Beschreibung

Laufschaufel zur Verwendung in Zweiphasenströmungen sowie Verfahren zum Herstellen einer solchen Laufschaufel

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.

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 Unter- druckbereich 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 End ^¬ stufenlaufschaufeln auf. Die Tropfen führen aufgrund der ho- hen kinetischen Energie selbst bei gehärteten Endstufenlauf- schaufeln 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

Laufschaufei ;

- Abführen von anfallendem Kondensat aus den vorgelagerten Schaufelstufen,

- Absaugen des Kondensats von den vorgeschalteten Schaufelblättern,

- Beheizen der vorgeschalteten Schaufelblätter, um das Kondensat zu verdampfen. Die aufgeführten Maßnahmen sind jedoch mit zum Teil signifikanten Kostenerhöhungen verbunden und können in der Regel eine Erosion nicht vollständig verhindern. Laufschaufeln unter- liegen bei Verwendung in Zweiphasenströmungen somit einem ständigen Verschleiß und müssen nach einer gewissen Betriebszeit ausgetauscht werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik eine Laufschaufel zur Verwendung in Zwei ^¬ phasenströmungen bereitzustellen, die einen verbesserten Schutz gegen Erosion bietet. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Laufschaufel bereitzustellen.

Die Aufgabe wird hinsichtlich der Laufschaufel durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Hinsicht ^¬ lich des Verfahrens wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 26 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, welche einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche. Die erfindungsgemäße Laufschaufel zur Verwendung in Zweipha ^¬ senströmungen, 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 Kalt- gasspritzen werden Partikel des Beschichtungsmaterials mit ^¬ tels 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 Bau- teiloberfläche kurzzeitig eine lokale AufSchmelzung einstellt (Kaltverschweißung) . Die Partikelgeschwindigkeit kann dabei so eingestellt werden, dass mit der minimal technisch notwen ^¬ digen Temperaturerhöhung eine Stoffschlüssige Verbindung er- reicht wird. Die Stoffschlüssige Verbindung hat dabei weitge ^¬ hend ähnliche Eigenschaften wie eine Auftragschweißung, ohne jedoch die schweißbedingten Nachteile eines hohen Wärmeeintrags zu besitzen. Die kaltgasgespritzte Beschichtung hat da- bei 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 entge ^¬ gen wirkt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Beschichtung und/oder weitere Bereiche der Laufschaufei druckverfestigt sind. Durch die Druckverfestigung beispiels ^¬ weise 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.

Erfindungsgemäß werden als Beschichtungsmaterial für die durch Kaltgasspritzen aufgebrachte Beschichtung die nachfolgenden besonders bevorzugten Beschichtungsmaterialien verwendet .

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 3 Massen%

1,5 Massen

1 Massen%. Eine weitere besonders vorteilhafte Beschichtung besteht aus einer Kobalt-Basis-Legierung mit Molybdän als zweitem Haupt ^¬ bestandteil 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

Eine weitere vorteilhafte Beschichtung besteht aus einer Ei ^¬ sen-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

Eine weitere vorteilhafte Beschichtung ist eine Eisen- Legierung mit Chrom als zweitem Hauptbestandteil und folgen ^¬ den 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!.

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% .

Eine weitere vorteilhafte Beschichtung besteht aus einer Ni ^¬ ckel-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%

AI 0 - 0,5 Massen!.

Eine weitere besonders bevorzugte Beschichtung besteht aus einer Nickel-Basis-Legierung der oben genannten Art und HartstoffPartikeln mit einem Massenanteil von 15 bis 93!. Besonders vorteilhaft sind dabei Hartstoffpartikel aus Wolf ^¬ ramkarbid und/oder Chromkarbid und/oder Titankarbid. 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!

La ₂ 0 ₃ 0 - 1 Massen!

C 0 - 1 Massen! .

AI 0 - 1 Massen!

