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(11) |
EP 0 397 731 B1 |
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EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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Hinweis auf die Patenterteilung: |
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14.04.1993 Patentblatt 1993/15 |
| (22) |
Anmeldetag: 19.01.1989 |
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Internationale Patentklassifikation (IPC)5: C23C 28/02 |
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Internationale Anmeldenummer: |
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PCT/DE8900/023 |
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Internationale Veröffentlichungsnummer: |
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WO 8907/159 (10.08.1989 Gazette 1989/18) |
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METALLGEGENSTAND, INSBESONDERE GASTURBINENSCHAUFEL MIT SCHUTZBESCHICHTUNG
METALLIC OBJECT, IN PARTICULAR GAS TURBINE BLADE WITH PROTECTIVE COATING
OBJET METALLIQUE, NOTAMMENT AUBE DE TURBINE A GAZ POURVUE D'UN REVETEMENT DE PROTECTION
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| (84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
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CH DE FR GB IT LI SE |
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Priorität: |
05.02.1988 DE 3803517
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| (43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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22.11.1990 Patentblatt 1990/47 |
| (73) |
Patentinhaber: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT |
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80333 München (DE) |
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Erfinder: |
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- SCHMITZ, Friedhelm
D-4220 Dinslaken (DE)
- CZECH, Norbert
D-4300 Essen 11 (DE)
- DEBLON, Bruno
D-4330 Mülheim/Ruhr (DE)
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| (56) |
Entgegenhaltungen: :
DE-A- 3 104 581 FR-A- 2 444 559
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FR-A- 2 207 198 US-A- 3 649 225
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| Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Metallgegenstand, insbesondere ein Bauteil
einer Gasturbinenanlage, z. B. eine Schaufel, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1. Viele mit Heißgas beaufschlagte Bauteile, insbesondere bei Gasturbinen, unterliegen
neben thermischen, mechanischen und erosiven Beanspruchungen auch in starkem Maße
korrosiven Einflüssen. Beläge, die sich aus Salzen bilden, deren Herkunft auf Brennstoff-
und Luftverunreinigungen zurückzuführen ist, führen zusammen mit einigen gasförmigen
Stoffen zur korrosiven Schädigung durch Hochtemperaturkorrosion (HTK). Die Korrosionserreger
können sehr heterogen sein. Einerseits bestimmen Art und Herkunft der Brennstoffe
und andererseits die Zusammensetzung der Verbrennungsluft die unterschiedlichen Angriffsformen,
die durch unterschiedliche chemische Mechanismen zustande kommen. Bei den Brennstoffen
können variierender Schwefelgehalt in Erdgasen und Erdölen, Vanadium-Anteile in Schweröl,
Schwermetalle in Gichtgas und Schwermetalle und Chloride in Kohlegas Einfluß ausüben.
Bei der Zusammensetzung der Verbrennungsluft spielen die in ihr enthaltenen flüssigen
und festen Aerosole eine entscheidende Rolle, wobei je nach Standort der Anlage in
der Verbrennungsluft Schwermetalle, Alkalien und/oder Chloride enthalten sein können.
[0002] Verschiedene Überzugsschichten, auch Mehrfachbeschichtungen für mit Heißgas beaufschlagte
Bauteile, sind aus der Literatur in größerer Anzahl für verschiedene Zwecke bekannt.
Insbesondere ist aus der DE-C-28 26 910 bekannt, Metallgegenstände mit einem abgestuften
Überzug zu versehen. Dabei ist die innerste Schicht eine hauptsächlich Chrom enthaltende
Diffusionsschicht.
[0003] Der beschriebene abgestufte Überzug soll generell den Metallgegenstand gegen Hitzekorrosion
schützen, wobei in diesem Falle Korrosionsversuche bei Temperaturen von etwa 925°
C beschrieben werden.
[0004] Aus der DE-C-28 26 909 ist eine weitere Doppelschicht für derartig belastete Metallgegenstände
bekannt, wobei eine innere Teilschicht Anteile der Elemente Aluminium, Chrom und Yttrium
enthält. Auch in der US-PS 3,649,225 sind Doppelschichten beschrieben, die die Hochtemperaturkorrosion
verhindern sollen. Bei den meisten bekannten Doppelschichten dient die untere, im
allgemeinen dünne Schicht nicht selbst als Schutz gegen einen äußeren Angriff, sondern
verbessert nur die Haltbarkeit und Haftung der oberen Schicht.
