[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbindung der nominalen atomaren Zusammensetzung
Al
wCo
xM
y, wobei M wenigstens eines der Elemente ausgewählt aus der Gruppe Ni, Cr ist und wenigstens
30 Massenprozent der Verbindung als quasikristalline Struktur oder als Approximat
vorliegen, eine Beschichtung die aus der Verbindung besteht oder sie enthält, ein
Schichtsystem das die Beschichtung und eine metallische Schicht aufweist und die Verwendung
der Verbindung als Wärmedämmschicht für ein Bauteil, das hohen Temperaturen ausgesetzt
ist.
[0002] Wenn Bauteile bei hohen Temperaturen und unter korrosiven Bedingungen verwendet werden,
ist es in vielen Fällen nötig, sie mit Schutzschichten zu versehen. So kann durch
den Einsatz von Wärmedämmschichten nicht nur die Lebensdauer der Bauteile erhöht werden,
sondern teilweise auch die Betriebstemperatur angehoben werden, was zu einer Effizienzsteuerung
führt. Dies trifft besonders auf Bauteile zu, die in Gas- oder Dampfturbinen verwendet
werden.
[0003] Normalerweise werden für derartige Wärmedämmschichten Zirkonoxide verwendet, die
beispielsweise durch Yttriumoxide stabilisiert sind. Derartige keramische Wärmedämmschichten
können unter Verwendung von Verfahren wie dem Plasmaspritzen auf ein metallisches
Substrat aufgebracht werden. Da die keramischen Schichten jedoch nicht ausreichend
gut auf dem metallischen Substrat haften, ist es nötig, zuerst einen Haftgrund MCrAlY
auf das Bauteil aufzubringen, wobei M wenigstens eines der Elemente aus der Gruppe
Eisen, Kobalt, Nickel und Y ein Aktivelement ist und für Yttrium und/oder Silizium
und/oder ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium steht.
[0004] Es ist aufwendig, zwei Schichten auf das zu schützende Bauteil aufzubringen, und
deshalb sind Anstrengungen unternommen worden, alternative Materialien zu den keramischen
Verbindungen zu finden. Dabei haben sich quasikristalline Materialien als geeignet
erwiesen, da sie eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidation und Korrosion,
eine geringe thermische Ausdehnung, eine gute Verarbeitbarkeit zu Beschichtungen und
vor allem eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
[0005] Quasikristalle im engeren Sinne des Wortes sind Phasen, die eine 5, 10 oder 12-zählige
Rotationssymmetrie aufweisen, welche mit der Symmetrie des Translationsgitters von
klassischen Kristallphasen nicht vereinbar sind. Als Approximate von Quasikristallen
bezeichnet man translationsperiodische intermetallische Verbindungen, welche Difraktionsmuster
mit 5, 8, 10 oder 12-facher Absordesymmetrie aufweisen.
[0006] Quasikristalline Legierungen sind etwa in der
US 5,432,011 beschrieben. Die hier genannten Legierungen werden u. a. für Beschichtungen verwendet,
wobei diese wiederum als Wärmedämmschichten eingesetzt werden. Allerdings wird in
dem Patent eine Vielzahl von möglichen Legierungen offenbart, die verschiedenste Elemente
in unterschiedlichsten Zusammensetzungen enthalten können.
[0007] Auch in der
DE 103 58 813 A1 werden quasikristalline Legierungen und deren Verwendung als Beschichtung genannt.
Hier ist der Stand der Technik zu quasikristallinen Legierungen umfassend referiert.
[0008] Die beschriebenen quasikristallinen Legierungen enthalten seltene und vor allem auch
teure Metalle wie Ruthenium, Platin oder Palladium. Für die Herstellung der Legierungen
ist es weiterhin problematisch, dass teilweise mehr als sechs verschiedene Metalle
enthalten sind, was die genaue Einwaage der Komponenten erschwert und insgesamt den
Aufwand erhöht. Nicht in allen Fällen liegt außerdem ein ausreichend großer Anteil
der Legierung in quasikristalliner Form oder als Approximat vor, und auch die Wärmeleitfähigkeit
ist teilweise für eine Verwendung als Wärmedämmschicht noch zu hoch.
[0009] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbindung bereitzustellen, die aus
wenigen günstigen metallischen Bestandteilen besteht und zu mindestens 30 Massenprozent
als quasikristalline Struktur oder als Approximat vorliegt. Eine weitere Aufgabe der
Erfindung ist es, eine Beschichtung oder ein Schichtsystem unter Verwendung der Verbindung
zu entwickeln und die Verbindung als Wärmedämmschicht für ein Bauteil einzusetzen.
[0010] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Bereitstellung einer Verbindung der nominalen
atomaren Zusammensetzung Al
wCo
xM
y, bei der 70 ≤ w ≤ 76 und w + x + y = 100 ist und M ein oder zwei Metalle darstellt,
gelöst.
[0011] Grundgedanke der Erfindung ist es also, eine Verbindung bereitzustellen, die maximal
aus drei oder vier metallischen Elementen besteht, welche alle relativ kostengünstig
zu erwerben sind und in der Aluminium als Hauptbestandteil in einem Bereich zwischen
70 und 76 Atomprozent enthalten ist.
