment of a first layer of a coating according to the invention;

8 eine Schnittansicht einer durch einen Spray-Bahnerzeugenden Auftrag gebildeten Beschichtung. 8th a sectional view of a coating formed by a spray Bahner forming order.

Gleiche bzw. funktionsgleiche Teile sind figurübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Same or functionally identical parts are cross-figured with the same reference numerals.

1 zeigt eine Laufschaufel insbesondere zur Verwendung in einer Dampfturbine. Die Laufschaufel 1 umfasst wenigstens einen Fußabschnitt 2 und einem Blattabschnitt 3. 1 shows a blade, in particular for use in a steam turbine. The blade 1 includes at least one foot section 2 and a leaf section 3 ,

Bei Verwendung der Laufschaufel 1 in der Endstufe einer Dampfturbine treffen aus der Dampfströmung auskondensierende Flüssigkeitstropfen mit hoher Geschwindigkeit auf den Blattabschnitt 3 der Laufschaufel 1 und führen dabei infolge von Tropfenschlagerosion zum Materialabtrag und nachfolgend zu einer Zerstörung der Laufschaufel 1. Die höchste Erosionsbeanspruchung tritt dabei an der Laufschaufelspitze auf, da hier die Umfangsgeschwindigkeit der Laufschaufel 1 am höchsten ist. Um einen Materialabtrag und damit eine Zerstörung der Laufschaufel 1 vorzubeugen, weist die Laufschaufel 1 im Bereich der Schaufelspitze an ihrer Eintrittskante 5 eine Beschichtung 4 zum Schutz vor Erosion auf. Die Beschichtung 4 ist durch ein Kaltgasspritzverfahren aufgebracht. Als Beschichtungsmaterial eignen sich besonders vorteilhaft die in der Beschreibungseinleitung genannten und in den Patentansprüchen beanspruchten Materialien.When using the blade 1 In the final stage of a steam turbine, liquid droplets condensing out of the steam flow hit the blade section at high speed 3 the blade 1 and lead due to drop impact erosion for material removal and subsequent destruction of the blade 1 , The highest erosion stress occurs at the blade tip, because here the peripheral speed of the blade 1 is highest. To a material removal and thus a destruction of the blade 1 to prevent, points the blade 1 in the area of the blade tip at its leading edge 5 a coating 4 for protection against erosion. The coating 4 is applied by a cold gas spraying process. Suitable coating materials are particularly advantageously the materials mentioned in the introduction to the description and claimed in the patent claims.

2 zeigt einen Schnitt der in 1 dargestellten Laufschaufel 1, entlang der Linie A-A. Die Beschichtung 4 ist im oberen Teil der Laufschaufel 1 im Bereich der Eintrittskante 5 aufgebracht und umschließt diese vollständig. Durch das Aufbringen der Beschichtung mittels Kaltgasspritzen wird eine wirkungsvolle Erosionsschutzschicht an der Eintrittskante 5 ausgebildet, die eine Zerstörung der Laufschaufel 1 durch Tropfenschlagerosion wirkungsvoll verhindert. 2 shows a section of in 1 illustrated blade 1 , along the line AA. The coating 4 is in the upper part of the blade 1 in the area of the leading edge 5 applied and encloses them completely. By applying the coating by means of cold gas spraying is an effective erosion protection layer at the leading edge 5 formed, which is a destruction of the blade 1 effectively prevented by drop impact erosion.