[0005] Die bekannten Schichtsysteme schützen ein Bauteil zwar gegen Oxidation und Korrosion
bei sehr hohen Temperaturen, jedoch haben intensive Untersuchungen gezeigt, daß die
bekannten Schichten nicht zugleich gegen einen andersartigen Korrosionsangriff bei
Temperaturen zwischen 600° und 800° C schützen. Wie aus Fig. 1 der Zeichnung hervorgeht,
gibt es nämlich nach inzwischen bekanntgewordenen Untersuchungen 2 unterschiedliche
Angriffsarten für Hochtemperaturkorrosion.
[0006] Fig. 1 zeigt, daß es neben der schon erwähnten Hochtemperaturkorrosion im Bereich
von etwa 850° C (im folgenden als HTKI bezeichnet), wogegen die bekannten Schutzschichten
ausgelegt sind, einen anderen starken Korrosionsmechanismus gibt, welcher ein Maximum
im Bereich von etwa 700° C hat. Fig. 1 zeigt ein Diagramm, in welchem die Korrosionsrate
gegen die Temperatur aufgetragen ist.
[0007] Bei bestimmten Betriebsweisen von Gasturbinenanlagen, insb. in Fällen, in denen die
Turbine über längere Zeiträume im Teillastbereich arbeitet, spielt nun der Korrosionsmechanismus
bei 700° C (im folgenden als HTKII bezeichnet) für die Lebens-dauer von Bauteilen
eine entscheidende Rolle. Es hat sich nämlich gezeigt, daß diese Art der Korrosion
bei Teillastbetrieb allmählich die gegen Angriffe bei höheren Temperaturen geeigneten
Schutzschichten zerstört, so daß anschließend bei Voll-Lastbetrieb und wieder höherer
Temperatur die Bauteile ungeschützt den übrigen Angriffsmechanismen ausgesetzt sind.
[0008] In der DE-A 31 04 581 wird bereits auf das zusätzliche Problem der Korrosion bei
niedrigerer Temperatur in Gasturbinen hingewiesen. Zur Lösung wird dort vorgeschlagen,
außen auf eine gegen hohe Temperaturen korrosionsbeständige Schicht, welche Aluminide
bildet, zusätzlich eine siliziumreiche Schicht aufzutragen, um die Korrosionsbeständigkeit
gegen Angriffe bei mittleren Temperaturen zu verbessern. Ein solcher Aufbau ist im
Hinblick auf die Temperaturverteilung in Gasturbinenbauteilen nicht für alle Anwendungsfälle
geeignet.
[0009] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kombination von Schutzschichten
zu schaffen, die einen Metallgegenstand gegenüber beiden bekannten Angriffmechnismen,
HTKI und HTKII nach widerstandsfähiger macht und so die Standzeit des Bauteiles erhöht.
[0010] Zur Lösung dieser Aufgabe dienen Metallgegenstände mit den Beschichtungen gemäß den
Merkmalen der Ansprüche 1, 3 bzw. 6. Danach wird das Bauteil zunächst mit einer Schicht
versehen, welche aufgrund ihrer Dicke oder Zusammensetzung eine große Widerstandsfähigkeit
gegen Angriffsmechanismen bei Temperaturen von 600° bis 800° C hat. Weiter wird eine
zweite Überzugsschicht aufgebracht, welche besonders widerstandsfähig gegen Angriffe
bei 800° bis 900° C ist. Dieser Aufbau geht von der Erkenntnis aus, daß mit Heißgas
beaufschlagte Bauteile im allgemeinen innen gekühlt werden, so daß ein Temperaturgefälle
von der äußersten Schicht bis in das Innere des Bauteiles besteht. Daher wird zunächst
die weiter innen liegende Schicht gegen den Angriffsmechanismus bei niedrigerer Temperatur
ausgelegt, während die äußere Schicht gegen die Korrosion bei hohen Temperaturen schützen
sollte.
[0011] Anzumerken ist noch, daß nicht grundsätzlich ein Bauteil vollständig mit beiden Schichten
versehen sein muß, sofern die Temperaturbelastung einzelner Bereiche unterschiedlich
ist. Die Erfindung soll daher natürlich auch die Doppelbeschichtung nur in Teilbereichen
der Metallgegenstände umfassen. Die vorgeschlagene Anordnung der Schichten hat jedoch
den Vorteil, daß die Standzeit eines Bauteiles in jedem Falle erhöht wird, selbst
wenn der durchschnittlich vorherrschende Angriffmechanismus an verschiedenen Stellen
des Bauteiles unterschiedlich und nicht unbedingt bekannt ist. Falls beispielsweise
ein besonders gut gekühlter Teilbereich des Bauteiles sich auch bei Voll-Lastbetrieb
überwiegend im Temperaturbereich um 700° C befindet, so wird zwar die äußerste Schutzschicht,
die für diese Angriffsart nicht optimiert ist, allmählich zerstört, jedoch schützt
anschließend die darunterliegende Schicht.
