Schichtsystem für Turbinenkomponente

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem (6) umfassend eine Wärmedämmschicht (3) und eine Erosionsschutzschicht (5), wobei zwischen der Erosionsschutzschicht(5) und der Wärmedämmschicht (3) eine Zwischenschicht (4) angeordnet wird, deren Längenausdehnungskoeffizient α_ZW ähnlich zu den Längenausdehnungskoeffizienten der Wärmedämmschicht (3) α_WDS und/oder der Erosionsschutzschicht (5) α_TOP ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem umfassend ein Substrat, eine auf dem Substrat angeordnete Wärmedämmschicht und eine Erosionsschutzschicht.

[0002] Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenkomponente, insbesondere eines Dampfturbinenbauteils, mit einem Substrat, an dem eine Wärmedämmschicht angebunden ist, wobei auf die Wärmedämmschicht eine Erosionsschutzschicht aufgebracht wird.

[0003] Zur Steigerung der Effizienz von Dampfkraftwerken wird u. a. die Anhebung der Dampfparameter Druck und Temperatur in Erwägung gezogen, um eine Erhöhung des Wirkungsgrades zu erreichen. Die Dampfparameter können hierbei bei über 600°C liegen, was zu erhöhten thermischen Anforderungen an die Materialien führt. Daher müssen solche Werkstoffe verwendet werden, die eine hohe Zeitstandsfestigkeit aufweisen. Allerdings besitzen solche Werkstoffe zumeist keine ideale Eigenschaft im Hinblick auf die Oxidationsbeständigkeit. Die Oxidationsbeständigkeit ist meistens nicht ausreichend für die extremen Dampfparameter. Geeignete Schichten, die bei den extremen thermischen Belastungen eingesetzt werden, sind aluminiumhaltige Beschichtungen. Solche Beschichtungen haben den Vorteil, dass beim Aufbringen und Aushärten der Schicht durch Diffusion von Aluminium in dem Grundwerkstoff eine gute Anbindung an den zu schützenden Werkstoff erreicht wird. Darüber hinaus bildet sich eine AL₂O₃-Schicht, die den Werkstoff vor Oxidation schützt.

[0004] Es ist weiterhin bekannt, eine Schutzschicht durch PVD-Verfahren zu erzeugen, sowie thermisch erzeugte Spritzschichten des Typs MCrAlY einzusetzen. Die MCrAlY-Schichten haben allerdings den Nachteil, dass bei der Auftragung der Schicht durch Atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) wegen des Zutritts von Sauerstoff die chemische Zusammensetzung deutlich von der ursprünglichen Pulverzusammensetzung abweicht. Es kann hierzu zu erheblichen Oxidationen der Hauptlegierungselemente Chrom und/oder Aluminium kommen, was zu der Konsequenz führt, dass die gewünschten Eigenschaften der Schicht, wie z.B. die Oxidationsbeständigkeit oder die Duktilität usw. nicht oder nur unzureichend erreicht wird.

[0005] Da austenitische Stähle aufgrund ungünstiger physikalischer Eigenschaften, wie hohe Wärmdehnungskoeffizient oder niedriger Wärmeleitfähigkeit, hierbei an ihre Grenzen stoßen, werden verschiedene Varianten von zeitstandsfesten, ferritischmartensitischen Stählen mit Chromgehalten von 9 Gew.-% bis 12 Gew.-% entwickelt.

[0006] Eine weitere technische Herausforderung stellt das Aufbringen der Wärmedämmschichten auf eine Turbinenkomponente dar. Eine Lösung dieser technischen Herausforderung stellt die Verwendung einer Haftschicht dar, die zwischen dem Grundwerkstoff und der Wärmedämmschicht sich befindet. Diese Haftschicht, die auch als Bondcoating bezeichnet wird, bewirkt außer einer verbesserten Haftung der keramischen Wärmedämmschicht auch einen Schutz des Grundwerkstoffes gegen Oxidation und Korrosion. Des Weiteren ist es zweckmäßig, die aufgetragenen Wärmedämmschichten gegenüber Erosion durch eine weitere Schutzschicht, die auch als Top-Coating bezeichnet werden kann, zu schützen.