Die Laufschaufel 3 ist vor dem Aufspritzen der Beschichtung 4 mittels Kaltgasspritzen im Bereich der späteren Beschichtung ausgenommen. Die Tiefe der Ausnehmung entspricht dabei der späteren Schichtdicke, so dass sich ein fließender Übergang von der Beschichtung 4 zum Grundmaterial der Laufschaufel ergibt. Durch das Ausnehmen der später zu beschichtenden Bereiche kann somit eine endformnahe Beschichtung mittels des Kaltgasspritzens erfolgen. Durch die endformnahe Auftragung der Schicht wird ein nachträgliches Bearbeiten der Erosionsschutzschicht weitgehend vermieden. Das Bearbeiten der Beschichtung 4 ist aufgrund der großen Härte der Beschichtung 4 äußerst schwierig und zeitintensiv. Durch das endformnahe Aufbringen der Beschichtung wird die Bearbeitungszeit somit deutlich reduziert.The blade 3 is before spraying the coating 4 excluded by cold gas spraying in the area of the later coating. The depth of the recess corresponds to the later layer thickness, so that a smooth transition from the coating 4 to the base material of the blade results. By excluding the areas to be coated later, a coating close to the final form can thus be produced by means of cold gas spraying. Due to the close-to-final application of the layer, subsequent processing of the erosion protection layer is largely avoided. Editing the coating 4 is due to the high hardness of the coating 4 extremely difficult and time consuming. Due to the near-net shape application of the coating, the processing time is thus significantly reduced.

Die endformnahe Beschichtung 4 der Laufschaufel 1 wird insbesondere mittels einer mechanisierten Führung einer Beschichtungseinrichtung oder des Bauteils erreicht. Durch die mechanisierte Führung lässt sich die Beschichtung 4 besonders exakt und reproduzierbar auf die Laufschaufel 1 aufbringen.The near net shape coating 4 the blade 1 is achieved in particular by means of a mechanized guidance of a coating device or the component. Through the mechanized guidance, the coating can be 4 particularly accurate and reproducible on the blade 1 muster.

3 zeigt die in 1 dargestellte Laufschaufel 1 aus der Blickrichtung X. Aus dieser Ansicht lässt sich die dreidimensionale Form der Laufschaufel 1 erkennen. Die Beschichtung 4 lässt sich durch das Kaltgasspritzverfahren exakt dieser dreidimensionalen Form anpassen. Das Aufspritzen der Beschichtung 4 entlang der Eintrittskante 5 erfolgt dabei vorzugsweise mittels einer mechanisierten Führung. Die Beschichtung ist nur entlang der stark belasteten Eintrittskante 5 der Laufschaufel 1 ausgebildet. Eine Beschichtung der weniger erosionsbelasteten Austrittskante 6 ist nicht erforderlich. Die sich in der Dampfströmung befindlichen Flüssigkeitstropfen treffen im Wesentlichen nur auf die Eintrittskante 5 der Laufschaufeln 1 und sorgen daher in diesem Bereich für die stärkste Belastung und Schädigung der Laufschaufeln 1. 3 shows the in 1 illustrated blade 1 from the viewing direction X. From this view, the three-dimensional shape of the blade 1 detect. The coating 4 can be adapted exactly to this three-dimensional shape by the cold gas spraying process. The spraying of the coating 4 along the leading edge 5 takes place preferably by means of a mechanized guide. The coating is only along the heavily loaded leading edge 5 the blade 1 educated. A coating of the less erosion-loaded trailing edge 6 not necessary. The liquid droplets located in the steam flow essentially meet only the leading edge 5 the blades 1 and therefore provide the heaviest load and damage to the blades in this area 1 ,

4 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Beschichtung 4, welche mittels Kaltgasspritzen aufgebracht ist. Die Beschichtung 4 besteht aus mehreren dünnen übereinander angeordneten Schichten 4', 4'', 4'''. Jede Schicht 4', 4'', 4''' hat eine Schichtdicke von etwa 0,01 bis 0,25 mm. Die einzelnen Schichten 4', 4'', 4''' werden nacheinander aufgebracht. Der zu beschichtende Bereich ist vor der Beschichtung ausgenommen. Die Tiefe der Ausnehmung richtet sich nach der Gesamtschichtdicke der Beschichtung 4. Die Beschichtung soll so erfolgen, dass die Ausnehmung vollständig mit dem Beschichtungsmaterial gefüllt ist, aber möglichst kein großer Überstand entsteht, welcher dann in einem aufwendigen Arbeitsgang wieder abgetragen werden müsste. Das Auftragen soll daher möglichst endformnah erfolgen, dass heißt, dass die Beschichtung 4 weitgehend mit der Laufschaufeloberfläche 7 eine C1-stetige, d. h. kantenfreie Fläche bildet. Zwischen der Beschichtung 4 und der Laufschaufeloberfläche 7 ergibt sich dadurch ein fließender Übergang, welcher eine Nachbehandlung weitgehend überflüssig macht. 4 shows a sectional view through a coating according to the invention 4 , which is applied by cold gas spraying. The coating 4 consists of several thin layers arranged one above the other 4 ' . 4 '' . 4 ''' , every layer 4 ' . 4 '' . 4 ''' has a layer thickness of about 0.01 to 0.25 mm. The individual layers 4 ' . 4 '' . 4 ''' are applied one after the other. The area to be coated is excluded before coating. The depth of the recess depends on the total layer thickness of the coating 4 , The coating should be such that the recess is completely filled with the coating material, but if possible no large supernatant arises, which would then have to be removed again in a complex operation. The application should therefore be as close to the final form, that is, that the coating 4 largely with the blade surface 7 forms a C1-continuous, ie edge-free surface. Between the coating 4 and the blade surface 7 This results in a smooth transition, which makes an aftertreatment largely unnecessary.