[0012] Fig. 2 zeigt beispielhaft in einem Diagramm die Auswirkungen der Doppelschicht auf
die Betriebszeit. In diesem Diagramm ist die Abzehrung gegen die Betriebszeit aufgetragen
und es sind typische Abzehrungskurven für unterschiedliche Temperaturbeanspruchungen
verschiedener Teilbereiche eines Bauteils eingezeichnet.
[0013] Fig. 3 zeigt schließlich noch die Wirkung einer Thermobarriereschicht über einer
Korrosionsschutzschicht bei einem innengekühlten Bauteil. Das Diagramm zeigt 2 typische
Temperaturprofile innerhalb und außerhalb des Bauteiles und der Schutzschichten.
[0014] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den jeweils abhängigen Ansprüchen
vorgeschlagen.
[0015] Als erste Überzugsschicht eignet sich eine auf den Metallgegenstand aufgebrachte
Diffusionsschicht mit einem Chromgehalt größer als 50 %. Solche Diffusionsschichten
sind an sich nach dem Stand der Technik, insbesondere aus der DE-C-28 26 910 bekannt.
Ihre günstige Wirkung gegenüber HTKII bei Kombination mit einer zweiten Überzugsschicht
gegen HTKI wurde jedoch nicht erkannt. Durch einen zusätzlichen Anteil an Eisen oder
Mangan, z. B. 10 bis 30 % (alle folgenden Angaben sind Gewichtsprozente), kann die
Dicke einer solchen Diffusionsschicht auf über 0,130 mm gesteigert werden, wobei mit
steigendem Anteil an Eisen oder Mangan auch die mögliche Schichtdicke zunimmt, was
natürlich die Standzeit unter HTKII-Bedingungen erhöht.
[0016] Statt einer ersten Überzugsschicht als Diffusionsschicht kann alternativ auch eine
Auflageschicht vorgesehen werden, die sich beispielsweise durch Niederdruck-Plasmaspritzen
aufbringen läßt. Diese Schicht sollte 30 bis 55 %, vorzugsweise etwa 40 %, Chrom enthalten
und 0,5 bis 2 %, vorzugsweise etwa 1 %, von mindestens einem der Elemente aus der
Gruppe der seltenen Erden, Yttrium, Scandium, Hafnium, Zirkonium, Niob, Tantal, Silizium.
Aluminium sollte, wenn überhaupt, nur in geringen Mengen, nämlich weniger als 3 %,
vorhanden sein. Der Rest der Schicht besteht aus einem oder einer Mischung der Elemente
Eisen, Kobalt, Nickel, wobei herstellungsbedingte Verunreinigungen hinzukommen können.
[0017] Verwendet man kein Kobalt, sondern nur eines oder eine Mischung der Elemente aus
Eisen und Nickel für die erste Überzugsschicht, so kann zur Erreichung einer gleich
guten Wirkung der Chromgehalt niedriger gewählt werden, nämlich zwischen 15 und 50
%, vorzugsweise etwa zwischen 20 und 30 %.
[0018] Die zweite Überzugsschicht soll zum Typ MCrAlY gehören. Auch solche Schichten sind
grundsätzlich nach dem Stand der Technik an sich bekannt, z. B. wiederum aus der DE-C
28 21 910. Die Erkenntnis jedoch, eine solche Überzugsschicht nicht nur gegen HTKI
zu optimieren, sondern außerdem noch in Kombination mit einer darunterliegenden, gegen
HTKII optimierten Schicht zu benutzen, ist aus dem Stand der Technik nicht zu entnehmen.
Gerade diese Kombination bewirkt jedoch eine besonders lange Standzeit der Metallgegenstände
bei örtlich unterschiedlichen Temperaturen. Erfindungsgemäß soll die zweite Auflageschicht
folgende Zusammensetzung haben: 15 bis 40 % Chrom, vorzugsweise etwa 20 bis 30 %;
3 bis 15 % Aluminium, vorzugsweise etwa 7 bis 12 %; 0,2 bis 3 % von mindestens einem
Element aus der Gruppe seltener Erden, Yttrium, Tantal, Hafnium, Scandium, Zirkonium,
Niob, Rhenium, Silizium, vorzugsweise etwa 0,7 %; Rest mindestens eines der Elemente
aus Kobalt, Nickel, sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen.
