Hochtemperatur-Schutzschicht

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperatur-­Schutzschicht (1) die auf Bauelemente (4) aus einem au stenitischen Werkstoff aufgetragen wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochtemperatur-Schutz­schicht (1) zu schaffen, die eine gute Verträglichkeit mit dem Werkstoff der Bauelemente (4) aufweist. Erfin­dungsgemäß wird zwischen jedem Bauelement (4) und einer Deckschicht (3) die durch NiCoCrAlY gebildet wird, eine Zwischenschicht (2) angeordnet, deren Zusammensetzung dem Gleichgewichtszustand entspricht, der sich nach lan­ger Diffussionszeit zwischen der Deckschicht (3) und dem Werkstoff des Bauelements (4) einstellt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperatur-­Schutzschicht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

[0002] Solche Hochtemperatur-Schutzschichten kommen vor allem dort zur Anwendung, wo der Grundwerkstoff von Bauelemen­ten aus warmfesten Stählen und/oder Legierungen zu schützen ist, die bei Temperaturen über 600 °C zum Ein­satz kommen. Durch solche Hochtemperatur-Schutzschichten soll die Wirkung von Hochtemperatur-Korrosionen, vor allem von Schwefel, Ölaschen, Sauerstoff, Erdalkalien und Vanadium verlangsamt bzw. vollständig unterbunden werden.

[0003] Bei Bauelementen von Gasturbinen sind Hochtemperatur-­Schutzschichten von besonderer Bedeutung. Sie werden vor allem auf Lauf- und Leitschaufeln, sowie auf Wärmestau­segmente von Gasturbinen aufgetragen.

[0004] Für die Fertigung dieser Bauelemente wird vorzugsweise ein austenitisches Material auf der Basis von Nickel, Kobalt oder Eisen verwendet. Bei der Herstellung von Gasturbinenbauteilen kommen vor allem Nickel-Superle­gierungen als Grundmaterial zur Anwendung.

[0005] Bauelemente die für Gasturbinen bestimmt sind, werden bspw. mit Schutzschichten überzogen, die als wesentliche Bestandteile Nickel, Kobalt, Chrom, Aluminium und Yt­trium enthalten. Der Aluminiumanteil dieser Schutz­schichten ist relativ hoch. Hierdurch kommt es unter Betriebsbedingungen, insbesondere wenn die damit be­schichteten Bauelemente einer Temperatur von mehr als 900 °C ausgesetzt sind, auf der Oberfläche der Schutz­schicht zur selbsttätigen Ausbildung eines aluminium­oxidhaltigen Überzuges, der zur Korrosionsbeständigkeit der eigentlichen Schutzschicht beiträgt. Als Nachteil dieser Schutzschichten ist hervorzuheben, daß sie nicht genügend an den Grundwerkstoff der zu schützenden Bau­elemente angepaßt sind. Bei hohen Temperaturen treten Verträglichkeitsprobleme zwischen den Schutzschichten und dem Grundwerkstoff der Bauelemente auf. Diese wirkt sich dahingehend aus, daß sich zwischen der Schutz­schicht und dem Grundwerkstoff Poren ausbilden, die durch Abdiffusion wesentlicher Legierungsbestandteile der Schutzschicht oder des Grundwerkstoffs der Bauele­mente hervorgerufen werden. Dieser Effekt wird als Kir­kendall-Porosität bezeichnet. Ferner treten Probleme auch dann auf, wenn die Duktilität der Schutzschicht bei Temperaturen unter 600 °C gering ist, was bei Schutz­schichten mit hohem Aluminium- und Chromgehalt der Fall ist.

[0006] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Hochtemperatur-Schutzschicht aufzuzeigen, mit welcher die Nachteile der bekannten Schutzschichten dieser Art umgangen werden.

