[0001] Die Erfindung betrifft eine Panzerung für ein metallisches Triebwerksbauteil, die
an dessen Oberfläche vorgesehen ist, sich beim Anstreifen in einen Einlaufbelag eines
zweiten Bauteils einarbeitet, eine Keramikschicht umfaßt und mit Spitzen und dazwischenliegenden
Freiräumen zum Austragen von Abriebmaterial profiliert ist, sowie ein Verfahren zu
ihrer Herstellung.
[0002] Panzerungen bzw. Anstreifbeläge werden an Triebwerksbauteilen, wie z.B. Dichtungsspitzen
von Labyrinthdichtungen oder Schaufelspitzen, vorgesehen, um deren Abarbeitung bei
Anstreifvorgängen entgegenzuwirken. Da der Wirkungsgrad eines Verdichters oder einer
Turbine in hohem Maße von der Spaltgröße zwischen dem rotierenden und dem stehenden
Bauteil abhängt, vermindert er sich mit zunehmender Abarbeitung, z. B. der Schaufelspitzen,
durch Anstreifvorgänge.
[0003] Die Panzerung arbeitet sich beim Betrieb im allgemeinen in einen Einlaufbelag eines
zweiten Bauteils ein. Derartige Einlaufbeläge sind abreibbar und bestehen meist aus
einer korrosions- und erosionsfesten Schicht. Wird die Festigkeit und Härte der Einlaufbeläge
zur Steigerung der Erosions- und Temperaturbeständigkeit erhöht, verstärkt sich die
Abarbeitung der Triebwerksbauteile zusätzlich, so daß deren Panzerung erforderlich
ist. Durch die Panzerung wird erreicht, daß beim Anstreifvorgang ein minimaler Spalt
zwischen der Panzerung und dem Einlaufbelag gebildet wird.
[0004] Bekannte Panzerungen umfassen eine Keramikschicht, die auf die Oberfläche des Triebwerksbauteils
thermisch gespritzt wird. Zur Ausbildung einer Profilierung mit schneidfähigen Kanten
bzw. Spitzen und dazwischenliegenden Freiräumen zum Austragen von Abriebmaterial wird
beim Spritzvorgang eine aus einem Drahtgitter bestehende Lochmaske auf der Bauteiloberfläche
angeordnet. Die Größe und Geometrie der Spitzen wird durch die Lage und Art des Drahtgitters
sowie den Spritzstrahlwinkel variiert.
[0005] Als nachteilig erweist sich dabei, daß das Drahtgitter die Bauteiloberfläche an einigen
Stellen vollständig abdeckt und daher Fehlstellen vorkommen und keine gleichmäßige
Profilierung über dem gesamten Umfang zu erzielen ist. Weitere Nachteile bestehen
in der aufwendigen Präparation der Bauteiloberfläche sowie dem Handling des Drahtgitters
und in der Einhaltung und verfahrensbedingten Einschränkung des Spritzstrahlwinkels.
[0006] Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Panzerung der eingangs beschriebenen
Gattung zu schaffen, die eine möglichst gleichmäßige Beschichtung und Profilierung
aufweist. Ferner soll ein Verfahren geschaffen werden, mit dem sich ein solche Panzerung
fertigungstechnisch einfach und zuverlässig herstellen läßt.
[0007] Die die Panzerung betreffende Lösung des Problems ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
daß die Profilierung durch Umformen der Oberfläche des Bauteils vor deren Beschichtung
ausgebildet ist.