[0019] Gemäß Anspruch 9 wird vorgeschlagen, daß die zweite Überzugsschicht durch Plasmaspritzen,
insb. Niederdruckplasmaspritzen, aufgebracht werden soll. Grundsätzlich kommen verschiedene
Beschichtungsverfahren in Betracht, wie sie auch schon in der DE-C-28 26 910 beschrieben
sind, jedoch läßt das Niederdruck-Plasmaspritzen das Aufbringen besonders haftfähiger
und oxidfreier Schichten größerer Schichtdicke zu. Dementsprechend kann es sein, daß
die äußere Überzugsschicht eine größere Schichtdicke als die innere hat.
[0020] Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem alle unterschiedlichen Überzugsschichten
durch Diffusion mit dem Metallgegenstand und untereinander verbunden sein sollen,
kann es für die erfindungsgemäß opitimierten Schichten und deren Beständigkeit von
Bedeutung sein, daß Diffusionsvorgänge zwischen den Schichten durch eine Diffusionsbarriereschicht
verhindert werden. Dies ist Gegenstand des Anspruchs 10. Bei sehr präzise für bestimmte
Bedingungen optimierte Schichten ist es unerwünscht, daß sich die Konzentrationen
einzelner Bestandteile, wie beispielsweise Chrom oder Aluminium durch Diffusion ausgleichen,
da hierbei die spezifischen Eigenschaften der einzelnen Schichten verlorengehen können.
Hier kann eine Diffusionsbarriereschicht die Standzeit deutlich erhöhen. Eine solche
Schicht kann beispielsweise aus Titannitrid oder Titancarbid bestehen.
[0021] Insbesondere bei innen gekühlten Metallgegenständen besteht eine Möglichkeit des
Schutzes gegen besonders hohe Temperaturen darin, die Temperaturen gar nicht bis zu
den metallischen Schichten gelangen zu lassen. Dies kann durch Thermobarriereschichten
außen auf dem Metallgegenstand erreicht werden. Diese Schichten bewirken, daß die
darunterliegenden metallischen Schichten nur noch Temperaturen aufweisen, gegen die
sie ausgelegt sind. Um ein mögliches Abplatzen der Thermobarriereschicht zu verhindern,
kann es gemäß Anspruch 13 vorteilhaft sein, die zweite Überzugsschicht an ihrer Oberfläche
vor dem Aufbringen der Thermobarriereschicht zu oxidieren.
[0022] Durch die erfindungsgemäße Beschichtung eines Bauteiles können, wie Anspruch 14 aussagt,
insgesamt Beschichtungsdicken von über 0,3 mm erreicht werden.
[0023] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Ein
Bauteil 1 weist eine erste metallische Überzugsschicht 2 auf, welche gegen HTKII optimiert
oder wegen ihrer Dicke widerstandsfähig ist. Darüber liegt eine zweite Überzugsschicht
3, welche gegen HTKI beständig ist. Falls nötig, können zwischen dem Grundwerkstoff
1 und der ersten Überzugsschicht 2 und/oder zwischen der ersten Überzugsschicht 2
und der zweiten Überzugsschicht 3 Diffusionsbarriereschichten 4, 5 vorhanden sein,
welche den Konzentrationsausgleich einzelnen Elemente durch Diffusion behindern. Schließlich
kann ganz außen noch eine Thermobarriereschicht 6 angebracht sein, welche gegen besonders
hohe Temperaturen schützt.
[0024] Die erfindungsgemäßen Mehrfachbeschichtungen eignen sich insbesondere für Schaufeln
und Teile von Gasturbinen, bei denen an einzelnen, z. B. gekühlten Bauteilen, örtlich
unterschiedliche Temperaturen vorkommen, wie beispielsweise in Anlagen, die zeitweise
bei Voll-Last und zweitweise nur bei Teil-Last betrieben werden. Auf solche Bauteile,
die gewöhnlich aus Nickel-Basis-Legierungen bestehen, können erfindungsgemäß dicke
Mehrfach-Schutzschichten aufgebracht werden, die die Standzeiten der Bauteile, insbesondere
der Schaufeln, erheblich verlängern. In Sonderfällen können die beschriebenen Beschichtungen,
soweit dies wirtschaftlich noch vertretbar ist, durch weitere gleichartige oder andersartige
Beschichtungen ergänzt werden.
