Verfahren zur Herstellung einer Lauf- oder Statorschaufel und eine derartige Schaufel

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lauf- oder Statorschaufel für eine Gasturbine, insbesondere für eine Fluggasturbine, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Lauf- oder Statorschaufel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 14.

Bei Lauf- und Statorschaufeln ist es vorteilhaft leichte, hochwarmfeste Werkstoffe wie TiAl-Legierungen zu verwenden. Nachteilig bei derartigen Werkstoffen ist vielfach eine hohe Sprödigkeit und Rißanfälligkeit, die insbesondere im Bereich des Schaufelfußes aufgrund der dort auftretenden Belastungsarten und Kerbwirkung kritisch ist.

Aus der Patentanmeldung EP 1 903 127 AI ist ein Verfahren zum Herstellen von Turbinenbauteilen durch Kaltgasspritzen bekannt, bei dem ein Werkstoff mittels eines Kaltgasspritz- verfahrens auf einen Träger, beispielsweise einen Keramikkern, zur Ausbildung des Schaufelblattes aufgespritzt wird. Eine Anpassung der Werkstoffe in einzelnen Bereichen der Schaufel ist nicht offenbart, so dass das eingangs genannte Problem auftritt.

Demgegenüber ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer leichten, hochwarmfesten Lauf- oder Statorschaufel zu schaffen, bei der die genannten Nachteile nicht auftreten.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Lauf- oder Statorschaufel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Lauf- oder Statorschaufel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Lauf- oder Statorschaufel einer Gasturbine, insbesondere einer Fluggasturbine, mit einem Schaufelfuß und einem Schaufelblatt, wird der Schaufelfuß mittels eines thermischen Spritzverfahrens auf das Schaufelblatt aufgebracht. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst das Ausbilden des Schaufelblatts aus zumindest einem ersten Werkstoff und das Aufbringen des Schaufelfußes aus mindestens einem zweiten Werkstoff mittels eines thermischen Spritzverfahrens auf das Schaufelblatt. Ein derartiges Verfahren ermöglicht die Ausbildung des Schaufelfußes aus gegenüber dem Schaufelblatt unterschiedlichen Werkstoffen, so dass die Werkstoffwahl der Schaufelabschnitte belas- tungsoptimiert erfolgen kann. Aufgrund der Schaufelfußherstellung aus einem geeigneten Werkstoff kann eine Verschleißschutzbeschichtung des Schaufelfußes entfallen. Vorteilhaft ist ferner, dass die Schaufelblätter in großen Stückzahlen kostengünstig herstellbar sind und die Anpassung der Schaufeln an die Scheiben der Gasturbine durch unterschiedlich ausgeführte Schaufelfuße erfolgen kann.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn als thermisches Spritzverfahren ein Kaltgasspritzverfahren (Cold Spray) verwendet wird. Das kinetische Kaltgasspritzen ist ein schichtaufbauendes Verfahren, bei dem ein pulverförmiger Werkstoff oder eine pulverförmige Mischung von unterschiedlichen Werkstoffen mit sehr hoher Geschwindigkeit auf ein Trägermaterial, im vorliegenden Fall auf das Schaufelblatt, aufgebracht wird. Hierzu werden die Pulverpartikel in einen Gasstrahl aus aufgeheiztem Gas injiziert, wobei der Gasstrahl durch Expansion in einer meist lavalartig ausgebildeten Kaltgasspritzdüse beschleunigt wird. Die Spritzpartikel werden durch Injektion in den Gasstrahl auf eine derart hohe Geschwindigkeit beschleunigt, dass sie im Gegensatz zu anderen thermischen Spritzverfahren auch ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen beim Aufprall auf das Substrat eine dichte und fest haftende Schicht bzw. einen Formkörper bilden. Ein derartiges Kaltgasspritzverfahren ermöglicht die Ausbildung eines fest haftenden, hochfesten Schaufelfußes aus gegenüber dem Schaufelblatt unterschiedlichem

Werkstoff.

