Dampfturbinenbauteil mit einer Schutzbeschichtung

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zu Herstellung einer Schicht auf einer Turbinenkomponente, wobei die Turbinenkomponente aus einem ferritischen Grundwerkstoff besteht, auf die eine Wärmedämmschicht angebunden ist, welche mittels einer Haftschicht auf dem ferritischen Grundwerkstoff angebunden ist, wobei die Haftschicht durch Atmosphärisches Plasmaspritzen aufgebracht wird und dazu ein Pulver, umfassend (in Gew.-%): 22% - 26% Chrom, 5% - 8% Aluminium, 1,5% - 3% Seltene Erden sowie den Rest Fe.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenkomponente, insbesondere einem Dampfturbinenbauteil, mit einem ferritischen Grundwerkstoff, an den eine Wärmedämmschicht angebunden ist, welche Wärmedämmschicht mit einer Haftschicht aus einem ferritischen Werkstoff ausgebildet ist.

[0002] Zur Steigerung der Effizienz von Dampfkraftwerken wird unter anderem 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 daher, ein Verfahren zur Herstellung einer Turbinenkomponente anzugeben, das im ferritischen Grundwerkstoff sowie in der Wärmedämmschicht zu einer geringen Rissbildung führt.

[0009] Gelöst wird diese Aufgabe durch den Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0010] Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung ist es, dass die Haftschicht ein ferritischer Schichttyp ist, wobei der Chrom-, der Aluminiumgehalt sowie der Gehalt an den Seltenen Erden entsprechend den in den Ansprüchen aufgeführten Mengenangaben ausgeführt sind. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass der Sauerstoff, der beim atmosphärischen Spritzen überwiegend an Aluminium und Chrom gebunden würde, nun aus thermodynamischen Gründen an die Elemente der Seltenen Erden gebunden wird. Daher können die chemischen Elemente Chrom und Aluminium nur noch im geringeren Maße oxidiert werden, wodurch eine optimale Schutzschichtbildung möglich ist. Des Weiteren steht genügend Aluminium in der Matrix zur Verfügung, um die Anteile an der Sigma-Phase zu minimieren.

[0011] Je nach Konzentration an Elementen der Seltenen Erden kann auch der Aluminium- und Chromgehalt des Pulvers variiert werden. Das bedeutet, dass bei hohen Anteilen der Seltenen Erden der Chrom- und Aluminiumgehalt niedriger eingestellt werden kann, als bei geringeren Anteilen an Elementen der Seltenen Erden.

[0012] Die in den Ansprüchen angegebenen Zusammensetzungen des Pulvers haben den wesentlichen Vorteil, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient ähnlich ist, wie der der ferritischen Grundwerkstoffe und auch der Wärmedämmschicht. Die zur Oxidationsbeständigkeit notwendigen Aluminium- und/oder Chrom-Gehalte werden dadurch erreicht, dass trotz des APS-Verfahrens ausreichend hohe Chrom- und Aluminium-Gehalte in der Matrix der Schicht erhalten bleiben.

[0013] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden näher erläutert.

[0014] Figur 1 zeigt in schematischer Weise eine erfindungsgemäße Schichtanordnung. Auf dem ferritischen Grundwerkstoff 1 wird eine Haftschicht 2, die auch als Bond-Coating bezeichnet werden kann, durch geeignete Verfahren aufgebracht. Auf dieser Haftschicht 2 wird in geeigneter Weise eine Wärmedämmschicht 3 durch ein geeignetes Verfahren aufgebracht. Optional kann auf die Wärmedämmschicht 3 eine Schutzschicht 4, die auch als Top-Coating bezeichnet werden kann, aufgebracht werden.

