HEISSGASKOMPONENTE

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Heißgaskomponente (1), insbesondere Laufschaufel, umfassend einen Grundwerkstoff (5) und ein den Grundwerkstoff (5) zumindest teilweise bedeckendes Beschichtungssystem (8), das eine vorbestimmte Beschichtungssystemdicke (d) aufweist, wobei an der Außenfläche des Grundwerkstoffes (5) unterhalb des Beschichtungssystems (8) zumindest zwei längliche Kerben (6) vorgesehen sind, die in einem vorbestimmten Abstand (a) zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungssystemdicke (d) größer als der vorbestimmte Abstand (a) ist.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heißgaskomponente, insbesondere eine Laufschaufel, umfassend einen Grundwerkstoff und ein den Grundwerkstoff zumindest teilweise bedeckendes Beschichtungssystem, das eine vorbestimmte Beschichtungssystemdicke aufweist, wobei an der Außenfläche des Grundwerkstoffes unterhalb des Beschichtungssystems zumindest zwei längliche Kerben vorgesehen sind, die in einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordnet sind.

[0002] Heißgaskomponenten, wie beispielsweise Laufschaufeln einer Gasturbinenanlage, sind während ihrer bestimmungsgemäßen Verwendung sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Laufschaufeln umfassen einen Grundwerkstoff, bei dem es sich meist um eine Superlegierung handelt, insbesondere eine solche auf Nickel-, Kobalt- oder Eisenbasis. Der Grundwerkstoff ist zumindest in denjenigen Bereichen, in denen die Laufschaufeln während des Betriebs der Gasturbinenanlage dem Heißgas ausgesetzt sind, mit einem Beschichtungssystem versehen, das den Grundwerkstoff vor den extremen Temperaturen schützen soll. Das Beschichtungssystem umfasst normalerweise eine Wärmedämmschicht, die meist aus keramischen Materialien hergestellt ist, wie beispielsweise aus teilstabilisiertem Zirkon oder Gadoliniumzirkonat. Zur Verbesserung der Haftung zwischen dem Grundwerkstoff und der Wärmedämmschicht kann das Beschichtungssystem zusätzlich eine Haftschicht aufweisen, die zwischen dem Grundwerkstoff und der Wärmedämmschicht angeordnet ist und beispielsweise aus MCrAlX besteht, wobei M für Eisen, Kobalt und/oder Nickel und X für Yttrium oder andere Seltenerdmetalle steht.

[0003] Aufgrund der extremen Bedingungen ist die Lebensdauer des Beschichtungssystems begrenzt. Insbesondere kommt es häufig zu Rissbildungen und Abplatzungen, was regelmäßige Wartungsintervalle und aufwändige Reparaturarbeiten nach sich zieht.

[0004] Solche Rissbildungen und Abplatzungen können unterschiedliche Ursachen haben. Eine Ursache sind unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten des Grundwerkstoffs und des Beschichtungssystems, aufgrund derer insbesondere beim Abfahren der Gasturbinenanlage zwischen dem Grundwerkstoff und dem Beschichtungssystem Spannungen induziert werden, die zu den besagten Beschädigungen des Beschichtungssystems führen.

[0005] Im Stand der Technik ist es bereits bekannt, an der Außenfläche des Grundwerkstoffes unterhalb des Beschichtungssystems längliche Kerben vorzusehen, die einer Rissbildung und einem Abplatzen des Beschichtungssystems entgegenwirken. So offenbart beispielsweise die US-A-6,074,706 ein Verfahren, bei dem während des Gießprozesses des Grundwerkstoffes solche Kerben ausgebildet werden.

[0006] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Heißgaskomponente mit verbessertem Widerstand gegen Rissbildungen und Abplatzungen des Beschichtungssystems bereitzustellen.

[0007] Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eine Heißgaskomponente, insbesondere eine Laufschaufel der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Beschichtungssystemdicke größer als der vorbestimmte Abstand zwischen den Kerben ist. Untersuchungen haben ergeben, dass das Beschichtungssystem der Laufschaufel effektiv gegen Rissbildungen und/oder Abplatzungen geschützt wird, wenn der vorbestimmte Abstand der Kerben kleiner als die Beschichtungssystemdicke gewählt wird.

[0008] Vorteilhaft erstrecken sich die Kerben in einem Zustand der Laufschaufel, in dem diese eine geringe Temperatur aufweist, insbesondere eine Temperatur bis 500°C, im Wesentlichen orthogonal zu einer Richtung der 1. Hauptspannung. Dank einer solchen Positionierung der Kerben wirken diese im Zustand höchster Spannungsbelastungen als optimal ausgerichtete Dehnungsfugen, die eine Bewegung des Grundwerkstoffes, der einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Beschichtungssystem aufweist, relativ zum Beschichtungssystem ermöglichen, ohne dass diese Bewegung zu unerwünschter Rissbildung oder zu Abplatzungen führt.

[0009] Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung entspricht die Beschichtungssystemdicke zumindest dem Zweifachen, bevorzugt zumindest dem Dreifachen des vorbestimmten Abstands. Bei dieser Anordnung werden besonders gute Ergebnisse erzielt.