Um den fließenden Übergang von der Beschichtung 4 zur Laufschaufeloberfläche 7 zu erreichen, weist die Ausnehmung einen Übergang 9 und eine Auslaufkontur 8 auf. Durch den Übergang 9 und die Auslaufkontur 8 enden die einzelnen Schichten 4', 4'', 4''' leicht versetzt übereinander, wodurch der fließende Übergang erleichtert ist. Für eine gute Haftung der Schichten 4', 4'', 4''' untereinander und mit dem Grundmaterial sowie für eine besonders endformnahe Beschichtung und einen fließenden Übergang von der Beschichtung zur Schaufelblattoberfläche 7 ist ein geeigneter Schichtauftrag mittels Kaltgasspritzen wichtig. Besonders geeignete Auftragungsverfahren werden nachfolgend an den 5 bis 8 näher erläutert.To make the fluid transition from the coating 4 to the blade surface 7 to reach, the recess has a transition 9 and an outlet contour 8th on. Through the transition 9 and the outlet contour 8th The individual layers end 4 ' . 4 '' . 4 ''' slightly offset one above the other, which facilitates the smooth transition. For a good adhesion of the layers 4 ' . 4 '' . 4 ''' with each other and with the base material as well as for a particularly near net shape coating and a smooth transition from the coating to the airfoil surface 7 a suitable layer application by means of cold gas spraying is important. Particularly suitable application methods are described below 5 to 8th explained in more detail.

5 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Schicht 4'. Die Schicht 4' ist mittels Kaltgasspritzen auf den Grundkörper aufgebracht, wobei der Schichtauftrag in mäanderförmigen Bewegungen erfolgt. Die nachfolgenden Schichten 4', 4'', 4''' werden nach dem Auftragen der vorherigen Schicht, jeweils auf diese aufgetragen. Die Schichtdicken der einzelnen Schichten 4', 4'', 4''' betragen jeweils zwischen 0,01 und 0,25 mm. Jede Schicht endet leicht versetzt um einen Abstand S. Dieser Abstand ergibt sich aufgrund der Auslaufkontur 8 an der Ausnehmung. Durch die versetzt endenden Schichten 4', 4'', 4''' ergibt sich ein besonders gleichmäßiger Auslauf und eine besonders endformnahe Beschichtung. 5 shows a plan view of a first layer 4 ' , The layer 4 ' is applied by means of cold gas spraying onto the base body, wherein the layer application takes place in meandering movements. The following layers 4 ' . 4 '' . 4 ''' are applied to these after application of the previous layer. The layer thicknesses of the individual layers 4 ' . 4 '' . 4 ''' are each between 0.01 and 0.25 mm. Each layer ends slightly offset by a distance S. This distance results from the outlet contour 8th at the recess. Through the staggered layers 4 ' . 4 '' . 4 ''' This results in a particularly uniform outlet and a particularly close to the final coating.

