DE102007050918A1

DE102007050918A1 - Erosionsbeständige Beschichtung und Verfahren der Herstellung

Info

Publication number: DE102007050918A1
Application number: DE102007050918A
Authority: DE
Inventors: Farshad Ghasripoor; Norman Arnold Turnquist; Kripa Kiran Varanasi; Reed Roeder Corderman; Sean Douglas Feeny
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-10-26
Filing date: 2007-10-23
Publication date: 2008-04-30
Also published as: CN101169048A; RU2007139636A; JP2008163449A; US20080102296A1; KR20080037578A

Abstract

Ein beschichtetes Turbinenbauteil (10, 100) umfasst ein Turbinenbauteil (12, 102, 104, 106, 108, 110, 112) und eine erosionsbeständige Beschichtung (14), die mittels EB-PVD oder Ion-Plasma-Lichtbogenverfahren auf mindestens einen Teil der Außenfläche des Turbinenbauteils aufgebracht ist (12, 102, 104, 106, 108, 110, 112).

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Offenlegungsschrift betrifft Beschichtungszusammensetzungen und Beschichtungsverfahren sowie insbesondere erosionsbeständige Beschichtungszusammensetzungen und Beschichtungsverfahren.
Bauteile aus Metall sind in einer Vielzahl industrieller Anwendungen unter vielfältigen Anwendungsbedingungen im Gebrauch. Häufig werden Bauteile mit Beschichtungen versehen, die verschiedene Eigenschaften verbessern. Zu diesen können höhere Korrosionsbeständigkeit, Wärmebeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Erosionsbeständigkeit zählen. Beispielsweise werden erosionsbeständige Beschichtungen häufig in den ersten Abschnitten von Hoch- und Mitteldruckturbinen eingesetzt, welche der Erosion durch Feststoffpartikel besonders ausgesetzt sind. Weiterhin werden erosionsbeständige Beschichtungen häufig in Verdichtern von Gasturbinen und Strahltriebwerken eingesetzt, die der Erosion durch Sand und festen Schwebeteilchen in der Luft sowie Korrosion ausgesetzt sind.
Der Erosionsmechanismus, von dem diese Bauteile betroffen sind, ist im wesentlichen das Auftreffen von Feststoffteilchen (z.B. Sand in der Luft oder Abblätterungen aus dem Dampferzeuger im Dampf) aus beispielsweise SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, MgO, CaO, Bodenpartikeln, Vulkanasche und ähnlichen, die von Fluiden wie Luftstrom, Dampf oder Wasser mitgeführt werden. Erosions- und Korrosionsbeständigkeit bisher bekannter Grundwerkstoffe für Turbinenbauteile wie unter anderem martensitischer Edelstahl sind unter den genannten Bedingungen nicht ausreichend. Der deshalb mögliche starke erosive Verschleiß kann die Turbinenbauteile schädigen, was zu häufigeren wartungsbedingten Abschaltungen, herabgesetzter Wirtschaftlichkeit und häufigerem Austausch von Bauteilen führt.
Um erosionsbedingte Probleme zu vermeiden oder zu mindern werden manche Kraftwerke so eingestellt, dass sie zur Vorbeugung gegen zu übermäßige Erosion beim Erreichen eines bestimmten Feststoffgehalts abschalten. Zur Minderung des Verschleißes durch Erosion wurden neben dem Abschalten von Kraftwerken verschiedene erosionsmindernde Beschichtungen entwickelt. Solche Beschichtungen sind unter anderem Keramikbeschichtungen aus aluminium-, titan- und chromhaltigen Substanzen und ähnlichen. Diese werden häufig durch thermische Spritzverfahren wie APS (Air Plasma Spray) und HVOF (High Velocity Oxy-Fuel) aufgebracht. Mit diesen Verfahren hergestellte Beschichtungen sind unbehandelt und unbearbeitet von unzureichender Oberflächenqualität und begrenzter Härte, was im Extremfall die Leistung der Turbine reduzieren kann. Weiterhin können auf diese Weise hergestellte Beschichtungen die Ermüdungsfestigkeit von Substrat oder Grundwerkstoff herabsetzen. Schließlich erfordern auf diese Weise hergestellte Beschichtungen häufig Veränderungen an der Laufschaufel, um die Beschichtungsdicke zu kompensieren.
Neuere Ansätze zur Verminderung der Rauheit erosionsbeständiger Beschichtungen, die zu einer besseren Ae rodynamik der Dampfturbinenkomponente führen sollen, sind unter anderem spanende Bearbeitung und Polieren der aufgebrachten Beschichtungen bis zu einer vorgegebenen Oberflächenqualität. Bedauerlicherweise sind diese Maßnahmen teuer und zeitraubend. In der Folge verzichtet man bei vielen Anwendungen dieser Art auf Spanen oder Polieren.
Daher besteht weiterhin Bedarf an Verfahren zum Beschichten von Turbinenbauteilen mit höherer Oberflächenqualität, höherer Härte, minimaler oder keiner Minderung der Ermüdungsfestigkeit und/oder geringeren Auswirkungen auf die Schaufelfläche und das Schaufelprofil. Es wäre insbesondere vorteilhaft, wenn die unbearbeitete Beschichtung eine höhere Oberflächenqualität aufwiese und nach dem Auftragen keine spanende oder polierende Bearbeitung zur Verbesserung der Oberflächenqualität benötigte.