[0010] Vorteilhaft ist ein Verhältnis einer Breite der Kerben zu einer Tiefe der Kerben kleiner oder gleich 0,2.

[0011] Ein Verhältnis der Tiefe der Kerben zum Abstand der Kerben ist bevorzugt größer oder gleich 2.

[0012] Ein Verhältnis der Tiefe der Kerben zur Beschichtungssystemdicke ist vorteilhaft größer oder gleich 1.

[0013] Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Breite der Kerben kleiner oder gleich 10 µm, insbesondere kleiner oder gleich 5 µm. Dies ist dahingehend von Vorteil, dass ein Verfüllen der Kerben mit Beschichtungsmaterial während des nachträglichen Auftragens des Beschichtungssystems wirksam verhindert wird. Auf diese Weise wird die Wirkung der Kerben als Dehnungsfugen verbessert.

[0014] Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Beschichtungssystem eine Wärmedämmschicht auf. Diese kann in bekannter Weise aus einem keramischen Material bestehen, wie beispielsweise aus teilstabilisiertem Zirkon oder Gadoliniumzirkonat.

[0015] Vorteilhaft weist das Beschichtungssystem eine zwischen dem Grundwerkstoff und der Wärmedämmschicht angeordnete Haftschicht auf. Diese kann insbesondere aus MCrAlX hergestellt sein, wobei M für Eisen, Kobalt und/oder Nickel und X für Yttrium oder andere Seltenerdmetalle steht.

[0016] Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung von Laufschaufeln Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist

Figur 1

eine perspektivische Darstellung einer aus einem Grundwerkstoff hergestellten Heißgaskomponente in Form einer Leitschaufel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Figur 2

eine Schnittansicht durch eine Schaufelplattform der in Figur 1 dargestellten Laufschaufel entlang der Linie II-II, die eine Anordnung im beschichteten Zustand der Laufschaufel bestehend aus einem Grundwerkstoff und einem auf diesem angeordneten Beschichtungssystem zeigt; und

Figur 3

eine Ansicht entsprechend Figur 2, die eine alternative Anordnung bestehend aus einem Grundwerkstoff und einem auf diesem angeordneten Beschichtungssystem zeigt.

[0017] Figur 1 zeigt eine Heißgaskomponente 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der Heißgaskomponente 1 handelt es sich vorliegend um eine Laufschaufel einer Gasturbinenanlage, wobei die vorliegende Erfindung grundsätzlich auch auf andere Heißgaskomponenten Anwendung findet. Die Heißgaskomponente 1 umfasst einen Schaufelfuß 2, eine daran ausgebildete Schaufelplattform 3 und ein sich von der Schaufelplattform 3 auswärts erstreckendes Schaufelblatt 4. Der Schaufelfuß 2, die Schaufelplattform 3 und das Schaufelblatt 4 sind vorliegend einteilig aus einem Grundwerkstoff 5 hergestellt, beispielsweise mittels Feinguss. Alternativ ist/sind auch eine mehrteilige Ausbildung und/oder ein anderes Herstellungsverfahren möglich. Bei dem Grundwerkstoff 5 handelt es sich vorliegend um eine Superlegierung, insbesondere um eine solche auf Nickel-, Kobalt- oder Eisenbasis. Auf der Schaufelplattform 3 sind an der Außenfläche des Grundwerkstoffes 5 mehrere längliche Kerben 6 vorgesehen, die sich in einem Zustand der Heißgaskomponente 1, in dem diese eine geringe Temperatur aufweist, insbesondere eine Temperatur bis 500 °C im Wesentlichen orthogonal zu einer Richtung der ersten Hauptspannung σ₁ erstrecken, die in Figur 1 durch den Pfeil 7 gekennzeichnet ist.

[0018] Nach der Herstellung der in Figur 1 dargestellten Heißgaskomponente 1 aus dem Grundwerkstoff 5 werden die Schaufelplattform 3 und das Schaufelblatt 4 mit einem den Grundwerkstoff bedeckenden Beschichtungssystem 8 versehen.

[0019] Figur 2 zeigt eine erste mögliche erfindungsgemäße Ausbildung des Beschichtungssystems 8 im Bereich der Kerben 6, bei dem das Beschichtungssystem 8 ausschließlich eine Wärmedämmschicht 9 aufweist, die aus einem keramischen Material hergestellt ist und dazu dient, den Grundwerkstoff 5 vor hohen Temperaturen zu schützen. Bei dem keramischen Material kann es sich um teilstabilisiertes Zirkon handeln, um nur ein Beispiel zu nennen.

[0020] Das Beschichtungssystem 8 gemäß Figur 3 umfasst zusätzlich zu der Wärmedämmschicht 9 eine Haftschicht 10, die zwischen Grundwerkstoff 5 und der Wärmedämmschicht 9 angeordnet ist und dazu dient, die Haftung zwischen dem Grundwerkstoff 5 und der Wärmedämmschicht 9 zu verbessern. Vorliegend ist die Haftschicht 10 aus MCrAlX hergestellt, wobei M für Eisen, Kobalt und/oder Nickel und X für Yttrium oder andere Seltenerdmetalle steht.