Eine weitere besonders bevorzugte Beschichtung besteht aus einer NiCrBSi-Legierung der oben genannten Art und Hartstoff Partikeln mit einem Massenanteil von 20 bis 60!.

Besonders vorteilhaft sind Hartstoffpartikel aus Wolframkar bid und/oder Chromkarbid und/oder Titankarbid.

Eine weitere bevorzugte Beschichtung ist eine Nickel-Basis- Legierung mit Molybdän als zweitem Hauptbestandteil und fol- genden 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

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

Ni 89 - 91 Massen! und

P 9 - 11 Massen!. Eine weitere bevorzugte Beschichtung besteht aus einer Wolf ^¬ ram-Legierung mit folgenden Legierungsbestandteilen:

W 90 - 97 Massen%

Ni 0 - 9 Massen%

- Cu 0 - 9 Massen%

Fe 0 - 4 Massen!.

Eine weitere bevorzugte Beschichtung besteht aus Wolfram oder Tantal .

Eine weitere bevorzugte Beschichtung besteht aus NiAl-Ni3Al- Intermetallkompositen .

Besonders bevorzugt weist die Beschichtung dabei als weitere Bestandteile Tic oder Cr ₂ C3 oder WC Hartstoffpartikel auf.

Eine weitere bevorzugte Beschichtung ist eine korrosionsbe ^¬ ständige Hartmetallbeschichtung mit folgenden Legierungsbestandteilen :

- Ni mit 80 - 93 Massen% Cr ₂ C ₃ 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 Mo ₂ C Hartstoffpartikel ; - CoCr oder NiCr mit MoB HartstoffPartikeln .

Besonders bevorzugt sind Hartstoffpartikel aus Titannitrid, Titansiliziumkarbonnitrid und Diamant geeignet. Eine weitere besonders bevorzugte Beschichtung besteht aus einer Aluminium-Bronze-Legierung mit:

Cu 90 Massen%

AI 9 - 10 Massen%

Fe 0 - 1 Massen%

Alle oben genannten Beschichtungsmaterialien weisen eine besonders hohe Beständigkeit gegen Erosion und insbesondere ge ^¬ gen Tropfenschlagerosion auf. Neben diesen Werkstoffen sind selbstverständlich auch andere Werkstoffe mit hoher Beständigkeit gegen Tropfenschlagerosion geeignet. Die Materialaus ^¬ wahl ist somit nicht auf die genannten Beschichtungsmateria- lien beschränkt. Eine abschließende Auswahl des Beschich- tungsmaterials ist darüber hinaus schwierig, da keine direkte Korrelation zwischen der Erosionsbeständigkeit und den mecha ^¬ nischen 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 Mate ^¬ rials. Die Korrelation der Tropfenschlag-

Erosionsbeständigkeit zur Reib- und Abrasionsbeständigkeit ist im Allgemeinen schwächer ausgeprägt als die zur Kavitati ^¬ onsbeständigkeit. Die Oberflächenaktivierung durch Feuchtig- keit oder Nässe (Rehbinder-Effekt) spielt hierbei eine Rolle.

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 Be- schichtungen, 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 Beschich- tungsmaterial .

Eine neben den oben genannten Beschichtungen weitere bevorzugte Beschichtung der Laufschaufel besteht aus einer Formge- dächtnislegierung . Formgedächtnislegierungen haben unter anderem den Vorteil, dass sie große elastische Dehnungen ermög ^¬ lichen. Hierdurch ergibt sich eine höhere Beanspruchbarkeit der Beschichtung gegenüber anderen Beschichtungen. Eine be- sonders 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 kor- rosionsbeständig 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 ge- gen 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.

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.

Erfindungsgemäß kann die Beschichtung aus mehreren der zuvor beschriebenen Beschichtungsmaterialien bestehen.