ALLGEMEINE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein beschichtetes Turbinenbauteil schließt ein Turbinenbauteil und eine erosionsbeständige Beschichtung, die auf mindestens einem Teil einer Außenfläche des Turbinenbauteils mittels EB-PVD (physikalische Gasphasenabscheidung mit Elektronenstrahl, electron beam physical vapor deposition) oder Ion-Plasma-Lichtbogenbeschichtung (ion plasma cathodic arc deposition) aufgebracht wurde, ein.
Bei einer anderen Ausführung schließt das beschichtete Turbinenbauteil ein Turbinenbauteil und eine mehrschichtige erosionsbeständige Beschichtung an mindestens einem Teil einer Außenfläche des Turbinenbauteils mit einer mittleren Rauheit von höchstens gleich etwa 0,19 μm (75 microinches) ein.
Ein Verfahren umfasst das Auftragen einer erosionsbeständigen Beschichtung an mindestens einem Teil einer Außenfläche des Turbinenbauteils mit EB-PVD oder Ion-Plasma-Lichtbogenbeschichtung.
Ein weiteres Verfahren umfasst das Auftragen einer mehrschichtigen erosionsbeständigen Beschichtung an mindestens einem Teil einer Außenfläche des Turbinenbauteils mit einer mittleren Rauheit von höchstens gleich etwa 0,19 μm (75 microinches) mittels EB-PVD oder Ion-Plasma-Lichtbogenbeschichtung.
Die oben beschriebenen und andere Merkmale werden durch die folgenden Figuren und die Beschreibung beispielhaft dargestellt.
ALLGEMEINE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Nunmehr wird auf die Figuren Bezug genommen, welche exemplarische Ausführungen darstellen und worin die Bezugszeichen identisch sind:
1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Ausschnitts aus einer erosionsbeständigen Beschichtung an einem metallischen Bauteil; und
2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Ausschnitts aus einer Turbine, an der auf verschie dene Bauteile erosionsbeständige Beschichtungen aufgebracht sind.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden Beschichtungszusammensetzungen und Beschichtungsverfahren offengelegt, welche metallische Turbinenbauteile erosionsbeständig machen. Die Verfahren basieren allgemein auf EB-PVD oder Ion-Plasma-Lichtbogenbeschichtung eines glatten Turbinenbauteils als Substrat. Die Verfahren erzeugen Beschichtungen mit höherer Oberflächenqualität als herkömmliche Beschichtungen. Vorteilhafterweise benötigen die Beschichtungen nach dem Auftragen keine spanende oder polierende Bearbeitung zum Erreichen einer höheren Oberflächenqualität. Weiterhin machen die Beschichtungen der beschichteten Flächen beim Betrieb der Turbine dimensionsstabiler. Beispielsweise ist die Ermüdungsfestigkeit des beschichteten Turbinenbauteils mindestens gleich derjenigen des Turbinenbauteils ohne erosionsbeständige Beschichtung. Entsprechend lassen sich nachteilige Wirkungen wie geringerer Turbinenwirkungsgrad und abgegebene Leistung, wie sie an Beschichtungen geringerer Oberflächenqualität zu beobachten sind, vermindern. Dadurch ergeben sich letztendlich höhere Lebensdauern von Bauteil und Turbine.
1 stellt einen Ausschnitt aus einem beschichteten Gegenstand (in allgemeiner Weise mit 10 bezeichnet) dar. Der Ausschnitt des beschichteten Gegenstands 10 weist in allgemeiner Weise ein Substrat 12 und eine erosionsbeständige Beschichtung 14 auf wenigstens einem Ausschnitt der Außenfläche des Substrats 12 auf.
Das Substrat 12, auf welches die erosionsbeständige Beschichtung 14 aufgebracht wird, kann irgendein Metall, metallische Legierung, Keramik (z.B. Oxid-, Nitrid-, Carbidkeramik und ähnliche), oder eine Kombination, die mindestens einen der vorgenannten Stoffe beinhaltet (z.B. ein Metall/Legierungs-Polymer-Composite) sein. Von Bedeutung ist, dass Zusammensetzung und Feingefüge des Substrats 12 Einfluss auf die Eigenschaften der erosionsbeständigen Beschichtung 14 haben können. In einer beispielhaften Ausführung ist das Substrat 12 ein Turbinenbauteil. Dieses kann seiner Form nach ein Verkleidungsteil, eine Laufschaufel oder ein Blatt, ein Leitapparat oder eine Leitschaufel, ein Zwischendichtungsteil, eine Dichtung, ein Ventilschaft, ein Leitapparatgehäuse, eine Leitapparatplatte oder ähnliches sein. Der gelegentlich verwendete Begriff „Düse", der im Allgemeinen eine feststehende Leitschaufel oder einen Leitapparat einer Gas- oder Dampfturbine bezeichnet, ist in dieser Schrift gleichbedeutend mit dem Begriff „Leitschaufel" sein.
