DE102004045049A1 - Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht - Google Patents

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Abstract

Zum Schutz einer Basismetallschicht (1) gegen Hochtemperaturkorrosion und Hochtemperaturerosion wird auf die Basismetallschicht (1) eine Haftschicht (3) auf MCrAlY-Basis aufgebracht. Die Haftschicht (3) wird durch Alitieren mit einer Al-Diffusionsschicht (4) überzogen. Die Diffusionsschicht (4) wird einer Abrasivbehandlung unterworfen, so dass durch die Abrasivbehandlung die äußere Aufbauschicht (4, 2) auf der durch Alitierung erzeugten Diffusionsschicht (4) entfernt wird. Auf die so behandelte Diffusionsschicht (4) wird eine keramische Wärmedämmschicht (2) aus Zirkonoxid, das durch Yttriumoxid teilstabilisiert ist, aufgebracht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht auf ein Basismetall mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
  • Die Oberflächen im Heißgasbereich werden in modernen Gasturbinen fast vollständig mit Beschichtungen versehen. Die dabei eingesetzten Wärmedämmschichten dienen zur Absenkung der Materialtemperatur gekühlter Bauteile. Hierdurch kann deren Lebensdauer verlängert, Kühlluft reduziert oder die Maschine mit höheren Eintrittstemperaturen betrieben werden. Wärmedämmschichtsysteme bestehen immer aus einer mit dem Grundwerkstoff (Basismetall) durch Diffusion verbundenen metallischen Haftschicht und einer darüber liegenden Keramikschicht mit schlechter Wärmeleitfähigkeit, die die eigentliche Barriere gegen den Wärmestrom darstellt und das Basismetall gegen Hochtemperaturkorrosion und Hochtemperaturerosion schützt.
  • Als Keramikwerkstoff für die Wärmedämmschicht hat sich Zirkoniumoxid durchgesetzt, das mit etwa 7 Gew.-% Yttriumoxid teilstabilisiert ist (Internationale Kurzbezeichnung: „YPSZ" von Yttria Partially Stabilised Zirconia). Die Wärmedämmschichten werden nach dem jeweiligen Aufbringungsverfahren in zwei wesentliche Klassen eingeteilt. Bei den thermisch (meist mit atmosphärischem Plasma, APS) gespritzten Schichten wird abhängig von der gewünschten Schichtdicke und Spannungsverteilung eine Porosität zwischen etwa 10 und 25 Vol.-% eingestellt. Die Bindung zur rau gespritzten Haftschicht erfolgt durch mechanische Verklammerung.
  • Wärmedämmschichten, die durch physikalische Dampfabscheideprozesse mittels Elektronenstrahl (EB-PVD-Verfahren) aufgedampft sind, weisen bei Einhaltung bestimmter Abscheidebedingungen eine säulenförmige (kolumnare), dehnungstolerante Struktur auf. Bei diesem Verfahren ist die Schicht chemisch durch Bildung eines Al/Zr-Mischoxides auf einer reinen Aluminiumoxidschicht(Thermally Grown Oxide, TGO) gebunden, die von der Haftschicht während der Aufbringung und anschließend im Betrieb gebildet wird. Dieses Verfahren stellt besondere Anforderungen an das Oxidwachstum auf der Haftschicht. Als Haftschichten können prinzipiell sowohl Diffusions- als auch Auflageschichten zum Einsatz kommen.
  • An die Haftschichten werden die folgenden komplexen Anforderungen gestellt, nämlich geringe statische und zyklische Oxidationsraten, die Bildung einer möglichst reinen Aluminiumoxidschicht als TGO (bei nach dem EB-PVD-Verfahren hergestellten Schichten), eine hinreichende Beständigkeit gegen Hochtemperaturkorrosion, eine niedrige Spröd-/, Duktil-Übergangstemperatur, eine hohe Kriechfestigkeit, eine gute Haftung, eine minimale Langzeit-Interdiffusion mit dem Grundwerkstoff und ein wirtschaftliches Aufbringen der Haftschicht in reproduzierbarer Qualität.
