Schichtsystem für eine Turbinenkomponente

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem umfassend ein Substrat (1), eine auf dem Substrat (1) angeordnete Wärmedämmschicht (3) und eine Erosionsschutzschicht (4), wobei die Erosionsschutzschicht (4) eine metallische Schicht ist, in der Anteile von Zirkondioxid enthalten sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenkomponente, insbesondere Dampfturbinenbauteil, mit einem Substrat, an dem eine Wärmedämmschicht angebunden wird und eine Erosionsschicht auf der Wärmedämmschicht mittels atmosphärischem Plasmaspritzen aufgebracht wird.

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] 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.

[0006] 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.

[0007] Wünschenswert wäre es, eine Haftschicht bzw. eine Top-Coatingschicht zu haben, die in der Wärmedämmschicht sowie im ferritischen Grundwerkstoff zu weniger Rissbildung neigt.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist es ein Schichtsystem anzugeben, das eine geringe Neigung zur Rissbildung zeigt.

[0009] Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenkomponente, insbesondere Dampfturbinenbauteil, mit einem Substrat, am dem eine Wärmedämmschicht angebunden wird und eine Erosionsschutzschicht auf der Wärmedämmschicht mittels atmosphärischem Plasmaspritzen aufgebracht wird und dazu ein Pulver, umfassend (in Gew.-%):

22 bis 26 Cr, insbesondere 23 bis 24 Cr,

5 bis 8 Al, insbesondere 6 bis 7 Al,

0,5 bis 2 Seltene Erden (Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysposium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Luthetium), Rest Fe.

[0010] Die Erosionsschutzschicht wird als Top-coat über der Wärmedämmschicht aufgebracht und hat einen Längenausdehnungskoeffizienten α_Top, der dem Längenausdehnungskoeffizienten α_WDS der Wärmedämmschicht angeglichen wird. Dadurch werden die Spannungen in dem Schichtsystem, insbesondere zwischen der Erosionsschutzschicht und der Wärmedämmschicht vermindert. Somit können dickere Erosionsschutzschichten, die einen Schutz für die Wärmedämmschicht bieten, aufgebracht werden, ohne dass es zu einer erhöhten Rissbildung oder zu einer Ablösung kommt.

[0011] Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Unteransprüche können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.

[0012] So ist in einer ersten vorteilhaften Weiterbildung die durch atmosphärisches Plasmaspritzen aufgebrachte Erosionsschutzschicht derart ausgebildet, dass diese einen Anteil an Zirkondioxid mit einem Anteil bis zu 50 Gew.-% aufweist.

[0013] In einer alternativen Ausführungsform weist die Erosionsschutzschicht einen Anteil an Aluminiumoxid mit einem Anteil von bis zu 50 Gew.-% auf.

[0014] Gelöst wird die Aufgabe auch durch ein Schichtsystem umfassend ein Substrat, einer auf dem Substrat angeordneten Wärmedämmschicht und einer auf der Wärmedämmschicht angeordnete Erosionsschutzschicht, wobei die Erosionsschutzschicht eine metallische Schicht, in der Anteile von Zirkondioxid (ZrO₂) enthalten sind, umfasst.

[0015] Die gezielte Auswahl der Werkstoffe für die einzelnen Schichten, wie die Erosionsschutzschicht und der Wärmedämmschicht, führt zu einer Angleichung der Längenausdehnungskoeffizienten der einzelnen Schichten, was zu dem Effekt führt, dass Spannungen vermindert und dadurch eine Rissbildung verhindert wird.

[0016] In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die metallische Schicht eine ferritische Schicht. Die Erosionsschicht ist in einer alternativen Ausführungsform auf einer NiCoCrAlY-Basis mit einem Anteil von Zirkondioxid oder Aluminiumoxid ausgebildet. Auch diese Auswahl an geeigneten Werkstoffen führt zu einer verringerten Rissbildung in dem Schichtsystem.

[0017] Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

[0018] Die Figur zeigt ein in schematischer Weise dargestelltes Schichtsystem.

[0019] Auf dem ferritischen Grundwerkstoff 1, der auch als Substrat bezeichnet wird, wird eine Haftschicht 2, die auch als bond coating bezeichnet wird, durch ein geeignetes Verfahren aufgebracht. Auf diese Haftschicht 2 wird in geeigneter Weise eine Wärmedämmschicht 3 durch ein weiteres geeignetes Verfahren aufgebracht. Auf diese Wärmedämmschicht 3 kommt eine Erosionsschutzschicht 4, die auch als top-coating bezeichnet werden kann.