Drei metallische Elemente
[0012] In einer Ausbildung der Erfindung ist M = Ni, 10 < x ≤15 und 10 < y ≤ 20. Diese Verbindung
besteht nur aus drei Elementen und weist zusätzlich eine sehr gute Wärmebeständigkeit
auf.
[0013] Versuche haben außerdem gezeigt, dass eine Verbindung mit besonders niedriger Wärmeleitfähigkeit
erhalten wird, wenn M = Cr und 70 ≤ w ≤ 75, 10 ≤ x ≤ 15 und 10 ≤ y ≤ 20 ist.
Vier metallische Elemente
[0014] In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht eine Verbindung neben Aluminium
und Kobalt noch sowohl aus Chrom als auch aus Nickel (M = Ni, Cr), wobei 70 ≤ w <
75 ist.
Beschichtung und Schichtsysteme
[0015] Die Verbindung kann als Beschichtung auf ein Substrat aufgetragen werden. Sie kann
auch als einer von mehreren Bestandteilen in einer Beschichtung enthalten sein.
[0016] Außerdem ist es möglich, mit Hilfe der erfindungsgemäßen Beschichtung ein Schichtsystem
auszubilden. Vorzugsweise ist unter der Beschichtung aus der erfindungsgemäßen Verbindung
eine metallische Schicht angeordnet.
Hier hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die metallische Schicht Nickel und
Aluminium enthält und dies bevorzugt in einem atomaren Verhältnis von 95 : 5.
[0017] Die metallische Schicht kann auch als dünne Anbindungsschicht ausgebildet sein, was
die Haftung der Beschichtung verbessert.
[0018] Wenn das Schichtsystem aus Beschichtung und metallischer Schicht mehrmals übereinander
angebracht wird, erhält man ein Vielfachschichtsystem, das besonders gute Korrosionsbeständigkeit
und geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
[0019] Die erfindungsgemäße Verbindung kann auch als Wärmedämmschicht für ein Bauteil 333,
357 (Fig. 1), das hohen Temperaturen ausgesetzt ist, verwendet werden.
[0020] In gleicher Weise kann auch eine Verbindung eingesetzt werden, die Aluminium und
Mangan enthält, und die zu wenigstens 30 Massenprozent als quasikristalline Struktur
oder als Approximat vorliegt.
Die erfindungsgemäße Verwendung eignet sich insbesondere für Teile von Turbinen, insbesondere
einer Dampfturbine 300 ,303 wie Turbinenschaufeln 357 (Fig. 1).
[0021] In Figur 1 ist eine Dampfturbine 300, 303 mit einer sich entlang einer Rotationsachse
306 erstreckenden Turbinenwelle 309 dargestellt.
[0022] Die Dampfturbine weist eine Hochdruck-Teilturbine 300 und eine Mitteldruck-Teilturbine
303 mit jeweils einem Innengehäuse 312 und einem dieses umschließende Außengehäuse
315 auf. Die Hochdruck-Teilturbine 300 ist beispielsweise in Topfbauart ausgeführt.
Die Mitteldruck-Teilturbine 303 ist beispielsweise zweiflutig ausgeführt. Es ist ebenfalls
möglich, dass die Mitteldruck-Teilturbine 303 einflutig ausgeführt ist.
[0023] Entlang der Rotationsachse 306 ist zwischen der Hochdruck-Teilturbine 300 und der
Mitteldruck-Teilturbine 303 ein Lager 318 angeordnet, wobei die Turbinenwelle 309
in dem Lager 318 einen Lagerbereich 321 aufweist. Die Turbinenwelle 309 ist auf einem
weiteren Lager 324 neben der Hochdruck-Teilturbine 300 aufgelagert. Im Bereich dieses
Lagers 324 weist die Hochdruck-Teilturbine 300 eine Wellendichtung 345 auf. Die Turbinenwelle
309 ist gegenüber dem Außengehäuse 315 der Mitteldruck-Teilturbine 303 durch zwei
weitere Wellendichtungen 345 abgedichtet. Zwischen einem Hochdruck-Dampfeinströmbereich
348 und einem Dampfaustrittsbereich 351 weist die Turbinenwelle 309 in der Hochdruck-Teilturbine
300 die Hochdruck-Laufbeschaufelung 357 auf, die vorzugsweise die erfindungsgemäße
Verbindung als Beschichtung aufweist. Diese Hochdruck-Laufbeschaufelung 357 stellt
mit den zugehörigen, nicht näher dargestellten Laufschaufeln einen ersten Beschaufelungsbereich
360 dar.