Das Turbinenbauteil enthält allgemein einen Stahlwerkstoff und/oder eine Superlegierung. Superlegierungen sind metallische Legierungen, die auch bei hohen Temperaturen, oft oberhalb des 0,7-Fachen des absoluten Schmelzpunkts, einsetzbar sind. Jede Superlegierung auf Fe-, Co- oder Ni-Basis kann zur Herstellung des strukturellen Bauteils verwendet werden. Die meist in Superlegierungen auf Fe-, Co-, oder Ni-Basis gelösten Elemente sind Aluminium und/oder Titan. Gewöhnlich sind die Aluminium- und/oder Titananteile gering (z. B. bis höchstens gleich etwa 15 Gew.-% pro Element). Weitere mögliche Elemente in Superlegierungen auf Fe-, Co-, oder Ni-Basis sind Chrom, Molybdän, Kobalt (in Superlegierungen auf Fe- oder Ni-Basis), Wolfram, Nickel (in Superlegierungen auf Fe- oder Co-Basis), Rhenium, Eisen (in Superlegierungen auf Co- oder Ni-Basis), Tantal, Vanadium, Hafnium, Columbium, Ruthenium, Zirkon, Bor, Yttrium und Kohlenstoff, wobei von jedem dieser Elemente unabhängig voneinander höchstens gleich etwa 15 Gew-% enthalten sein dürfen.
Die jeweilige Zusammensetzung der erosionsbeständigen Beschichtung 14 wird so gewählt, dass das beschichtete Turbinenbauteil, das durch Feststofferosion beansprucht wird, erosionsbeständig wird. Die erosionsbeständige Beschichtung 14 kann einen keramischen Werkstoff beinhalten. Geeignete keramische Verbindung sind solche, die Metalloxide wie Al₂O₃, Cr₂O₃, Y₂O₃, ZrO₂, CeO₂, TiO₂, Ta₂O₅, TaO₂ und ähnliche, Metallcarbide wie Cr₃C₂, WC, TiC, ZrC, B₄C und ähnliche, Diamanten, diamantähnlichen Kohlenstoff, Metallnitride wie BN, TiN, ZrN, HfN, CrN, Si₃N₄, AlN, TiAlN, TiAlCrN, TiCrN, TiZrN und ähnliche, Metallboride wie TiB₂, ZrB₂, Cr₃B₂, W₂B₂ und ähnliche sowie Kombinationen mit mindestens einer der vorgenannten Verbindungen (z.B. TiCN, CrBN, TiBN und ähnliche) enthalten. Alternativ kann die erosionsbeständige Beschichtung 14 Keramik-Metall-Verbunde (Cermet) enthalten. Geeignete Cermets sind unter anderem WC/Co, WC/CoCr, WC/Ni, TiC/Ni, TiC/Fe, Ni(Cr)/Cr₃C₂, TaC/Ni und Kombinationen, die mindestens eine dieser Verbindungen enthalten. Noch andere Ausführungen von erosionsbeständigen Beschichtungen 14 beinhalten Kombinationen, die mindestens Keramik oder Cermet (z.B. eines der vorgenannten in Metall- oder Legierungsmatrix) enthalten, als Bestandteile.
In einer beispielhaften Ausführung ist die erosionsbeständige Beschichtung 14 wie in 1 dargestellt eine mehrschichtige Beschichtung. Innerhalb der mehrschichtigen erosionsbeständigen Beschichtung 14 kann die Zusammensetzung jeder Einzelschicht derart frei gewählt werden, dass sie weitere Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, Wärmebeständigkeit, Duktilität, Fäulnisbeständigkeit (z. B. Beständigkeit gegen angesammelte Ablagerungen), Härte, Bruchzähigkeit oder eine Kombination beiträgt, die mindestens eine der vorstehenden Eigenschaften aufweist.
Beispielsweise kann die erosionsbeständige Beschichtung 14 eine Querschnitts- oder Vickershärte (HV) bis zu etwa 5000 kg/mm² aufweisen. Innerhalb dieses Bereichs ist die Härte der erosionsbeständigen Beschichtung 14 mindestens gleich etwa 500 kg/mm². In einer Ausführung ist die Härte der erosionsbeständigen Beschichtung 14 mindestens gleich etwa 1000 kg/mm². In einer weiteren Ausführung ist die Härte der erosionsbeständigen Beschichtung 14 mindestens gleich etwa 2000 kg/mm². In noch einer weiteren Ausführung ist die Härte der erosionsbeständigen Beschichtung 14 höchstens gleich etwa 4000 kg/mm². In noch einer weiteren Ausführung ist die Härte der erosionsbeständigen Beschichtung 14 höchstens gleich etwa 3000 kg/mm².
Die mittlere Rauheit (Ra) der erosionsbeständigen Beschichtung 14, die das arithmetische Mittel der Absolutwerte der gemessenen Profilabweichungen in der erosionsbeständigen Beschichtung 14 darstellt, wird innerhalb der Messstrecke und ab der grafischen Mittellinie gemessen und kann bis höchstens gleich etwa 0,19 μm (75 microinches) betragen. Innerhalb dieses Bereichs kann die erosionsbeständige Beschichtung 14 eine Rauheit Ra bis höchstens gleich etwa 0,15 μm (60 microinches) aufweisen. In einer Ausführung beträgt die Rauheit Ra der erosionsbeständigen Beschichtung 14 bis zu etwa 0,13 μm (50 microinches). In einer anderen Ausführung beträgt die Rauheit Ra der erosionsbeständigen Beschichtung 14 bis höchstens gleich etwa 0,10 μm (40 microinches). In wieder einer anderen Ausführung beträgt die Rauheit Ra der erosionsbeständigen Beschichtung 14 mindestens gleich etwa 0,03 μm (10 microinches). In wieder einer anderen Ausführung beträgt die Rauheit Ra der erosionsbeständigen Beschichtung 14 mindestens gleich etwa 0,06 μm (20 microinches).
