DE4021044A1 - Verfahren zum auftragen einer schleifschicht auf titanlegierungsverdichterschaufeln - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gasturbinentriebwerksin­ dustrie und betrifft insbesondere Verfahren zum Herstellen von Bauteilen einer Gasdichtvorrichtung für Turbinentrieb­ werke. Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren zum Auftragen einer Schicht, die Schleifeigenschaften hat, auf die Oberfläche von Titanlegierungsschaufeln unter Verwen­ dung von Galvanisiertechniken.

In den Verdichter- und Turbinenabschnitten von Gasturbinen­ triebwerken drehen sich Laufschaufeln um die Achse des Triebwerks. Die Schaufelspitzen kommen in die Nähe der In­ nenwand des Triebwerksgehäuses und reiben manchmal an der Gehäusewand. Zum Verhindern von übermäßigem Verschleiß der Schaufelspitze werden manchmal abschleifbare Dichtungen an der Gehäuseinnenwandoberfläche befestigt, so daß, wenn der­ artiges Reiben erfolgt, die Dichtungen statt der Schau­ felspitzen abgeschliffen werden.

Zum Verlängern der Lebensdauer der Schaufelspitzen, die an abschleifbaren Dichtungen in dem Turbinenabschnitt des Triebwerks reiben, werden manchmal Schleifschichten auf der Schaufelspitzenoberfläche vorgesehen, vgl. zum Beispiel die US-PS 48 02 828 und die Patentschriften, auf die darin Be­ zug genommen wird. Diese US-Patentschrift erwähnt mehrere Techniken zum Aufbringen der Schleifschicht auf die Schau­ felspitze einschließlich pulvermetallurgischen Techniken, Plasmaspritztechniken und Glavanisiertechniken. Das Sub­ strat, auf das die Schleifschichten des in der vorgenannten US-Patentschrift beschriebenen Typs aufgebracht werden, sind hochfeste Superlegierungen, zum Beispiel Nickel-Ko­ baltlegierungen. Die Dicke von solchen Schichten liegt im allgemeinen in dem Bereich von etwa 0,4 bis etwa 2,5 mm.

Die Gasturbinentriebwerksindustrie hat die Nützlichkeit der vorgenannten Arten von Schleifschichten in dem Turbinenab­ schnitt erkannt und trachtet nun danach, diese Technologie bei Bauteilen anzuwenden, die in anderen Abschnitten des Triebwerks benutzt werden. Der Verdichterabschnitt ist ein derartiger Abschnitt, und neue Techniken zum Auftragen von Schleifschichten auf Verdichterbauteile werden verlangt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein derartiges Verfahren zu schaffen.

Gemäß der Erfindung werden aufeinanderfolgende Nickel­ schichten auf die Spitzenoberfläche eines Titanlegierungs­ triebwerksbauteils aufgetragen. Die Erfindung beinhaltet die Schritte, eine erste Nickelschicht mit einer Dicke von etwa 12-18µm direkt auf die Schaufelspitzenoberfläche aufzutragen, eine zweite Nickelschicht auf die erste Nic­ kelschicht aufzutragen, wobei die zweite Nickelschicht we­ niger als etwa 1µm dick ist, eine dritte Nickelschicht galvanisch auf die zweite Nickelschicht aufzutragen, und, während die dritte Schicht galvanisch aufgetragen wird, die Schaufelspitze in eine Aufschlämmung aus der galvanischen Lösung und elektrisch nichtleitfähigen Schleifpartikeln, die auf einer Membran angeordnet sind, welche für elektri­ schen Strom und die galvanische Lösung durchlässig ist, einzutauchen, wobei die Partikel in der Aufschlämmung in die dritte Schicht durch das fortgesetzte galvanische Ver­ nickeln eingeschlossen werden, eine vierte Nickelschicht auf die dritte Nickelschicht aufzutragen, wobei die kombi­ nierte Dicke der dritten und vierten Nickelschicht zwischen etwa 50 und 95% der mittleren Partikelabmessung liegt, und das mit dem galvanischen Überzug versehene Bauteil wärmezu­ behandeln.

Bauteile, die durch das Verfahren nach der Erfindung herge­ stellt worden sind, haben ausgezeichnete Schleifeigenschaf­ ten und sind in dem Verdichterabschnitt von modernen Gasturbinentriebwerken verwendbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden un­ ter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte Ansicht, welche die bevorzugte Beziehung zwischen der Schaufelspitze und der Partikelauf­ schlämmung bei der Durchführung der Erfindung zeigt, und

Fig. 2 eine vereinfachte Ansicht, welche ei­ ne Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung zeigt.