[0007] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentan­spruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird auf den Grund­werkstoff des zu beschichtenden Bauelements zunächst eine Zwischenschicht aufgetragen, die Nickel, Chrom, Aluminium, Silizium, Yttrium und Tantal enthält. Die Porenbildung läßt sich unterbinden, wenn auf das Bauele­ment zunächst eine Zwischenschicht mit der Zusammen­setzung Ni25Cr5Al3Si0.5Y1TA aufgetragen wird. Vorzugs­weise wird die Zwischenschicht in einer Dicke zwischen 50 und 100 µm aufgetragen. Auf diese Zwischenschicht wird unmittelbar die Deckschicht aufgebracht, die als wesentliche Bestandteile Nickel, Kobalt, Chrom, Alumi­nium und Yttrium enthält. Bevorzugt wird eine Deck­schicht mit der Zusammensetzung Ni20.5Cr11.5Al2.5Si0.5­Y1Ta12Co aufgetragen. Anstelle dieser Deckschicht kann auch eine solche mit der Zusammensetzung Ni23Cr9.5Al2.5­Si0.5Y1Ta10Co aufgetragen werden. Das Auftragen der Zwi­schenschicht und der Deckschicht erfolgt mittels Nieder­druckplasmaspritzen. Die Deckschicht wird vorzugsweise mit einer Dicke zwischen 200 und 300 µm aufgetragen. Nach dem Auftragen der Deckschicht schließt sich noch eine Wärmebehandlung des Bauelements an. Nach Beendigung derselben ist die Hochtemperatur-Schutzschicht fertigge­stellt.

[0008] Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit die Deckschicht nur partiell aufzubringen, und zwar an den Stellen der Bauelemente, die thermisch sehr stark beansprucht wer­den. Erfindungsgemäß wird die Deckschicht dann an diesen Stellen in die Zwischenschicht eingebettet. In den Be­reichen, die thermisch stark beansprucht werden, wird die Zwischenschicht nur zwischen 50 und 100 µm dick aus­gebildet, während sie in den übrigen Bereichen bis zu 300 µm dick aufgetragen wird. Auf die dünner aufgetra­gene Zwischenschicht in den thermisch stark belasteten Bereichen wird dann die Deckschicht mit einer Dicke zwi­schen 200 und 300 µm aufgetragen, und zwar so, daß ihre Oberfläche bündig mit der Zwischenschicht in den Randbe­reichen abschließt.

[0009] Weitere erfindungswesentliche Merkmale werden in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Erfindung wird nach­folgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

[0010] Es zeigen:

Figur 1: Ein mit der erfindungsgemäßen Hochtemperatur­Schutzschicht versehenes Bauelement,

Figur 2: ein weiteres beschichtetes Bauelement.

[0011] Figur 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch die erfin­dungsgemäße Hochtemperatur-Schutzschicht 1. Diese wird durch eine Zwischenschicht 2 und eine Deckschicht 3 ge­bildet. Die Hochtemperatur-Schutzschicht 1 ist auf die thermisch stark beanspruchte Fläche einer Gasturbinen­schaufel 4 aufgetragen, die in Figur 1 bereichsweise dargestellt ist. Die Gasturbinenschaufel 4 ist aus einem austenitischen Werkstoff, vorzugsweise einer Superle­gierung auf der Basis von Nickel gefertigt. Auf ihre thermisch stark belastete Fläche 4F ist zunächst die Zwischenschicht 2, deren Zusammensetzung dem Gleichge­wichtszustand entspricht, der sich nach längerer Dif­fusionszeit zwischen der Deckschicht 3 und dem Werkstoff der Gasturbinenschaufel 4 einstellt, mittels Nieder­druckplasmaspritzen aufgetragen. Die Zwischenschicht 2 besteht aus Nickel, Chrom, Aluminium, Silizium, Yttrium und Tantal. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbei­spiel weist sie die Zusammensetzung Ni25Cr5AL3Si0,5Y1Ta auf. Nach dem Aufbringen der Zwischenschicht 2 wird die Deckschicht 3 ebenfalls mit Niederdruckplasmaspritzen aufgetragen. Die Deckschicht weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 200 und 300 µm auf. Ihre wesentlichen Bestandteile sind Nickel, Kobalt, Chrom, Aluminium, und Yttrium. Bei der hier dargestellten Ausführungsform weist die Deckschicht 3 eine Zusammensetzung in Form von Ni20.5Cr11.5Al2.5Si0.5Y1Ta12Co. Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit die Deckschicht auch mit einer Zusammen­setzung in Form von Ni23Cr9.5Al12.5Si0.5Y1Ta10Co aufzu­tragen. Auch eine Deckschicht mit dieser Zusammensetzung wird mit einer Dicke von 200 bis 300 µm aufgetragen. An das Auftragen der Deckschicht schließt sich eine zwei­stündige Wärmebehandlung der Hochtemperatur-Schutz­schicht 1 im Vakuum bei 1120 °C an. Nach Beendigung der Wärmebehandlung ist die Hochtemperatur-Schutzschicht 1 fertiggestellt.