[0007] Geeignete Materialien zur Verwendung als Haftschicht und Top-Coating sind z.B. Ni/Cr80/20 und MCrAlY. Die Verwendung der vorgenannten Haftschichten bzw. Top-Coatings ist auf Grundwerkstoffen, die auf Nickelbasislegierung basieren, gut. Problematisch ist hierbei allerdings die Verwendung der vorgenannten Haftschichten und Top-Coatings gegenüber ferritischen Grundwerkstoffen (1 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% Chrom bzw. 9 Gew.-% bis 12 Gew.-% Chrom - Stähle) sowie gegenüber einer ZrO₂-Wärmedämm-schicht da die vorgenannten Haftschichten deutlich höhere Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Dies führt gegenüber dem Grundwerkstoff als auch gegenüber der Wärmedämmschicht zu höheren Spannungen oder Dehnungen, was zu einer Rissbildung führen kann.

[0008] Die Erosionsschutzschicht und die darunter angeordnete Wärmedämmschicht weisen unterschiedliche Längenausdehnungskoeffizienten α_WDS beziehungsweise α_TOP auf.

[0009] Dies führt dazu, dass zwischen diesen beiden Schichten in Folge von Spannungen und Dehnungen es zu Rissbildungen führen kann.

[0010] Dieses Problem wird derzeit dadurch gelöst, dass die Erosionsschutzschicht auf maximal 80µm begrenzt wird, was aber die Schutzwirkung einschränkt.

[0011] Wünschenswert wäre es, das Schichtsystem so weiterzubilden, dass eine Rissbildung verhindert werden kann.

[0012] Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Schichtsystem gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 8.

[0013] Das Schichtsystem wird derart weitergebildet, dass zwischen der Wärmedämmschicht und der Erosionsschicht eine Zwischenschicht angeordnet wird, die einen Kompromiss darstellt im Hinblick auf die Längenausdehnungskoeffizienten α_WDS und α_TOP. Der Längenausdehnungskoeffizient α_ZW der Zwischenschicht sollte derart gewählt sein, dass er größer ist als der Längenausdehnungskoeffizient α_WDS. Die Zwischenschicht, deren Längenausdehnungskoeffizient α_ZW zwischen den Längenausdehnungskoeffizienten α_WDS der Wärmedämmschicht und des Längenausdehnungskoeffizienten α_TOP der Erosionsschicht liegt, führt zu einer Minderung der Spannungen, wodurch das Riss- und Abplatzverhalten minimiert wird und somit größere Schichtdicken möglich sind, um den Erosionsabtrag zu minimieren. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0014] In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Wärmedämmschicht aus Zirkondioxid ausgebildet und die Zwischenschicht weist einen Grenzanteil an metallischen Partikeln auf. Durch diese gezielte Auswahl an Werkstoffen ist ein entsprechender Ausgleich der Längenausdehnungskoeffizienten α_ZW und α_TOP realisiert. Eine aus Zirkondioxid ausgebildete Wärmedämmschicht weist einen Längenausdehnungskoeffizienten von im wesentlichen 8 auf. Eine Zwischenschicht, die einen bestimmten Anteil an metallischen Partikeln aufweist, weist im Wesentlichen einen Längenausdehnungskoeffizienten von 11 auf.

[0015] In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Zwischenschicht aus Ferrit ausgebildet. Ein Ferrit ist hierbei eine kristallographische Modifikation des Eisens und weist einen vergleichsweise ähnlichen Längenausdehnungskoeffizienten wie die Erosionsschicht auf. Ein Abplatzen bzw. eine Herbeiführung von Rissen wird dadurch noch weiter minimiert.

