Turbinenschaufel mit oxidationsresistenter Schaufelblattspit- ze

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel, deren Schaufel blatt einen Grundkörper aus einem ersten Material und eine Schaufeiblattspitze aus einem zweiten, oxidationsresistenten Material aufweist, sowie ein Verfahren zum Herstellen der be sagten Turbinenschaufel.

Moderne Gasturbinen, z.B. für Gas- und Dampfkraftwerke, sind Gegenstand stetiger Verbesserung, um ihre Effizienz zu stei gern. Dies führt allerdings zu immer höheren Temperaturen im Heißgaspfad. Die metallischen Materialien für Laufschaufein, insbesondere in den ersten Stufen, wurden in den letzten Jah ren hinsichtlich ihrer Festigkeit bei hohen Temperaturen (Kriechbelastung, thermomechanische Ermüdung) verbessert.

Dies führte jedoch teilweise zu einer Verschlechterung der Oxidationseigenschaften. Das wird besonders an der Spitze ei ner Schaufel (Schaufelblattspitze, Schaufeltip) zum Problem, denn auf der dem Gehäuse zugewandten Fläche des Schaufeltips (Anstreifkante) kann es im Betrieb - insbesondere in den ers ten Betriebsstunden - zum Anstreifen des Schaufeltips kommen. Dabei kann es zum Abrieb einer auf dem herkömmlicherweise ei ne Nickel-basierte Superlegierung umfassendes Grundmaterial der Schaufel abgelagerten MCrAlY-Schicht kommen, wie sie bei spielsweise in der Druckschrift EP 2 317 078 A2 offenbart sind, wodurch das Grundmaterial dann heißen, oxidierenden Verbrennungsgasen ausgesetzt ist. Durch die Oxidation des Ma terials an der Schaufeiblattspitze kommt es zu höheren Spalt verlusten und einer geringeren Lebensdauer der Schaufel.

Herkömmlicherweise wird versucht, dieses Problem durch eine konservativere Auslegung der Spalte, ein Absenken der Ver brennungstemperatur oder durch eine stärkere Kühlung der Schaufel/Schaufelblattspitzen zumindest einzuschränken. Diese Maßnahmen führen jedoch zu einem größeren Kühlluftverbrauch bzw. zu einem Verlust an Leistung. Es gibt auch Bestrebungen, mittels einer hinreichend dicken und abriebfähigen kerami schen Schicht auf dem Ringsegment die Schädigung der Schau felblattspitze zu minimieren. Diese keramischen Schichten tendieren jedoch zum Verspröden. Es besteht die Aufgabe, den Stand der Technik zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch eine Turbinenschaufel mit den Merk malen von Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausfüh rungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Aus führungsbeispielen. Besagte Ausführungsformen der Erfindung sind in vorteilhafter Weise miteinander kombinierbar.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Turbinenschau fel für den Rotor einer Gasturbine, umfassend ein sich vom Schaufelfuß in radialer Richtung erstreckendes Schaufelblatt, das einen Grundkörper umfassend ein erstes Material und eine Schaufelblattspitze umfassend ein zweites Material aufweist, wobei das zweite Material resistenter gegen Oxidation ist als das erste Material.

Das Material der Schaufelblattspitze ist damit nicht

schlechthin mit einem oxidationsresistenten Material be schichtet, sondern besteht vorteilhafterweise aus einem oxi dationsresistenten Material. Dadurch kann die Widerstandsfä higkeit der Schaufelblattspitze gegen oxidativ wirkende Kräf te im Heißgas, auch bei Beschädigungen, erhöht werden. Beson ders bevorzugt ist der Bereich der Anstreifkante, der in ra dialer Richtung zum Gehäuse gerichtete Teil der Schaufel blattspitze, aus diesem Material gebildet.

Vorzugsweise umfasst das zweite Material, aus dem die Schau felblattspitze besteht, eine MCrAlY-Legierung . MCrAlY- Legierungen (M steht für Co und/oder Ni) zeichnen sich vor teilhaft durch eine hohe Oxidationsbeständigkeit aus. Weiter hin kann eine MCrAlY-Legierung direkt auf das erste Material aufgetragen werden. Für den Aufbau des Schaufeltips eignen sich besonders additive Fertigungsmethoden, z.B. das Laser auftragsschweißen, selektives Laserschmelzen und selektives Elektronenstrahlschmelzen .