[0020] Die Turbinenkomponente, das insbesondere ein Dampfturbinenbauteil ist und z. B. ein Teil eines Innengehäuses oder eine Turbinenschaufel sein kann, umfasst einen ferritischen Grundwerkstoff 1. An diesen ferritischen Grundwerkstoff 1 wird eine Wärmedämmschicht 3 angebunden. Diese Wärmedämmschicht 3 ist beispielsweise eine ZrO₂-Wärmedämmschicht oder ein aus Yttrium teilstabilisiertes Zirkonoxid. Andere Wärmedämmschichten 3 sind denkbar. Zwischen der Wärmedämmschicht 3 und dem ferritischen Grundwerkstoff 1 wird eine Haftschicht 2, die auch als bond-coat bezeichnet wird, aufgebracht. Die Haftschicht 2 wird durch ein atmosphärisches Plasmaspritzverfahren auf den ferritischen Grundwerkstoff 1 aufgebracht.

[0021] Die Erosionsschutzschicht 4 wird ebenfalls mittels eines atmosphärischen Plasmaspritzverfahrens auf die Wärmedämmschicht 3 angeordnet, wobei das verwendete Pulver folgende Zusammensetzung aufweist:

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

[0022] Die durch atmosphärisches Plasmaspritzen aufgebrachte Erosionsschutzschicht 4 weist einen Anteil an Zirkondioxid mit einem Anteil von bis zu 50 Gew.-% auf.

[0023] Des Weiteren kann in einer alternativen Ausführungsform die durch atmosphärisches Plasmaspritzen aufgebrachte Erosionsschutzschicht 4 einen Anteil an Aluminiumoxid mit einem Anteil bis zu 50 Gew.-% aufweisen.

[0024] Die Erosionsschutzschicht 4 kann in einer alternativen Ausführungsform auf einer Nickel-Kobalt-Chrom-Aluminiumoxid-Basis mit einem Anteil an Zirkondioxid oder Aluminiumoxid ausgebildet sein. Die Erosionsschutzschicht 4 weist einen Längenausdehnungskoeffizienten α_TOP, der im Wesentlichen gleich groß ist wie der Längenausdehnungskoeffizient α_WDS der Wärmedämmschicht.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Turbinenkomponente, insbesondere Dampfturbinenbauteil,
mit einem Substrat (1), an dem eine Wärmedämmschicht (3) angebunden wird und eine Erosionsschutzschicht (4) auf der Wärmedämmschicht (3) mittels atmosphärischem Plasmaspritzen aufgebracht wird und dazu ein Pulver,
umfassend (in Gew.-%):

22 - 26 Cr, insbesondere 23 - 24 Cr,

5 - 8 AL, insbesondere 6 - 7 Al,

0,5 - 2 Seltene Erden (Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysposium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Luthetium),

Rest Fe,
verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei zu der durch atmosphärisches Plasmaspritzen aufgebrachten Erosionsschutzschicht (4) ein Anteil an Zirkondioxid (ZrO₂) mit einem Anteil bis 50 Gew.-% angeordnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei zu der durch atmosphärisches Plasmaspritzen aufgebrachten Erosionsschutzschicht (4) ein Anteil an Al₂O₃ mit einem Anteil bis 50 Gew.-% angeordnet wird.

4. Schichtsystem umfassend
ein Substrat (1),
eine auf dem Substrat (1) angeordnete Wärmedämmschicht [WDS] (3) und eine auf der Wärmedämmschicht (3) angeordnete Erosionsschutzschicht (4),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Erosionsschutzschicht (4) eine metallische Schicht, in der Anteile von Zirkondioxid enthalten sind,
umfasst.

5. Schichtsystem nach Anspruch 4,
wobei die metallische Schicht eine ferritische Schicht ist.

6. Schichtsystem umfassend
ein Substrat,
eine auf dem Substrat (1) angeordnete Wärmedämmschicht [WDS] (3) und eine auf der Wärmedämmschicht (3) angeordnete Erosionsschutzschicht (4),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Erosionsschutzschicht (4) auf einer NiCoCrAlY-Basis mit einem Anteil an Zirkondioxid oder Al₂O₃ ausgebildet ist.

7. Schichtsystem nach Anspruch 4, 5 oder 6,
wobei das Substrat (1) aus einem ferritischen Grundwerkstoff ausgebildet ist.

8. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
wobei die Erosionsschutzschicht (4) einen Längenausdehnungskoeffizienten α_TOP aufweist, der im Wesentlichen gleich groß ist wie der Längenausdehnungskoeffizient α_WDS der Wärmedämmschicht (3).

Zeichnung