LADRU FRANCIS (DE)
REINKENSMEIER INGO (DE)
SCHULZ THORSTEN (DE)
STÖHR BRITTA (DE)
| WO2018033577A1 | 2018-02-22 |
| EP1391537A1 | 2004-02-25 | |||
| US20100213247A1 | 2010-08-26 | |||
| US4399167A | 1983-08-16 | |||
| US20150337671A1 | 2015-11-26 | |||
| EP2444513A1 | 2012-04-25 | |||
| US20130004938A1 | 2013-01-03 | |||
| US8308830B2 | 2012-11-13 | |||
| US4399167A | 1983-08-16 | |||
| US10183312B2 | 2019-01-22 |
| Patentansprüche 1. Teilchen ( 1 ) , das ein mit einem Metall ummanteltes, abrasives Partikel (4) , insbesondere kubisches Bornitrid, aufweist . 2. Teilchen nach Anspruch 1, ummantelt mit einer Schicht (7) aus einem Metall, insbesondere aus Titan (Ti) und/oder Nickel (Ni) . 3. Teilchen nach Anspruch 1 oder 2, bei dem nur eine Schicht oder nur eine Ummantelung (7), insbesondere aus nur einem Metall um das abrasive Partikel (4) , insbesondere um das kubische Bornitrid-Partikel (4), vorhanden ist. 4. Verfahren zur Herstellung einer Schicht (16), bei dem Teilchen (1) gemäß einem oder mehreren der Ansprü che 1, 2 oder 3 verwendet werden. 5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Teilchen (1) mit einem metallischen Matrixmate rial (15) vermengt werden oder sind und aufgebracht werden. 6. Verfahren zur Herstellung einer Schicht (22) auf einem Substrat ( 13 ) , bei dem ein Lotmaterial als metallisches Matrixmaterial mit Teilchen (1) gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, insbesondere Lotmaterial in Form einer Lötpaste, eines Löttapes, eines Lotpulvers durch ein Auftragungsverfahren, insbesondere durch ein Schweißverfahren oder ein thermi sches Spritzverfahren aufgetragen wird, wobei Lotmaterial bedeutet, dass die Schmelztemperatur des Lotmaterials um mindestens 10 K, insbesondere um 20K niedriger ist als das des Substrats (13) . 7. Schichtsystem (10), zumindest aufweisend ein Substrat (13), insbesondere ein metallisches Substrat (13), das eine Schicht (22) aufweist, die (22) ein Lotmaterial (19) und Teilchen (1) gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3 aufweist, wobei das Lotmaterial (19) eine um 10K, insbesondere um mindestens 20K niedrigere Schmelztemperatur als das Material des Substrats (13) aufweist. 8. Dichtungssystem, das einen Stator und rotierende Teile mit einem Schichtsys tem (10) nach Anspruch 7 aufweist, insbesondere auf dem rotierenden Teil, ganz insbesondere auf einer Laufschaufei . |
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Lötverfahren, bei dem abrasive Partikel, insbesondere kubisches Bornitrid, in einer Matrix aus einem Lotmaterial aufgebracht werden und eine bes sere Haftung in dem Matrixmaterial aufweisen sollen.
Der optimale Spalt in Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken hat einen entscheidenden Einfluss auf Wirkungsgrad und Per formance dieser Maschinen. Ein etabliertes System, um diesen einzustellen, ist eine Einreibschicht auf Gehäuseseite (z.B. Honeycombs), in welche die rotierenden Teile (z.B. Turbinen laufschaufeln) sich einreiben. Dadurch wird unabhängig von Fertigungstoleranzen, asymmetrischer Gehäuseverformung,
Rotorverschiebung, etc. der optimale Spalt eingeschliffen.
Des weiteren ist das Panzern der Schaufelspitzen mit z.B. kubischem Bornitrid (cBN) , um die Schaufelspitzen beim ein reiben zu schützen, Industriestandard.
Die Applikation des cBN ist allerdings problematisch, da cBN nicht besonders gut Bindungen mit anderen Materialien ein geht. Des weiteren muss für den Turbinenbereich das einbet tende Material (Matrix) hochtemperaturbeständig sein. Einbet tungen in z.B. Harz-Derivaten wie im Schleifmittelbau (US 2013/004938 Al) ist daher nicht möglich.
Je besser die Anbindung des cBN an den rotierenden Bauteilen, desto effektiver ist die endgültige Schleifwirkung. Der Wahr scheinlichkeit des Ausbrechens der Partikel während des Ein schneidprozesses wird entgegengewirkt.
Bekannte Fertigungsverfahren sind die galvanische Applikation oder das induktive Auflöten mittels spezieller cBN Tapes, je doch sind diese kostenintensiv und technisch komplex. Die US 8,308,830 B2 offenbart beschichtete Partikel aus kubi schem Bornitrid, die zwei Lagen von Beschichtungen aufweisen.
Die US 4,399,167 offenbart die metallische Beschichtung von abrasiven Partikeln.