Für die Anzahl Einzelschichten innerhalb einer mehrschichtigen erosionsbeständigen Beschichtung 14 gibt es keine festgelegte Obergrenze, hingegen muss die Beschichtung natürlicherweise aus mindestens 2 (zwei) Einzelschichten bestehen. Innerhalb der mehrschichtigen erosionsbeständigen Beschichtung 14 sind die thermische Ausdehnung und die in deren Folge auftretenden thermischen Spannungen der Einzelschichten gegenüber dem Substrat 12 und zwischen den Einzelschichten zu berücksichtigen. Beispielsweise darf die thermische Spannung in den Einzelschichten die Streckgrenze der gesamten mehrschichtigen erosionsbeständigen Beschichtung 14 nicht überschreiten.
Weiterhin können die Einzelschichten innerhalb der mehrschichtigen erosionsbeständigen Beschichtung 14 von unterschiedlicher Dicke sein und/oder jede Einzelschicht kann in sich ungleichmäßig dick sein. Die mittlere Dicke jeder Schicht kann in unabhängiger Weise zwischen etwa 5 nm und etwa 25 μm variieren. In diesem Bereich kann die durchschnittliche Dicke jeder Schicht für sich mindestens etwa 100 nm betragen, insbesondere mindestens gleich etwa 1 μm. Innerhalb dieses Wertebereichs kann die durchschnittliche Dicke jeder Schicht in unabhängiger Weise höchstens gleich 10 μm betragen, insbesondere höchstens gleich etwa 5 μm. Die durchschnittliche Dicke der gesamten mehrschichtigen Beschichtung 14 kann zwischen etwa 1 μm und etwa 200 μm betragen. Innerhalb dieses Bereichs kann die durchschnittliche Dicke der gesamten mehrschichtigen Beschichtung 14 mindestens gleich etwa 5 μm betragen, insbesondere mindestens gleich etwa 7 μm. Ebenfalls innerhalb dieses Bereichs kann der durchschnittliche Wert der Dicke der gesamten mehrschichtigen Beschichtung 14 höchstens gleich 50 μm, insbesondere höchstens gleich etwa 30 μm betragen.
In einer Ausführung kann mindestens ein Ausschnitt der mehrschichtigen erosionsbeständigen Beschichtung 14 aus einer periodischen Wiederholung einzelner Schichten bestehen. Beispielsweise können zwei unterschiedliche Zusammensetzungen abwechselnd derart übereinander angeordnet werden, dass sie 3 oder mehr Schichten bilden. Weiterhin können 3 (drei) unterschiedliche Zusammensetzungen in jeder Anzahl von Permutationen übereinander angeordnet werden, unter anderem 1-2-3-1-2-3, 1-2-3-2-1 und ähnliche. Wenn diese abwechselnd angeordneten Schichten ausreichend dünn sind (z. B. höchstens gleich etwa 100 nm), wird eine Heterostruktur oder ein Übergitter gebildet, wobei Härte und Bruchfestigkeit die Werte einer dickeren Einzelschicht deutlich übertreffen können.
Wie oben beschrieben kann die erosionsbeständige Beschichtung 14 auf das Substrat 12 durch EB-PVD oder Ion-Plasma-Lichtbogenbeschichtung aufgebracht werden. Obwohl das Ausführen einer erosionsbeständigen Beschichtung 14 als mehrschichtige Beschichtung wünschenswert ist, ist es nicht notwendig, dass jede Schicht der mehrschichtigen erosions beständigen Beschichtung 14 mit dem gleichen Beschichtungsverfahren aufgebracht wird.
Eine EB-PVD-Anlage weist im Allgemeinen eine Unterdruckkammer mit Kathode, eine Stromversorgungseinheit und eine Baugruppe mit Zielanode auf. Die Baugruppe mit Zielanode weist ein anodisches Ziel für das oder die Metalle der gewünschten Beschichtungszusammensetzung und eine Zielhaltevorrichtung auf. Wenn mehr als ein Metall aufgetragen wird, kann ein einzelnes Ziel, das eine Legierung von Metallen beinhaltet, welche aufgebracht werden sollen, verdampft werden oder es können mehrere Ziele gleichzeitig verdampft werden. In der Beschichtungskammer wird zunächst ein bestimmter Unterdruck hergestellt. Die Zielanode wird dann mit einem Elektronenstrahl beschossen, welcher aus einer Elektronenquelle austritt (z. B. einem Wolframfaden), die an die Stromquelle angeschlossen ist. Starkes Erwärmen der Zielanode durch den Elektronenstrahl führt zum Schmelzen oder Sublimieren der Außenfläche des Ziels, verdampfte Moleküle können aufsteigen und sich an den Außenflächen des Substrats 12 ablagern, wodurch die erosionsbeständige Beschichtung 14 entsteht, deren Dicke von der Dauer des Umschichtungsprozesses und dem Dampfstrom, der auf dem Substrat kondensiert, abhängt. Eintragen von Gas bestimmter Zusammensetzung in die Kammer führt zur Ablagerung einer Zusammensetzung, die eine Verbindung aus dem Ziel und dem eingetragenen Gas ist, auf dem Substrat 12. Innerhalb der Metallbeschichtung kann das Substrat 12 bewegt werden, so dass mehrere Außenflächen des Substrats 12 beschichtet werden.