[0024] Die Mitteldruck-Teilturbine 303 weist einen zentralen Dampfeinströmbereich 333 auf,
der vorzugsweise eine erfindungsgemäße Verbindung als Beschichtung aufweist. Dem Dampfeinströmbereich
333 zugeordnet weist die Turbinenwelle 309 eine radialsymmetrische Wellenabschirmung
363, eine Abdeckplatte, einerseits zur Teilung des Dampfstromes in die beiden Fluten
der Mitteldruck-Teilturbine 303 sowie zur Verhinderung eines direkten Kontaktes des
heißen Dampfes mit der Turbinenwelle 309 auf. Die Turbinenwelle 309 weist in der Mitteldruck-Teilturbine
303 einen zweiten Beschaufelungsbereich 366 mit den Mitteldruck-Laufschaufeln 354
auf. Der durch den zweiten Beschaufelungsbereich 366 strömende heiße Dampf strömt
aus der Mitteldruck-Teilturbine 303 aus einem Abströmstutzen 369 zu einer strömungstechnisch
nachgeschalteten, nicht dargestellten Niederdruck-Teilturbine.
[0025] Die Turbinenwelle 309 ist beispielsweise aus zwei Teilturbinenwellen 309a und 309b
zusammengesetzt, die im Bereich des Lagers 318 fest miteinander verbunden sind. Jede
Teilturbinenwelle 309a, 309b weist eine als zentrale Bohrung 372a entlang der Rotationsachse
306 ausgebildete Kühlleitung 372 auf. Die Kühlleitung 372 ist mit dem Dampfaustrittsbereich
351 über eine eine radiale Bohrung 375a aufweisende Zuströmleitung 375 verbunden.
In der Mitteldruck-Teilturbine 303 ist die Kühlmittelleitung 372 mit einem nicht näher
dargestellten Hohlraum unterhalb der Wellenabschirmung verbunden. Die Zustromleitungen
375 sind als radiale Bohrung 375a ausgeführt, wodurch "kalter" Dampf aus der Hochdruck-Teilturbine
300 in die zentrale Bohrung 372a einströmen kann. Über die insbesondere auch als radial
gerichtete Bohrung 375a ausgebildete Abströmleitung 372 gelangt der Dampf durch den
Lagerbereich 321 hindurch in die Mitteldruck-Teilturbine 303 und dort an die Manteloberfläche
330 der Turbinenwelle 309 im Dampfeinströmbereich 333. Der durch die Kühlleitung strömende
Dampf hat eine deutlich niedrigere Temperatur als der in den Dampfeinströmbereich
333 einströmende zwischenüberhitzte Dampf, so dass eine wirksame Kühlung der ersten
Laufschaufelreihen 342 der Mitteldruck-Teilturbine 303 sowie der Manteloberfläche
330 im Bereich dieser Laufschaufelreihen 342 gewährleistet ist.
1. Verbindung der nominalen atomaren Zusammensetzung:
Al
wCo
xM
y
wobei M wenigstens eines der Elemente ausgewählt aus der Gruppe Ni, Cr ist und wenigstens
30 Massenprozent der Verbindung als quasikristalline Struktur oder als Approximat
vorliegen,
dadurch gekennzeichnet, dass
2. Verbindung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
M = Ni und 10 < x ≤ 15 und 10 < y ≤ 20 ist,
insbesondere 11 ≤ x ≤ 14 und 12 ≤ y ≤ 18.
3. Verbindung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
M = Cr und 70 ≤ w ≤ 75, 10 ≤ x ≤ 15 und 10 ≤ y ≤ 20 ist,
insbesondere 71 ≤ w 74, 11 ≤ x ≤ 14 und 12 ≤ y ≤ 18.
4. Verbindung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
M = Cr und Ni und 70 ≤ w < 75 ist,
insbesondere 71 ≤ w ≤ 74.
5. Beschichtung,
die aus einer Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 besteht oder sie enthält.
6. Schichtsystem
mit einer Beschichtung nach Anspruch 5.
7. Schichtsystem nach Anspruch 6,
mit einer weiteren metallischen Schicht.
8. Schichtsystem nach Anspruch 7,
bei dem die metallische Schicht unter der Beschichtung nach Anspruch 5 angeordnet
ist.
9. Schichtsystem nach Anspruch 7,
bei der die metallische Schicht über der Beschichtung nach Anspruch 5 angeordnet ist.
10. Schichtsystem nach Anspruch 7, 8 oder 9,
bei dem die metallische Schicht Ni und Al enthält, bevorzugt in einem atomaren Verhältnis
von Ni = 95 und Al = 5.
11. Schichtsystem nach Anspruch 7, 8 oder 9,
bei dem die metallische Schicht als dünne Anbindungsschicht ausgebildet ist.
12. Vielfachschichtsystem,
das aus zwei oder mehr aufeinander angebrachten Schichtsystemen nach einem der Ansprüche
6 bis 11 besteht.
13. Verwendung einer Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4
als Wärmedämmschicht für ein Bauteil (333, 357),
das hohen Temperaturen ausgesetzt ist.
14. Verwendung einer Verbindung,
die Al und Mn enthält und von der wenigstens 30 Massenprozent als quasikristalline
Struktur oder als Approximat vorliegen
als Wärmedämmschicht für ein Bauteil (333, 357), das hohen Temperaturen ausgesetzt
ist.
15. Verwendung nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil eine Turbinenschaufel (357) insbesondere einer Dampfturbine (300 ,303)
ist.