[0008] Beim Ausbilden einer solchen Profilierung wird kein Material abgetragen, sondern
die Oberfläche des Bauteils zur Ausbildung der Spitzen und dazwischenliegenden Freiräume
durch Kaltumformen verdichtet. Dazu wird ein entsprechendes Werkzeug in die Oberfläche
vor deren Beschichtung mit keramischen Material eingepreßt. Der Vorteil besteht darin,
daß die Panzerung auf diese Weise eine gleichmäßig profilierte und beschichtete Oberfläche
aufweist, ohne daß die aufwendige Anordnung eines Drahtgitters zur Abdeckung der Bauteiloberfläche
notwendig ist. Auch treten nicht die mit dem Drahtgitter häufig verbundenen Fehlstellen
auf. Zudem lassen sich Panzerungen mit Freiräumen größerer Tiefe erzeugen. Die Profilierung
wird dabei so ausgebildet, daß ein optimaler Abrieb unter Berücksichtigung der Relativbewegung
zwischen dem Triebwerksbauteil mit der Panzerung und dem zweiten Bauteil, das einen
Einlaufbelag aufweisen kann, erfolgt.
[0009] In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Oberfläche durch Rändeln profiliert. Die
Profilierung erfolgt mit einem Rändelwerkzeug, das in die zu panzernde Oberfläche
des Triebwerksbauteils eingepreßt wird. Es können genormte Rändelformen mit zahlreichen
verschiedenen Durchmessern, Profilwinkeln und Teilungen, wie z.B. Rändel mit achsparallelen
Riefen, Rechts- oder Linksrändel, Links-Rechtsrändel mit erhöhten oder vertieften
Spitzen sowie Kreuzrändel mit erhöhten oder vertieften Spitzen, verwendet werden.
Bei speziellen Bauteilformen werden Spezialwerkzeuge angefertigt.
[0010] Es kann zweckmäßig sein, daß die die Profilierung bildenden Spitzen bzw. Freiräume
achsparallel, d.h. parallel zu einer Drehachse des Bauteils bzw. eines bewegten Teils
der Bauteilgruppe, verlaufen.
[0011] Bevorzugt verlaufen die die Profilierung bildenden Spitzen und Freiräume schräg zu
einer vorstehend definierten (Dreh-)Achse, wobei als Rändelwerkzeug ein Links- oder
Rechtsrändel eingesetzt wird. Dieses hat gegenüber einer achsparallen Rändelung den
Vorteil, daß die Freiräume bzw. Vertiefungen das Abriebmaterial aufnehmen und sogleich
herausdrücken.
[0012] Weiterhin ist es vorteilhaft, daß sich eine erste Reihe schräg zur Drehachse und
parallel zueinander verlaufender Spitzen und Freiräume mit einer ebensolchen, zweiten
Reihe kreuzt. Auf diese Weise lassen sich an die Relativbewegung zwischen den jeweiligen
Bauteilen angepaßte Profilierungsmuster ausbilden.
[0013] In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die die Profilierung bildenden Spitzen bzw.
deren Kanten schneidfähig, so daß sich die Panzerung leicht in einen Einlaufbelag
eines zweiten Bauteils einarbeiten kann. Die Ausrichtung der schneidfähigen Spitzen
erfolgt unter Berücksichtigung der Relativbewegung zwischen dem Triebwerksbauteil
und dem zweiten Bauteil.
[0014] Die Spitzen können 0.5 mm dick/breit sein, wobei sie bevorzugt abgeflacht sind.
[0015] In bestimmten Anwendungen ist es vorteilhaft, daß die Flanken der Spitzen asymmetrisch
zueinander verlaufen.
[0016] Eine bevorzugte (Rändel-)Tiefe der Freiräume beträgt 0,8 mm und liegt damit über
den mit bekannten Verfahren erzielbaren Tiefen.
[0017] Bevorzugt beträgt die Teilung t der Rändelung 1,6 mm, wobei sich auch größere Teilungen
als zweckmäßig erwiesen haben.
[0018] Die Keramikschicht weist bevorzugt eine annähernd konstante Dicke/Stärke über der
gesamten, zu panzernden Oberfläche des Bauteils auf, da die Profilierung in dem Grundwerkstoff
selbst ausgebildet.