Hingegen weist eine Lichtbogenanlage eine Unterdruckkammer mit einer Anode, eine Stromversorgungseinheit und eine Baugruppe mit Zielkathode, welche an die Stromversorgung angeschlossen ist, auf. Die kathodische Zielbaugruppe umfasst ein kathodisches Ziel aus einem oder mehreren Metallen mit der gewünschten Zusammensetzung der Beschichtung und eine Zielhalterung. Wenn mehr als ein Metall aufgebracht wird, kann ein einziges Ziel aus einer Legierung der aufzubringenden Metalle verdampft werden, alternativ können mehrere Ziele gleichzeitig verdampft werden. In der Beschichtungskammer wird zunächst ein bestimmter Unterdruck hergestellt. Es wird dann durch elektronisches Zünden ein Lichtbogen erzeugt; ein externes Magnetfeld unterhält den Bogen und führt ihn auf die Stirnfläche des kathodischen Ziels, so dass eine intensive Quelle hoch ionisierten Plasmas entsteht, welches sich ideal zum Auftragen von Beschichtungen auf das Substrat 12 eignet. Zwischen dem kathodischen Ziel und dem Substrat 12 wird eine Vorspannung aufgebaut, die das Auftragen der erosionsbeständigen Beschichtung 14 vorantreibt. Durch Eintragen von Gas bestimmter Zusammensetzung in die ionisierte Plasmawolke kann eine Verbindung aus dem Zielwerkstoff und dem eingetragenen Gas auf das Substrat 12 aufgebracht werden. Innerhalb der Beschichtungskammer kann das Substrat 12 bewegt werden, so dass mehrere Außenflächen des Substrats 12 gleichmäßig beschichtet werden können.
Wenn das Substrat 12 nur teilweise mit der erosionsbeständigen Beschichtung 14 beschichtet werden soll, kann derjenige Teil des Substrats 12, der unbeschichtet bleiben soll, mit einer Maske abgedeckt werden, bevor das Substrat 12 in die Beschichtungskammer eingeführt wird. Geeignete Techniken zur Maskierung, wie "hard masking" (Schablonenmaskierung) und "soft masking" (Schichtmaskie rung), wie sie im Rahmen dieser Schrift in Frage kommen, sind dem Fachmann bekannt.
Die spezifischen Auftragsparameter für das Ausbilden der erosionsbeständigen Beschichtung 14 wie sie im Rahmen dieser Offenlegungsschrift in Frage kommen, können ohne übermäßigen Versuchsaufwand vom Fachmann bestimmt werden. Die Wahl der Technik hängt von der jeweiligen Anwendung, dem Substrat 12, den Temperaturen, den Kosten und ähnlichen Parametern ab. Beispielsweise ergibt sich bei Beschichten eines vorgegebenen Substrats 12 mit EB-PVD gegenüber dem Beschichten mit Lichtbogen eine etwas glattere, erosionsbeständige Beschichtung 14. Weiterhin ist die mögliche Vielfalt der mit EB-PVD aufzubringenden Beschichtungszusammensetzungen höher, jedoch ist beim Beschichten mit Lichtbogen die Zusammensetzung insbesondere multinärer oder komplexer Legierungen besser kontrollierbar. EB-PVD erlaubt im Allgemeinen schnelleres Auftragen der erosionsbeständigen Beschichtung 14. Hingegen sind die Vorrichtungskosten für Beschichten mit Lichtbogen deutlich niedriger als für EP-PVD-Beschichten. Die Auftragstemperaturen sind bei beiden Techniken ähnlich, aber wegen der höheren Momentantemperatur am Fußpunkt des Bogens lässt sich die Zusammensetzung beim Beschichten mit multinären oder komplexen Legierungen durch Lichtbogen besser kontrollieren.
Sowohl durch EB-PVD- als auch durch Lichtbogenbeschichten lassen sich erosionsbeständige Beschichtungen 14 erzeugen, die das gleiche bzw. im Wesentlichen gleiche Mikrogefüge und/oder mittlere Oberflächenqualität aufweisen wie das Substrat 12, auf das sie aufgebracht sind. Beispielsweise beträgt mit EB-PVD die durchschnittliche Rauheit der aufgebrachten erosionsbeständigen Beschichtung 14 über etwa 1 % und unter etwa 10 % der durchschnittlichen Rauheit des Substrats 12. Mit Lichtbogenbeschichten liegt die durchschnittliche Rauheit aufgebrachter erosionsbeständiger Beschichtungen 14 über etwa 1 % und unter etwa 33 % der durchschnittlichen Rauheit des Substrats 12. Die Glätte/Rauheit des unbeschichteten Turbinenbauteils lässt sich durch spanendes Bearbeiten des Bauteils auf die gewünschte Form und/oder das gewünschte Maß einstellen. Damit können, als vorteilhaftes Merkmal, sehr glatte erosionsbeständige Beschichtungen 14 direkt und ohne Nachbearbeitung auf glatte Turbinenbauteile aufgetragen werden. Nachdem auf diese Weise der Beschichtungsschritt abgeschlossen wurde, kann der beschichtete Gegenstand 10 der Verwendung zugeführt oder weiterverarbeitet werden.