6 zeigt einen weiteren vorteilhaften Schichtauftrag in der Draufsicht. Hierbei wird die Schicht mit einer kreisenden Bewegung aufgespritzt. Die einzelnen Schichten 4', 4'', 4''' enden wieder versetzt um den Abstand S zueinander, wodurch wiederum ein gleichmäßiger Übergang zwischen der Beschichtung 4 und dem Grundmaterial der Laufschaufel 1 gewährleistet ist. 6 shows a further advantageous layer order in plan view. Here, the layer is sprayed on with a circular motion. The individual layers 4 ' . 4 '' . 4 ''' again offset by the distance S to each other, which in turn creates a smooth transition between the coating 4 and the base material of the blade 1 is guaranteed.

7 zeigt einen weiteren Schichtauftrag in der Draufsicht, wobei die Schicht 4' sinus- oder wellenförmig in die Ausnehmung an der Laufschaufel 1 aufgespritzt ist. Auch hierbei ergibt sich ein besonders guter und gleichmäßiger Übergang zwischen dem Grundmaterial der Laufschaufel 1 und der Beschichtung. 7 shows a further layer order in the plan view, wherein the layer 4 ' sinusoidal or wavy in the recess on the blade 1 is sprayed on. Again, there is a particularly good and uniform transition between the base material of the blade 1 and the coating.

8 zeigt eine weitere Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Beschichtung 4, welche mittels Kaltgasspritzen aufgebracht ist. Es ist zu erkennen, wie die einzelnen Spraybahnen angeordnet sind, um die gesamte Schicht zu erzeugen (Schichtaufbau). 8th shows a further sectional view through a coating according to the invention 4 , which is applied by cold gas spraying. It can be seen how the individual spray paths are arranged to produce the entire layer (layer structure).

Die einzelnen Schichten 4', 4'', 4''' der Beschichtung 4 können aus dem gleichen Beschichtungsmaterial oder aus unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien bestehen. Als Beschichtungsmaterial eignen sich besonders vorteilhaft die in der Beschreibungseinleitung und in den Patentansprüchen beanspruchten Materialien.The individual layers 4 ' . 4 '' . 4 ''' the coating 4 may consist of the same coating material or of different coating materials. As a coating material are particularly advantageous claimed in the introduction and in the claims materials.

Als besonders vorteilhaftes Beschichtungmaterial hat sich dabei eine Formgedächtnislegierung herausgestellt. Besonders vorteilhafte Formgedächtnislegierungen sind NiTi-Formgedächtnislegierungen. Der große Vorteil dieser Formgedächtnislegierung besteht in ihrer großen elastischen Dehnfähigkeit, die bei superelastischen Formgedächnislegierungen bis zu 14% betragen kann, ihrer besonderen Korrosionsbeständigkeit und ihrer Fähigkeit, Verformungsenergie durch Phasenumwandlung zunächst zu absorbieren und verzögert als unschädliche Wärme abzugeben. Hieraus ergibt sich eine besonders hohe Beanspruchbarkeit und ein besonders guter Schutz gegen Tropfenschlagerosion.As a particularly advantageous coating material while a shape memory alloy has been found. Particularly advantageous shape memory alloys are NiTi shape memory alloys. The great advantage of this shape memory alloy is its high elastic elongation, which can be up to 14% for superelastic shape memory alloys, their special corrosion resistance and their ability to initially absorb deformation energy by phase transformation and release it as harmless heat. This results in a particularly high resistance and a particularly good protection against drop impact erosion.

