DE102005053531A1 - Wärmedämmende Schutzschicht für ein Bauteil innerhalb des Heißgasbereiches einer Gasturbine - Google Patents

Wärmedämmende Schutzschicht für ein Bauteil innerhalb des Heißgasbereiches einer Gasturbine Download PDF

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Abstract

Eine wärmedämmende Schutzschicht für ein Bauteil innerhalb des Heißgasbereiches einer Gasturbine besteht aus einer Haftschicht, einer Diffusionsschicht und einer Keramikschicht, die auf das gegen hohe Temperatur beständige Basismetall des Bauteils aufgebracht ist. Die Haftschicht besteht aus einer Ni, Co, Cr, Al, Y enthaltenden Metalllegierung [MCrAlY (M = Ni, Co)], die Diffusionsschicht ist durch Alitieren der Haftschicht erzeugt, und die Keramikschicht besteht aus ZrO¶2¶, das durch Yttriumoxid teilstabilisiert ist. Dem Werkstoff der Haftschicht sind ein oder mehrere Metallelemente mit einem großen Atomdurchmesser aus der Gruppe Re, W, Si, Hf und/oder Ta zulegiert. Die Haftschicht weist nach dem Auftragen folgende chemische Zusammensetzung auf: Co 15 bis 30%, Cr 15 bis 25%, Al 6 bis 13%, Y 0,2 bis 0,7%, Re bis 5%, W bis 5%, Si bis 3%, Hf bis 3%, Ta bis 5%, Rest Ni.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine wärmedämmende Schutzschicht für ein Bauteil innerhalb des Heißgasbereiches einer Gasturbine mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
  • Die Oberflächen im Heißgasbereich werden in modernen Gasturbinen fast vollständig mit Beschichtungen versehen. Ausnahmen bilden in manchen Fällen noch die Schaufeln hinterer Turbinenreihen. Die Wärmedämmschichten dienen zur Absenkung der Materialtemperatur der gekühlten Bauteile. Hierdurch kann deren Lebensdauer verlängert, Kühlluft verringert oder die Gasturbine mit höheren Eintrittstemperaturen betrieben werden. Wärmedämmschichtsysteme in Gasturbinen bestehen immer aus einer mit dem Grundwerkstoff durch Diffusion verbundenen metallischen Haftschicht und einer darüber liegenden Keramikschicht mit schlechter Wärmeleitfähigkeit, die die eigentliche Barriere gegen den Wärmestrom darstellt und das Basismetall des Bauteils gegen Hochtemperaturkorrosion und Hochtemperaturerosion schützt.
  • Als Keramikwerkstoff für die Wärmedämmschicht hat sich Zirkoniumoxid (ZrO2) durchgesetzt, das in aller Regel 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:
    • – Thermisch (meist mit atmosphärischem Plasma, APS) gespritzte Schichten, bei denen abhängig von der gewünschten Schichtdicke und Spannungsverteilung eine Porosität zwischen ca. 10 und 25 Vol.-% in der Keramikschicht eingestellt wird. Die Bindung zur (rau gespritzten) Haftschicht erfolgt durch mechanische Verklammerung.
    • – Mittels Elektronenstrahl aufgedampfte EB-PVD-Schichten (Electronic Beam-Plasma Vapor Diffusion-), die bei Einhaltung bestimmter Abscheidebedingungen eine säulenförmige oder kolumnare dehnungstolerante Struktur aufweisen. Die Schicht ist chemisch durch Bildung eines Al/Zr-Mischoxides auf einer reinen, von der Haftschicht während der Aufbringung und anschließend im Betrieb gebildeten Aluminiumoxidschicht (Thermally Grown Oxide, TGO) gebunden, was besondere Anforderungen an das Oxidwachstum auf der Haftschicht stellt.
  • Als Haftschichten können prinzipiell sowohl Diffusionsschichten als auch Auflageschichten zum Einsatz kommen.
  • Das Anforderungsprofil an die Haftschichten ist komplex und hat folgendes zu berücksichtigen:
    • – Geringe statische und zyklische Oxidationsraten,
    • – Bildung einer möglichst reinen Aluminiumoxidschicht als TGO (bei EB-PVD) – Hinreichende Beständigkeit gegen Hochtemperaturkorrosion,
    • – Niedrige Spröd-, Duktil- und Übergangstemperatur,
    • – Hohe Kriechfestigkeit,
    • – Physikalische Eigenschaften ähnlich dem Grundwerkstoff, gute chemische Kompatibilität,
    • – Gute Haftung,
    • – Minimale Langzeit-Interdiffusion mit dem Grundwerkstoff,
    • – Wirtschaftliche Aufbringbarkeit in reproduzierbarer Qualität.
  • Für die besonderen Anforderungen in stationären Gasturbinen bieten Haft- oder Auflageschichten auf MCrAlY-Basis (M = Ni, Co) die besten Möglichkeiten zur Erfüllung der chemischen und mechanischen Voraussetzungen. MCrAlY-Schichten enthalten in einer NiCoCr („γ")-Matrix die intermetallische β-Phase NiCoAl als Aluminium-Vorrat. Die β-Phase NiCoAl hat allerdings auch einen versprödenden Einfluß, so dass der praktisch realisierbare Al-Gehalt bei ≤ 12 Gew.-% liegt. Zur weiteren Steigerung der Oxidationsbeständigkeit ist es möglich, die MCrAlY-Schichten mit einer Al-Diffusionsschicht zu überziehen. Wegen der Versprödungsgefahr beschränkt man dies weitgehend auf aluminiumarme (Al ≤ 8 %) Ausgangsschichten.