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 Kaltgas ^¬ spritzen . Das Verfahren zeichnet sich besonders durch seine wenigen und einfachen Verfahrensschritte aus. Ein besonders bevorzugtes Verfahren zum Ausbilden einer Laufschaufel zeichnet sich dadurch aus, dass die Bereiche der Laufschaufei , 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 beschich- tenden 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. Zur Begrenzung des Beschichtungsbereiches kann die Laufschau ^¬ fel an den nicht zu beschichtenden Stellen vorzugsweise mit einer Schutzeinrichtung oder einer Maske bedeckt werden.

Zur Fixierung und Positionierung der Schaufel werden vorteil- hafter Weise Fixierungen vorgesehen, die eine reproduzierbare Lage und eine sichere Halterung der Schaufel gewährleisten. Für die Endstufenlaufschaufei von Dampfturbinen hat sich da ^¬ bei eine Halterung am Schaufelfuß, am Schaufelblatt (bevor ^¬ zugt) oder an der Schaufelspitze bewährt. Die Halterung kann auch an später zu entfernenden Abschnitten der Schaufel erfolgen .

Vorteilhaft wird die Beschichtung mit einem fließenden Übergang zum Grundmaterial der Laufschaufei ausgeführt. Hierdurch werden zusätzliche Nachbearbeitungsschritte, insbesondere ein Nachbehandeln der Kanten, auf ein Minimum reduziert.

Ein weiteres vorteilhaftes Verfahren zum Ausbilden einer Laufschaufel sieht vor, dass die Erosionsschutzschicht lagen ^¬ weise mit einer Schichtdicke von 0,01 bis 0,25 mm pro Spray- Vorgang oder Lage aufgebracht wird. Hierbei ergibt sich eine gute Verbindung zwischen dem Beschichtungsmaterial und dem Grundmaterial bzw. zwischen den einzelnen Schichten. 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 Pro- zesskosten bei der Verwendung von Stickstoff um ein Vielfaches niedriger.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, Laufschaufeln zur Verwendung in Zweiphasenströmungen zumindest bereichswei- se 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 Ein ^¬ flüsse aufgrund eines zu hohen Wärmeeintrags in die Lauf- schaufei vermieden werden. Das Kaltgasspritzverfahren ermöglicht es zudem, endformnahe Beschichtungen auf die Laufschau ^¬ fel aufzubringen, was sich vor allem bei sehr schwierig nachzubearbeitenden Beschichtungsmaterialien vorteilhaft auswirkt .

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 Laufschaufei 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.

Zudem haben kaltgasgespritzte Schichten den Vorteil, dass beim Spritzen keine Phasenumwandlung im Spritzgut oder Dekar- burisation auftreten, und dass nanostrukturierte Pulver auch zu nanostrukturierten Schichten führen.

Ausführungsbeispiele und weitere Vorteile der Erfindung wer ^¬ den im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt schematisch : Figur 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Laufschaufel;

Figur 2 eine Schnittansicht der in Fig. 1 dargestellten

Laufschaufel entlang der Schnittlinie A - A;

Figur 3 eine Draufsicht auf die in Fig. 1 dargestellte

Laufschaufel aus Richtung x;

Figur 4 eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Be ^¬ schichtung, bestehend aus mehreren einzelnen übereinander angeordneten Schichten;

Figur 5 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer ersten Schicht einer erfindungsgemäßen Beschichtung;

Figur 6 eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel einer ersten Schicht einer erfindungsgemäßen Be- Schichtung;

Figur 7 eine Draufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel einer ersten Schicht einer erfindungsgemäßen Beschichtung;

Figur 8 eine Schnittansicht einer durch einen Spray- Bahnerzeugenden Auftrag gebildeten Beschichtung.

Gleiche bzw. funktionsgleiche Teile sind figurübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Figur 1 zeigt eine Laufschaufel insbesondere zur Verwendung in einer Dampfturbine. Die Laufschaufei 1 umfasst wenigstens einen Fußabschnitt 2 und einem Blattabschnitt 3.