1. Metallisches Bauteil einer Gasturbinenanlage aus einem Grundwerkstoff (1) auf Nickelbasis,
wobei der Grundwerkstoff zumindest in Teilbereichen des Bauteils versehen ist mit
a) einer ersten gegen Korrosion bei Temperaturen von 600° bis 800° C (HTKII) schützenden
Überzugsschicht (2) bestehend aus einer auf den Grundwerkstoff aufgebrachten Diffusionsschicht
mit einer Dicke größer als 0,130 mm, welche hauptsächlich aus Chrom besteht und zusätzlich
mindestens 10 % von mindestens einem der Elemente aus Eisen, Mangan enthält (Gewichtsprozent);
b) einer zweiten darüberliegenden gegen Korrosion bei Temperaturen von 800° bis 900°
C (HTKI) schützenden Überzugsschicht (3) mit folgenden Bestandteilen:
15 bis 40 % Chrom,
etwa 7 bis 15 % Aluminium,
0,2 bis 3 % von mindestens einem Element aus der Gruppe seltener Erden, Yttrium, Tantal,
Hafnium, Scandium, Zirkonium, Niob, Rhenium, Silizium;
Rest mindestens eines der Elemente aus Kobalt, Nickel; sowie herstellungsbedingte
Verunreinigungen.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Überzugsschicht (2) etwa 20 bis 30 % Eisen enthält.
3. Metallisches Bauteil einer Gasturbinenanlage aus einem Grundwerkstoff (1) auf Nickelbasis,
wobei der Grundwerkstoff zumindest in Teilbereichen des Bauteils versehen ist mit
a) einer ersten gegen Korrosion bei Temperaturen von 600° bis 800° C (HTKII) schützenden
Überzugsschicht, wobei die erste Überzugsschicht (2) eine Auflageschicht ist mit folgenden
Bestandteilen (Gewichtsprozente):
Chrom 30 bis 55 %;
Aluminium kleiner 3 %;
0,5 bis 2 % mindestens eines Elementes aus der Gruppe seltener Erden, Yttrium, Tantal,
Hafnium, Scandium, Zirkonium, Niob, Silizium;
Rest mindestens eines der Elemente aus Eisen, Kobalt, Nickel;
sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen;
b) einer zweiten darüberliegenden gegen Korrosion bei Temperaturen von 800° bis 900°
C (HTKI) schützenden Überzugsschicht (3) mit folgenden Bestandteilen:
15 bis 40 % Chrom,
etwa 7 bis 15 % Aluminium,
0,2 bis 3 % von mindestens einem Element aus der Gruppe seltener Erden, Yttrium, Tantal,
Hafnium, Scandium, Zirkonium, Niob, Rhenium, Silizium;
Rest mindestens eines der Elemente aus Kobalt, Nickel;
sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen.
4. Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Überzugsschicht (2) der Anteil an Chrom etwa 40 % und der Anteil
der Elemente aus der Gruppe seltener Eiden, Yttrium, Tantal, Hafnium, Scandium, Zirkonium,
Niob, Silizium insgesamt etwa 1 % beträgt.
5. Bauteil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Überzugsschicht (2) durch Niederdruck-Plasmaspritzen aufgebracht ist.
6. Metallisches Bauteil einer Gasturbinenanlage aus einem Grundwerkstoff (1) auf Nickelbasis,
wobei der Grundwerkstoff zumindest in Teilbereichen des Bauteils versehen ist mit
a) einer ersten gegen Korrosion bei Temperaturen von 600° bis 800° C (HTKII) schützenden
Überzugsschicht (2), wobei die erste Überzugsschicht (2) eine Auflageschicht ist mit
folgenden Bestandteilen (Gewichtsprozent):
Chrom 15 bis 50 %;
Aluminium kleiner 3 %
0,5 bis 2 % mindestens eines
Elementes aus der Gruppe seltener Erden, Yttrium, Tantal, Hafnium, Scandium, Zirkonium,
Niob, Silizium;
Rest mindestens eines der Elemente Eisen oder Nickel;
sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen;
b) einer zweiten darüberliegenden gegen Korrosion bei Temperaturen von 800° bis 900°
C (HTKI) schützenden Überzugsschicht (3) mit folgenden Bestandteilen:
15 bis 40 % Chrom,
etwa 7 bis 15 % Aluminium,
0,2 bis 3 % von mindestens einem Element aus der Gruppe seltener Erden, Yttrium, Tantal,
Hafnium, Scandium, Zirkonium,
Niob, Rhenium, Silizium;
Rest mindestens eines der Elemente aus Kobalt, Nickel; sowie herstellungsbedingte
Verunreinigungen.
7. Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Überzugsschicht (2) der Anteil an Chrom 20 bis 30% und der Anteil
der Elemente aus der Gruppe seltener Erden, Yttrium, Tantal, Hafnium, Scandium, Zirkonium,
Niob, Silizium insgesamt etwa 1 % beträgt.
8. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Überzugsschicht (3) der Anteil an Chrom etwa 20 bis 30 %, der
Anteil an Aluminium etwa 7 bis 12 % und der Anteil der Elemente aus der Gruppe seltener
Erden, Yttrium, Tantal, Hafnium, Scandium Zirkonium, Niob, Rhenium, Silizium etwa
0,7 % beträgt.
9. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die zweite Überzugsschicht durch Niederdruck-Plasmaspritzen aufgebracht
ist.
10. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Grundwerkstoff (1) und der ersten Überzugsschicht (2) und/oder zwischen
der ersten Überzugsschicht (2) und der zweiten Überzugsschicht (3) eine Diffusionsbarriereschicht
(4 bzw. 5), z. B. aus Titannitrid, zur Verminderung von Diffusionsvorgängen zwischen
den unterschiedlichen Werkstoffzusammensetzungen vorhanden ist.
11. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der zweiten Überzugsschicht (3) zusätzlich eine keramische Thermobarriereschicht
(6) mit geringer Wärmeleitfähigkeit vorhanden ist.
12. Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermobarriereschicht (6) aus Zirkoniumoxid mit Zusatz von Yttriumoxid besteht.
13. Bauteil nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Überzugsschicht (3) an ihrer Oberfläche zur Thermobarriereschicht
(6) vor-oxidiert ist.
14. Bauteil nach Anspruch 1, 3, 6, 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtdicke der Überzugsschicht größer als 0,3 mm ist.
15. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (1) eine Gasturbinenschaufel ist.
1. Metallic component of a gas turbine installation made of a nickel-based base material
(1), the base material being provided, at least in partial regions of the component,
with
a) a first coating layer (2) protecting against corrosion at temperatures of 600°
to 800°C (HTKII), the layer comprising a diffusion layer applied to the base material
and having a thickness greater than 0.130 mm, which layer consists primarily of chromium
and contains additionally at least 10% of at least one of the elements iron and manganese
(percentages by weight);
b) a second coating layer (3) superimposed on the first coating layer for protecting
against corrosion at temperatures of 800° to 900°C (HTKI) and having the following
components:
15 to 40% chromium
approximately 7 to 15% aluminium
0.2 to 3% of at least one element from the group of the rare earths, yttrium, tantalum,
hafnium, scandium, zirconium, niobium, rhenium and silicon;
a remainder of at least one of the elements cobalt and nickel;
as well as impurities resulting from manufacturing.
2. Component according to claim 1, characterised in that the first coating layer (2)
contains approximately 20 to 30% iron.
3. Metallic component of a gas turbine installation made of a nickel-based base material
(1), the base material being provided, at least in partial regions of the component,
with
a) a first coating layer protecting against corrosion at temperatures of 600° to 800°C
(HTKII), the first coating layer (2) being a support layer with the following components
(percentages by weight);
chromium 30 to 55%
less than 3% aluminium
0.5 to 2% at least of an element from the group of the rare earths, yttrium, tantalum;
hafnium, scandium, zirconium, niobium, silicon;
a remainder of at least one of the elements iron, cobalt, nickel;
and impurities resulting from manufacturing;
b) a second coating layer (3) superimposed on the first coating layer for protecting
against corrosion at temperatures of 800° to 900°C (HTKI) and having the following
components:
15 to 40% chromium
approximately 7 to 15% aluminium
0.2 to 3% of at least one element from the group of the rare earths, yttrium, tantalum,
hafnium, scandium, zirconium, niobium, rhenium, silicon;
a remainder of at least one of the elements cobalt and nickel;
as well as impurities resulting from manufacture.
4. Component according to claim 3, characterised in that in the first coating layer (2)
the amount of chromium is about 40% and the amount of the elements from the group
of the rare earths, yttrium, tantalum, hafnium, scandium, zirconium, niobium, silicon
altogether is approximately 1%.
5. Component according to claim 3 or 4, characterised in that the first coating layer
(2) is applied by low-pressure plasma spraying.
