Auftragslöten von Hartstoffpartikeln

HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Panzerung von TiAl-Schaufeln von Strömungsmaschinen sowie eine entsprechende TiAl-Schaufel.

STAND DER TECHNIK

Bei Strömungsmaschinen, wie beispielsweise stationären Gasturbinen oder Flugtriebwerken, sind zum Teil Bauteile vorgesehen, die sich mit hohen Geschwindigkeiten relativ zu anderen Bauteilen bewegen und diese zumindest während einer Einlaufzeit berühren, sodass sich ein schleifender Kontakt ergibt. Aus diesem Grund müssen derartige Bauteile mit Panzerungen versehen werden, um die Bauteile vor Verschleiß zu schützen. Dies gilt beispielsweise auch für Dichtrippen, sogenannte Dichtfins, die an Laufschaufeln von entsprechenden Strömungsmaschinen vorgesehen sind.

Bei der Aufbringung einer entsprechenden Panzerung besteht jedoch die Problematik, dass für die Aufbringung der Panzerung möglicherweise Prozesstemperaturen notwendig sind, die der Grundwerkstoff des zu panzernden Bauteils nicht ohne Weiteres erträgt. Dies gilt beispielsweise auch für Schaufeln von Strömungsmaschinen, die aus TiAl- Werkstoffen gefertigt sind. Derartige Werkstoffe, die überwiegend aus Titan und Aluminium zur Bildung von intermetallischen Phasen, wie Gamma TiAl, gebildet sind, können aufgrund der eingeschränkten Temperaturbeständigkeit nur in begrenzter Weise mit entsprechenden Panzerungen versehen werden.

Aus dem Stand der Technik ist es beispielsweise bekannt, Panzerungen durch Plasmaspritzen aufzubringen, wobei durch einen lokal begrenzten Auftrag die Temperaturbelastung des TiAl- Werkstoffs ausreichend niedrig gehalten werden kann. Allerdings bedarf es entsprechend aufwändiger Abdeckvorrichtungen, um nur in einem gewünschten, lokal begrenzten Bereich eine Spritzschicht aufzubringen. Zudem weisen derartige plasmagespritzte Hartstoffschichten Probleme hinsichtlich der Hafteigenschaften auf, sodass nickelhaltige Zwischenschichten vorgesehen werden müssen, die den Aufwand weiter erhöhen und zudem zur Ausbildung von spröden Nickel-Titan-Phasen führen können.

Insbesondere das Aufbringen der Panzerung auf Dichtfins ist aufgrund der geometrischen Verhältnisse und der Dimensionen schwierig.

Aus der DE 10 2007 056 454 AI ist allgemein ein Verfahren zum Beschichten von Bauteilen bekannt, bei welchem ein Gemisch aus einem Lotwerkstoff und einem Beschichtungsmaterial mittels kinetischem Kaltgasspritzen aufgebracht und anschließend induktiv erwärmt wird. Allerdings ist auch hier eine aufwändige Abdeckung von Bereichen, die nicht beschichtet werden sollen, im Zusammenhang mit dem kinetischen Kaltgasspritzen nötig, auch wenn durch das kinetische Kaltgasspritzen die Temperaturbelastung niedrig gehalten werden kann.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

AUFGABE DER ERFINDUNG

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Panzerung von TiAl- Schaufeln und insbesondere von Dichtfins von TiAl-Schaufeln sowie entsprechend gepanzerte Ti AI- Schaufeln bereitzustellen, bei denen die Probleme des Standes der Technik beseitigt bzw. verringert sind und insbesondere eine effiziente Herstellung mit geringer Temperaturbelastung für den Grundwerkstoff ermöglicht wird, sodass die Bauteileigenschaften der TiAl-Schaufeln möglichst nicht verändert werden.