Bei einem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Schaufelblatt aus dem zumindest einen ersten Werkstoff spanlos und/oder spanend hergestellt und der Schaufelfuß durch Aufspritzen mindestens eines zweiten, von dem ersten Werkstoff abweichenden Werkstoffs ausgebildet. Der Schaufelfuß wird vorzugsweise durch Aufspritzen eines relativ zu dem ersten Werkstoff duktileren Werkstoffs mit geringerer Rissempfindlichkeit hergestellt. Das Schaufelblatt kann aus einer Ti-Legierung, insbesondere aus einer hochwarmfes- ten, leichten TiAl-Legierung ausgebildet werden, da die möglicherweise hohe Sprödigkeit und Rissanfalligkeit derartiger Werkstoffe im Bereich des Schaufelfußes aufgrund der in diesem Abschnitt auftretenden Belastungsarten durch das erfindungsgemäße Ausbilden des Schaufelfußes mittels eines thermischen Spritzverfahrens aus einem duktilen Werkstoff auf das Schaufelblatt aufgebracht werden kann. Der Schaufelfuß kann durch Aufspritzen einer Superlegierung auf Nickel-, Kobalt- oder Eisenbasis, insbesondere durch Aufspritzen von IN718 hergestellt werden. Der Schaufelfuß kann bereits endkonturnah ausgebildet werden und nach dem Spritzen, beispielsweise spanend, feinbearbeitet werden.

Das Schaufelblatt kann durch ein generatives Verfahren, beispielsweise ein Selektives- Laser-Schmelzverfahren (SLM Selectiv Laser Melting), ausgebildet werden. Ein derartiges Verfahren ermöglicht eine konturgenaue Herstellung des Schaufelblatts aus hochwarmfesten Werkstoffen, wobei die Bauteilgeometrie aufgrund der generativen Verfahrensdurchführung schnell und kostengünstig, beispielsweise zur Optimierung, angepasst werden kann.

Alternativ kann das Schaufelblatt mittels eines herkömmlichen Gussverfahrens fertigungstechnisch einfach hergestellt werden.

Vorzugsweise erfolgt das Spritzen derart, dass die Kontur des Schaufelfußes während des Spritzens zumindest im Wesentlichen hergestellt wird. Dadurch wird eine Nachbearbeitung des gespritzten Schaufelfußes vermieden oder zumindest auf ein Minimum reduziert.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das Schaufelblatt derart ausgebildet wird, dass nach dem Aufbringen des Schaufelfußes neben der kraft- und stoffschlüssigen Verbindung eine formschlüssige Verbindung hergestellt ist. Durch die geometrische Auslegung des Schaufelblattes im Bereich des Schaufelfußes kann die Verbindung mit dem Schaufelfuß weiter verbessert werden. Insbesondere kann die Trennung des Schaufelblatts von dem Schaufelfuß im Betrieb auch bei extremen Belastungen verhindert werden.

Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird das Schaufelblatt im Bereich des Schaufelfußes mit einer dem äußeren Konturverlauf des Schaufelfußes ähnlichen Außenkontur ausgeführt.

Das Spritzen des Schaufelfußes kann derart erfolgen, dass der Schaufelfuß mit einer Tan- nenbaumstruktur ausgebildet wird. Mittels dieser bekannten Formgebung wird eine sichere Verbindung der Laufschaufeln mit der Scheibe erreicht.

Bei einem bevorzugten Verfahren werden das Schaufelblatt und der Schaufelfuß derart ausgebildet, dass das Schaufelblatt im Fußbereich einen gegenüber dem restlichen Schaufelblatt zumindest abschnittsweise vergrößerten Querschnitt aufweist. Das Schaufelblatt und der Schaufelfuß werden hierbei vorzugsweise derart ausgebildet, dass sich das Schaufelblatt in Richtung des festlegbaren Endes der Schaufel durch den Schaufelfuß erstreckt und ein freier Endabschnitt des Schaufelblatts einen gegenüber dem Schaufelblatt vergrößerten Querschnitt aufweist. Dieser Schaufelblattbereich wird bei einem konkreten Ausfuhrungsbeispiel des Verfahrens mit einem etwa T-förmigen Halteabschnitt versehen.

Eine erfindungsgemäße Lauf- oder Statorschaufel für eine Gasturbine, insbesondere für eine Fluggasturbine, hat einen Schaufelfuß und ein Schaufelblatt, wobei das Schaufelblatt aus zumindest einem ersten Werkstoff ausgebildet und der Schaufelfuß aus mindestens einem zweiten Werkstoff mittels eines thermischen Spritzverfahrens auf das Schaufelblatt aufgebracht ist.

Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schemati- scher Darstellungen näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Figur 1 eine räumliche Darstellung einer erfindungsgemäßen Laufschaufel einer Fluggasturbine;

Figur 2 eine Schnittdarstellung der Laufschaufel aus Figur 1 entlang der Schnittlinie A-A gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel und

Figur 3 eine Schnittdarstellung einer Laufschaufel gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel entsprechend einer Schnittlinie A-A. Figur 1 zeigt eine Laufschaufel la einer als Fluggasturbine 2 ausgebildeten Gasturbine. Die Laufschaufel la hat einen Schaufelfuß 4a, eine Schaufelplattform 6a und ein aerodynamisch optimiertes Schaufelblatt 8a. Der Schaufelfuß 4a ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Tarmenbaumstruktur versehen, mittels der eine sichere Verbindung der Laufschaufel la mit einer nicht dargestellten Scheibe erreicht wird.

Wie insbesondere Figur 2 zu entnehmen ist, die eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A aus Figur 1 zeigt, wird der Schaufelfuß 4a erfindungsgemäß mittels eines thermischen Spritzverfahrens auf das Schaufelblatt 8a aufgebracht. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst hierbei das Ausbilden des Schaufelblatts 8a aus zumindest einem ersten Werkstoff und das Aufbringen des Schaufelfußes 4a aus mindestens einem zweiten Werkstoff mittels eines thermischen Spritzverfahrens auf das Schaufelblatt 8a. Ein derartiges Verfahren ermöglicht die Ausbildung des Schaufelfußes 4a aus gegenüber dem Schaufelblatt 8a unterschiedlichen

Werkstoffen, so dass die Werkstoffwahl der Schaufelabschnitte belastungsoptimiert erfolgen kann. Die Laufschaufel la weist in ihrem Schaufelblattbereich 8a eine komplexe Geometrie auf, die durch ein erfindungsgemäßes Verfahren herstellbar ist, wobei eine hohe Flexibilität gegenüber Änderungen der Geometrie der Laufschaufel la gegeben ist. Aufgrund der Schaufelfußherstellung aus einem geeigneten Werkstoff kann eine Verschleißschutzbeschichtung des Schaufelfußes 4a entfallen, so dass eine Kostenreduzierung erreicht wird. Vorteilhaft ist ferner, dass die Schaufelblätter 8a in großen Stückzahlen kostengünstig herstellbar sind und die Anpassung der Schaufeln la an die Scheiben durch unterschiedliche, flexibel konturiert herstellbare Schaufelfuße 4a erfolgen kann.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn als thermisches Spritzverfahren ein Kaltgasspritzverfahren verwendet wird. Ein derartiges Kaltgasspritzverfahren ermöglicht die Ausbildung eines fest haftenden, hochfesten Schaufelfußes 4a aus gegenüber dem Schaufelblatt 8a unterschiedlichem Werkstoff.

Das Schaufelblatt 8a wurde bei dem dargestellten Beispiel durch ein generatives Verfahren mittels eines Selektiven-Laser-Schmelzverfahrens ausgebildet. Ein derartiges Verfahren ermöglicht eine konturgenaue Herstellung des Schaufelblatts 8a aus hochwarmfesten Werkstoffen, wobei die Bauteilgeometrie aufgrund der generativen Verfahrensdurchfuhrung schnell und kostengünstig, beispielsweise zur Optimierung, angepasst werden kann. Das Schaufelblatt 8a kann alternativ mittels eines herkömmlichen Gussverfahrens fertigungstechnisch einfach hergestellt werden.

Der Schaufelfuß 4a wird durch Aufspritzen eines relativ zu dem ersten Werkstoff duktileren Werkstoffs mit geringerer Rissempfindlichkeit hergestellt. Das Schaufelblatt 8a ist aus einer hochwarmfesten, leichten TiAl-Legierung ausgebildet worden, da die möglicherweise hohe Sprödigkeit und Rissanfälligkeit derartiger Werkstoffe im Bereich des Schaufelfußes 4a aufgrund der in diesem Abschnitt auftretenden Belastungsarten durch das erfindungsgemäße Ausbilden des Schaufelfußes 4a mittels eines thermischen Spritzverfahrens aus einem duktilen Werkstoff auf das Schaufelblatt 8a umgangen werden kann. Der Schaufelfuß 4a ist durch Aufspritzen von IN718 hergestellt worden. Das Kaltgasspritzen erfolgte derart, dass die Kontur des Schaufelfußes 4a während des Spritzens bereits im Wesentlichen hergestellt wurde. Entsprechend wurde der Schaufelfuß 4a bereits endkonturnah ausgebildet und nach dem Spritzen spanend lediglich feinbearbeitet. Dadurch wird eine Nachbearbeitung des gespritzten Bauteilabschnitts auf ein Minimum reduziert.

