DE102004025139A1 - Verfahren zur Aufbringung von Heißgas-Korrosionsschutzschichten - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbringung von Heißgas-Korrosionsschutzschichten auf hochwarmfesten Legierungen, entweder Nickel- oder Kobalt-Basislegierungen, in Form einer Gradientenschicht, bestehend aus einem oder mehrerer Elemente der Platingruppe in Verbindung mit Aluminium. Die Komponenten werden in einem gerichteten Hochtemperatur-Hochenthalpie-Freistrahl aus festen, flüssigen oder gasförmigen Precursoren in solchen Mischungsverhältnissen eingebracht, dass sich definierte Konzentrationsgradienten in der Schicht einstellen lassen.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbringung von Heißgas-Korrosionsschutzschichten auf einen Werkstoff mit einem Ni- oder Co-Basismaterial gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- In Fluggasturbinen ist im Bereich der Hochdruckturbine, insbesondere der Schaufeln und Leitsegmente ein Heißgas-Korrosionsschutz im Hochtemperaturbereich erforderlich. Hierzu werden die Komponenten, welche aus einem Ni-Basismaterial (in speziellen Fällen auch einem Co-Basismaterial) bestehen, mit einem Edelmetall aus der Platingruppe, vorzugsweise Pt selbst beschichtet.
- Anschließend wird die jeweilige Komponente bei einer Temperatur von ca. 1000° C diffusionsgeglüht. Der dabei entstehende Verbundwerkstoff wird anschließend mittels eines thermochemischen Prozesses alitiert. Durch die Alitierung wird ein PtAl-Gradientenwerkstoff erzeugt, welcher im Betrieb an der Oberfläche Al2O3 erzeugt, was eine Schutzschicht gegen korrosive Gase (z.B. Stickoxide, Schwefeloxide) darstellt. Diese Schutzschicht wird infolge des korrosiven/erosiven Angriffs zunächst verbraucht. Allerdings wird infolge einer Randdiffusion von im Werkstoff vorhandenem Aluminium in Verbindung mit dem freien Sauerstoff im Turbinenabgas ständig neues Al2O3 nachgebildet und somit eine entsprechende Schutzwirkung aufrechterhalten. Wenn das im Werkstoff enthaltene Al infolge der ständigen Randdiffusion verbraucht ist, muss ein entsprechendes Bauteil (Schaufel, Leitsegment) zur Wiederverwendung erneut alitiert werden.
- Herkömmliche Verfahren zur Darstellung von Heißgas-Korrosionsschutzschichten sind z.B. galvanische oder chemische Verfahren. Beide Verfahrensvarianten zeichnen sich dadurch aus, dass die Schichtaufbringung zumindest in einem Primärschritt aus der Flüssigphase erfolgt. Nachteilig an diesen Verfahren ist, dass nicht alle Materialkombinationen dargestellt werden können. Darüber hinaus sind diese Verfahren infolge eines hohen Zeit/Arbeitsaufwandes vergleichsweise kostenintensiv.
- Aufgabe der Erfindung ist es, ein entsprechend wirtschaftliches Verfahren anzugeben, mit dem Heißgas-Korrosionsschutzschichten auf einem Ni- oder Co-Basismaterial aufgebracht werden können.
- Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
- Erfindungsgemäß werden zur Darstellung der Heißgas-Korrosionsschutzschichten in einen gerichteten Hochtemperatur-Hochenthalpiestrahl metallische Precursoren eingebracht, aus den metallischen Precursoren ein Metalldampf erzeugt und dieser auf einem Bauteil zu einer Gradientenschicht abgeschieden.
- Dabei wird vorteilhafterweise auf das Basismaterial der Heißgaskomponenten, welches z.B. Schaufeln, Leitsegmente sind und üblicherweise aus hochwarmfesten Ni-Legierungen (aber auch Co-Legierungen) besteht, zunächst eine materialidentische oder zumindest materialverwandte Haftvermittlungsschicht aufgebracht. Erfindungsgemäß erfolgt auch dies mittels eines Beschichtungsverfahrens gekennzeichnet durch eine gerichtete, hochenthalpische und Hochtemperatur-Strömung. Vorteilhaft kann dabei eine Plasmaströmung überwiegend thermischer Natur (thermodynamische Gleichgewichts-Plasmaströmung, gekennzeichnet durch entweder volles oder lokales thermodynamisches Gleichgewicht – VTG; LTG) verwendet werden. Entsprechende Plasmaströmungen sind darstellbar durch expandierende Hochstrombogenentladungen (Arbeitsbereich der Bogenspannungen vorzugsweise oberhalb 100 V, Arbeitsbereich der Bogenströme vorzugsweise oberhalb 500 A) unter Verwendung von Argon/Wasserstoff-Primärgasen.