TECHNISCHE LÖSUNG

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine TiAl-Schaufel mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass gerade für Ti AI- Schaufeln eine löttechnische Aufbringung von Hartstoffen durch induktives Erwärmen möglich ist, ohne dass die Temperaturbelastung für den TiAl-Werkstoff zu hoch ist, da bei einer induktiven Erwärmung nur ein lokal sehr begrenzter Bereich erwärmt werden muss.

Insbesondere kann ein derartiges Verfahren auch für die schwierig zu beschichtenden Dichtfins bei TiAl-Schaufeln eingesetzt werden.

Unter TiAl-Schaufeln bzw. TiAl-Werkstoffen, werden bei der vorliegenden Erfindung Materialien verstanden, die überwiegend aus Titan und Aluminium bzw. mit den größten Bestandteilen aus Titan und Aluminium gebildet sind. Insbesondere werden hierunter Werkstoffe verstanden, die in ihrem Gefüge zu einem großen Anteil intermetallische Phasen wie γ-TiAl oder a ₂ -Ti ₃ Al aufweisen. Die entsprechenden Werkstoffe können mit anderen Elementen, wie beispielsweise Niob, Mangan oder dergleichen legiert sein.

Die Lote, die für die löttechnische Aufbringung von Hartstoffen verwendet werden können, umfassen Ti - Basis - Lote, TiöOCuNi, Ti70CuNi, Ni - Basis - Lote, AMS47XX, ASM4775, ASM4776, ASM4777, ASM4778, ASM4779 und ASM4782.

Unter Ti - Basis - Lot wird hierbei ein Lot verstanden, welches, wie beispielsweise TiöOCuNi oder Ti70CuNi, einen überwiegenden Anteil an Titan aufweist oder Titan den größten Bestandteil darstellt. Bei TiöOCuNi oder Ti70CuNi liegt der Anteil des Titan bei 00 bzw. 70 Gew.%.

Darüber hinaus können Ni - Basis - Lote eingesetzt werden, bei denen wiederum Nickel den überwiegenden Anteil oder den größten Bestandteil darstellt. Bekannte Nickellote werden mit den Bezeichnungen AMS47XX, wobei XX als Platzhalter für Ziffern zwischen 1 und 9 steht, vertrieben. Besondere Beispiele, die gut für die vorliegende Erfindung geeignet sind, sind ASM4775 mit 14 Gew.% Chrom, 4,5 Gew.% Eisen, 4,5 Gew.% Silizium, 3,1 Gew.% Bor und 0,7 Gew.% Kohlenstoff und dem Rest Nickel sowie ASM477Ö mit 14 Gew.% Chrom, 4,5

Gew.%o Eisen, 4,5 Gew.% Silizium, 3,1 Gew.% Bor und dem Rest Nickel, ASM4777 mit 7 Gew.% Chrom, 3 Gew.% Eisen, 4,1 Gew.% Silizium, 3 Gew.% Bor und dem Rest Nickel, ASM4778 mit 4,5 Gew.% Silizium, 2,9 Gew.% Bor und dem Rest Nickel, ASM4779 mit 3,5 Gew.% Silizium, 1,9 Gew.% Bor und dem Rest Nickel sowie ASM4782 mit 19 Gew.% Chrom, 10 Gew.% Silizium und dem Rest Nickel.

Die Hartstoffe, die in einer Mischung aus mindestens einem Hartstoff und mindestens einem Lot auf die TiAl-Schaufel aufgebracht werden, können Aluminiumoxid, Bornitrid, kubisches Bornitrid, Siliziumkarbid und Titankarbid umfassen.

Die Mischung aus Hartstoff und Lot kann im Verhältnis von 1 :1 bis 9:1 Hartstoff zu Lot gewählt werden.