Nachfolgend soll kurz das Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Laufschaufel 1 mit einer Beschichtung 4, welche durch Kaltgasspritzen aufgebracht ist, erläutert werden. Das Verfahren zum Ausbilden einer Laufschaufel 1 beinhaltet dabei im Wesentlichen nur zwei Verfahrensschritte:
Beim einem ersten Verfahrensschritt wird die Laufschaufel dabei aus dem Grundmaterial hergestellt, und anschließend erfolgt in einem zweiten Verfahrensschritt die Beschichtung der erosionsgefährdeten Bereiche der Laufschaufel 1 mit einer Erosionsschutzschicht. Die Beschichtung 4 wird dabei mittels Kaltgasspitzen aufgebracht. Grundsätzlich kann die gesamte Laufschaufel 1 mittels Kaltgasspritzen mit einer Erosionsschutzschicht beschichtet werden. Dies ist allerdings nicht erforderlich, da es in der Regel ausreicht, nur die besonders erosionsgefährdeten Bereiche zu beschichten. Diese ist bei der Turbinenschaufel die Eintrittskante 5 der Laufschaufel 1, da hier die Tropfen mit hoher Geschwindigkeit auf die Laufschaufel 1 treffen.The following briefly describes the method for producing a moving blade according to the invention 1 with a coating 4 , which is applied by cold gas spraying, will be explained. The method of forming a blade 1 essentially contains only two process steps:
In a first method step, the blade is thereby produced from the base material, and subsequently, in a second method step, the coating of the erosion-prone areas of the blade takes place 1 with an erosion protection layer. The coating 4 is applied by means of cold gas peaks. Basically, the entire blade 1 be coated by means of cold gas spraying with an erosion control layer. However, this is not necessary since it is generally sufficient to coat only the areas that are particularly susceptible to erosion. This is the leading edge of the turbine blade 5 the blade 1 because here the drops hit the blade at high speed 1 to meet.

Beim Kaltgasspritzen wird der Beschichtungswerkstoff in Pulverform mit sehr hoher Geschwindigkeit auf das Grundmaterial aufgebracht. Hierzu wird ein auf wenige 100°C bis 1000°C aufgeheiztes Prozessgas durch Expansion in einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt, nachdem Pulverpartikel in den Gasstrahl injiziert wurden. Die injizierten Spritzpartikel werden dabei mit dem Gasstrahl mitgerissen und auf eine sehr hohe Geschwindigkeit beschleunigt. Mit dieser hohen Geschwindigkeit treffen die Partikel auf die Bauteiloberfläche auf, wodurch es zu einer kurzzeitigen, lokalen Aufschmelzung (Kaltverschweißung) kommt. Durch das Kaltgasspritzen wird mit einer minimal technisch notwendigen Temperaturerhöhung eine stoffschlüssige Verbindung erreicht, die in ihrer Eigenschaft einer Auftragsschweißung ähnlich ist, ohne die schweißbedingten Nachteile der hohen Wärmeeinbringung zu besitzen.In cold gas spraying, the coating material in powder form is applied to the base material at a very high speed. For this purpose, a heated to a few 100 ° C to 1000 ° C process gas is accelerated by expansion in a Laval nozzle to supersonic speed, after powder particles were injected into the gas jet. The injected spray particles are entrained with the gas jet and accelerated to a very high speed. With this high speed, the particles hit the surface of the component, resulting in a short-term, local melting (cold welding). Cold gas spraying achieves, with a technically necessary increase in temperature, a cohesive connection which is similar in its property to build-up welding without having the welding-related disadvantages of high heat input.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Laufschaufel 1 in dem zu beschichtenden Bereich vor der Beschichtung, entsprechend der späteren Schichtdicke, ausgenommen ist. Das Ausnehmen kann durch eine spanende Bearbeitung erfolgen oder gleich beim Herstellungsprozess der Laufschaufel 1 berücksichtigt werden. Durch die Ausnehmung kann die Beschichtung 4 so erfolgen, dass direkt eine endformnahe Beschichtung 4 entsteht, wodurch ein nachträgliches Bearbeiten entfällt oder zumindest auf ein Minimum reduziert werden kann. Hierdurch werden die Herstellungskosten verringert und der Zeitaufwand zur Herstellung der Laufschaufel 1 reduziert.An advantageous development of the method provides that the blade 1 in the area to be coated prior to coating, according to the later layer thickness, is excluded. The removal can be done by a machining or the same during the manufacturing process of the blade 1 be taken into account. Through the recess, the coating 4 done so that directly a near net shape coating 4 arises, whereby a subsequent processing is eliminated or at least reduced to a minimum. As a result, the manufacturing costs are reduced and the time required to produce the blade 1 reduced.