Die Erfindung bezieht sich, allgemein ausgedrückt, auf ein Verfahren zum Herstellen einer Schicht mit Schleifeigen­ schaften auf der Oberfläche von drehbaren Bauteilen, die in dem Verdichterabschnitt von Strömungsmaschinen benutzt wer­ den. Die Erfindung findet insbesondere Verwendung bei der Herstellung von Schleifschichten auf Titanlegierungen des in der Gasturbinenindustrie benutzten Typs.

Ein Schlüsselaspekt der Erfindung bezieht sich auf die Kom­ bination einer besonderen Gruppe von Schritten zum Herstel­ len der Schleifschicht. Die Kombination von Schritten er­ gibt ein Gefüge aus mehreren Schichten; jede Schicht ist mit der ihr benachbarten Schicht chemisch verbunden. Ein weiterer Schlüsselaspekt der Erfindung ist, daß die Ver­ bundschicht im Vergleich zu Schichten, die im Stand der Technik benutzt werden, relativ dünn ist. Dünne Schichten minimieren jede Verschlechterung der Ermüdungseigenschaften des Titanlegierungssubstrats bei hoher Lastspielzahl. Ein dritter Aspekt der Erfindung ist, daß die Schleifpartikel in der Schicht, die durch die Erfindung gebildet wird, in der galvanisch aufgetragenen Metallschicht eingeschlossen werden und über die obere Fläche einer galvanisch ab­ geschiedenen Matrix vorstehen. Die Matrix kapselt die Par­ tikel nicht ein, wodurch die Partikel beträchtlich schleif­ fähiger gemacht werden.

Das Verfahren zum Auftragen der Schleifschicht auf ein Ti­ tanlegierungssubstrat beinhaltet eine Anzahl von in gegen­ seitiger Beziehung stehenden Schritten. Da viele der Schritte beinhalten, daß das Substrat mit reaktionsfähigen Chemikalien in Kontakt gebracht wird, werden Oberflächen, die vor diesen Chemikalien geschützt werden sollten, zuerst mit Wachs oder anderen entfernbaren Masken abgeschirmt. Diejenigen Oberflächen, auf die die Schleifschicht aufge­ tragen werden soll, müssen zuerst gereinigt werden. Brauch­ bare Reinigungsmittel sind dem Fachmann bekannt. Ein beson­ ders brauchbares Säureätzmittel zum Reinigen der galvanisch zu überziehenden Oberflächen ist eine Lösung, die etwa 5 Volumenprozent von 70-prozentiger Fluorwasserstoffsäure und 95 Volumenprozent von 37-prozentiger Fluorwasserstoffsäure enthält. Nachdem die Oberfläche sauber ist, wird eine dünne Schicht aus im wesentlichen reinem Nickel als galvanischer Überzug aufgetragen. Die Dicke der ersten Nickelschicht liegt zwischen etwa 12 und 18µm, und die Bindungsfestig­ keit zwischen der Nickelschicht und der Titanoberfläche be­ trägt nach der Wärmebehandlung wenigstens etwa 475 kp/cm².

Eine zweite Nickelschicht (ein dünner Nickelüberzug) wird dann galvanisch auf die erste Nickelschicht aufgetragen. Die Oberfläche der ersten Schicht sollte unter Verwendung eines herkömmlichen Säureätzmittels vor dem Auftragen der zweiten Nickelschicht aktiviert werden. Die zweite Nickel­ schicht wird bis zu einer Dicke von weniger als etwa 1µm aufgetragen. Der Zweck dieses dünnen Nickelüberzugs ist es, die Bildung einer dritten (auf unten beschriebene Weise aufgetragenen) Nickelschicht zu begünstigen, die einen starken Festigkeitsverband hat.