[0019] In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Panzerung an einem Innendurchmesser des
Triebwerkbauteils, wie einem sog. FIN-Bauteil, d.h. einer Dichtungsscheibe für eine
Labyrinthdichtung, vorgesehen, so daß sich genormte Rändelwerkzeuge mit einer Rändelung
an deren Außendurchmesser einsetzen lassen. Die Panzerung läßt sich problemlos auch
an Außendurchmessern von Triebwerksbauteilen, wie z.B. Schaufelspitzen oder Dichtspitzen
eines Schaufelspitzendeckbands, vorsehen.
[0020] Die das Verfahren betreffende Lösung ist erfindungsgemäß durch die Schritte gekennzeichnet,
a) Umformen der zu panzernden Oberfläche des Bauteils zur Ausbildung der Profilierung,
und anschließend b) Beschichten der profilierten Bauteiloberfläche mit einem keramischen
Material.
[0021] Der Vorteil liegt darin, daß durch das vorhergehende Profilieren gleichmäßige, keine
Fehlstellen aufweisende Keramikschichten erzielt werden.
[0022] Bevorzugt erfolgt die Profilierung durch Rändeln, so daß auf einfache Weise Profilierungen
mit unterschiedlichster Form und Geometrie durch Einpressen genormter Rändelwerkzeuge
hergstellt werden können.
[0023] Weiterhin ist es vorteilhaft, daß das Beschichten der zu panzernden und profilierten
Bauteiloberfläche mit dem keramischen Material durch thermisches Spritzen erfolgt.
[0024] Es kann zweckmäßig sein, das Bauteil in einem weiteren Schritt fertigzudrehen, wenn
bspw. beim Ausbilden der Spitzen und Freiräume Verformungen infolge der Verdichtung
des Grundwerkstoffs des Triebwerksbauteils auftreten.
[0025] Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
[0026] Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf eine schematische Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
- Fig. 1 bis 4
- Draufsichten auf eine Lauf- bzw. Dichtungsscheibe für eine Labyrinthdichtung, an deren
innerer Umfangsfläche jeweils ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Panzerung
vorgesehen ist, wobei die Profilierung zur Verdeutlichung im Verhältnis zu den sonstigen
Abmessungen der Dichtungsscheibe stark vergrößert dargestellt ist, und
- Fig. 5
- drei Ansichten eines Rändelwerkzeugs, das zur Herstellung der erfindungsgemäßen Panzerung
einsetzbar ist.
[0027] Fig. 1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Lauf- bzw. Dichtungsscheibe 1 für
eine Labyrinthdichtung, deren Dichtungsspitzen an einer inneren Oberfläche bzw. Umfangsfläche
2 einer Innenbohrung mit einem ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Panzerung
gepanzert sind. Die Panzerung 3 umfaßt eine Profilierung aus abgeflachten Spitzen
4 und dazwischenliegenden Freiräumen 5 sowie eine Keramikschicht 6, die im allgemeinen
thermisch auf die profilierte Bauteiloberfläche 2 gespritzt wird. Als keramisches
Material für die Beschichtung 6 wird bspw. Al
2O
3 als Korund eingesetzt.
[0028] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Oberfläche 2 der Dichtungsscheibe 1
zunächst mit einem der gewünschten Form der Profilierung entsprechenden Rändelwerkzeug
durch Kaltumformen profiliert. Durch das Einpressen des Rändelwerkzeugs wird die Oberfläche
2 der Dichtungsscheibe 1 bzw. deren Grundwerkstoff umgeformt und verdichtet. Anschließend
wird die so profilierte Oberfläche 2 mit dem keramischen Material unter Bildung einer
gleichmäßigen Keramikschicht 6 beschichtet.