Vorzugsweise weist das zweite Material folgende chemische Zu sammensetzung auf:

Co: 22 - 26 Gew%

Cr: 14 - 18 Gew%,

Al : 9,5 - 11,5 Gew%,

Y : 0,2 - 0,7 Gew% ,

Re : 0,0 - 1,8 Gew%

Ta : 0,0 - 1,7 Gew% , und den Rest Nickel und zufällige und unvermeidbare Verunrei nigungen. Diese MCrAlY-Legierung weist in dieser Zusammenset zung durch eine besonders hohe Temperaturfestigkeit aus, was sich vorteilhaft in Bezug eines Einschneidens der Schaufel blattspitze in eine abreibbare Beschichtung des entsprechen den Turbinengehäuses auswirkt, und somit zur Verhinderung von Spaltverlusten beiträgt. Ein Ausbilden bestimmter erwünschter Phasen in dem zweiten Material liegt im Ermessen und Können des Fachmanns.

Weiterhin ist es bevorzugt, wenn als erstes Material der er findungsgemäßen Turbinenschaufel die Legierung Alloy 247 (A247) verwendet wird. Die Verwendung von A247 ist vorteil haft, weil es das zweite Material in der oben beschriebenen Zusammensetzung eine ausgezeichnete Anbindung an A247 ausbil det. A247 ist ein gerichtet erstarrter bzw. stängelkristalli ner Werkstoff. Als erstes Material können jedoch auch andere Legierungen verwendet werden, wobei verschiedene Kristallori entierungen vorhanden sein können.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel ist die Zusammensetzung des zweiten Materi als zumindest in Teilbereichen gradiert ausgebildet. Mit an deren Worten ändert sich die Zusammensetzung des zweiten Ma- terials zumindest in Teilbereichen graduell von der Anbin dungsfläche an das erste Material zur Anstreifkante hin. Un ter Teilbereichen werden Abschnitte des zweiten Materials verstanden, also z.B. ein Bereich, der sich an den Übergang zwischen erstem und zweiten Material anschließt oder diesen auch umfasst. Beispielsweise ist eine gradierte Zusammenset zung vorteilhaft, falls die metallische Bindung zwischen dem ersten und dem zweiten Material nicht hinreichend stark ist. Im Bereich zum ersten Material hin ist das zweite Material in seinem Gehalt einzelner oder aller Elemente der Zusammenset zung innerhalb der jeweiligen Bereichsangaben dem ersten Ma terial vorzugweise ähnlicher. Es ist deshalb besonders bevor zugt, wenn das zweite Material im Bereich des Übergangs vom ersten Material zum zweiten Material derart gradiert ist, dass thermomechanische Spannungen zwischen dem ersten Materi al und dem zweiten Material ausgeglichen werden. Weiterhin ist es besonders bevorzugt, wenn das Material der Schaufel blattspitze in Richtung der Anstreifkante, d.h. des Endes der Schaufelblattspitze in radialer Richtung, zunehmend oxidati onsresistente Eigenschaften aufweist. Besonders im Bereich der Anstreifkante ist eine hohe Oxidationsresistenz von Vor teil, weil dort besonders aggressive Bedingungen das Material der Schaufelblattspitze angreifen.

Vorzugsweise weist das zweite Material der erfindungsgemäßen Turbinenschaufel keramische Partikel auf. Die keramischen Partikel erhöhen vorteilhaft die Abriebfestigkeit des zweiten Materials. Die Konzentration der keramischen Partikel im zweiten Material kann über das Volumen der Schaufelblattspit- ze gleichmäßig sein, oder alternativ zur Anstreifkante hin höher sein. Besonders bevorzugt wird kubisches Bornitrid (cBN) oder Siliziumcarbid (SiC) oder eine Kombination dieser Stoffe als keramisches Additiv verwendet, ohne darauf be schränkt zu sein.