[0021] Gemäß der Erfindung ist ein vorbestimmter Abstand a, in dem benachbarte Kerben 6 zueinander angeordnet sind, vorliegend gemessen von Kerbgrund zu Kerbgrund, größer als eine Beschichtungssystemdicke d des Beschichtungssystems 8. Eine Breite b der Kerben 6 beträgt 5 µm, wobei auch andere Breiten b grundsätzlich möglich sind und Breiten b kleiner oder gleich 10 µm bevorzugt werden. Ein Verhältnis b/t der Breite b der Kerben 6 zu einer Tiefe t der Kerben 6 ist kleiner oder gleich 0,2. Ein Verhältnis t/a der Tiefe t der Kerben 6 zum Abstand a zwischen den Kerben 6 ist größer oder gleich 2. Ein Verhältnis t/d der Tiefe t der Kerben 6 zur Beschichtungssystemdicke d ist vorliegend größer oder gleich 1.

[0022] Ein wesentlicher Vorteil, der mit der genannten Breite b der Kerben 6 ebenso wie mit den beschriebenen Verhältnissen der Breite b, der Tiefe t, des Abstandes a und der Beschichtungssystemdicke d erzielt wird, besteht darin, dass das Beschichtungssystem 8 effektiv vor Rissbildungen oder Abplatzungen des Beschichtungssystems 8 während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Heißgaskomponente 1 geschützt wird. So können dank der entsprechend ausgebildeten und angeordneten Kerben 6 insbesondere beim Abkühlen der Heißgaskomponente 1 auftretende Hauptspannungen σ1, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten des Grundwerkstoffes 5 und des Beschichtungssystems 8 hervorgerufen werden, zumindest teilweise kompensiert werden. Hierbei wirken die Kerben 6 als Dehnungsfugen, die eine relative Bewegung des Grundwerkstoffes 5 zum Beschichtungssystem 8 zulassen, ohne dass aufgrund dieser Bewegungen übermäßige Spannungen in das Beschichtungssystem 8 induziert werden. In diesem Zusammenhang ist die erfindungsgemäß gewählte Breite b der Kerben 6 dahingehend von Vorteil, dass sie während des Auftrages des Beschichtungssystems 8 verhindert, dass Beschichtungsmaterial in die Kerben 6 eindringen kann. Somit bilden die Kerben 6 Hohlräume innerhalb des Grundwerkstoffes 5. Es sollte allerdings klar sein, dass erfindungsgemäß grundsätzlich auch ein Verfüllen der Kerben 6 mit Beschichtungsmaterial zulässig ist, auch wenn dies als nachteilig angesehen wird.

[0023] Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die in den Figuren dargestellte Anzahl und Positionierung der Kerben nicht als einschränkend zu verstehen ist. Ebenso ist es beispielsweise auch möglich, Kerben an anderen und/oder weiteren Positionen der Heißgaskomponente 1 vorzusehen, so beispielsweise am Schaufelblatt 4.

[0024] Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Ansprüche

1. Heißgaskomponente (1),
insbesondere Laufschaufel, umfassend einen Grundwerkstoff (5) und ein den Grundwerkstoff (5) zumindest teilweise bedeckendes Beschichtungssystem (8), das eine vorbestimmte Beschichtungssystemdicke (d) aufweist, wobei an der Außenfläche des Grundwerkstoffes (5) unterhalb des Beschichtungssystems (8) zumindest zwei längliche Kerben (6) vorgesehen sind, die in einem vorbestimmten Abstand (a) zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungssystemdicke (d) größer als der vorbestimmte Abstand (a) ist.

2. Heißgaskomponente (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kerben (6) in einem Zustand der Heißgaskomponente (1), in dem diese eine geringe Temperatur aufweist, insbesondere eine Temperatur bis 500°C, im Wesentlichen orthogonal zu einer Richtung der 1. Hauptspannung (σ₁) erstrecken.

3. Heißgaskomponente (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungssystemdicke (d) zumindest dem Zweifachen, bevorzugt zumindest dem Dreifachen des vorbestimmten Abstands (a) entspricht.

4. Heißgaskomponente (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis (b/t) einer Breite (b) der Kerben zu einer Tiefe (t) der Kerben kleiner oder gleich 0,2 ist.

5. Heißgaskomponente (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis (t/a) der Tiefe (t) der Kerben zum Abstand (a) der Kerben größer oder gleich 2 ist.

6. Heißgaskomponente (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis (t/d) der Tiefe (t) der Kerben zur Beschichtungssystemdicke (d) größer oder gleich 1 ist.

7. Heißgaskomponente (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b) der Kerben kleiner oder gleich 10 µm, insbesondere kleiner oder gleich 5 µm ist.

8. Heißgaskomponente (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungssystem (8) eine Wärmedämmschicht (9) aufweist.

9. Heißgaskomponente (1) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungssystem (8) eine zwischen dem Grundwerkstoff (5) und der Wärmedämmschicht (9) angeordnete Haftschicht (10) aufweist.

Zeichnung