Die dritte Nickelschicht wird durch ein Verfahren aufgetra­ gen, welches zwei miteinander in Beziehung stehende Schritte beinhaltet. Erstens, das galvanisch vernickelte Titanbauteil wird in eine galvanische Nickellösung für eine Zeitspanne eingetaucht, die ausreicht, um die galvanische Abscheidung von Nickel auf die zweite Nickelschicht begin­ nen zu lassen. Nachdem diese Abscheidung begonnen hat, wird das Titanbauteil in einer Aufschlämmung aus einer galvani­ schen Lösung und Partikeln untergetaucht, vorzugsweise in derselben galvanischen Lösung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. In Fig. 1 ist die Laufschaufel mit der Bezugszahl 12 bezeichnet, und die Partikel sind mit der Bezugszahl 20 bezeichnet. Die Schaufelspitze ist mit der Bezugszahl 15 bezeichnet. Die Partikel sind elektrisch nichtleitfähig, und ihre Größe liegt in einem schmalen Hartstoffgrößenbe­ reich; zu diesen Arten von Partikeln gehören, ohne daß dar­ unter eine Beschränkung zu verstehen ist, Aluminiumoxid, kubisches Bornitrid und Siliciumcarbid. Elektrisch leitfä­ hige Partikel wie SiAlON sind bei der Ausführung der Erfin­ dung nicht brauchbar. Die Partikel sollten eine unregelmä­ ßige Oberflächenbeschaffenheit haben, um die Schleifeigen­ schaften zu maximieren. Während die Schaufelspitze in der Aufschlämmung untergetaucht wird, wird weiterhin Nickel ab­ geschieden, das sich zwischen den Partikeln in Kontakt mit der Schaufelspitzenoberfläche aufbaut, wodurch die Partikel in der dritten Nickelschicht eingeschlossen werden. Auf­ grund der rauhen, unregelmäßigen Beschaffenheit der Parti­ kel werden sie an der Schaufelspitze durch den Auftrag der dritten Nickelschicht körperlich festgehalten. Es wird keine chemische Verbindung zwischen den Partikeln und der Schaufelspitze hergestellt, vielmehr handelt es sich ledig­ lich um eine physikalische Verbindung, welche die Partikel in der galvanisch niedergeschlagenen Nickelschicht auf der Schaufel festhält.

Die bevorzugte Vorrichtung zum Auftragen der dritten Nic­ kelschicht auf die Schaufelspitze und zum Einschließen der Partikel in der dritten Schicht ist in Fig. 2 gezeigt. Ein Galvanisierbehälter von in der Industrie gebräuchlicher Art ist mit der Bezugszahl 10 bezeichnet. Das Bauteil 12, das mit einem galvanischen Überzug versehen werden soll, ist in dem Behälter 10 aufgehängt durch eine Vorrichtung 11 darge­ stellt. Die galvanische Lösung ist mit der Bezugszahl 13 bezeichnet. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 ist die Vor­ richtung 11 in vertikaler Richtung zwischen einer ersten Galvanisierposition und einer zweiten Galvanisierposition bewegbar. Ein Galvanisierkasten 14, der Seitenwände 16 und eine Bodenwand 18 aufweist, ist in dem Behälter durch einen Halter 19 aufgehängt. Schleifpartikel 20 ruhen aufgrund von Dichteeffekten auf der Bodenwand 18 des Kastens 14. Die Kombination aus den Partikeln 20 und der galvanischen Lö­ sung 28 bildet in dem Kasten 14 eine Aufschlämmung. Aus Gründen, die im folgenden deutlicher werden, ist die Boden­ wand 18 des Galvanisierkastens 14 für den Durchtritt der galvanischen Lösung und von elektrischem Strom durchlässig. Eine massive Nickelanode 24 befindet sich unter der Boden­ wand 18 des Galvanisierkastens 14. Sowohl die Anode 24 als auch das Bauteil 12 sind mit einer herkömmlichen Strom­ quelle 26 elektrisch verbunden. Die galvanische Lösung in dem Behälter 10 ist mit der Bezugszahl 28 bezeichnet.

Am Beginn des Verfahrens zum Auftragen der dritten Nickel­ schicht ist die Vorrichtung in der ersten Galvanisierposi­ tion, die in Fig. 2 gezeigt ist. In dieser Position ist die Schaufelspitze oberhalb der Partikelaufschlämmung angeord­ net. Nachdem damit begonnen worden ist, die dritte Nickel­ schicht aufzutragen, wird die Vorrichtung abwärts in die zweite Galvanisierposition bewegt, so daß die Schaufel­ spitze in der Partikelaufschlämmung untergetaucht wird, wie es ausführlicher in Fig. 1 gezeigt ist. Weil der Strom in der Lage ist, durch die durchlässige Bodenwand 18 zu flie­ ßen, wird weiterhin Nickel auf die Spitzenoberfläche auf­ getragen, wo es die Partikel einschließt, welche die Schau­ felspitze innerhalb der dritten Nickelschicht direkt be­ rühren. Die endgültige Dicke der dritten Nickelschicht ist kleiner als die mittelere Abmessung der Partikel, die darin eingeschlossen sind, weshalb die Partikel über die Ober­ fläche der dritten Nickelschicht vorstehen. Die Partikel werden, wie oben erwähnt, in der dritten Schicht einge­ schlossen, weil sie nicht elektrisch leitfähig sind.