6. Metallic component of a gas turbine installation made from a nickel-based base material
(1), the base material being provided, at least in partial regions of the component,
with
a) a first coating layer (2) protecting against corrosion at temperatures of 600°
to 800° (HTKII), the first coating layer (2) being a support layer with the following
components (percentages by weight):
chromium 15 to 50%
less than 3% aluminium
0.5 to 2% at least of an element from the group of elements of the rare earths, yttrium,
tantalum, hafnium, scandium, zirconium, niobium, silicon;
a remainder of at least one of the elements iron or nickel;
as well as impurities resulting from manufacturing;
b) a second coating layer (3) superimposed on the first coating layer for protecting
against corrosion at temperatures of 800° to 900°C (HTKI), and having the following
components:
15 to 40% chromium,
approximately 7 to 15% aluminium,
0.2 to 3% of at least one element from the group of the rare earths, yttrium, tantalum,
hafnium, scandium, zirconium, niobium, rhenium and silicon;
a remainder of at least one of the elements cobalt and nickel;
as well as impurities resulting from manufacture.
7. Component according to claim 6, characterised in that in the first coating layer (2)
the amount of chromium is 20 to 30% and the amount of the elements from the group
of the rare earths, yttrium, tantalum, hafnium, scandium, zirconium, niobium and silicon
altogether is approximately 1%.
8. Component according to one of the preceding claims, characterised in that in the second
coating layer (3) the amount of chromium is approximately 20 to 30%, the amount of
aluminium approximately 7 to 12% and the amount of the elements from the group of
the rare earths, yttrium, tantalum, hafnium, scandium, zirconium, niobium, rhenium,
silicon is approximately 0.7%
9. Component according to one of the preceding claims, characterised in that at least
the second coating layer is applied by low-pressure plasma spraying.
10. Component according to one of the preceding claims, characterised in that between
the base material (1) and the first coating layer (2) and/or between the first coating
layer (2) and the second coating layer (3) there is a diffusion barrier layer (4 or
5), e.g. of titanium nitride, for reducing diffusion processes between the different
material compositions.
11. Component according to one of the preceding claims, characterised in that on the second
coating layer (3) there is additionally a ceramic thermal barrier layer (6) having
low thermal conductivity.
12. Component according to claim 11, characterised in that the thermal barrier layer (6)
is made of zirconium oxide with an addition of yttrium oxide.
13. Component according to claim 11 or 12, characterised in that the second coating layer
(3) is pre-oxidised on its outer surface to form the thermal barrier layer (6).
14. Component according to claim 1, 3, 6, 9 or 11, characterised in that the total thickness
of the coating layer is grater than 0.3 mm.
15. Component according to one of the preceding claims, characterised in that the component
(1) is a gas turbine blade.
1. Elément métallique constitutif d'une installation à turbine à gaz, en un matériau
de base (1) à base de nickel, le matériau de base étant muni, au moins dans certaines
parties de l'élément constitutif,
a) d'une première couche de revêtement (2) protégeant de la corrosion à des températures
de 600° à 800°C (HTKII) et constituée d'une couche de diffusion déposée sur le matériau
de base, en une épaisseur supérieure à 0,130 mm, qui est constituée principalement
de chrome et qui contient en plus au moins 10 % d'au moins l'un des éléments que sont
le fer et le manganèse (pourcentage en poids) ;
b) d'une seconde couche de revêtement (3) au-dessus, protégeant de la corrosion à
des températures de 800° à 900°C (HTKI) et ayant les constituants suivants :
de 15 à 40 % de chrome,
de 7 à 15 % environ d'aluminium,
de 0,2 à 3 % d'au moins un élément choisi dans le groupe des terres rares, yttrium,
tantale, hafnium, scandium, zirconium, niobium, rhénium, silicium ;
le reste étant au moins un des éléments choisis parmi le cobalt et le nickel ;
ainsi que des impuretés dues à la fabrication.
2. Elément constitutif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la première
couche de revêtement (2) contient de 20 à 30 % environ de fer.