Vorteilhafter Weise wird die Beschichtung nicht in einem einzigen Verfahrensschritt auf die Laufschaufel aufgebracht, sondern in Form mehrerer dünner Schichten. Die Schichten werden dabei vorzugsweise lagenweise mit einer Schichtdicke von 0,01 bis 0,25 mm pro Sprayvorgang aufgebracht. Bei größeren Schichtdicken besteht die Gefahr, dass nicht das gesamte Beschichtungsmaterial aufgeschmolzen wird und es dadurch nicht zu einer festen Verbindung zwischen dem Schichten und dem Grundmaterial, bzw. den Schichten untereinander kommt. Zudem lässt sich mit dünneren Schichten ein gleichmäßiger Übergang erzielen.Advantageously, the coating is not applied to the blade in a single process step, but in the form of several thin layers. The layers are preferably applied in layers with a layer thickness of 0.01 to 0.25 mm per spray process. With larger layer thicknesses, there is a risk that not all of the coating material is melted and it does not lead to a firm connection between the layers and the base material, or the layers with each other. In addition, you can achieve a smooth transition with thinner layers.

Zur Begrenzung des Beschichtungsbereiches kann das Bauteil während des Beschichtens an den nicht zu beschichtenden Stellen mit einer Schutzeinrichtung (Maske) bedeckt werden. Zur Fixierung und Positionierung der Schaufel werden vorteilhafter Weise Fixierungen vorgesehen, die eine reproduzierbare Lage und eine sichere Halterung der Leitschaufel gewährleistet. Bei Endstufenlaufschaufeln hat sich dabei eine Halterung am Schaufelfuß, am Schaufelblatt (bevorzugt) oder an der Schaufelspitze bewährt. Die Halterung kann auch an später zu entfernenden Abschnitten der Schaufel erfolgen.To limit the coating area, the component can be covered with a protective device (mask) during coating at the points not to be coated. For fixing and positioning of the blade fixings are advantageously provided, which ensures a reproducible position and secure mounting of the vane. In the case of end stage blades, a holder on the blade root, on the blade leaf (preferred) or on the blade tip has proven itself. The bracket can also be done on later to be removed portions of the blade.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Beschichtung mittels einer mechanisierten Führung einer Beschichtungseinrichtung oder des Bauteils erfolgt. Hierdurch wird eine reproduzierbare für alle Laufschaufeln gleiche Beschichtung gewährleistet.A further advantageous development of the method according to the invention provides that the coating takes place by means of a mechanized guidance of a coating device or of the component. This ensures a reproducible coating that is the same for all rotor blades.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass als Trägergas für das Kaltgasspritzen Stickstoff verwendet wird. Durch die Verwendung von Stickstoff als Trägergas ergeben sich essentiell niedrigere Prozesskosten als bei der Verwendung von Helium.A further advantageous development of the method provides that nitrogen is used as the carrier gas for the cold gas spraying. The use of nitrogen as a carrier gas results in essentially lower process costs than when using helium.

