[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzschicht für Turbinenschaufeln gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
[0002] Turbinenschaufeln dieser Art werden in vielen Fällen aus einer Ni-Basislegierung
hergestellt und zum Antrieb von Gasturbinen direkt mit heißen Verbrennungsgasen beaufschlagt.
Sie sind dabei sowohl thermischen als auch mechanischen Beanspruchungen während des
Betrieb der Gastrubine sowie Belastungszyklen ausgesetzt. Um die Turbinenschaufeln
vor korrosiven chemischen Elementen und Verbindungen in Form von Schwefel, Ölaschen,
Sauerstoff, Erdalkalien und Vanadium zu schützen, welche von den heißen Gasen mitgeführt
werden, sind die Turbinenschaufeln mit einer Schutzschicht versehen. Hierfür werden
MCrAlY-Schichten verwendet, wobei M stellvertretend für Ni, Co, Fe oder eine Kombination
der genannten Elemente steht. Die Beschichtung wird aus einen Pulver hergestellt,
das die oben genannten Metalle enthält. Die Herstellung eines solchen Pulvers erfolgt
beispielsweise durch Verdüsung aus dem schmelzflüssigen Zustand, wobei die Pulverpartikel
anschließend sehr schnell abgekühlt werden. Das Ausbilden der Beschichtung auf einer
Turbinenschaufel erfolgt mit Luft-Plasmaspritzen, Vakuum-Plasmaspritzen, Niederdruck-Plasmaspritzen
oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen. Die Mikrostruktur der aufgebrachten Schicht
resultiert auf dem Herstellungsprozeß des Pulvers, dem Spritzprozeß, der chemischen
Zusammensetzung und der Wärmebehandlung, wobei Art, Größe und Menge der Phasen nur
geringfügig variiert werden können. Von Nachteil ist bei diesen bekannten Schichten,
daß ihre mechanischen, thermomechanischen und physikalischen Eigenschaften durch bestimmte
ungünstige Mikrostrukturen negativ beeinflußt werden. So weisen MCrAIY-Schutzschichten
nach ihrer Wärmebehandlung β-, γ'-und σ-Phasen in einer γ-Matrix auf. Es läßt sich
bei diesen Schichten nicht vermeiden, daß sich die Volumenanteile der einzelnen Phasen
nachträglich verändern bzw. sich bestimmte Phasen durch Ostwald Reifung vergröbern,
was durch langsame Prozesse der Gleichgewichtseinstellungen verursacht wird.
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine MCrAlY-Schutzschicht für Turbinenschaufeln
mit verbesserten Eigenschaften aufzuzeigen.
[0004] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
[0005] Bei der erfindungsgemäßen Schutzschicht werden die eingangs genannten Nachteile durch
den Einsatz von speziellen Pulvermischungen vermieden. Für die Ausbildung der erfindungsgemäßen
MCrAIY-Schutzschicht wird von wenigstens zwei Pulvern ausgegangen, die mit Hilfe eines
thermischen Spritzprozesses so aufgetragen werden, daß auf den Begrenzungsflächen
einer Turbinenschaufel ein zusammenhängender Überzug ausgebildet wird. Die beiden
Pulver haben erfindungsgemäß unterschiedliche chemische Zusammensetzungen. Für die
Ausbildung der erfindungsgemäßen Schutzschicht werden bevorzugt ein erstes Pulver
mit einer ersten Phase und ein zweites Pulver mit einer zweiten Phase verwendet, wobei
die Schutzschicht diese beiden Phasen bei der Anwendungstemperatur ebenfalls aufweist.
Die Pulver werden zudem so ausgewählt, daß mindestens ein gleiches chemisches Element
in beiden Pulvern enthalten ist. Beispielsweise wird ein erstes Pulver mit einer Zusammensetzung
verwendet, welches die Bildung einer Ni-Basis γ-Matrix ermöglicht, während das zweite
Pulver eine Zusammensetzung aufweist, aus der intermetallische Aluminid-Phasen von
Ni, Fe, Pt oder Ru gebildet werden. Nach einer Wärmebehandlung weist die Schutzschicht
eine Mikrostruktur mit einer Ni-Basis γ-Matrix und einer solchen β-Phase auf.
[0006] Erfindungsgemäß kann die Schutzschicht auch so ausgebildet werden, daß sie unter
der Betriebstemperatur, die in einer Gasturbine auftritt, eine Mikrostruktur mit β-,
γ-, γ'-Phasen aufweist. Für die Herstellung diese Schicht werden ebenfalls zwei Pulver
verwendet, die beide jeweils zwei Phasen aufweisen. Dabei wird das erste Pulver so
gewählt, daß seine Zusammensetzung für die Bildung einer β- und einer γ-Phase geeignet
ist, wenn es der Anwendungstemperatur ausgesetzt ist. Das zweite Pulver wird so gewählt,
daß seine Zusammensetzung die Bildung einer γ- und einer γ'- Phase unter den gleichen
Anwendungsbedingungen ermöglicht. Nach der Wärmebehandlung der Schicht stellt sich
die gewünschte dreiphasige Mikrostruktur ein.