Bei Verwendung der Laufschaufel 1 in der Endstufe einer

Dampfturbine treffen aus der DampfStrömung auskondensierende Flüssigkeitstropfen mit hoher Geschwindigkeit auf den Blatt ^¬ abschnitt 3 der Laufschaufel 1 und führen dabei infolge von Tropfenschlagerosion zum Materialabtrag und nachfolgend zu einer Zerstörung der Laufschaufei 1. Die höchste Erosionsbe ^¬ anspruchung tritt dabei an der Laufschaufelspitze auf, da hier die Umfangsgeschwindigkeit der Laufschaufel 1 am höchs ^¬ ten 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 Be- Schichtung 4 zum Schutz vor Erosion auf. Die Beschichtung 4 ist durch ein Kaltgasspritzverfahren aufgebracht. Als Be- schichtungsmaterial eignen sich besonders vorteilhaft die in der Beschreibungseinleitung genannten und in den Patentan- Sprüchen beanspruchten Materialien.

Figur 2 zeigt einen Schnitt der in Figur 1 dargestellten Laufschaufel 1, entlang der Linie A-A. Die Beschichtung 4 ist im oberen Teil der Laufschaufel 1 im Bereich der Eintritts- kante 5 aufgebracht und umschließt diese vollständig. Durch das Aufbringen der Beschichtung mittels Kaltgasspritzen wird eine wirkungsvolle Erosionsschutzschicht an der Eintrittskan ^¬ te 5 ausgebildet, die eine Zerstörung der Laufschaufel 1 durch Tropfenschlagerosion wirkungsvoll verhindert.

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 Erosions- Schutzschicht weitgehend vermieden. Das Bearbeiten der Be ^¬ schichtung 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.

Die endformnahe Beschichtung 4 der Laufschaufel 1 wird insbe ^¬ sondere mittels einer mechanisierten Führung einer Beschich- tungseinrichtung oder des Bauteils erreicht. Durch die mecha ^¬ nisierte Führung lässt sich die Beschichtung 4 besonders ex- akt und reproduzierbar auf die Laufschaufei 1 aufbringen.

Figur 3 zeigt die in Figur 1 dargestellte Laufschaufel 1 aus der Blickrichtung X. Aus dieser Ansicht lässt sich die drei- dimensionale Form der Laufschaufei 1 erkennen. Die Beschich ^¬ tung 4 lässt sich durch das Kaltgasspritzverfahren exakt dieser dreidimensionalen Form anpassen. Das Aufspritzen der Beschichtung 4 entlang der Eintrittskante 5 erfolgt dabei vor- zugsweise mittels einer mechanisierten Führung. Die Beschichtung ist nur entlang der stark belasteten Eintrittskante 5 der Laufschaufei 1 ausgebildet. Eine Beschichtung der weniger erosionsbelasteten Austrittskante 6 ist nicht erforderlich. Die sich in der DampfStrömung befindlichen Flüssigkeitstrop- fen 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.

Figur 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 Laufschaufelober- fläche 7 eine Cl-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.

Um den fließenden Übergang von der Beschichtung 4 zur Lauf- Schaufeloberfläche 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 flie ^¬ ßenden Übergang von der Beschichtung zur Schaufelblattober- fläche 7 ist ein geeigneter Schichtauftrag mittels Kaltgas ^¬ spritzen wichtig. Besonders geeignete Auftragungsverfahren werden nachfolgend an den Figuren 5 bis 8 näher erläutert.

Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Schicht 4'. Die Schicht 4 'ist mittels Kaltgasspritzen auf den Grundkörper aufgebracht, wobei der Schichtauftrag in mäanderförmigen Be ^¬ wegungen 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 Aus ^¬ nehmung. Durch die versetzt endenden Schichten 4', 4' ',4''' ergibt sich ein besonders gleichmäßiger Auslauf und eine be- sonders endformnahe Beschichtung.

Figur 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 Laufschaufei 1 gewährleistet ist.

Figur 7 zeigt einen weiteren Schichtauftrag in der Drauf- sieht, wobei die Schicht 4' sinus- oder wellenförmig in die

Ausnehmung an der Laufschaufei 1 aufgespritzt ist. Auch hier ^¬ bei ergibt sich ein besonders guter und gleichmäßiger Übergang zwischen dem Grundmaterial der Laufschaufel 1 und der Beschichtung .