2 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts einer Turbine, allgemein mit 100 bezeichnet, mit verschiedenen, mit der erosionsbeständigen Beschichtung 14 beschichteten Bauteilen, welche in der Figur schraffiert dargestellt sind. Insbesondere sind Düse 102 und Laufschaufel 104 zwei der funktionswichtigen Bauteile, die beschichtet werden können. Weitere Bereiche der Turbine 100, die mit der beschriebenen erosionsbeständigen Beschichtung 14 beschichtet werden können, sind unter anderem Ausschnitte der Zwischendichtung des Leitapparats (z.B. der feststehende Überströmstreifen 106 und der Außenring der Zwischendichtung 112, der auch als oberer Überströmstreifen bezeichnet wird), Ausschnitte des Schaufelfußes (z.B. die Auffangfläche des Überströmstreifens 108 und andere axiale Außenflächen des Schaufelfußes, die in allgemeiner Weise mit 110 bezeichnet sind), sowie jeder andere Bereich, der durch Feststofferosion gefährdet ist. Es ist anzumerken, dass im Gegensatz zu bestehenden Beschichtungstechniken diejenigen beschichteten Bereiche, die in 2 dargestellt sind, keine Veränderungen im Strömungsbereich zum Ausgleich der Dicke der Beschichtungen erfordern.
Nunmehr einige Ausführungen für den Sonderfall, dass das Substrat eine Laufschaufel 104 ist. Eine beispielhafte mehrschichtige erosionsbeständige Beschichtung 14 kann durch das Aufbringen alternierender Schichten von Ti und TiN auf die Laufschaufel 104 ausgebildet werden.
Der Anschaulichkeit halber soll die mehrschichtige erosionsbeständige Beschichtung 14 unter Bezugnahme auf 1 beschrieben werden. In dieser sind, wie auch aus der Figur selbst ersichtlich, die TiN-Schichten (18, 22, 26 und 30) schraffiert, die Ti-Schichten (16, 20, 24 und 28) hingegen nicht schraffiert dargestellt. Es muss angemerkt werden, dass zwar 8 (acht) alternierende Schichten (16, 18, 20, 22, 24, 26, 28 und 30) dargestellt sind, dies aber nur der Anschaulichkeit halber. Jeder Fachmann erkennt unschwer, dass eine beliebige Anzahl alternierender Schichten möglich ist. Weiterhin ist die erste alternierende Schicht 16 (die der Laufschaufel am nächsten liegende Schicht) in dieser Ausführung als Ti-Schicht bezeichnet, jedoch kann auch TiN als erste Schicht 16 der alternierenden Schichten Anwendung finden.
Die alternierenden Ti-Schichten werden entweder durch EB-PVD-Beschichten oder durch Lichtbogenbeschichten mit einem Titanbarren aufgebracht. Wenn eine TiN-Schicht vorgesehen ist, muss in die Beschichtungskammer Stickstoff eingetragen werden, das den Titanmetalldampf nitriert.
Als ein besonders vorteilhaftes Merkmal der Verwendung alternierender Ti- und TiN-Schichten kann die Gesamtdicke der Beschichtung sehr hoch werden. Beim Auftragen von TiN alleine werden die Eigenspannungen derart hoch, dass sie das Ausbilden von Beschichtungen über etwa 5 μm Dicke nicht mehr zulassen. Jedoch kann die kumulative Dicke der mehrschichtigen erosionsbeständigen Beschichtung 14 zwischen etwa 5 μm und etwa 45 μm betragen, wobei die einzelnen Ti- und TiN-Schichten jeweils eine Dicke zwischen etwa 500 nm und etwa 5 μm aufweisen.
Weiterhin ermöglicht die Verwendung eines weichen und duktilen Werkstoffs wie Metall (in diesem Fall Titan) als Komponente der mehrschichtigen erosionsbeständigen Beschichtung 14 die Verlangsamung oder Verhinderung von Rissfortschritt, wenn eine harte und spröde Keramikschicht (in diesem Fall ein Nitrid) Stoßbeanspruchung durch einen erodierenden Stoff erfährt. Dies erhöht die Lebensdauer der Beschichtung und damit des beschichteten Laufschaufel.
Durch die mehrschichtige erosionsbeständige Ti/TiN-Beschichtung 14 wird in der Folge auch die beschichtete Laufschaufel bis etwa 593°C (1100°F) oxidationsbeständig. Weiterhin weist die mehrschichtige erosionsbeständige Beschichtung 14 eine Rauheit Ra zwischen etwa 0,08 μm (30 microinches) und etwa 0,13 μm (50 microinches) und insbesondere zwischen etwa 0,097 μm (38 microinches) und etwa 0,101 μm (40 microinches) auf. Die Härte der beschichteten Laufschaufel beträgt zwischen etwa 2000 kg/mm² und etwa 2600 kg/mm² und insbesondere zwischen etwa 2400 kg/mm² und etwa 2600 kg/mm².
Es hat sich unerwarteter Weise herausgestellt, dass die Ermüdungseigenschaften eines Substrats 12 (z.B. Stahl) durch Beschichten des Substrats 12 mit der mehrschichtigen erosionsbeständigen Ti/TiN-Beschichtung 14 mittels EB-PVD- oder Lichtbogen-Beschichtung verbessert wurden. Dies steht in klarem Gegensatz zu den bekannten Daten derartiger thermisch aufgesprühter Beschichtungen, nach denen die Ermüdungsfestigkeit des Substrats herabgesetzt ist
In einer anderen beispielhaften Ausführung wird statt einer Laufschaufel 104 eine Düse 102 mit einer mehrschichtigen erosionsbeständigen Beschichtung 14 versehen. Diese mehrschichtige erosionsbeständige Beschichtung 14 wird durch Auftragen alternierender TiAlN- (18, 22, 26 und 30) und Ti-Schichten (16, 20, 24 und 28) gebildet. Wiederum dienen die acht (8) alternierenden Schichten (16, 18, 20, 22, 24, 26, 28 und 30) lediglich der Anschaulichkeit, es kann auch jede andere Anzahl von Schichten zur Verwendung gelangen. In ähnlicher Weise kann die erste alternierende Schicht 16 entweder eine TiAlN- oder eine Ti-Schicht sein.