Das vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren zum Ausbilden einer Laufschaufel mit einer Beschichtung zum Schutz vor Erosion, welche durch Kaltgasspritzen aufgebracht ist, bietet sich nicht nur für die Neufertigung von Laufschaufeln an. Das Verfahren eignet sich auch für die Erneuerung von zerstörten oder beschädigten Schutzschichten. Der Grundkörper der Laufschaufel kann grundsätzlich mehrfach beschichtet und wieder verwendet werden. Dies verbessert die Ökobilanz der Schaufel gegenüber herkömmlichen Auftragungsverfahren, welche nicht so häufig an ein und demselben Teil wiederholbar sind. Zudem haben kaltgasgespritzte Schichten den Vorteil, dass beim Spritzen keine Phasenumwandlung im Spritzgut oder Dekarburisation (bei Hartmetall auf Karbidbasis) auftreten, und dass zum Beispiel nanostrukturierte Pulver zu nanostrukturierten Schichten führen. Der Spritzvorgang führt des Weiteren zu hohen Festigkeiten und Härten der Schicht, welche die des Pulvermaterials übertreffen können. Um die Eigenschaft der Beschichtung weiter zu verbessern, können die gespritzten Schichten und gegebenenfalls weitere Abschnitte der Laufschaufel nach der Beschichtung einer Druckverfestigung beispielsweise durch Kugelstrahlen unterzogen werden. Dadurch werden die gespritzten Schichten weiter gehärtet und resistenter gegenüber Trofenschlagerosion.The proposed method according to the invention for forming a blade with a coating for protection against erosion, which is applied by cold gas spraying, is not only suitable for the manufacture of rotor blades. The method is also suitable for renewal of damaged or damaged protective coatings. The main body of the blade can basically be repeatedly coated and reused. This improves the life cycle assessment of the blade over conventional application methods, which are less repeatable on one and the same part. In addition, cold-gas sprayed coatings have the advantage that no phase transformation in the sprayed material or decarburization (carbide-based carbide) occurs during spraying, and that nanostructured powders, for example, lead to nanostructured layers. The injection process also leads to high strengths and hardness of the layer, which can exceed those of the powder material. In order to further improve the property of the coating, the sprayed layers and possibly further sections of the rotor blade after the coating can be subjected to pressure consolidation, for example by shot peening. This further strengthens the sprayed layers and makes them more resistant to kiln erosion.

Claims

Blade ( 1 ) for use in two-phase flows, in particular in steam turbines, with at least one coating formed on an area subject to erosion ( 4 ) for protection against erosion, characterized in that the coating ( 4 ) is applied by a cold gas spraying process.

Blade ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the coating ( 4 ) and / or further regions of the rotor blade are pressure-solidified.

Blade ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the coating ( 4 ) is a cobalt-base alloy with chromium or nickel as the second main constituent and has the following constituents of the alloy: Co 30-65% by mass Cr 18-33% by mass Ni 0-27% by mass W 0-19% by mass - Mo 0-18 mass% - Fe 0-18 mass% - Nb 0-5 mass% - V 0-5 mass% - Si 0-3.5 mass% - C 0.06-3.3 mass% - B 0-3 mass% - Mn 0-1.5 mass% - Cu 0-1 mass%.

Blade ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the coating ( 4 ) is a cobalt-base alloy having molybdenum as a second main component and having the following alloy components: Co 37-60% by weight Mo 22-29% by weight Cr 8 18% by mass Ni 0 16% by mass 4 mass% Fe 0-3 mass% C 0-0.2 mass%.

Blade ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the coating ( 4 ) is an iron alloy having chromium as the second major constituent and having the following alloy constituents: Fe 46-83 mass% Cr 16-26 mass% Mn 0-15 mass% Ni 0-12 mass% Co 0-10 mass % - Si 0-5.5 mass% - Mo 0-3 mass% - Cu 0-3 mass% - C 0.1-1.8 mass% - B 0-0.3 mass% - N 0-0, 3 mass%

Blade ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the coating ( 4 ) is an iron alloy with manganese as the second main constituent and has the following alloy components: Fe 55-70 mass% Mn 19-26 mass% Cr 7-10 mass% Si 5-7 mass% Cu 0-2 mass % - C 0.01-0.06 mass%

Blade ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the coating ( 4 ) is an iron alloy with nickel as the second main constituent and has the following alloy components: Fe 64-67% by mass - Ni 17-18% by mass - Co 10-12% by mass - Mo 4-5% by mass - Ti 0.5- 2 mass% - C 0-0.03 mass%

Blade ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the coating ( 4 ) is a nickel-based alloy with chromium as the second main constituent and has the following alloy components: - Ni 55-80 mass% - Cr 7-23 mass% - Co 0-12 mass% - Mo 0-18 mass% - Si 0- 10 mass% - B + Si 0-8 mass% - Fe 0-8 mass% - B 0-6 mass% - Nb + Ta 0-5 mass% - Cu 0-2 mass% - C 0-0.8 mass % - Mn 0-0.5 mass% - Ti 0-0.5 mass% - Al 0-0.5 mass%.

Blade ( 1 ) according to claim 8, characterized in that the nickel-base alloy hard material particles are mixed with a mass fraction of 15-93%.