Zur Aufbringung des Gemisches aus Hartstoff und Lot kann ein Lotformteil aus entsprechenden Partikeln aus Hartstoff und Lot gesintert werden, welches dann beispielsweise über einen Klebstoff oder durch eine Schweißverbindung, wie beispielsweise eine Punktschweißverbindung, insbesondere Widerstandspunktschweißverbindung auf der TiAl-Schaufel angeordnet werden kann, um anschließend durch induktive Erwärmung aufgelötet zu werden. Neben vorgesinterten Lotformteilen können auch entsprechende Lottapes Verwendung finden, die als streifenförmige Bauteile ausgebildet sein können und anstelle einer Sinterverbindung der Pulverpartikel aus Hartstoff und Lot ein Bindemittel aufweisen können, um die Pulverpartikel in Tape-Form zu halten. Ein derartiges Lottape kann beispielsweise auch über einen Klebstoff auf der TiAl- Schaufel angeordnet werden, um anschließend durch Temperatureinwirkung aufgelötet zu werden.

Ferner ist es möglich das Gemisch aus Hartstoff und Lot in Form einer Paste aufzubringen, welche zusätzlich zu den Partikeln aus Hartstoff und Lot einen organischen Binder umfasst, der die Paste in einem fließfähigen Zustand zusammenhält, sodass die Paste durch Streichen oder Bedrucken auf der TiAl-Schaufel aufgebracht werden kann. Der organische Binder einer Lötpaste kann einen Anteil von 5 bis 30 Gew.%, insbesondere 10 bis 20 Gew.% am Gesamtgewicht der Lötpaste aufweisen, wobei die Anteile an Lot und Hartstoff wie oben angegeben in einem Verhältnis von 1 :1 bis 9:1 von Hartstoff zu Lot vorliegen können.

Die Lotformteile, Löttapes oder die Lötpaste können bei Temperaturen im Bereich von 900 C° bis 1 100 C°, insbesondere 940 C° bis 1060 C°, vorzugsweise im Bereich von 960 C° bis 1020 C° auf die TiAl-Schaufel aufgelötet werden, wobei Haltezeiten der entsprechenden Temperaturen im Bereich von 30 Sekunden bis zehn Minuten, vorzugsweise im Bereich von einer Minute bis zwei Minuten gewählt werden können.

Nach dem Aufschmelzen des Lots kann die aufgelötete Mischung kontrolliert mit Abkühlraten im Bereich von 10 Kelvin pro Minute bis 100 Kelvin pro Minute, vorzugsweise oberhalb des Spröd-Duktil-Übergangs abgekühlt werden. Auch eine unkontrollierte Abkühlung ist denkbar.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in

Fig. 1 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Auflötens einer Panzerung mittels eines vorgesinterten Lotformteils, und in

Fig. 2 eine Darstellung des Auflötens einer Lötpaste zur erfindungsgemäßen Herstellung einer Panzerung auf einem Dichtfin einer TiAl-Schaufel.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen deutlich. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.

Die Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht durch einen Teil einer TiAl-Schaufel, wobei in der Fig. 1 lediglich das Ende einer Dichtrippe bzw. eines Dichtfins 1 gezeigt ist. Das Ende der Dichtrippe 1, welches zur Abdichtung gegen einen stehenden Körper der Strömungsmaschine anliegt und somit im Schleifkontakt ist, soll durch eine entsprechende Panzerung eine verbesserte Verschleißbeständigkeit aufweisen.

Zu diesem Zweck ist an dem Ende des Dichtfins 1 ein vorgesintertes Lotformteil 2 angeordnet, welches aus einer Mischung aus mindestens einem Hartstoff und einem Lot gebildet ist.

Das Lotformteil 2 ist aus einer Pulvermischung aus Hartstoff - Partikeln und Lot - Partikeln in eine gewünschte Form gesintert worden, wie sie beispielsweise in der Fig. 1 im Querschnitt dar- gestellt ist. Exemplarisch sind im Bereich der Dichtfläche des Dichtfins 1 hervorstehende Hartstoffpartikel 3 dargestellt.