Vorzugsweise im Bereich der Schaufelblattspitze der erfin dungsgemäßen Turbinenschaufel komplexe Strukturen zum Kühlen angeordnet. Mit anderen Worten sind besonders in der An- streifkante komplexe Kühlstrukturen, z.B. Kühlkanäle, einge baut, um vorteilhaft die Oxidationsbeständigkeit der Schau felblattspitze weiter zu steigern. Dabei wird das Bereitstel len der komplexen Strukturen besonders durch oben erwähnte additive Fertigungsverfahren ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Turbinenschaufel ist vorzugsweise eine Laufschaufei einer Gasturbine. Die Gasturbine ist vorzugswei se in einem Gas- und Dampfkraftwerk eingesetzt.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel, umfas send die Schritte:

- Bereitstellen eines ein erstes Material aufweisenden Grundkörpers eines Turbinenschaufelblattes auf einer Bauplattform einer Vorrichtung zum Ausführen eines additiven Verfahrens,

- Aufbringen eines pulverförmigen zweiten Materials, dass von dem ersten Material verschieden ist, in ei ner bestimmten Menge,

- Verschmelzen des pulverförmigen Materials durch Wir kung eines energiereichen Strahls,

- Absenken der Bauplattform, wobei die Schritte des Aufbringens und Verschmelzens des pul verförmigen Materials sowie des Absenkens der Bauplattform in einer Anzahl wiederholt werden, wie zum Fertigstellen des Spitze des Schaufelblattes notwendig sind.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das zweite Material direkt auf dem ersten Material aufgetragen werden. Das Ver fahren umfasst additive Fertigungsmethoden, z.B. Laserauf tragsschweißen, selektives Laserschmelzen und selektives Elektronenstrahlschmelzen . Mit dem Verfahren können vorteilhaft komplexe Strukturen im Bereich der Schaufelblattspitze, besonders in der Anstreif kante, erzeugt werden, die zum Kühlen der Schaufelblattspitze beitragen. Komplexe Strukturen sind z.B. Kanäle und Löcher, die zum Durchströmen von fluiden Medien geeignet sind. Es ist deshalb bevorzugt, wenn beim Herstellen der Schaufelblatt spitze komplexe Kühlstrukturen in der Schaufelblattspitze er zeugt werden. Besonders bevorzugt werden die komplexen Kühl strukturen in der Anstreifkante erzeugt.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Zusammensetzung des pulverförmigen zwei ten Materials im Verlauf des Auftragens graduell verändert. Dafür ist besonders die Methode des Laserauftragsschweißens, bei der das aufzutragende Material auf die Oberfläche des da runterliegenden Materials unter gleichzeitigem Schmelzen auf getragen wird. Das Laserauftragsschweißen ist hier vorteil haft, weil es ermöglicht, während des Schweißvorgangs in-situ die Pulverzusammensetzung zu variieren. Es ist darum weiter hin bevorzugt, wenn als energiereicher Strahl ein Laserstrahl verwendet wird.

Vorzugsweise werden dem pulverförmigen zweiten Material Kera mikteilchen zugemischt. Die Konzentration der keramischen Partikel im zweiten Material kann über das Volumen der Schau felblattspitze gleichmäßig sein, oder alternativ zur An streifkante hin höher sein, indem dem pulverförmigen zweiten Material eine in Richtung der Anstreifkante eine größere Men ge Keramikteilchen zugemischt wird als im Bereich des Über gangs zwischen erstem und zweiten Material. Besonders bevor zugt wird kubisches Bornitrid (cBN) oder Siliziumcarbid (SiC) oder eine Kombination dieser Stoffe als keramisches Additiv verwendet, ohne darauf beschränkt zu sein.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen Figur 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbi nenschaufel .

Figur 2 eine vergrößerte Ansicht der Schaufelblattspitze der Turbinenschaufel gemäß Fig. 1.