Die durchlässige Bodenwand führt zu einem effizienteren Auftragen der dritten Nickelschicht. Insbesondere wird in Kombination mit dem Positionieren einer geeignet bemessenen und angeordneten Anode direkt unter der Bodenwand eine gleichmäßige Verteilung der Stromdichte erzielt, die zu ei­ nem gleichmäßigeren galvanischen Überzug führt. Weiter kon­ nen Nickelionen innerhalb der galvanischen Lösung sowie diejenigen, die durch Auflösung der Anode erzeugt werden, leicht auf der Schaufelspitze abgeschieden werden.

Nachdem eine ausreichende Dicke der dritten Nickelschicht aufgetragen worden ist, um die Partikel in ihrer Lage festzuhalten, wird die Spitze aus der Aufschlämmung heraus­ bewegt, und eine vierte Nickelschicht wird über der dritten Schicht galvanisch aufgetragen. Vorzugsweise wird die Schaufel 12 einfach zurück in die ersten Galvanisierposi­ tionen bewegt (vgl. Fig. 2). Durch die vierte Nickelschicht werden die Partikel an dem Bauteil sicher befestigt. Die kombinierte Dicke der dritten und der vierten Nickelschicht sollte nicht mehr als etwa 95% der mittleren Abmessung der Partikel, aber wenigstens mehr als etwa 50% dieser Abmes­ sung betragen. Noch bevorzugter liegt die kombinierte Dicke der dritten und vierten Schicht zwischen etwa 1/2 und 2/3 der mittleren Partikelabmessung.

Es hat sich gezeigt, daß Schleifschichten, die auf oben be­ schriebene Weise aufgetragen worden sind, eine ausgezeich­ nete Abschleifbarkeit haben und in Gasdichtvorrichtungen von Turbinentriebwerken brauchbar sind. Ihr dünner Quer­ schnitt fügt der Schaufel vernachlässigbares Gewicht hinzu und beeinflußt die Zeitstandfestigkeit nicht nennenswert.

Als ein Beispiel der Erfindung wurde eine Schleifschicht auf die Spitzenoberfläche einer Schaufel aufgetragen, die in dem Verdichterabschnitt eines modernen Gasturbinentrieb­ werks benutzt wird. Die Schaufel war ein Schmiedeteil, des­ sen Zusammensetzung auf Gewichtsprozentbasis Ti-8Al-1V-1Mo betrug. Die Blattspitze hat etwa 2,5 Zentimeter von der Vorder- bis zur Hinterkante gemessen, und die mittlere Spitzendicke (gemessen von der konkaven bis zur konvexen Wand) betrug an der dicksten Stelle etwa 1 Millimeter.

Das Blatt der Schaufel wurde mit Galvanisiererwachs be­ deckt, so daß nur der Spitzenteil der Schaufel freilag. Die freiliegende Schaufelspitze wurde mit Hartstoff-Siliciumdi­ oxid naßstrahlbehandelt, in Wasser gespült und dann in eine Lösung, die (in Volumenprozent) 95% reaktionsfähige HCl und 5% 70-prozentige HF enthielt, für etwa 15 Sekunden einge­ taucht. Die Schaufel wurde gespült, in entionisiertem Was­ ser für 10 Sekunden ultraschallgereinigt und dann etwa 6 Minuten lang bei etwa 1,4 A/m² in einer Lösung anodisch ge­ ätzt, die (in Volumenprozent) 13% HF, 83% wasserfreie Es­ sigsäure, Rest Wasser, enthielt. Es wurde ein weiterer Spülvorgang ausgeführt, an den sich katodisches Vernickeln in einem herkömmlichen Nickelsulfamatbad für 30 Minuten bei etwa 2,8 A/m² anschloß. Die Schaufel wurde gespült und für etwa vier Stunden bei 400°C in einem Luftumwälzofen wärme­ behandelt. Die Wärmebehandlung ergab eine verbesserte Haft­ festigkeit zwischen dem galvanischen Überzug und dem Sub­ strat.

Der Blatteil der Spitze wurde erneut mit einer Kombination aus einer Galvanisiererverbindung auf Polymerbasis mas­ kiert, und der Spitzenteil wurde leicht sandgestrahlt und dann mit trockenem und nassem Bimsstein gescheuert. Nach einer sehr leichten Dampfstrahlbehandlung wurde die Nickel­ schicht für etwa 15 Sekunden bei 2,8 A/m² in einer herkömm­ lichen Hydrogensalzlösung anodisch geätzt. Die Schaufel wurde gespült und weiter aktiviert, indem sie in eine 50­ volumenprozentige HCl-Lösung getaucht wurde. Nach erneutem Spülen wurde die Schaufelspitze in eine herkömmliche Losung zum Auftragen eines ersten dünnen Nickelüberzugs einge­ taucht und bei etwa 1,25 Volt für zwei Minuten katodisch vernickelt.