Das Schaufelblatt 8a wurde derart ausgebildet, dass nach dem Aufbringen des Schaufelfußes 4a neben der kraft- und stoffschlüssigen Verbindung eine formschlüssige Verbindung hergestellt ist. Insbesondere ist das Schaufelblatt 8a und der Schaufelfuß 4a derart ausgebildet worden, dass das Schaufelblatt 8a an einem Schaufelblattunterteil 10a einen gegenüber einem Schaufelblattoberteil 12a, d.h. dem restlichen Schaufelblatt 8a, abschnittsweise vergrößerten Querschnitt aufweist. Durch die geometrische Auslegung des Schaufelblattes 8a im Bereich des Schaufelfußes 4a kann die Verbindung mit dem Schaufelfuß 4 weiter verbessert werden.

Insbesondere kann die Trennung des Schaufelblatts 8a von dem Schaufelfuß 4a im Betrieb auch bei extremen Belastungen verhindert werden. Bei dem Ausfuhrungsbeispiel des Verfahrens gemäß Figur 2, wird das Schaufelblatt 8a im Bereich des Schaufelfußes 4a mit einer dem äußeren Konturverlauf 14 des Schaufelfußes 4a ähnlichen äußeren Kontur 16 ausgeführt. Das heißt, das Schaufelblatt 8a wird mit einer tannenbaumartigen Struktur 16 versehen, die beabstandet der Außenkontur 14 des späteren Schaufelfußes 4a angenähert ist. Das Kaltgasspritzen erfolgt anschließend derart, dass der Schaufelfuß 4a mit einer Tannenbaumstruktur ausgebildet wird, die abschließend spanend feinbearbeitet wird. Alternativ wird ein Formkörper aufgespritzt, der anschließend spanend Grob- und Feinbearbeitet wird.

Wie Figur 3 zu entnehmen ist, die eine Schnittdarstellung einer Laufschaufel lb gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel entsprechend einer Schnittlinie A-A zeigt, werden ein Schaufelblatt 8b und ein Schaufelfuß 4b derart ausgebildet, dass ein freier Endabschnitt 18 des Schaufelblatts 8b, bzw. ein Schaufelblattunterteil 10b, im Fußbereich einen, gegenüber dem restlichen Schaufelblatt 8b oberhalb einer Schaufelplattform 6b, d.h. einem Schaufelblattoberteil 12b, abschnittsweise vergrößerten Querschnitt aufweist. Das Schaufelblatt 8b erstreckt sich in Richtung des festlegbaren Endes der Schaufel lb durch den Schaufelfuß 4b. Der vergrößerte Endabschnitt ist bei dem konkreten Ausfuhrungsbeispiel als etwa T-förmiger Halteabschnitt 18 mit etwa rechteckigem Querschnitt ausgebildet, der einen Zuganker ausbildet. Der gespritzte Schaufelfuß 4b schließt sich umfangsseitig bündig an den Halteabschnitt 18 an, so dass der Halteabschnitt 18 einen Teil des Schaufelfußes 4b ausbildet.

Offenbart ist ein Verfahren zur Herstellung einer Lauf- oder Statorschaufel la, lb einer Gasturbine, insbesondere einer Fluggasturbine 2, umfassend das Ausbilden eines Schaufelblatts 8a, 8b aus zumindest einem ersten Werkstoff und das Aufbringen eines Schaufelfußes 4a, 4b aus mindestens einem zweiten Werkstoff mittels eines thermischen Spritzverfahrens auf das

Schaufelblatt 8a, 8b. Weiterhin offenbart ist eine Lauf- oder Statorschaufel la, lb hergestellt nach einem derartigen Verfahren.