Figur 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum

Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 4 ein Fließdiagramm einer Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt eine Laufschaufel 1 für eine Gasturbine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Lauf schaufel 1 umfasst gemäß der Darstellung ein sich in radialer Richtung erstreckendes Schaufelblatt 2 mit einem Schaufel blattgrundkörper 3 und einer Schaufelblattspitze 4. Weiterhin umfasst die Laufschaufel 1 eine Schaufelplattform 5 und einen Schaufelfuß 6 in tannenbaumförmiger Ausbildung.

An dem in radialer Richtung den Abschluss des Schaufelblattes 2 und damit der Schaufelblattspitze 4 bildenden Ende weist die Schaufelblattspitze 4 eine Anstreifkante 7 auf. Die An streifkante 7 erstreckt sich entlang der Umfangswandung und fluchtet außenseitig mit dieser.

Der Schaufelgrundkörper 3 weist ein erstes Material auf. Das erste Material des Schaufelgrundkörpers ist im Ausführungs beispiel die Legierung A247. Alternativ kann das erste Mate rial auch andere Legierungen umfassen oder aus diesen beste hen .

Die Schaufelblattspitze 4 und damit auch die Anstreifkante 7 weisen ein zweites Material auf, das eine Legierung des MCrA- 1Y-Typs ist. Konkret ist das zweite Material eine Legierung mit der Zusammensetzung Co: 22 - 26 Gew%, Cr: 14 - 18 Gew%, Al: 9,5 - 11,5 Gew%, Y: 0,2 - 0,7 Gew%, Re: 0,0 - 1,8 Gew%, Ta: 0,0 - 1,7 Gew% und den Rest Nickel und zufällige und un- vermeidbare Verunreinigungen. Alternativ kann das zweite Ma terial auch andere Legierungen umfassen oder aus diesen be stehen. Das MCrAlY-Material weist keramische Partikel 8 aus kubische Bornitrid (cBN) , Siliziumcarbid (SiC) oder einer Kombination davon oder alternativ auch aus einem anderen Ma terial als Additive auf.

Das Material der Schaufelblattspitze 4 ist zumindest in Teil bereichen gradiert ausgebildet. Dabei sind die Anteile der Legierungsbestandteile der oben beschriebenen Legierung gra dierend so verändert, dass sie im Bereich des Übergangs 9 zwischen dem ersten Material und zweiten Material möglichst geringe Unterschiede in Bezug auf thermische Expansionskoef fizienten und Wärmeleitungskoeffizienten gibt. Im Bereich der Anstreifkante 7 ist dafür die Oxidationsresistenz des Materi als höher als im Bereich des Übergangs 9. Mit anderen Worten nimmt die Oxidationsresistenz des Materials der Schaufel blattspitze 4 in radialer Richtung zu. Alternativ kann das Material der Schaufelblattspitze 4 auch nicht gradierend aus gebildet sein.

Auch die Menge bzw. Konzentration der oben beschriebenen ke ramischen Partikel 8 kann gradiert im Material der Schaufel blattspitze 4 ausgebildet sein. Dabei ist die Konzentration der keramischen Partikel 8 im Bereich der Anstreifkante 7 hö her als im Übergangsbereich 9 zwischen dem ersten und dem zweiten Material.

Der Bereich der Schaufelblattspitze 4 mit der Anstreifkante 7 ist in Fig. 2 detailliert dargestellt. Im Bereich der An streifkante 7 sind keramische Partikel 8 zu sehen. Die An streifkante 7 ist als 3D-Körper ausgebildet. Dabei sind in der Anstreifkante 7 komplexe Strukturen ausgebildet, beson ders in Form von Kühlkanälen, deren Eingangs- bzw. Ausgangs löcher 10 in der Oberfläche der Anstreifkante 7 dargestellt sind. Diese komplexen Strukturen 10 sind besonders mit addi tiven Fertigungsverfahren wie beispielsweise Laserauftrag schweißen oder selektivem Laserschmelzen herzustellen. In einem Verfahren zum Aufträgen des zweiten Materials auf das erste Material durch Laserauftragsschweißen wird eine Vorrichtung 20, die in Fig. 3 dargestellt ist, in einer dem Fachmann geläufigen Baukammer bereitgestellt. Die Baukammer enthält eine Stickstoff- oder Edelgasatmosphäre, um Luftein schlüssen in dem Material der Schaufel 2 entgegenzuwirken.