  • Für die besonderen Anforderungen in stationären Gasturbinen bieten metallische Auflageschichten aus einer Sonderlegierung auf MCrAlY-Basis (M = Ni, Co) die besten Möglichkeiten zur Erfüllung der chemischen und mechanischen Voraussetzungen. Die Eigenschaften der Auflageschichten können durch Zulegieren spezieller Refraktärelemente wie Rhenium und Tantal oder durch Alitieren weiter verbessert werden. MCrAlY-Schichten enthalten in einer NiCoCr („y")-Matrix die intermetallische β-Phase NiCoAl als Aluminium-Vorrat. Diese Phase hat allerdings auch einen versprödenden Einfluss, so dass der praktisch realisierbare Al- Gehalt in der MCrAlY-Schicht bei weniger als 12 Gew.-% liegt. Zur weiteren Steigerung der Oxidationsbeständigkeit ist es bekannt (WO 96/34129), die MCrAlY-Schichten mit einer Al-Diffusionsschicht zu überziehen, um deren Al-Gehalt zu erhöhen. Wegen der Versprödungsgefahr beschränkte man dieses Verfahren allerdings bisher weitgehend auf aluminiumarme Ausgangsschichten.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe die Oxidationsbeständigkeit einfacher MCrAlY-Schichten als Haftschichten durch eine Erhöhung des Al-Gehaltes der MCrAlY-Schicht zu verbessern, ohne dass eine Versprödung eintritt.
  • Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die Struktur der alitierten MCrAlY-Schicht besteht aus der inneren, weitgehend unveränderten y/β-Mischphase, einer Diffusionszone, in der der Al-Gehalt auf etwa 20 % ansteigt und einer äußeren Schicht mit einer β-NiAl-Phase, die einen Anteil von etwa 30 % Al aufweist. Diese äußere Schicht stellt die Schwachstelle des Schichtsystems hinsichtlich Sprödigkeit und Rissempfindlichkeit dar. Sie wird erfindungsgemäß durch die Abrasivbehandlung bis herab zur Diffusionszone entfernt, wodurch in der Oberfläche der verbleibenden Schicht ein Al-Gehalt von 18 bis unter 30 % eingestellt wird. Das Entfernen der äußeren Schicht kann durch Strahlen mit üblichen Medien wie Korund, Siliziumkarbid, verkleinerten Metalldrähten und ähnliche Materialien erfolgen.
  • Durch die Erhöhung des Al-Gehaltes in der einfachen MCrAlY-Schicht aufgrund der Alitierung wird die Oxidationsbeständigkeit dieser als Haftschicht dienenden Schicht verbessert. Die durch die Alitierung hervorgerufene Versprödung an der Oberfläche der alitierten Schicht wird durch die abrasive Nachbehandlung vermieden, zumindest aber minimiert werden.
  • Die Standzeit der insbesondere mittels Elektronenstrahl aufgedampften Wärmedämmschichten wird durch den höheren Aluminiumgehalt der alitierten Schicht erheblich verlängert. Bei vorzeitigem Versagen der Wärmedämmschicht, z. B. durch Fremdkörpereinschlag oder Erosion ist ein längerer „Notbetrieb" möglich. Andererseits wird durch das Entfernen der besonders spröden β-NiAl-Phase das Risiko einer Risseinleitung minimiert.
  • Die Alitierung der Haftschicht und der inneren Kühlkanäle des Bauteils kann simultan durchgeführt werden, so dass nur geringe Mehrkosten für das Abstrahlen entstehen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf alle Schaufeln und gegebenenfalls andere heißgasbeaufschlagte Turbinenbauteile anwendbar, die mit Wärmedämmschichten, insbesondere mit nach dem EB-PVD-Verfahren hergestellten Wärmedämmschichten beschichtet werden.
    •
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 schematisch und in nicht maßstabsgerechter Darstellung den Schnitt durch ein mit einer Beschichtung versehenes Basismetall und
  • 2 den Längsschnitt durch eine Gasturbinenschaufel.
  • Die Gasturbinenschaufel 10 gemäß 2 ist hohl ausgebildet und weist im Inneren Kühlkanäle 11 auf.
  • Eine Basismetallschicht 1, die der Grundwerkstoff für die Schaufel 10 der Gasturbine oder auch für ein anderes mit Heißgas in Berührung kommendes Bauteil einer Gasturbine sein kann, ist zum Schutz gegen Hochtemperaturkorrosion und Hochtemperaturerosion mit einer keramischen Wärmedämmschicht 2 versehen. Die Wärmedämmschicht 2 besteht aus Zirkonoxid, das mit etwa 7 Gew.-% teilstablisiert ist.