[0029] Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 erstrecken sich die Spitzen 4 ebenso wie
die Freiräume 5 achsparallel, d.h. parallel zu einer senkrecht zur Bildebene verlaufenden
(Dreh-)Achse. Eine Panzerung 3 mit einer solchen Profilierung wird mit einem Rändelwerkzeug
bzw. Rändel mit achsparallelen Riefen und entsprechender Form, Teilung t etc. hergestellt,
das dazu in die Oberfläche 2 der Dichtungsscheibe 1 eingepreßt wird, ohne daß ein
Materialabtrag auftritt.
[0030] In den zwischen den Spitzen 4 gebildeten Freiräumen 5 wird das beim Anstreifen eines
Einlaufbelags von einem zweiten, mit der Dichtungsscheibe 1 der Labyrinthdichtung
zusammenwirkenden Bauteils entstehende, heiße Abriebmaterial aufgenommen. Die abgeflachten
Spitzen 4 haben sich in der Praxis aufgrund ihrer Widerstandsfähigkeit bewährt und
weisen zum leichten Einarbeiten in den Einlaufbelag schneidfähige Kanten auf.
[0031] In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Panzerung 3 dargestellt,
das ebenfalls abgeflachte Spitzen 7 aufweist. Die Spitzen 7 unterscheiden sich von
den Spitzen 4 des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1 durch ihre asymmetrische Form. Die
Flanken 8 der Spitzen 7 erstrecken sich schräg zu einer radial zum Mittelpunkt M der
Dichtungsscheibe 1 verlaufenden Achse, was in bestimmten Anwendungsfällen Vorteile
beim Einarbeiten der Panzerung 3 in einen Einlaufbelag eines zweiten Bauteils und
beim Abtragen des Abriebmaterials hat. Eine derartige Panzerung 3 wird wiederum durch
Einpressen eines entsprechend geformten Rändels in die Oberfläche 2 der Dichtungsscheibe
1 ohne Materialabtrag ausgebildet. Anschließend wird die Keramikschicht 6 auf die
profilierte Oberfläche 2 aufgebracht, welche die Spitzen 7 und die Freiräume 5 gleichmäßig
und vollständig bedeckt.
[0032] Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Panzerung 3, das
anders als die vorherigen voll ausgeprägte Spitzen 9 aufweist. Die Profilierung aus
den Spitzen 9 und den dazwischenliegenden Freiräumen 5 ist nicht achsparallel, sondern
als Links- und Rechtsrändelung ausgebildet. Eine derartige Profilierung wird mit einem
sog. Links-Rechtsrändel hergestellt. Die Rändelung könnte alternativ auch als Links-
oder Rechtsrändelung ausgebildet sein. Solche Profilierungen bzw. Rändelungen haben
gegenüber achsparallelen Rändelungen den Vorteil, daß die Freiräume 5 den heißen Abrieb
eines ggf. vorhandenen Einlaufbelags eines zweiten Bauteils nicht nur aufnehmen, sondern
direkt herausdrücken.
[0033] In Fig. 3 ist die Teilung t, die in den meisten Anwendungsfällen größer als 1,6 mm
ist, sowie der Profilwinkel α, der an den jeweiligen Anwendungsfall anzupassen ist,
bezeichnet. Zur vereinfachten der Fertigung lassen sich auch für derartige Profilierungen
genormte Rändel einsetzen, die für einen großen Bereich unterschiedlicher Durchmesser
und Teilungen t vorliegen.
[0034] In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem an einer inneren
Oberfläche 2 einer Lauf- oder Dichtungsscheibe 1 für eine Labyrithdichtung eine Panzerung
3 mit voll ausgeprägten Spitzen 10 vorgesehen ist. Die Spitzen 10 erstrecken sich
achsparallel, d.h. parallel zu einer senkrecht zur Bildebene verlaufenden Achse. Die
Spitzen 10 weisen einen geringen Radius R auf. Derartige Spitzen 10 werden mit einem
Rändel mit achsparallen Riefen hergestellt, das in Fig. 5 als Beispiel in drei Ansichten
schematisch dargestellt ist.