3. Elément métallique constitutif d'une installation à turbine à gaz, en un matériau
de base (1) à base de nickel, le matériau de base étant muni, au moins dans certaines
parties de l'élément constitutif,
a) d'une première couche de revêtement protégeant de la corrosion à des températures
de 600° à 800°C (HTKII), la première couche de revêtement (2) étant une couche-support
ayant les constituants suivants (pourcentage en poids)
chrome de 30 à 55 % ;
aluminium inférieur à 3 % ;
de 0,5 à 2 % d'au moins un élément choisi dans le groupe des terres rares, yttrium,
tantale, hafnium, scandium, zirconium, niobium, silicium ;
le reste étant au moins un des éléments choisis parmi le fer, le cobalt, le nickel
;
ainsi que des impuretés dues à la fabrication;
b) d'une seconde couche de revêtement (3) au-dessus de protection vis à vis de la
corrosion à des températures de 800° à 900°C (HTKI) et ayant les constituants suivants:
de 15 à 40 % de chrome,
de 7 à 15 % environ d'aluminium,
de 0,2 à 3 % d'au moins un des éléments choisis dans le groupe des terres rares, yttrium,
tantale, hafnium, scandium, zirconium, niobium, rhénium, silicium ;
le reste étant au moins un des éléments que sont le cobalt et le nickel ;
ainsi que des impuretés dues à la fabrication.
4. Elément constitutif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que dans la première
couche de revêtement (2), la proportion de chrome est de 40 % environ et la proportion
des éléments choisis dans le groupe des terres rares, yttrium, tantale, hafnium, scandium,
zirconium, niobium, silicium est en tout de 1 % environ.
5. Elément constitutif suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la première
couche de revêtement (2) est déposée par projection au plasma sous basse pression.
6. Elément métallique constitutif d'une installation à turbine à gaz, en un matériau
de base (1) à base de nickel, le matériau de base étant muni, au moins dans certaines
parties de l'élément constitutif,
a) d'une première couche de revêtement (2) de protection vis à vis de la corrosion
à des températures de 600° à 800°C (HTKII), la première couche de revêtement (2) étant
une couche-support ayant les constituants suivants (pourcentage en poids) :
chrome de 15 à 50 % ;
aluminium inférieur a 3 % ;
de 0,5 à 2 % d'au moins un élément choisi dans le groupe des terres rares, yttrium,
tantale, hafnium, scandium, zirconium, niobium, silicium ;
le reste étant au moins l'un des éléments que sont le fer ou le nickel ;
ainsi que des impuretés dues à la fabrication ;
b) d'une seconde couche de revêtement (3) au-dessus de protection vis à vis de la
corrosion à des températures de 800 à 900°C (HTKI) et ayant les constituants suivants
:
de 15 à 40 % de chrome ;
de 7 à 15 % environ d'aluminium ;
de 0,2 à 3 % d'au moins un élément choisi dans le groupe des terres rares, yttrium,
tantale, hafnium, scandium, zirconium, niobium, rhénium, silicium ;
le reste étant au moins l'un des éléments que sont le cobalt et le nickel ;
ainsi que des impuretés dues à la fabrication.
7. Elément constitutif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que dans la première
couche de revêtement (2) la proportion de chrome est de 20 à 30 % et la proportion
des éléments du groupe des terres rares, yttrium, tantale, hafnium, scandium, zirconium,
niobium, silicium est en tout de 1 % environ.
8. Elément constitutif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce
que dans la seconde couche de revêtement (3) la proportion de chrome est de 20 à 30
% environ, la proportion d'aluminium est de 7 à 12 % environ et la proportion des
éléments du groupe de terres rares, yttrium, tantale, hafnium, scandium, zirconium,
niobium, rhénium, silicium est de 0,7 % environ.
9. Elément constitutif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce
qu'au moins la seconde couche de revêtement est déposée par projection de plasma sous
basse pression.
10. Elément suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que entre
le matériau de base (1) et la première couche de revêtement (2) et/ou entre la première
couche de revêtement (2) et la seconde couche de revêtement (3) est présente une couche-barrière
empêchant la diffusion (4 et 5), par exemple en nitrure de titane, pour diminuer les
processus de diffusion entre les compositions différentes de matériaux.
11. Elément constitutif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce
que sur la seconde couche de revêtement (3) est présente, en outre, une couche (6)
en céramique formant barrière thermique et ayant une faible conductivité thermique.
12. Elément constitutif suivant la revendication 11, caractérisé en ce que la couche (6)
formant barrière thermique est en oxyde de zirconium avec addition d'oxyde d'yttrium.
13. Elément constitutif suivant la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que la seconde
couche de revêtement (3) est pré-oxydée sur sa face tournée vers la couche (6) formant
barrière thermique.
14. Elément constitutif suivant la revendication 1, 3, 6, 9 ou 11, caractérisé en ce que
l'épaisseur totale de la couche de revêtement est supérieure à 0,3 mm.
15. Elément constitutif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce
que l'élément constitutif (1) est une aube de turbine à gaz.