  • Die Struktur einer alitierten MCrAlY-Schicht besteht aus der inneren, weitgehend unveränderten γ, β-Mischphase, einer Diffusionszone, in der der Al-Gehalt auf ~ 20 % ansteigt und einer äußeren β-NiAl-Phase mit einem Anteil von etwa 30 % Al. Die NiAl-Phase stellt die Schwachstelle des Schichtsystems hinsichtlich Sprödigkeit und Rißempfindlichkeit dar.
  • Neben den Oxidationseigenschaften und den mechanischen Eigenschaften werden mit steigender Einsatztemperatur die (Inter-) Diffusionserscheinungen zwischen dem Basiswerkstoff und der MCrAlY-Schicht – im speziellen Fall auch zwischen der MCrAlY-Schicht und der Alitierung – lebensdauerbestimmend. Im Extremfall kann der diffusionsbedingte Verlust des oxidationswirksamen Aluminiums in der MCrAlY-Schicht den durch Oxidbildung hervorgerufenen Verlust übertreffen. Durch asymmetrische Diffusion, bei der lokale Verluste größer sind als eine Nachlieferung, kann es zu Fehlstellenbilding und Porenbildung sowie im Extremfall zur Delamination der Schicht kommen.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben beschriebenen Nachteile zu vermeiden und bei einer gattungsgemäßen wärmedämmenden Schutzschicht die Diffusion zu verlangsamen, ohne dass die Oxidationseigenschaften der alitierten Schicht sowie die Duktilität und Kriechbeständigkeit des Schichtsystems negativ beeinflusst werden.
  • Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen wärmedämmenden Schutzschicht erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 und 3.
  • Es hat sich gezeigt, dass durch die Modifikation der besonders zusammengesetzten NiCoCrAlY-Haftschicht durch Zugabe bevorzugt von Re, aber auch von W, Si, Hf und/oder Ta in der angegebenen Konzentration die Diffusion verlangsamt wird. Die Standzeit der wärmedämmenden Schutzschicht – insbesondere der durch EB-PVD aufgebrachten Schicht – wird durch die Diffusionsbeständigkeit zum Grundwerkstoff und zur Überalitierung hin erheblich verlängert. Bei frühzeitigem Versagen der wärmedämmenden Schutzschicht, z. B. durch Fremdkörpereinschlag oder Erosion, ist ein längerer „Notbetrieb" möglich.
  • Die Herstellung der wärmedämmenden Schutzschicht erfolgt auf folgende Weise. Auf das Basismetall eines gekühlten Bauteils im Heißgasbereich, beispielsweise einer Schaufel einer Gasturbine, wird eine Haftschicht, z. B. durch thermisches Spritzen, aufgebracht. Dazu wird ein vorlegiertes und verdüstes Pulver verwendet, das folgende chemische Zusammensetzung aufweist: Co 15 bis 30 Gew.%, Cr 15 bis 25 Gew.%, Al 6 bis 13 Gew.%, Y 0,2 bis 0,7 Gew.%, Rest Ni. Zusätzlich enthält das Pulver noch eines oder mehrere der Elemente Re bis zu 5 Gew.%, W bis zu 5 Gew.%, Si bis zu 3 Gew.%, Hf bis 3 Gew.%, Ta bis 5 %. Vorzugsweise hat das verwendete Pulver folgende chemische Zusammensetzung: Co 25 Gew.%, Cr 21 Gew.%, Al 8 Gew.%, Y 0,5 Gew.%, Re 1,5 Gew.%, Rest Ni. Nach dem Auftragen hat die Haftschicht die chemische Zusammensetzung des verwendeten Pulvers.
  • Nach dem Aufbringen der Haftschicht wird zur Erhöhung deren Al-Gehaltes die Haftschicht mit einer Al-Diffusionsschicht überzogen oder überalitiert. Das Überziehen erfolgt durch Überalitierung, das heißt durch eine Behandlung, bei der ein reaktives Al-haltiges Gas, das in der Regel ein Al-Halogenid (AlX2) ist, wird bei höherer Temperatur eine Einwärtsdiffusion von Al, verbunden mit einer Auswärtsdiffusion von Ni, bewirkt.
  • Durch das Überalitieren entsteht auf der weitgehend unveränderten Haftschicht innerhalb der Diffusionsschicht eine innere Diffusionszone und darüber eine äußere Aufbauschicht aus einer spröden β-NiAl-Phase. Gemäß einem in der (noch nicht veröffentlichten) deutschen Patentanmeldung 10 2004 045 049.8 beschriebnen Verfahren wird die äußere Aufbauschicht durch Strahlen mit harten Partikeln, wie Korund, Siliziumkarbid, Metalldrähten oder anderen bekannten Schleif- oder Poliermitteln bis herab auf die innere Diffusionszone der Diffusionsschicht entfernt. Die abrasive Behandlung wird soweit getrieben, dass die Oberfläche der verbliebenen Diffusionsschicht einen Al-Gehalt von über 18 % und unter 30 % aufweist.
  • Abschließend wird nach einem der eingangs genannten Verfahren die Keramikschicht aus durch Yttriumoxid teilstabilisierten Zirkonoxid aufgetragen.
    •