Wie oben beschrieben werden die alternierenden Ti-Schichten entweder durch EB-PVD- oder Lichtbogen-Beschichten mittels eines Titanbarren aufgebracht. Wenn jedoch eine TiAlN-Schicht gefordert ist, können entweder ein einzelner Barren einer TiAl-Legierung oder zwei Barren (d.h. ein Titan- und ein Aluminiumbarren) verwendet werden. In die Beschichtungskammer wird Stickstoff eingetragen, um die metallischen Titan- und Aluminiumdämpfe zu nitrieren. Der Aluminiumgehalt im TiAlN kann zwischen etwa 1 Atom-% und etwa 50 Atom-% betragen. In einer beispielhaften Ausführung beträgt der Aluminiumgehalt zwischen etwa 20 Atom-% und etwa 30 Atom-%. In einer insbesondere beispielhaften Ausführung beträgt der Aluminiumgehalt etwa 26 Atom-%. Ein Aluminiumgehalt über etwa 26 Atom-% zieht erhöhte Oxidationsbeständigkeit, aber auch verminderte Erosionsbeständigkeit nach sich. Bei etwa 26 Atom-% Al wird das TiAlN bis etwa 754°C (1380°F) oxidationsbeständig.
Wie bei TiN sind auch die Eigenspannungen nach dem Auftragen von TiAlN alleine zu groß, als dass sie Beschichtungen dicker als etwa 5 μm zuließen. Jedoch erlaubt die alternierende Schichtung von Ti und TiAlN eine kumulative Dicke zwischen etwa 5 μm und etwa 45 μm für die mehrschichtige erosionsbeständige Beschichtung 14, wobei die Dicken der einzelnen Ti- und TiAlN-Schichten zwischen etwa 500 nm und etwa 5 μm betragen. Weiterhin lassen sich die rissstoppenden Eigenschaften der weichen und duktilen Titanschichten, die oben beschrieben wurden, auch an mehrschichtigen erosionsbeständigen Beschichtungen 14 aus Ti/TiAlN feststellen.
Die mehrschichtige erosionsbeständige Beschichtung 14 von Ti/TiAlN und letztlich der Düse ist bis etwa 704°C (1300°F) oxidationsbeständig. Weiterhin weist die mehrschichtige erosionsbeständige Beschichtung 14 eine Rauheit Ra zwischen 0,101 μm (40 microinches) und etwa 0,13 μm (50 microinches) auf. Die Härte der beschichteten Düse beträgt zwischen etwa 3000 kg/mm² und etwa 3600 kg/mm².
Es ist anzumerken, dass die Turbinenbauteile bereits mit anderen Beschichtungen versehen sein können, wie sie allgemein auf Turbinenbauteile aufgebracht werden wie Anbindungsschichten, Wärmedämmschichten, schmierende Beschichtungen und ähnliche. Wenn die hierin beschriebenen erosionsbeständigen Beschichtungen 14 auf ein bereits beschichtetes Turbinenbauteil aufgebracht werden, dann soll das bereits beschichtete Turbinenbauteil als Substrat 12 laut obiger Beschreibung angesehen werden. Weiterhin kann das bereits beschichtete Substrat 12 vor dem Aufbringen der erosionsbeständigen Beschichtung spanend bearbeitet werden, um eine glatte Beschichtung zu erhalten. Das Auftragen dieser anderen Arten von Beschichtungen ist Stand der Technik.
Weiterhin kann das beschichtete Turbinenbauteil 10 anderen spanenden Bearbeitungsvorgängen unterzogen werden, die nicht dazu dienen, die Eigenschaften der Außenfläche der erosionsbeständigen Beschichtung 14 zu verändern. Beispielsweise kann das beschichtete Turbinenbauteil 10 in irgendeinem Herstellungsschritt nach dem Auftragen geschweißt oder in anderer Weise mit einem anderen Bauteil des Turbinengesamtsystems wie beispielsweise einer beschichteten Düse verbunden werden. Somit können kleinere Bauteile der Turbine in die Beschichtungskammer gebracht und mit der erosionsbeständigen Beschichtung 14 versehen werden, die Beschichtungskammer braucht nicht die gesamte Düsenbaugruppe (einschließlich maskierter, nicht zu beschichtender Flächen) aufzunehmen.
Weiterhin kann die erosionsbeständige Beschichtung 14 auch nach dem Aufbringen auf das Substrat 12 auf Form und Abmessungen spanend bearbeitet werden, wenn nicht notwendigerweise ein glatter beschichteter Gegenstand 10 erzielt werden soll.