Nach dem Anordnen des Lotformteils 2 wird das Lotformteil 2 sowie der Endbereich des Dichtfins 1, an dem das Lotformteil 2 angeordnet ist, induktiv erwärmt, wozu eine Spule 4 mit einem Hochfrequenzgenerator 5 zur Erzeugung hochfrequenter Magnetwechselfelder angeordnet ist. Durch eine gezielte Anordnung der Spule 4 im zu erwärmenden Bereich des Dichtfins 1 und des Lotformteils 2 ist eine gezielte Wärmeeinbringung begrenzt auf den Lötbereich möglich. Das Löten erfolgt je nach Lotwerkstoff unter Vakuum oder Schutzgas.

Bei Verwendung eines Lotformteils 2 mit beispielsweise 50% Anteil Aluminiumoxidpartikeln und 50% Anteil des Lotwerkstoffs AMS4777 mit 7 Gew.% Chrom, 3 Gew.% Eisen, 4,1 Gew.% Silizium, 3 Gew.% Bor and Rest Nickel wird das Lotformteil 2 und das Ende des Dichtfins 1 auf eine Temperatur im Bereich von 1000 C° bis 1080 C°, vorzugsweise 1020 C° bis 1060 C° aufgeheizt und für ein bis zwei Minuten bei dieser Temperatur gehalten. Danach wird die Leistung des Hochfrequenzgenerators 5 so abgesenkt, dass eine geregelte Abkühlung mit einer Abkühlgeschwindigkeit im Bereich von 50 Kelvin pro Minute erreicht wird. Erforderlichenfalls kann eine zusätzliche Kühlung, beispielsweise durch einen Ventilator oder dergleichen zusätzlich angewandt werden. Die Nutzung eines Ventilators ist prinzipiell nur möglich, falls in Ar-Atmosphäre gelötet wird.

Durch die Wärmebehandlung schmilzt der Lotanteil des Lotformteils 2 und bildet mit den Hartstoffpartikeln 3 sowie dem TiAl-Grundwerkstoff der TiAl-Schaufel bzw. des Dichtfins 1 einen festen stoffschlüssigen Verbund, sodass die Hartstoffpartikel sicher in einer Matrix aus dem Lotwerkstoff enthalten sind.

Die Fig. 2 zeigt eine alternative Ausfuhrungsform, bei welcher wiederum eine Dichtfin einer TiAl-Schaufel mittels induktiver Erwärmung unter Verwendung einer Spule 4 und eines Hochfrequenzgenerators 5 gepanzert wird. Allerdings wird die Panzerung nicht wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 durch ein Lotformteil 2 aufgebracht, sondern am Dichtfin 1 wird eine Lötpaste 6 aufgetragen, die wiederum Hartstoffpartikel sowie Partikel aus einem Lot 7 umfasst. Diese Pulverpartikel aus Hartstoff 3 und Lot 7 sind in der Lötpaste jedoch in einem organischen Binder 8 aufgenommen, der es ermöglicht die Lötpaste 6 beispielsweise durch Bestreichen auf dem Dichtfin 1 aufzubringen.

Nach dem Aufbringen der Lötpaste 6 wird der Lötbereich mit der Lötpaste 6 und dem Ende der Dichtfin 1 , auf dem die Lötpaste aufgebracht ist, entsprechend induktiv erwärmt, sodass zunächst der Binder 8 zersetzt wird und/oder verdampft und anschließend das aufgeschmolzene Lot 7 die Hartstoffpartikel 3 umschließt und stoffschlüssig mit dem Dichtfin 1 verbindet.

Die Löttemperaturen und Haltedauern können ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 gewählt werden, wobei jedoch eine längere Aufheizperiode zum Zersetzten und/oder Verdampfen des Binders vorgesehen werden kann.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann klar, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen gewählt werden. Die vorliegende Erfindung offenbart sämtliche Kombinationen der vorgestellten Merkmale.