Claims (3)

  1. Wärmedämmende Schutzschicht für ein Bauteil innerhalb des Heißgasbereiches einer Gasturbine, wobei die wärmedämmende Schutzschicht aus einer Haftschicht, einer Diffusionschicht und einer Keramikschicht besteht, die auf das gegen hohe Temperatur beständige Basismetall des Bauteils aufgebracht ist, wobei die Haftschicht aus einer Ni, Co, Cr, Al, Y enthaltenden Metalllegierung [MCrAlY (M = Ni, Co)] besteht, die Diffusionsschicht durch Alitieren der Haftschicht erzeugt ist und die Keramikschicht aus ZrO2 besteht, das durch Yttriumoxid teilstabilisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Werkstoff der Haftschicht ein oder mehrere chemische Metallelemente mit einem großen Atomdurchmesser aus der Gruppe Re, W, Si, Hf und/oder Ta zulegiert sind und dass die Haftschicht nach dem Auftragen folgende chemische Zusammensetzung aufweist: Ni Rest Co 15 bis 30 % Cr 15 bis 25 % Al 6 bis 13 % Y 0,2 bis 0,7 % Re bis 5 % W bis 5 % Si bis 3 % Hf bis 3 % Ta bis 5 %.
  2. Wärmedämmende Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Werkstoff der Haftschicht Re zulegiert ist und dass die Haftschicht nach dem Auftragen folgende chemische Zusammensetzung aufweist: Ni Rest Co 25 % Cr 21 % Al 8 % Y 0,5 % Re 1,5 %.
  3. Wärmedämmende Schutzschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die MCrAlY-Schicht überalitiert auf das Basismetall aufgebracht ist, dass die überalitierte MCrAlY-Schicht eine Struktur aufweist, die aus einer inneren, im wesentlichen unveränderten γ, β-Mischphase, einer Diffusionsschicht aus einer inneren Diffusionszone mit einem Al-Gehalt von etwa 20 % und einer äußeren Aufbauschicht aus einer β-NiAl-Phase mit einem Anteil von etwa 30 % Al besteht, dass die äußere Aufbauschicht aus der β-NiAl-Phase durch Abrasivbehandlung im wesentlichen bis auf die innere Diffusionszone der Diffusionsschicht entfernt ist und dass die Oberfläche der verbliebenen Diffusionsschicht einen Al-Gehalt von über 18 % und unter 30 % aufweist.
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