Wenn auch die Offenlegung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungen beschrieben wurde, erkennt der Fachmann, dass verschiedene Modifikationen und Substitutionen durch Gleichwertiges vorgenommen werden können, ohne dass der Umfang der Erfindung verlassen wird. Weiterhin können zur Anpassung an eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material zahlreiche Modifikationen gegenüber den Aussagen in der Offenlegungsschrift vorgenommen werden, ohne dass deshalb der wesentliche Inhalt der Erfindung verlassen wird. Daher soll die Offenlegung nicht auf die besondere Ausführungsform, die hierin als die bestmögliche Beschreibung vorgestellt wurde, beschränkt sein, sondern sie soll alle Ausführungsformen umfassen, welche in den Rahmen der zugehörigen Ansprüche fallen.
Auch bezeichnen die Begriffe "erst", "zweit", "unten", "oben" und ähnliche keinerlei Reihenfolge, Rangfolge oder Menge, sondern unterscheiden die Elemente voneinander. Ebenso bezeichnen der bestimmte und unbestimmte Artikel keine Begrenzung der Menge, sondern das Vorhandensein mindestens eines der zugehörig genannten Gegenstände. Der Modifikator "etwa" in Zusammenhang mit Zahlenangaben gilt als einschließlich des genannten Wertes, seine Bedeutung ist durch den Kontext bestimmt oder er beinhaltet zumindest die Größenordnung des Fehlers, welcher bei der Messung des zugehörigen Werts auftreten kann. Weiterhin gelten alle Bereichsangaben für gleiche Größen oder physikalische Eigenschaften einschließlich der genannten Endpunkte und sind unabhängig voneinander kombinierbar.
Ein beschichtetes Turbinenbauteil 10, 100 umfasst eine Turbinenbauteil 12, 102, 104, 106, 108, 110, 112 und eine erosionsbeständige Beschichtung 14, die mittels EB-PVD oder Ion-Plasma-Lichtbogenverfahren auf mindestens einen Teil der Außenfläche des Turbinenbauteils aufgebracht ist 12, 102, 104, 106, 108, 110, 112.

10: beschichteter Gegenstand
12: Substrat
14: erosionsbeständige Beschichtung
16–30: Einzelschichten der erosionsbeständigen Beschichtung
100: Turbine
102: Düse
104: Laufschaufel
106: Feststehender Überströmstreifen
108: Auffangfläche des Überströmstreifens
110: Axialfläche am Schaufelfuß
112: Außenring der Zwischendichtung

Claims

Beschichtetes Turbinenbauteil (10, 100), welches aufweist: ein Turbinenbauteil (12, 102, 104, 106, 108, 110, 112); und erosionsbeständige Beschichtung (14), die auf wenigstens einen Teil der Außenfläche des Turbinenbauteils (12, 102, 104, 106, 108, 110, 112) mittels EB-PVD oder Ion-Plasma-Lichtbogenbeschichtung aufgebracht wird.
Beschichtetes Turbinenbauteil (10, 100) nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass die erosionsbeständige Beschichtung (14) Keramik, Cermet oder eine Kombination, die mindestens eines dieser Materialien enthält, beinhaltet.
Beschichtetes Turbinenbauteil (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass die erosionsbeständige Beschichtung (14) eine mittlere Rauheit von höchstens gleich etwa 0,19 μm (75 microinches) aufweist.
Beschichtetes Turbinenbauteil (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass das beschichtete Turbinenbauteil (10, 100) eine Ermüdungsfestigkeit aufweist, die mindestens gleich derjenigen des Turbinenbauteils (12, 102, 104, 106, 108, 110, 112) ist, wenn die erosionsbeständige Beschichtung (14) nicht aufgebracht ist.
Beschichtetes Turbinenbauteil (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass die erosionsbeständige Beschichtung (14) aus mehreren Einzelschichten besteht.
Beschichtetes Turbinenbauteil (10, 100) nach Anspruch 5 gekennzeichnet dadurch, dass jede Einzelschicht (16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30) der mehrschichtigen erosionsbeständigen Beschichtung (14) eine mittlere Dicke zwischen etwa 5 nm und etwa 25 μm aufweist, und gekennzeichnet dadurch, dass die mehrschichtige erosionsbeständige Beschichtung (14) eine mittlere Gesamtdicke zwischen etwa 1 μm bis etwa 200 μm aufweist.
Beschichtetes Turbinenbauteil (10, 100) nach Anspruch 5 oder 6 gekennzeichnet dadurch, dass die mehrschichtige erosionsbeständige Beschichtung (14) alternierende Schichten (16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30) weicher und duktiler Zusammensetzung und harter und spröder Zusammensetzung aufweist.
Ein Verfahren, welches einschließt: das Aufbringen einer erosionsbeständigen Beschichtung auf mindestens einen Teil der Außenfläche eines Turbinenbauteils (12, 102, 104, 106, 108, 110, 112) durch EB-PVD- oder Ion-Plasma-Lichtbogen-Verfahren.
Verfahren nach Anspruch 8 gekennzeichnet dadurch, dass die erosionsbeständige Beschichtung (14) eine mehrschichtige erosionsbeständige Beschichtung (14) ist und gekennzeichnet dadurch, dass jede Einzelschicht (16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30) der mehrschichtigen erosionsbestän digen Beschichtung (14) unabhängig voneinander im EB-PVD-Verfahren oder im Ion-Plasma-Lichtbogen-Verfahren aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9 gekennzeichnet dadurch, dass die mittlere Rauheit der aufgebrachten erosionsbeständigen Beschichtung (14) zwischen etwa 1 und etwa 33 % der mittleren Rauheit des Turbinenbauteils beträgt (12, 102, 104, 106, 108, 110, 112).