Die Vorrichtung 20 umfasst eine Lasereinrichtung 21, die aus gebildet ist, einen Laserstrahl 22 zu erzeugen oder von einer äußeren Laserquelle zu einem zu bestrahlenden Objekt zu len ken. Dazu weist die Lasereinrichtung 21 dem Fachmann bekannte Bauteile wie z.B. Glasfaserkabel und Umlenkspiegel auf.

Ein leistungsstarkes Objektiv 23, z.B. ein F-Theta-Obj ektiv, ist zur Fokussierung des Laserstrahls 22 vorgesehen. Der La serstrahl 22 wird durch eine Zuführeinrichtung 24 zum Bereich der Schaufelblattspitze 4 geleitet. Die Zuführeinrichtung 24 ist mit einem Vorratsbehälter 25 verbunden, der das zweite Material, aus dem die Schaufelblattspitze hergestellt werden soll, in Pulverform enthält. Das Pulver wird über eine Ein richtung zur Materialförderung 26, zur Zuführeinrichtung 24 befördert. Die Zuführeinrichtung 24 ist vorzugsweise als Düse ausgebildet, um das pulverförmige zweite Material einzudüsen bzw. auf die Oberfläche des bereits vorhandenen Materials der Schaufelblattspitze 4 aufgedüst, so dass es direkt beim Auf trägen auf eine Materialschicht durch den Laser zum Schmelzen gebracht wird.

Das pulverförmige zweite Material wird in Fig. 3 auf einen Grundkörper 3 eines Schaufelblattes 2 einer Laufschaufel auf getragen, um die Spitze des Schaufelblattes 4 herzustellen.

In Fig. 4 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver fahrens zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Schaufel 1 ge mäß Fig. 1 als Fließdiagramm dargestellt. In einem ersten Schritt S1 wird eine zu fertigende Turbinenschaufel 1 mit ei nem ein erstes Material aufweisendem Grundkörper 3 des Turbi nenschaufelblattes 2 auf einer Bauplattform einer Vorrichtung zum Ausführen eines additiven Verfahrens bereitgestellt. In einem zweiten Schritt S2 wird ein pulverförmiges zweites Ma terial, dass von dem ersten Material verschieden ist, in ei ner bestimmten Menge aus dem Vorratsbehälter 25 durch die Einrichtung zur Materialförderung 26 zur Zufuhreinrichtung 24 befördert. Durch die Zuführeinrichtung 24 wird das pulverför mige Material auf das erste Material des Grundkörpers 3 oder das bereits aufgetragenen und verfestigte zweite Material der Schaufelblattspitze 4 aufgetragen.

In einem dritten Schritt S3 wird das zweite Material durch die Wirkung des Laserstrahls 22 aufgeschmolzen und mit dem darunter liegenden Material verschmolzen. Die Schritte S2 und S3 können gleichzeitig durchgeführt werden, da der Laser strahl 22 durch die Zufuhreinrichtung 24 hindurchgeführt wird und das pulverförmige Material bereits im Moment des Aufbrin- gens aufgeschmilzt .

In einem vierten Schritt S4 wird die Bauplattform abgesenkt. Die Schritte S1 - S4 werden in einer Anzahl wiederholt, wie zum Fertigstellen des Spitze des Schaufelblattes notwendig sind .

Alternativ zum beschriebenen Laserauftragsschweißen kann die Schaufelblattspitze durch Pulverbettverfahren wie selektives Laserschmelzen oder selektives Elektronenstrahlschmelzen her gestellt werden. In diesem Fall würde eine entsprechende Bau kammer bereitgestellt werden, in der auf eine gebildete Mate rialschicht eine Pulverschicht aufgetragen werden kann und in dieser Materialschicht bestimmte Bereiche mittels eines Ener giestrahls zum Schmelzen gebracht und dann verfestigt werden, und dieser Prozess Schicht für Schicht wiederholt wird, bis das Bauteil fertiggestellt ist.

Für einen Fachmann naheliegende Abwandlungen und Änderungen der Erfindung fallen unter den Schutzumfang der Patentansprü che .