[0012] Figur 2 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Beschichtung der Gasturbinenschaufel 4. Solche Gasturbinenschaufeln werden im Fuß- und Deckbandbereich weniger thermisch belastet. Mechanische Belastungen sind dagegen in diesen Bereichen sehr hoch. Die Deckschicht 3 wird deshalb er­findungsgemäß nur partiell aufgetragen. Auf die Fläche 4F der Gasturbinenschaufel 4 ist in Figur 2 zunächst die Zwischenschicht 2 aufgetragen. Wie anhand von Figur 2 zu sehen ist, ist die Zwischenschicht 2 in dem thermisch stark belasteten Bereich 5 mit einer Dicke von 50 bis 100 µm aufgetragen, während sie in dem thermisch weniger belasteten Bereich 6 mit einer Dicke von 200 bis 300 µm aufgetragen ist. Die Zwischenschicht 2 weist die gleiche Zusammensetzung auf wie die in Figur 1 dargestellte und in der zugehörigen Beschreibung erläuterte Zwischen­schicht 2. In dem thermisch stark belasteten Bereich 5 ist auf die Zwischenschicht 2 die Deckschicht 3 mit ei­ner Dicke zwischen 200 und 300 µm aufgetragen. Die Dicke der Deckschicht 3 ist so gewählt, daß die Oberfläche 3F der Deckschicht 3 in einer Ebene mit der Oberfläche 2F der Zwischenschicht 2 liegt, und ein bündiger Übergang zwischen den zwei Schichten 2 und 3 sichergestellt ist. Die Deckschicht 3 kann die gleichen Zusammensetzungen aufweisen, wie die in Figur 1 dargestellte Deckschicht 3, die in der zugehörigen Beschreibung erläutert ist. Zur Fertigstellung der in Figur 2 dargestellten Hochtem­peratur-Schutzschicht 1 schließt sich an das Auftragen der beiden Schichten 2 und 3 wiederum eine Wärmebehand­lung an.

Ansprüche

1. Hochtemperatur-Schutzschicht für Bauelemente aus einem austenitischen Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Oberfläche (4F) des Bauelements (4) und einer Deckschicht (3) eine Zwischenschicht (2) vorge­sehen ist, deren Zusammensetzung dem Gleichgewichtszu­stand entspricht, der sich nach längerer Diffussionszeit zwischen der Deckschicht (3) und dem Werkstoff des Bau­elements (4) einstellt.

2. Hochtemperatur-Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche (4) des Bauelements (4) eine Zwischenschicht (2) mit der Zusam­mensetzung Ni25Cr5Al3Si0.5Y1Ta aufgetragen ist.

3. Hochtemperatur-Schutzschicht nach einem der An­sprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwi­schenschicht (2) mit einer Dicke von 50 bis 100 µm auf die Oberfläche (4F) des Bauelements (4) aufgetragen ist.

4. Hochtemperatur-Schutzschicht nach einem der An­sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Zwischenschicht (2) eine Deckschicht (3) mit der Zusam­mensetzung Ni20.5Cr11.5Al2.5Si0.5Y1Ta12Co aufgetragen ist.

5. Hochtemperatur-Schutzschicht nach einem der An­sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Zwischenschicht (2) eine Deckschicht (3) mit der Zusam­mensetzung Ni23Cr9.5Al2.5Si0.5Y1Ta10Co aufgetragen ist.

6. Hochtemperatur-Schutzschicht nach einem der An­sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (3) mit einer Dicke zwischen 200 und 300 µm auf die Zwischenschicht (2) aufgetragen ist.

7. Hochtemperatur-Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (2) auf die thermisch stark belasteten Bereiche (5) der Ober­fläche (4F) mit einer Dicke von 50 bis 100 µm und auf die thermisch weniger stark belasteten Bereiche (6) mit einer Dicke zwischen 200 und 300 µm aufgetragen ist.

8. Hochtemperatur-Schutzschicht nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (3) nur in thermisch stark belasteten Bereichen auf die Zwischen­schicht (2) aufgetragen ist.

9. Hochtemperatur-Schutzschicht nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (3) in den thermisch stark belasteten Bereichen (5) mit einer Dicke von 200 bis 300 µm so aufgetragen ist, daß ihre Ober­fläche (3F) in einer Ebene mit der Oberfläche (2F) der Zwischenschicht (2) liegt, die in den thermisch weniger belasteten Bereichen (6) mit einer Dicke von 200 bis 300 µm aufgetragen ist.

Zeichnung