  • Zur Verbesserung der Haftung der Wärmedämmschicht 2 auf dem Grundwerkwerkstoff der Basismetallschicht 1 wird zunächst auf den Grundwerkstoff eine als Haftschicht 3 dienende Auflageschicht aufgebracht. Die Haftschicht 3 besteht aus einer Sonderlegierung auf MCrAlY-Basis. Der Buchstabe M steht hier für Ni oder Co. Das Aufbringen der Haftschicht erfolgt nach dem physikalischen Dampfabscheideprozess unter Verwendung von Elektronenstrahlen (EB-PVD-Verfahren), oder vorzugsweise durch das Niederdruckplasmaspritz-Verfahren (LPPS-Verfahren).
  • Zur Erhöhung des Al-Gehaltes in der Haftschicht 3 wird diese mit einer Al-Diffusionsschicht 4 überzogen. Das Überziehen erfolgt durch Alitierung, das heißt durch eine Behandlung, bei der ein reaktives Al-haltiges Gas, das in der Regel ein Al-Halogenid (AlX2) ist, bei höherer Temperatur eine Einwärtsdiffusion von Al, verbunden mit einer Auswärtsdiffusion von Ni bewirkt.
  • Gleichzeitig kann durch eine entsprechende Führung des reaktiven Al-haltigen Gases (AlX2) eine Innenbeschichtung der Kühlkanäle 11 der Gasturbinenschaufel 10 vorgenommen werden, Durch das Alitieren entsteht auf der weitgehend unveränderten Haftschicht 3 innerhalb der Diffusionsschicht 4 eine innere Diffusionszone 4,1 und darüber eine äußere Aufbauschicht 4,2 aus einer spröden β-NiAl-Phase.
  • Die äußere Aufbauschicht 4,2 wird durch Strahlen mit harten Partikeln, wie Korund, Siliziumkarbid, Metalldrähten oder anderen bekannten Schleif- oder Poliermitteln bis herab auf die innere Diffusionszone 4,1 der Diffusionsschicht 4 entfernt.
  • Die abrasive Behandlung wird soweit getrieben, dass die Oberfläche der verbliebenen Diffusionsschicht 4 einen Al-Gehalt von über 18% und unter 30% aufweist.
  • Die gestrahlte Diffusionsschicht 4 wird nach der abrasiven Behandlung vorzugsweise einer Feinglättung unterworfen.
  • Im Anschluss an die oben geschilderten Verfahrensschritte wird die Wärmedämmschicht 2 durch einen physikalischen Dampfabscheideprozess mittels Elektronenstrahlen aufgebracht.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Aufbringen einer gegen Hochtemperaturkorrosion und Hochtemperaturerosion beständigen Schutzschicht auf eine Basismetallschicht (1), wobei auf die Basismetallschicht (1) eine Haftschicht (3) auf MCrAlY-Basis aufgebracht wird, die Haftschicht (3) durch Alitieren mit einer Al-Diffusionschicht (4) überzogen wird, auf die Diffusionschicht (4) eine keramische Wärmedämmschicht (2) aus Zirkonoxid, das durch Yttriumoxid teilstabilisiert ist, aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsschicht (4) einer Abrasivbehandlung unterworfen wird, so dass durch die Abrasivbehandlung die äußere Aufbauschicht (4,2) der durch Alitierung erzeugten Diffusionsschicht (4) entfernt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Alitieren eine Diffusionsschicht (4) mit der eigentlichen Diffusionszone (4,1) mit einem Al-Gehalt von etwa 20 % und eine äußere Aufbauschicht (4,2) mit einem Al-Gehalt von etwa 30% erzeugt wird und dass durch die Abrasivbehandlung die äußere Aufbauschicht (4,2) der Diffusionsschicht (4), die oberhalb der eigentlichen Diffusionszone (4,1) liegt, soweit entfernt wird, dass der Gehalt an Al in der Oberfläche der verbliebenen Diffusionsschicht (4) mindestens 18% und maximal 30% beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die abrasiv behandelte Diffusionsschicht (4) einer Feinglättung unterworfen wird.
  4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Alitieren der Haftschicht (3) in einem Verfahrensschritt simultan mit einer Innenbeschichtung der Kühlkanäle eines hohlen Bauteils vorgenommen wird.
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