- Alternativ dazu können hochenthalpische Strömungen des erforderlichen Leistungsbereichs durch hochfrequenzinduzierte Plasmen (z.B. durch induktive Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung im Frequenzbereich 0.8 MHz – 10 MHz) dargestellt werden.
- In solchen Hochtemperatur-Hochenthalpieströmungen kann zur Herstellung einer Haftvermittlungsschicht ein pulverförmiges Material des Ni- oder Co-Basiswerkstoffes oder eines ähnlichen Materials verdampft bzw. nanoskalig fragmentiert werden.
- Die nachfolgende Expansion des trägergasgebundenen Metalldampfes führt zu einem gerichteten Freistrahl und zur Abscheidung einer feinkristallinen Schicht. Beschichtet wird das gesamte relevante Bauteil.
- Eine alternative Methode zur Aufbringung der Haftvermittlungsschicht unter Nutzung der spezifischen Eigenschaften von Hochtemperatur-Hochenthalpieströmungen besteht darin, dass gasförmige Precursoren (z.B. sublimierte Halogenide aus den entsprechenden salzfärmigen Verbindungen, praktische Beispiele dafür sind NiCl2, Al2Cl6, CoCl2, PtCl4, PdCl2) oder direkte Precursorgase (z.B. Al(CH)3, Ni(CO)4) sowie flüssige Precusoren (z.B H2PtCl6) in die Strömungen eingebracht und mittels anteiligem Wasserstoff im Prozessgas zu Metallatomen bzw. metallischen Nanopartikeln (Metallclustern) reduziert werden.
- Das Resultat dieser Verfahrensvariante ist entsprechend der vorigen Variante aus den Metallpulvern ebenfalls ein trägergasgebundener Metalldampf.
- Daran anschließend wird mittels identischer Verfahren die eigentliche Heißgas-Korrosionsschutzschicht in Gradientenform mit unterschiedlichen Konzentrationen der notwendigen Bestandteile aufgebracht. Ein konkretes Ausführungsbeispiel ist in
1 gezeigt. Die mit der Elementzusammensetzung einer dieser speziellen Heißgas-Korrosionsschutzschicht. - Diese konkrete Schicht stellt ein mögliches Ausführungsbeispiel dar. Andere Gradientenverläufe bzw. andere Komponenten sind nach dem erfindungsgemässen Verfahren in analoger Weise darstellbar.
- Vorteilhaft ist, dass die praktisch beliebig realisierbaren Mischungsverhältnisse bzw. Gradientenverläufe an die spezifischen Korrosionsbedingungen angepasst werden können. Diese hängen ab von der jeweiligen Temperatur am Bauteil sowie dem spezifischen Druck, dem Anteil an korrosiven Gasen resultierend aus einmal der Kraftstoffzusammensetzung sowie den individuellen Brennkammerparametern (mittlere und lokale Flammtemperaturen, mittlere und lokale Sauerstoffgehalte).
- Weiterhin vorteilhaft ist, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer einstufigen Verfahrensführung die gewünschte Schichtzusammensetzung eingestellt werden kann.
Claims (4)
- Verfahren zur Aufbringung von Heißgas-Korrosions-Schutzschichten auf einem Ni- oder Co-Basismaterial dadurch gekennzeichnet, dass in einen gerichteten Hochtemperatur-Hochenthalpiestrahl metallische Precursoren eingebracht werden, aus den metallischen Precursoren ein Metalldampf erzeugt und dieser auf einem Bauteil zu einer Gradientenschicht abgeschieden wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Precursoren eine Mischung aus festen, flüssigen oder gasförmigen Precursoren mit vorgebbaren Konzentrationsverhältnissen sind.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schicht Elemente der Platingruppe in Verbindung mit Aluminium enthalten sind.
- Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Gradientenschicht zwischen 30 und 150 μm beträgt.
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