[0015] Die Turbinenkomponente, die insbesondere ein Dampfturbinenbauteil, wie z.B. ein Teil eines Innengehäuses oder eine Turbinenschaufel sein kann, besteht aus einem ferritischen Grundwerkstoff. An diesen ferritischen Grundwerkstoff 1 wird eine Wärmedämmschicht 3 angebunden. Diese Wärmedämmschicht ist beispielsweise eine ZrO₂-Wärmedämmschicht oder eine aus Yttrium teilstabilisiertes Zirkonoxid. Andere Wärmedämmschichten sind denkbar. Zwischen der Wärmedämmschicht 3 und dem ferritischen Grundwerkstoff 1 wird eine Haftschicht 2, die auch als Bondcoat bezeichnet werden kann, aufgebracht. Die Haftschicht 2 wird durch ein Atmosphärisches Plasmaspritzverfahren (ABS) auf den ferritischen Grundwerkstoff aufgebracht. Das dafür verwendete Pulver weist folgende Zusammensetzung auf:

Element	Konzentration in Gew.-%	vorzugsweise
Fe	Basis (Rest)
Cr	22% - 26%	23% - 24%
Al	5% - 8%	6% - 7%
Seltene Erden (Y; Hf; Ce; ...)	1,5% - 3%	1,5% - 2%

[0016] Das im atmosphärischen Plasmaverfahren verwendete Pulver wird zum einen zum Auftragen einer Haftschicht 2 auf den ferritischen Grundwerkstoff 1 sowie zum Auftragen einer Schutzschicht 4 auf der Wärmedämmschicht 3 optional angebracht. Die Schutzschicht 4 wird auch als Top-Coating bezeichnet. Die in der Tabelle angegebenen Gew.-%-Angaben können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Turbinenkomponenten, insbesondere Dampfturbinenbauteil,
mit einem ferritischen Grundstoff, an den eine Wärmedämmschicht (WDS) angebunden ist, welche WDS mit einer Haftschicht (2) aus einem ferritischen Werkstoff an den ferritischen Grundstoff angebunden ist,
wobei der ferritische Werkstoff mittels atmosphärischem Plasmaspritzen aufgebracht wird und dazu ein Pulver, umfassend (in Gew.-%) :

22% - 26% Cr,

5% - 8% Al,

1,5% - 3% Seltene Erden (Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium),

Rest Fe,
verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei das Pulver umfasst (in Gew.-%) :

23% - 24% Cr,

5% - 8% AL,

1,5% - 8% Seltene Erden (Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium),

Rest Fe.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei das Pulver umfasst (in Gew.-%):

23% - 24% Cr,

6% - 7% AL,

1,5% - 3% Seltene Erden (Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium),

Rest Fe.

4. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei das Pulver umfasst (in Gew.-%) :

23% - 24% Cr,

6% - 7% AL,

1,5% - 2% Seltene Erden (Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium),

Rest Fe.

5. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei das Pulver umfasst (in Gew.-%) :

22% - 26% Cr,

5% - 8% AL,

1,5% - 2% Seltene Erden (Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium),

Rest Fe.

6. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei das Pulver umfasst (in Gew.-%):

22% - 26% Cr,

6% - 7% AL,

1,5% - 3% Seltene Erden (Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium),

Rest Fe.

7. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei das Pulver umfasst (in Gew.-%):

22% - 26% Cr,

6% - 7% AL,

1,5% - 2% Seltene Erden (Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium),

Rest Fe.

8. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei das Pulver umfasst (in Gew.-%) :

23% - 24% Cr,

5% - 8% AL,

1,5% - 2% Seltene Erden (Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium),

Rest Fe.

9. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei das Pulver umfasst (in Gew.-%) :

23% - 24% Cr,

5% - 8% AL,

1,5% - 3% Seltene Erden (Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium),

Rest Fe.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmedämmschicht (WDS) eine aus Yttrium teilstabilisierte Zirkonoxid ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Haftschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Schutzschicht auf der Wärmedämmschicht angeordnet ist.

12. Turbinenkomponente mit einer Haftschicht hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

Zeichnung