[0016] In einem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Anspruch 11 wird die Zwischenschicht mittels atmosphärischem Plasmaspritzen aufgebracht, wobei ein Pulver verwendet wird entsprechend folgender Tabelle:

Element	Konzentration in Gew.-%	vorzugsweise
CR	22 - 26	23 - 24
Al	5-8	6 - 7
Seltene Erden	0,5 - 2
Fe	Basis (Rest)

[0017] In diesem Pulver soll erfindungsgemäß die Zwischenschicht Zirkondioxid mit einem Anteil von zwischen 30 Gew.-% und 70 Gew.-%, insbesondere 50 Gew.-% enthalten sein.

[0018] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden näher erläutert.

[0019] Figur 1 zeigt in schematischer Weise eine erfindungsgemäße Schichtanordnung.

[0020] Auf dem ferritischen Grundwerkstoff 1 wird eine Haftschicht 2, die auch als bond coating bezeichnet werden kann, durch ein geeignetes Verfahren aufgebracht. Auf dieser Haftschicht 2 wird in geeigneter Weise eine Wärmedämmschicht 3 durch ein geeignetes Verfahren aufgebracht.

[0021] Die Turbinenkomponente, die insbesondere ein Dampfturbinenbauteil, wie z. B. ein Teil eines Innengehäuses oder eine Turbinenschaufel sein kann, besteht aus einem ferritischen Grundwerkstoff 1. An diesem ferritischen Grundwerkstoff 1 wird eine Wärmedämmschicht 3 angebunden. Diese Wärmedämmschicht 3 ist beispielsweise eine Zirkondioxid-Wärmedämmschicht oder eine auf Yttrium teilstabilisiertes Zirkonoxid. Andere Wärmedämmschichten sind denkbar. Zwischen der Wärmedämmschicht 3 und dem ferritischen Grundwerkstoff 1 wird eine Haftschicht 2, die auch als bond coat bezeichnet werden kann, aufgebracht. Die Haftschicht 2 wird durch ein atmosphärisches Plasmaspritzverfahren auf den ferritischen Grundwerkstoff 1 aufgebracht.

[0022] Über der Wärmedämmschicht 3 ist eine Erosionsschutzschicht 5, die auch als top-coating bezeichnet werden kann, aufgebracht. Zwischen der Erosionsschutzschicht 5 und der Wärmedämmschicht 3 ist eine Zwischenschicht 4 angeordnet, die durch ein atmosphärisches Plasmaspritzverfahren auf die Wärmedämmschicht 3 aufgebracht wird.

[0023] Das dafür verwendete Pulver weist folgende Zusammensetzung auf:

Element	Konzentration in Gew.-%	vorzugsweise
CR	22 - 26	23 - 24
Al	5-8	6 - 7
Seltene Erden	0,5 - 2
Fe	Basis (Rest)

[0024] Die in der Tabelle angegebenen Gewichtsprozentangaben können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.

[0025] Der ferritische Grundwerkstoff 1, der auch als Substrat bezeichnet werden kann, die Wärmedämmschicht 3, die Haftschicht 2, die Zwischenschicht 4 sowie die Erosionsschutzschicht 5 bilden ein Schichtsystem 6.

[0026] Die Wärmedämmschicht 3 kann aus Zirkondioxid (ZrO₂) ausgebildet sein, wobei die Zwischenschicht 4 einen Grenzanteil an metallischen Partikeln umfasst.

[0027] Der Längenausdehnungskoeffizient α_ZW der Zwischenschicht 4 ist größer als der Längenausdehnungskoeffizient α_WDS der Wärmedämmschicht 3. Die Zwischenschicht 4 kann aus einem Ferrit ausgebildet sein. Die Wärmedämmschicht 3 weist einen Längenausdehnungskoeffizient α_WDS von im Wesentlichen 8 (10^-6 K^-1 bei 20°C). Der Längenausdehnungskoeffizient α_ZW des Ferrites liegt im Wesentlichen bei 11 (10^-6 K^-1 bei 20°C).