Die Schaufel wurde erneut gespült und in einem eine Nickel­ sulfamatlösung enthaltenden Galvanisierbehälter plaziert. Innerhalb des Behälters war ein aus Polyvinylchloridkunst­ stoff hergestellter Galvanisierkasten. Die Bodenwand des Kastens war aus einem Polyethylengitter hergestellt. Der Galvanisierkasten enthielt Partikel aus kubischem Borni­ trid, die in Kombination mit der galvanischen Lösung eine Aufschlämmung mit einer Dicke von etwa 1-2 cm auf dem Git­ ter ergaben. Die mittlere Abmessung der Partikel reichte von etwa 50 bis etwa 100µm. Bei eingeschaltetem Strom wurde die Schaufel zuerst in die Nickelsulfamatlösung ein­ getaucht, und das galvanische Niederschlagen wurde bei etwa 0,8 Volt eingeleitet. Nach etwa zwei Minuten wurde die Schaufel in die Aufschlämmung eingetaucht, und das galvani­ sche Überziehen wurde fortgesetzt. Nach etwa 15 Minuten wurde die Schaufel in der Aufschlämmung leicht bewegt, um Gasbläschen von ihr zu trennen, die sich auf die Spitzen­ oberfläche gesetzt hatten, und um einen besseren Hartstoff­ kontakt mit der Oberfläche, die galvanisch überzogen wurde, zu gestatten. Das galvanische Überziehen wurde für weitere 30 Minuten fortgesetzt. Die Schaufelspitze wurde aus dem Nickelsulfamatbehälter entfernt. Die galvanische Lösung und lose daran haftende Partikel wurden durch Spülen der Spitze in entionisiertem Wasser entfernt. Die Schaufelspitze wurde dann in 50-volumenprozentige HCl getaucht, um die Nickel­ oberfläche aktiv zu hälten, und dann erneut in eine Nickel­ sulfamatlösung eingeführt und für weitere 45 Minuten bei 2,8 A/m² katodisch vernickelt. Am Ende der vorgenannten Prozedur lag eine Schaufelspitze vor, die gute Schleifei­ genschaften hatte. Die kombinierte Dicke der dritten und der vierten Nickelschicht lag zwischen etwa 1/2 und 2/3 der mittleren Abmessung der Partikel. Das heißt, die Mehrzahl der Partikel erstreckte sich über die Oberfläche der vier­ ten (letzten) Nickelschicht hinaus und war nicht durch gal­ vanisch aufgetragenes Nickel eingekapselt.

Die metallografische Untersuchung zeigte, daß die Partikel in der dritten und in der vierten Schicht eingeschlossen waren und daß es keine Trennung zwischen den einzelnen Nic­ kelschichten oder zwischen der ersten Schicht und dem Tit­ anlegierungssubstrat gab.

Claims (2)

1. Verfahren zum Herstellen einer Schleifschicht auf dem Spitzenteil einer Turbinentriebwerksschaufel, die aus einer Titanlegierung besteht, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) galvanisches Auftragen einer ersten Nickelschicht auf die Schaufelspitze, wobei die erste Nickelschicht zwi­ schen etwa 12 und 18µm dick ist;
• b) galvanisches Auftragen einer zweiten Nickelschicht auf die erste Nickelschicht, wobei die zweite Nickelschicht etwa 1µm oder weniger dick ist;
• c) galvanisches Auftragen einer dritten Nickelschicht auf die zweite Nickelschicht und anschließendes Untertau­ chen der Schaufelspitze in einer Aufschlämmung aus elektrisch nichtleitfähigen Partikeln und einer galva­ nischen Lösung, wobei die Aufschlämmung auf einer Mem­ bran vorliegt, die für elektrischen Strom und die gal­ vanische Lösung durchlässig ist, und Fortsetzen des galvanischen Auftragens der dritten Nickelschicht;
• d) galvanisches Auftragen einer vierten Nickelschicht auf die dritte Nickelschicht, wobei die kombinierte Dicke der dritten und der vierten Nickelschicht kleiner ist als etwa 95% der mittleren Abmessung der darin einge­ betteten Partikel und größer als etwa 50% der mittleren Abmessung; und
• e) Wärmebehandeln der Schaufel bei einer Temperatur, bei der es zu einer Diffusion zwischen der ersten Nickel­ schicht und der Schaufelspitze kommt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel kubisches Bornitrid sind und eine unregelmä­ ßige Oberfläche haben.