Die US 10,183,312 B2 offenbart beschichtete abrasive Partikel mit einer Lötschicht, wobei diese Lötschicht die Matrix der herzustellenden Schicht darstellt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen .
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Partikel gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 2, ein Schichtsystem gemäß Anspruch 3 und ein Dichtungssystem nach Anspruch 4.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön nen, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die Experimente haben gezeigt, dass die Lötergebnisse erheb lich verbessert werden können, wenn die abrasiven Partikel wie cBN Körner hier als beispielhaftes abrasives Partikel mit einer zusätzlichen bindungsfreudigen/reaktionsfreudigen Be schichtung versehen sind, anstelle von puren abrasiven Kör nern. Diese metallischen Beschichtungen sind insbesondere Nickel (Ni) oder Titan (Ti) .
Vorteile sind
die Anbindung und Einbettung der cBN-Körner ist wesent lich verbessert. Somit erhöht sich die Haltekraft und damit die Schleifwirkung des cBN, und
die Oberflächenqualität wird wesentlich gesteigert. Für die Spaltauslegung ist eine geringe Fertigungstoleranz oder eine hohe Oberflächengüte erforderlich. Somit kön nen die Spalte enger ausgelegt werden und führen zu einem höheren Wirkungsgrad der Gasturbine. Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbei spiele der Erfindung dar.
Figur 1 zeigt ein ummanteltes abrasives Partikel,
Figur 2 zeigt ein Schichtsystem.
Das Teilchen 1 weist im Inneren einen Kern aus einem abrasi ven Partikel 4, insbesondere kubisches Bornitrid (cBN) auf, mit einer umlagigen Schicht 7 aus einem Metall, vorzugsweise Titan (Ti) oder Nickel (Ni), was zu einer besseren Anbindung in einem Lotmaterial führt.
Mit Metall sind metallische Materialien gemeint, also auch metallische Legierungen.
In Figur 2 ist schematisch ein Schichtsystem 10 dargestellt.
Das Schichtsystem 10 ist vorzugsweise ein Turbinenbauteil eines Dichtungssystems, das an einem Ende eine abrasive Be schichtung 22 aufweisen soll.
Das Bauteil als Schichtsystem 10 weist ein Substrat 13, ins besondere ein metallisches und ganz insbesondere eine Nickel oder Kobalt-basierte Superlegierung, auf.
Auf dem Substrat 13, insbesondere auf dessen Oberfläche 16, soll eine abrasive Schicht 22 oder ein Material mit abrasiven Partikeln, insbesondere kubisches Bornitrid (cBN) aufgetragen werden. Dies soll durch ein Lötverfahren erfolgen.
Dabei wird in Form eines Plasmaspritzverfahrens, HVOF oder einer Lötpaste oder in Form von Tapes ein Lotmaterial 19 ver wendet, das die Teilchen 1 gemäß Figur 1 aufweist.
Das aufgetragene Lotmaterial 19 stellt dann die äußere
Schicht 22 dar. Das Lotmaterial 19 weist insbesondere einen um mindestens 10K, insbesondere um mindestens 20K niedrigeren Schmelzpunkt auf, als das Material des Substrats 13. Als Schmelzpunkterniedriger im Lot kommen vorzugsweise typische Elemente wie Bor (B) , Silizium (Si), Phosphor (P) , Hafnium (Hf) , Zirkonium (Zr) oder auch Mangan (Mn) und/oder Germanium (Ge) zum Einsatz.
Die Teilchen 1 sind sowohl vollkommen in der Schicht 22 vor handen als auch ragen sie aus der Oberfläche 25 der Schicht 22 hinaus.
Die Schicht 22 weist also drei verschiedene Materialien auf, die des abrasiven Partikels 4, die der Schicht 7 um das Par tikel 4 und das Lotmaterial 19.
Die Schicht 16 ist in einem solchen Dichtungssystem dann vor zugsweise nur auf der Schaufelspitze einer Turbinenlaufschau fel aufgebracht.
Die Turbinenlaufschaufel kann und wird in der Regel bei Gas turbinen auf dem Schaufelblatt und/oder der Schaufelplattform ebenfalls metallische und/oder keramische Beschichtungen auf weisen, die aber nicht die Teilchen 1 aufweisen.
Der Stator oder das Gehäuses einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine, weist auch eine Schutzbeschichtung auf, in die sich diese abrasive Schicht 16 einreibt. Die Beschichtung auf dem Gehäuse oder Stator kann nur metallisch, nur kera misch sein oder ein Schichtsystem aus metallischer Haftver mittlerschicht und äußerer keramischer Schicht oder mehrlagi gen keramischen Schichten aufweisen.
Die Schichten oder das Schichtsystem des Gehäuses sind so ausgebildet, dass sie mechanisch weicher sind als die abrasi ve Schicht 16, so dass ein Einschleifen möglich ist. Dies kann durch die Zusammensetzung der metallischen oder kerami schen Beschichtung erzielt werden und/oder auch durch Ein stellung der Porositäten der Schicht oder der Schichten, so wie vorzugsweise mittels Laser oder Wasserstrahl eingebrach- ter Längsrillen.
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