Blade ( 1 ) according to claim 9, characterized in that the hard material particles consist of tungsten carbide and / or chromium carbide and / or titanium carbide.

Blade ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the coating ( 4 ) is an NiCrBSi alloy and has the following alloy constituents: Ni 45-86 mass% Co 0-27 mass% Cr 9-25 mass% Fe 0-14 mass% B 1.5-5 mass% Si 1-5 mass% - Mo 0-3 mass% - Cu 0-3 mass% - W 0-3 mass% - La ₂ O ₃ 0-1 mass% - C 0-1 mass% - Al 0-1 mass% ,

Blade ( 1 ) according to claim 11, characterized in that the NiCrBSi alloy hard material particles are mixed with a mass fraction of 20-60%.

Blade ( 1 ) according to claim 12, characterized in that the hard material particles consist of tungsten carbide and / or chromium carbide and / or titanium carbide.

Blade ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the coating ( 4 ) is a nickel-base alloy with molybdenum as the second main constituent and has the following alloying constituents: Ni 43-47% by mass - Mo 26-33% by mass - Cr 15-26% by mass - Si 1-4% by mass - Fe 0- 3 mass% - Co 0-2 mass% - C 0-0.1 mass%.

Blade ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the coating ( 4 ) is a nickel-phosphorus alloy having - Ni 89-91 mass% and - P 9-11 mass%.

Blade ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the coating ( 4 ) is a tungsten alloy and has the following alloy components: W 90-97% by weight - Ni 0-9% by weight - Cu 0-9% by mass - Fe 0-4% by mass.

Blade ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the coating ( 4 ) consists of tungsten or tantalum.

Blade ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the coating ( 4 ) is a NiAl-Ni ₃ Al intermetallic composite.

Blade ( 1 ) according to claim 18, characterized in that the coating ( 4 ) comprises as further constituents TiC or Cr ₂ C ₃ or WC hard material particles.

Blade ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the coating ( 4 ) is a corrosion resistant cemented carbide coating comprising: Ni having 80-93% by weight Cr ₂ C ₃ hardstock; CoCr or FeCo or FeNi or NiCr or Ni with 80-93% by mass of WC hard material particles; - Fe-C with 50-80% by mass of WC hard material particles; - NiCrCo or NiMo with TiC or Mo ₂ C hard material particles; - CoCr or NiCr with MoB hard particles.

Blade ( 1 ) according to one of claims 8, 11, 18 or 20, characterized in that the coating contains hard material particles of titanium nitride, titanium silicon carbonitride or diamond.

Blade ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the coating ( 4 ) is an aluminum-bronze alloy having: - Cu 90 mass% - Al 9-10 mass% - Fe 0-1 mass%.

Blade ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the coating ( 4 ) consists of a shape memory alloy.

Blade ( 1 ) according to claim 23, characterized in that the shape memory alloy is a NiTi shape memory alloy.

Blade ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the coating ( 4 ) is a superplastic coating with or without a shape memory effect.

Blade ( 1 ) according to one or more of the preceding claims, characterized in that the coating ( 4 ) of several layers ( 4 ' . 4 '' . 4 ''' ) consists of one or more compositions described in claims 3 to 23.

Method for forming a moving blade ( 1 ) according to one of claims 1 to 26, characterized by the method steps: - producing a moving blade ( 1 ) - coat at least the erosion-prone areas with a coating ( 4 ) for protection against erosion by means of cold gas spraying.

Method for forming a moving blade ( 1 ) according to claim 27, characterized in that the areas of the blade ( 1 ) coated with a coating ( 4 ), are excluded before coating according to the later layer thickness.

Method for forming a moving blade ( 1 ) according to claim 27 or 28, characterized in that coating is applied in layers with a layer thickness of 0.01 to 0.25 mm per spray process or layer.

Method for forming a moving blade ( 1 ) according to one of claims 27 to 29, characterized in that the coating takes place by means of a mechanized guidance of a coating device or of the component.

A method of forming a blade according to any one of claims 27 to 30, characterized in that nitrogen is used as the carrier gas for the cold gas spraying.