DE102007048484A1 - Heißgasgeführte Komponente einer Strömungsmaschine - Google Patents

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Abstract

Offenbart ist eine heißgasgeführte Komponente für eine Strömungsmaschine, mit einer Nickel-Basisknetlegierung als Strukturwerkstoff und einer heißgasseitigen Auskleidung aus der Gruppe der Eisen-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierungen, sowie eine Strömungsmaschine mit einer derartigen Komponente.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine heißgasgeführte Komponente einer Strömungsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Strömungsmaschine mit einer derartigen Komponente.
  • Heißgasgeführte Komponenten von Strömungsmaschinen wie zum Beispiel Brennkammerauskleidungen, Turbineneintrittsgehäusen, Heißgaskanäle und Turbinenbeschaufelungen müssen unter extremen thermischen und mechanischen Belastungen ihre Funktionsfähigkeit behalten. Die Komponenten sind ständigen Oxidations- und Korrosionsangriffen ausgesetzt und die Temperaturen übersteigen oft 1000°C. Gleichzeitig steht komprimierte Kühlluft nur begrenzt zur Verfügung.
  • Heißgasgeführten Komponenten, die einer hohen thermischen Belastung, nicht jedoch einer extremen mechanischen Belastung, ausgesetzt sind, werden mit Ausnahme der Turbinenbeschaufelung herkömmlicherweise aus einer mischkristallgehärteten Nickel-Basisknetlegierungen hergestellt. Legierungen dieser Art zeichnen sich durch eine hohe Warmfestigkeit aus. Nachteilig an Nickel-Basisknetlegierungen ist jedoch ihre mäßige Oxidationsfähigkeit. Zur Verringerung dieses Nachteiles werden die heißgasgeführten Komponenten meist mit einer heißgasseitigen Beschichtung auf Keramikbasis versehen. Derartige Keramikbeschichtungen sind jedoch aufwendig in der Herstellung und Aufbringung.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine heißgasgeführte Komponente einer Strömungsmaschine mit einer gegenüber bekannten Keramikbeschichtungen verbesserten heißgasseitigen Auskleidung, sowie eine Strömungsmaschine mit einer derartigen Komponente zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine heißgasgeführte Komponente mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
  • Eine erfindungsgemäße heißgasgeführte Komponente einer Strömungsmaschine weist als Strukturwerkstoff und somit als tragende Konstruktion eine mischkristallgehärtete Nickel-Basisknetlegierung und eine heißgasseitige Auskleidung aus der Gruppe der Eisen-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierungen auf.
  • Eisen-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierungen, kurz FeCrAlY-Legierungen, haben eine sehr gute Oxidationsbeständigkeit. Die Temperaturgrenze aus Sicht des Oxidationskriteriums beträgt etwa 1200°C. Somit kann die Betriebstemperatur und Standfestigkeit der heißgasgeführten Komponenten gesteigert werden, ohne dass die Lebensdauer des Strukturwerkstoffs durch Oxidation unverhältnismäßig verkürzt wird. Die Warmfestigkeit der FeCrAlY-Legierungen kann als mäßig bezeichnet werden. Die mäßigen Materialeigenschaften der beiden Legierungen – Nickel-Basisknetlegierungen, kurz Ni-Basislegierungen, zeigen eine mäßige Oxidationsbeständigkeit und FeCrAlY-Legierungen weisen eine mäßige Warmfestigkeit auf – werden durch den erfindungsgemäße Kombination und durch den erfindungsgemäßen Aufbau der heißgasgeführten Komponente durch die sehr gute Oxidationsbeständigkeit und Warmfestigkeit der jeweils anderen Legierung beseitigt. Mit anderen Worten, die Betriebstemperatur und Standfestigkeit der erfindungsgemäßen heißgasgeführten Komponente werden dadurch verbessert, dass die jeweils ausgezeichnete Eigenschaft der Legierungen zum Tragen kommt.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel besteht die heißgasseitige Auskleidung aus einer Aluchrom-Yttrium-Hafnium-Legierung. Insbesondere mit den Aktivelementen Yttrium und Hafnium lässt sich die zyklische Oxidationsbeständigkeit der heißgasseitigen Auskleidung steigern.
  • Bevorzugterweise weist die FeCrAlY-Legierung als Basiselement Eisen auf und besteht zu 16% bis 24% aus Chrom, zu 3% bis 9% aus Aluminium, zu 0,02% bis 0,2% Yttrium, bis zu 0,1% aus Hafnium, bis zu 0,1% aus Zirkonium und bis zu 0,1% aus Metallen aus der Gruppe der Seltenen Erden, insbesondere Lanthaniden.
  • Die Aufbringung der heißgasseitigen Auskleidung kann durch Hochtemperaturlöten, Schweißen, oder Plattieren, insbesondere Walzplattieren, erfolgen.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Strukturwerkstoff der heißgeführten Komponente sandwichartig zwischen der heißgasseitigen Auskleidung und einer kühlluftseitigen Beschichtung angeordnet, die bevorzugterweise aus einer Legierung aus der Gruppe der Nickel-Kobalt-Eisen-Chrom-Aluminium-Yttrium-(= MCrAlY-)Legierungen besteht.
  • Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine weist zumindest eine heißgasgeführte Komponente auf, die einen Strukturwerkstoff aus einer mischkristallgehärteten Nickel-Basisknetlegierung aufweist, der mit einer heißgasseitigen Auskleidung aus der Gruppe der Eisen-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierungen versehen ist.
  • Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
  • Eine erfindungsgemäße heißgasgeführte Komponente einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, ist als ein Verbundwerkstoff aus einer mischkristallgehärteten Nickel- bzw. Ni-Basisknetlegierung und einer oxidationsbeständigen ferritischen Eisenbasislegierung, insbesondere einer FeCrAlY-Legierung, ausgeführt. Dabei bildet die Ni-Basisknetlegierung die tragende Konstruktion bzw. den Strukturwerkstoff der Komponente und die FeCrAlY-Legierung ist als heißgasseitige Auskleidung auf den Strukturwerkstoff aufgebracht. „Heißgasseitig" im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die Auskleidung auf einer den Heißgasen zugewandten Innenfläche der Komponente aufgebracht ist. Entsprechend bedeutet „kühlluftseitig" im Sinne der Erfindung, dass eine Beschichtung auf einer der Kühlluft zugewandten Außenfläche der Komponente angeordnet ist.
  • Eine beispielhaft genannte heißgasgeführte Komponente einer Gasturbine ist das sogenannte „Hosenrohr", welches einen Heißgasführungskanal zwischen den Brennkammern und der Turbinenbeschaufelung darstellt und die Heißgase von der Brennkammer auf die ersten Turbinenstufe führt. Weitere heißgasgeführte Komponenten sind zum Beispiel Brennkammerauskleidungen und Turbineneintrittsgehäusen.
  • Ein bevorzugter Werkstoff aus der Gruppe der FeCrAlY-Legierungen ist eine Aluminium-Chrom-Yttrium-Hafnium-Legierung, kurz Aluchrom-YHf-Legierung.
  • Außer dem Aktivelement Yttrium (Y) und Hafnium (Hf) können zur Steigerung der zyklischen Oxidationsbeständigkeit der die FeCrAlY-Legierung noch weitere Aktivelemente wie zum Beispiel Zirkonium (Zr) beigemischt sein.
  • Insbesondere wird eine FeCrAlY-Legierung bevorzugt, die als Basiselement Eisen (Fe) aufweist und zu 16% bis 24% aus Chrom (Cr), zu 3% bis 9% aus Aluminium (Al), zu 0,02% bis 0,2% Yttrium (Y), bis zu 0,1% aus Hafnium (Hf), bis zu 0,1% aus Zirkonium (Zr) und bis zu 0,1% aus Metallen aus der Gruppe der Seltenen Erden (SE) besteht. Aus der Gruppe der Seltenen Erden sind insbesondere die Lanthaniden bzw. Lanthanoiden (La) zu nennen wie zum Beispiel Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd) und Promethium (Pm).
  • Das Aufbringen der FeCrAlY-Legierung auf den Strukturwerkstoff erfolgt durch bekannte Hochtemperaturlöt-, Schweiß- oder Plattier- bzw. Walzplattierverfahren. Zur Verhinderung von Interdiffusion zwischen dem Strukturwerkstoff und der Auskleidung kann eine Diffusionsbarriere z. B. basierend auf dem System Al-O-N zum Einsatz kommen.
  • Die Anwendung der FeCrAlY-Legierung als Auskleidung ist nicht auf die Heißgasseite der Komponenten beschränkt, sondern es ist ebenfalls vorstellbar, die heißgasgeführte Komponente sandwichartig aufzubauen. Hierbei stellt der Strukturwerkstoff aus einer mischkristallgehärteten Ni-Basisknetlegierung den tragenden Strukturkern dar, der zwischen einer heißgasseitige Auskleidung und einer kühlluftseitigen Beschichtung jeweils auf Basis der vorbeschriebenen FeCrAlY-Legierungen angeordnet ist.
  • Offenbart ist eine heißgasgeführte Komponente für eine Strömungsmaschine, mit einer Nickel-Basisknetlegierung als Strukturwerkstoff und einer heißgasseitigen Auskleidung aus der Gruppe der Eisen-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierungen, sowie eine Strömungsmaschine mit einer derartigen Komponente