[0007] Diese Mikrostruktur der erfindungsgemäßen MCrAIY-Schutzschicht besitzt gegenüber
den bekannten Schichten dieser Art verbesserte Eigenschaften. Deshalb verändert sich
die Schutzschicht nur geringfügig, wenn sie den Betriebstemperaturen einer Gasturbine
ausgesetzt wird. Nachteilige Phasentransformationen beispielsweise die Ausscheidung
von σ-Phasen werden in jeden Fall vermieden.
[0008] Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
[0009] Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von einer Zeichnung näher erläutert.
[0010] Die einzige zur Beschreibung gehörige Figur zeigt eine Turbinenschaufel 1, die mit
einem Überzug 2 in Form einer MCrAlY-Schutzschicht versehen ist. M steht hierbei stellvertretend
für Ni, Co, Fe oder einer Kombination dieser chemischen Elemente. Für die Ausbildung
des Überzugs 2 wird ein erstes Pulver verwendet, aus dem sich eine γ-Matrix bildet.
Desweiteren wird eine zweites Pulver benutzt, aus dem sich eine β-Phase bildet. Die
beiden Pulver werden zusammen oder getrennt voneinander auf die Turbinenschaufel 1
aufgetragen. Die Pulver (hier nicht dargestellt) werden so ausgewählt, daß mindestens
ein gleiches chemisches Element in beiden Pulvern enthalten ist. Vorzugsweise wird
ein erstes Pulver verwendet, das zur Bildung einer Ni-Basis γ-Matrix die chemischen
Elemente Ni, Fe, Cr, Co, und Al enthält, während das zweite Pulver zur Bildung von
intermetallischen Aluminid-Phasen von Ni, Fe, Pt oder Ru die chemischen Elemente Ni,
Fe, Pt, Ru und Al aufweist. Die verwendeten Pulver weisen vorzugsweise eine Teilchengröße
zwischen 1 µm bis 150 µm auf. Nach einer Wärmebehandlung des Überzugs 2 weist dieser
eine Mikrostruktur mit diesen Phasen auf.
[0011] Erfindungsgemäß kann die Schutzschicht auch so ausgebildet werden, daß sie unter
der Betriebstemperatur, die in einer Gasturbine auftritt, eine Mikrostruktur mit β-,
γ-, γ'-Phasen aufweist. Für die Herstellung diese Schicht werden ebenfalls zwei Pulver
verwendet, die beide jeweils zwei Phasen bilden. Dabei wird das erste Pulver so gewählt,
daß seine Zusammensetzung für die Bildung einer β- und einer γ-Phase geeignet ist,
wenn es der Anwendungstemperatur ausgesetzt ist. Das zweite Pulver wird so gewählt,
daß seine Zusammensetzung die Bildung einer γ- und einer γ'- Phase unter den gleichen
Anwendungsbedingungen ermöglicht. Nach der Wärmebehandlung der Schicht stellt sich
die gewünschte dreiphasige Mikrostruktur ein.
1. MCrAlY-Schutzschicht für Turbinenschaufeln (1), dadurch gekennzeichnet, daß auf die Begrenzungsflächen (1B) der Turbinenschaufel (1) ein Überzug (2) aus
mindestens zwei metallischen Pulvern verschiedener Zusammensetzungen aufgetragen ist,
und daß mindestens ein gleiches chemisches Element in beiden Pulvern enthalten ist.
2. Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Pulver eine Zusammensetzung
für die Bildung einer ersten Phase und das zweite Pulver eine Zusammensetzung für
die Bildung einer zweiten Phase aufweist, welche der Überzug (2) bei der Betriebstemperatur
einer Gasturbine besitzt.
3. Schutzschicht nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste
Pulver die chemischen Elemente Ni, Fe, Cr, Co, Al und das zweite Pulver die chemischen
Elemente Ni, Fe, Pt, Ru und Al enthält.
4. Schutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug
(2) eine Ni-Basis γ-Matrix und intermetallische Aluminid-Phasen von Ni, Fe, Pt oder
Ru aufweist.
5. Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Pulver eine Zusammensetzung
für die Bildung einer β- und einer γ-Phase und das zweite Pulver eine Zusammensetzung
für die Bildung einer γ- und einer γ'- Phase aufweist, und daß der Überzug (2) unter
Anwendungsbedingungen eine dreiphasige Mikrostruktur mit β-, γ-, γ'-Phasen hat.
6. Schutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden
Pulver zur Ausbildung des Überzugs (2) gemeinsam oder voneinander getrennt aufgebracht
sind.
7. Schutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengröße
der beiden Pulver 1 µm bis 150 µm beträgt.