Figur 8 zeigt eine weitere Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Beschichtung 4, welche mittels Kaltgasspritzen aufgebracht ist. Es ist zu erkennen, wie die einzelnen Spray- bahnen angeordnet sind, um die gesamte Schicht zu erzeugen (Schichtaufbau) .

Die einzelnen Schichten 4 ' , 4 ' ' , 4 ' der Beschichtung 4 kön- nen aus dem gleichen Beschichtungsmaterial oder aus unter ^¬ schiedlichen Beschichtungsmaterialien bestehen. Als Beschichtungsmaterial eignen sich besonders vorteilhaft die in der Beschreibungseinleitung und in den Patentansprüchen beanspruchten Materialien.

Als besonders vorteilhaftes Beschichtungmaterial hat sich da ^¬ bei eine Formgedächtnislegierung herausgestellt. Besonders vorteilhafte Formgedächtnislegierungen sind NiTi- Formgedächtnislegierungen . Der große Vorteil dieser Formge- dächtnislegierung besteht in ihrer großen elastischen Dehnfähigkeit, die bei superelastischen Formgedächnislegierungen bis zu 14% betragen kann, ihrer besonderen Korrosionsbeständigkeit und ihrer Fähigkeit, Verformungsenergie durch Phasen ^¬ umwandlung zunächst zu absorbieren und verzögert als unschäd- liehe Wärme abzugeben. Hieraus ergibt sich eine besonders ho ^¬ he Beanspruchbarkeit und ein besonders guter Schutz gegen Tropfenschlagerosion .

Nachfolgend soll kurz das Verfahren zum Herstellen einer er- findungsgemäßen 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 da- bei aus dem Grundmaterial hergestellt, und anschließend er ^¬ folgt 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 Erosions ^¬ schutzschicht 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 Lauf ^¬ schaufel 1 treffen. Beim Kaltgasspritzen wird der Beschichtungswerkstoff in Pul ^¬ verform mit sehr hoher Geschwindigkeit auf das Grundmaterial aufgebracht. Hierzu wird ein auf wenige 100°C bis 1000°C auf ^¬ geheiztes Prozessgas durch Expansion in einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt, nachdem Pulverparti- kel 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 Bauteil ^¬ oberfläche 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 Wärmeeinbrin- gung zu besitzen.

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 Laufschaufei 1 berücksichtigt werden. Durch die Ausnehmung kann die Beschichtung 4 so erfolgen, dass direkt eine end- formnahe 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 . 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 Be- schichtungsmaterial 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 .

Zur Begrenzung des Beschichtungsbereiches kann das Bauteil während des Beschichtens an den nicht zu beschichtenden Stel ^¬ len 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 gewährleis- tet. 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. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Beschichtung mittels einer me ^¬ chanisierten Führung einer Beschichtungseinrichtung oder des Bauteils erfolgt. Hierdurch wird eine reproduzierbare für al ^¬ le Laufschaufeln gleiche Beschichtung gewährleistet.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass als Trägergas für das Kaltgasspritzen Stickstoff verwendet wird. Durch die Verwendung von Stickstoff als Trä ^¬ gergas ergeben sich essentiell niedrigere Prozesskosten als bei der Verwendung von Helium.

Das vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren zum Ausbilden ei ^¬ ner 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 Lauf- schaufel 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 Sprit ^¬ zen keine Phasenumwandlung im Spritzgut oder Dekarburisation (bei Hartmetall auf Karbidbasis) auftreten, und dass zum Bei ^¬ spiel nanostrukturierte Pulver zu nanostrukturierten Schichten führen. Der Spritzvorgang führt des Weiteren zu hohen Festigkeiten und Härten der Schicht, welche die des Pulverma ^¬ terials 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 Tro- fenschlagerosion .