Claims (8)

  1. Heißgasgeführte Komponente einer Strömungsmaschine mit einer mischkristallgehärteten Nickel-Basisknetlegierung als Strukturwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente eine heißgasseitige Auskleidung aus der Gruppe der Eisen-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierungen aufweist.
  2. Heißgasgeführte Komponente nach Anspruch 1, wobei die heißgasseitige Auskleidung eine Aluchrom-Yttrium-Hafnium-Legierung ist.
  3. Heißgasgeführte Komponente nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Eisen-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierung als Basiselement Eisen, 16% bis 24% Chrom, 3% bis 9% Aluminium, 0,02% bis 0,2% Yttrium, bis zu 0,1% Hafnium, bis zu 0,1% Zirkonium und bis zu 0,1% Metalle aus der Gruppe der Seltenen Erden, insbesondere Lanthaniden, aufweist.
  4. Heißgasgeführte Komponente nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die heißgasseitige Auskleidung durch Hochtemperaturlöten, Schweißen oder Plattieren aufgebracht ist.
  5. Heißgasgeführte Komponente nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen Basiswerkstoff und Auskleidung eine Diffusionsbarriere zum Einsatz kommt.
  6. Heißgasgeführte Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf den Strukturwerkstoff eine kühlluftseitige Beschichtung aufgebracht ist.
  7. Heißgasgeführte Komponente nach Anspruch 6, wobei die kühlluftseitige Beschichtung eine Legierung aus der Gruppe der -MCrAlY-Legierungen ist.
  8. Strömungsmaschine mit einer heißgasgeführten Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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