[0035] Das in Fig. 5 in der linken (Seiten-)Ansicht gezeigte Rändelwerkzeug 11 dient zur
Profilierung einer inneren Umfangsfläche 2 eines Triebwerksbauteils 1, wie z.B. der
Oberfläche 2 der Innenbohrung einer in Fig. 1 bis 4 dargestellten Dichtungsscheibe
1, einem sog. FIN-Bauteil. Das Rändelwerkzeug 11 hat voll ausgeprägte Spitzen 12,
die den Spitzen 11 der Panzerung 3 aus Fig. 4 im wesentlichen entsprechen. Die Breite
b der Rändelung wird an die gewünschte Breite der zu panzernden Oberfläche des Triebwerksbauteils
je nach Anwendungsfall angepaßt. In der rechten (Querschnitts)Ansicht in Fig. 5 ist
die Teilung t und der Profilwinkel α des Rändelwerkzeugs bezeichnet.
1. Panzerung für ein metallisches Triebwerksbauteil, die an dessen Oberfläche vorzusehen
ist, sich beim Anstreifen in einen Einlaufbelag einarbeitet, eine Keramikschicht umfaßt
und mit Spitzen und dazwischenliegenden Freiräumen zum Austragen von Abriebmaterial
profiliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierung durch Umformen der Oberfläche
(2) des Bauteils (1) vor deren Beschichtung ausgebildet ist.
2. Panzerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (2) durch Rändeln
profiliert ist.
3. Panzerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Profilierung
bildenden Spitzen (4, 7, 9, 10) bzw. Freiräume (5) achsparallel verlaufen.
4. Panzerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Profilierung
bildenden Spitzen (4, 7, 9, 10) und Freiräume (5) schräg zu einer Drehachse des Bauteils
(1) bzw. eines bewegten Bauteils der Bauteilgruppe verläuft.
5. Panzerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein erste Reihe schräg
zur Drehachse und parallel zueinander verlaufender Spitzen (4, 7, 9, 10) und Freiräume
(5) mit einer ebensolchen zweiten Reihe kreuzt.
6. Panzerung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spitzen (4, 7, 9, 10) bzw. deren Kanten schneidfähig sind.
7. Panzerung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Anprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spitzen (4, 7, 9, 10) 0,5 mm dick/breit sind.
8. Panzerung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spitzen (4, 7, 9, 10) abgeflacht sind.
9. Panzerung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Flanken (8) der Spitzen (4, 7, 9, 10) asymmetrisch zueinander verlaufen.
10. Panzerung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Tiefe der Freiräume (5) 0,8 mm beträgt.
11. Panzerung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Teilung (t) der Rändelung wenigstens 1,6 mm beträgt.
12. Panzerung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Keramikschicht (6) eine annähernd konstante Dicke/Stärke aufweist.
13. Panzerung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß sie an einem Innendurchmesser (2) des Triebwerksbauteils (1) vorgesehen ist.
14. Panzerung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
daß sie an einem Außendurchmesser des Triebwerksbauteils (1) vorgesehen ist.
15. Verfahren zur Herstellung einer Panzerung für ein metallisches Triebwerksbauteil,
die an dessen Oberfläche vorgesehen ist, sich beim Anstreifen in einen Einlaufbelag
einarbeitet, eine Keramikschicht umfaßt und mit Spitzen und dazwischenliegenden Freiräumen
zum Austragen von Abriebmaterial profiliert ist, gekennzeichnet durch die Schritte
a) Umformen der zu panzernden Oberfläche (2) des Bauteils (1) zur Ausbildung der Profilierung
(3), und anschließend
b) Beschichten der profilierten Oberfläche (2) mit einem keramischen Material.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierung (3) durch
Rändeln erfolgt.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichten durch
thermisches Spritzen erfolgt.
18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 17, gekennzeichnet durch den
weiteren Schritt
c) Fertigdrehen des Bauteils (1).