[0028] Das Schichtsystem 6 kann auf eine Turbinenkomponente, insbesondere einem Dampfturbinenbauteil angeordnet werden. Das Verfahren zur Herstellung dieser Turbinenkomponente, insbesondere des Dampfturbinenbauteils erfolgt dadurch, dass in einem ersten Verfahrensschritt an einem Substrat 1 eine Wärmedämmschicht 3 mittels einer Haftschicht 2 und auf dieser Wärmedämmschicht 3 eine Erosionsschutzschicht 5 aufgebracht wird, wobei zwischen der Wärmedämmschicht 3 und der Erosionsschutzschicht 5 eine Zwischenschicht 4 mit einem geeigneten Längenausdehnungskoeffizienten α_ZW angeordnet wird. Bei diesem Verfahren wird die Zwischenschicht 4 mittels einem atmosphärischem Plasmaspritzen aufgebracht, wobei ein Pulver gemäß der vorne beschriebenen Tabelle verwendet wird. Zusätzlich zu diesem Pulver umfasst die Zwischenschicht 30 Gew.-% bis 70 Gew.-% Zirkondioxid, insbesondere 50 Gew.-% Zirkondioxid, um die Längenausdehnungskoeffizienten α_ZW und α_TOP anzupassen.

Ansprüche

1. Schichtsystem (6) umfassend
ein Substrat (1),
eine auf dem Substrat (1) angeordnete Wärmedämmschicht (3) und
eine auf der Wärmedämmschicht (3) angeordnete Erosionsschutzschicht (5),
gekennzeichnet durch
eine Zwischenschicht (4), die zwischen der Wärmedämmschicht (3) und der Erosionsschutzschicht (5) angeordnet ist.

2. Schichtsystem (6) nach Anspruch 1,
wobei die Wärmedämmschicht (3) aus Zirkonoxid ausgebildet ist und
die Zwischenschicht (4) einen Grenzanteil an metallischen Partikeln umfasst.

3. Schichtsystem (6) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Zwischenschicht (4) einen Längenausdehnungskoeffizienten α_ZW aufweist, der größer ist als der Längenausdehnungskoeffizient α_WDS der Wärmedämmschicht (3).

4. Schichtsystem (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Zwischenschicht (4) aus Ferrit ausgebildet ist.

5. Schichtsystem (6) nach Anspruch 4,
wobei die Wärmedämmschicht (3) einen Längenausdehnungskoeffizienten α_WDS von im Wesentlichen 8 [10^-6 K^-1 bei 20°C] aufweist.

6. Schichtsystem (6) nach Anspruch 5,
wobei der Ferrit einen Längenausdehnungskoeffizienten α_ZW von im Wesentlichen 11 [10^-6 K^-1 bei 20°C] aufweist.

7. Turbinenkomponente mit einem Schichtsystem (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

8. Verfahren zur Herstellung einer Turbinenkomponente, insbesondere eines Dampfturbinenbauteils,
mit einem Substrat (1), an dem eine Wärmedämmschicht (3) angebunden ist,
wobei auf die Wärmedämmschicht (3) eine Erosionsschutzschicht (5) aufgebracht ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der Erosionsschutzschicht (5) und der Wärmedämmschicht (3) eine Zwischenschicht (4) angeordnet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8,
wobei die Wärmedämmschicht (3) aus Zirkonoxid ausgebildet wird und
die Zwischenschicht (4) mit einem Grenzanteil an metallischen Partikeln ausgebildet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
wobei die Zwischenschicht (4) aus einem Material ausgebildet wird, dessen Längenausdehnungskoeffizient α_ZW größer ist als der Längenausdehnungskoeffizient α_WDS der Wärmedämmschicht (3).

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
wobei die Zwischenschicht (4) mittels atmosphärischem Plasmaspritzen aufgebracht wird,
wobei ein Pulver gemäß folgender Zusammensetzung

Element	Konzentration in Gew.-%	vorzugsweise
CR	22 - 26	23 - 24
Al	5-8	6 - 7
Seltene Erden	0,5 - 2
Fe	Basis (Rest)

verwendet wird,
wobei ein Anteil von ZrO2 oder Al2O3 oder Ähnlichem mit Anteilen bis max. 50 Gew.-% beträgt.

Zeichnung