DE102011103731A1 - Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht, mit einer Schutzschicht beschichtetes Bauteil und Gasturbine mit einem solchen Bauteil - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht, mit einer Schutzschicht beschichtetes Bauteil und Gasturbine mit einem solchen Bauteil, wobei bei dem Verfahren auf ein Basismetall (11) eine Haftschicht (12) auf MCrAlY-Basis aufgebracht wird, die Haftschicht (12) durch Überalitierung mit einer Al-Diffusionschicht (14) überzogen wird, die Al-Diffusionsschicht (14) einer Abrasivbehandlung unterzogen wird, so dass eine äußere Aufbauschicht (14.2) der Al-Diffusionschicht (14) entfernt wird, und auf die verbleibende AL-Diffusionschicht (14) eine keramische Wärmedämmschicht (13) aus durch Yttriumoxid teilstabilisiertem Zirkoniumoxid aufgebracht wird, so dass eine gegen Hochtemperaturkorrosion und Hochtemperaturerosion beständige Schutzschicht erzeugt wird. Gemäß der Erfindung soll das Verfahren eine gute Thermoermüdungsbeständigkeit der Schutzschicht erzielen, aber dennoch auf einfache Weise durchführbar sein. Dies wird u. a. dadurch erreicht, dass die keramische Wärmedämmschicht (13) durch atmosphärisches Plasmaspritzen auf die verbleibende AL-Diffusionschicht (14) aufgebracht wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht auf ein Basismetall mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 sowie ein mit einer solchen Schutzschicht beschichtetes Bauteil zum Einsatz in einem Heißgasbereich einer Gasturbine und eine Gasturbine mit einem solchen Bauteil.
  • Ein Verfahren der eingangsgenannten Art ist z. B. aus EP 1 637 622 A1 bekannt.
  • In modernen Gasturbinen werden die Oberflächen im Heißgasbereich fast vollständig mit Beschichtungen versehen. Ausnahmen können in manchen Fällen noch die Schaufeln hinterer Turbinenreihen bilden. Die dabei eingesetzten Wärmedämmschichten (WDS) dienen zur Absenkung der Materialtemperatur gekühlter Bauteile. Hierdurch kann deren Lebensdauer verlängert, Kühlluft eingespart oder die Gasturbine 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.
  • Eine erste Klasse sind Wärmedämmschichten, die durch physikalische Dampfabscheidungsprozesse mittels Elektronenstrahl (EB-PVD-Verfahren) aufgedampft sind. Diese Wärmedämmschichten weisen bei Einhaltung bestimmter Abscheidebedingungen eine säulenförmige (koluminare), dehnungstolerante Struktur auf und bieten dadurch eine besonders günstige Beständigkeit gegen Thermoermüdung (Thermal Cycle Fatigue, TCF). Bei dem zugehörigen Verfahren zum Aufbringen der Wärmedämmschicht wird die Wärmedämmschicht chemisch durch Bildung eines Al, Zr-Mischoxides auf einer von der Haftschicht während der Aufbringung und anschließend im Betrieb gebildeten reinen Aluminiumoxidschicht (Thermally Grown Oxide, TGO) gebunden. Dieses Verfahren stellt einerseits besondere Anforderungen an das Oxidwachstum auf der Haftschicht, gewährleistet aber andererseits eine besonders feste Bindung.
  • Eine zweite Klasse sind Wärmedämmschichten, die thermisch (meist mit atmosphärischem Plasma, APS) aufgespritzt werden. Bei diesen Wärmedämmschichten wird abhängig von der gewünschten Schichtdicke und Spannungsverteilung eine Porosität zwischen etwa 10 und 25 Vol.-% eingestellt. Da hier die Bindung der Keramikschicht an der Haftschicht durch mechanische Verklammerung erfolgen soll, wird die Haftschicht gezielt rau gespritzt, um die Grenzfläche und damit die Adhäsionskräfte zu maximieren. Ein gewisser chemischer Bindungsanteil durch TGO-Bildung entsteht erst im langzeitigen Betriebseinsatz. Dieses Aufbringungsverfahren ist relativ einfach, woraus relativ günstige Beschichtungskosten resultieren.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, dass es eine gute Thermoermüdungsbeständigkeit der Schutzschicht erzielt, aber dennoch auf einfache Weise durchführbar ist. Dies wird mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht.
  • Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, ein mit einer gegen Hochtemperaturkorrosion und Hochtemperaturerosion beständigen Schutzschicht beschichtetes Bauteil zum Einsatz in einem Heißgasbereich einer Gasturbine sowie eine Gasturbine mit einem solchen Bauteil bereitzustellen, wobei die Schutzschicht an dem Bauteil auf einfache Weise herstellbar ist und eine gute Thermoermüdungsbeständigkeit aufweist. Dies wird mit einem Bauteil gemäß Anspruch 7 bzw. mit einer Gasturbine gemäß Anspruch 8 erreicht.
  • Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Auf Seiten der Haftschicht werden – bevorzugt in stationären Gasturbinen – thermisch gespritzte Auflageschichten auf MCrAlY-Basis (M = Ni, Co) eingesetzt. MCrAlY-Schichten enthalten in einer NiCoCr („Y”)-Matrix die intermetallische β Phase NiCoAl als Aluminium-Vorrat. Diese hat allerdings auch einen versprödenden Einfluss, so dass der praktisch realisierbare Al-Gehalt in der MCrAlY-Schicht bei ≤ 12 Gew.-% liegt.
  • Zur weiteren Steigerung der Oxidationsbeständigkeit werden die MCrAlY-Schichten per Überalitierung mit einer Al-Diffusionsschicht überzogen. Wegen der Versprödungsgefahr wird dies weitgehend auf aluminiumarme (Al ≤ 8%) Ausgangsschichten beschränkt.
  • Die Struktur einer alitierten MCrAlY-Schicht besteht aus einer inneren, weitgehend unveränderten y, β-Mischphase, d. h. einer Diffusionszone, in der der Al-Gehalt auf etwa 20% ansteigt, und einer äußeren β-NiAl-Phase mit einem Anteil Von ca. 30% Al. Diese äußere β-NiAl-Phase stellt eine gewisse Schwachstelle des Schichtsystems hinsichtlich Sprödigkeit und Rissempfindlichkeit dar. Es wird daher die überalitierte Schicht einer Abrasivbehandlung unterzogen, so dass die äußere β-NiAl-Phase bis herab zur Diffusionszone entfernt wird. Hierdurch wird auch die Aluminium-Aktivität günstig beeinflusst, so dass die Fähigkeit zur TGO-Bildung begünstigt wird.
  • Hierbei kann eine gute Anbindung der Keramikschicht erreicht werden, ohne dass eine raue Haftschicht notwendig ist, wodurch es unter anderem möglich ist, die MCrAlY-Schicht mittels Niederdruck-Plasmaspritzens (LPPS) oder mittels thermischen Spritzens, zum Beispiel Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens (HVOF) oder Vakuum-Plasmaspritzen, aufzubringen. Das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen ist kostengünstiger und erzeugt tendenziell glattere Oberflächen.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird bereitgestellt ein Verfahren zum Aufbringen einer gegen Hochtemperaturkorrosion und Hochtemperaturerosion beständigen Schutzschicht auf ein Basismetall, wobei auf das Basismetall eine Haftschicht auf MCrAlY-Basis aufgebracht wird, die Haftschicht durch Überalitierung mit einer Al-Diffusionschicht überzogen wird, die Al-Diffusionsschicht einer Abrasivbehandlung unterzogen wird, so dass eine äußere Aufbauschicht der Al-Diffusionschicht entfernt wird, und auf die verbleibende AL-Diffusionschicht eine keramische Wärmedämmschicht aus durch Yttriumoxid teilstabilisiertem Zirkoniumoxid aufgebracht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die keramische Wärmedämmschicht durch atmosphärisches Plasmaspritzen auf die verbleibende AL-Diffusionschicht aufgebracht wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die aufgebrachte Haftschicht vor deren Überalitierung einer Glättungsbehandlung unterzogen. Bevorzugt wird bei der Glättungsbehandlung an der Haftschicht eine Oberflächenrauigkeit von Ra ≤ 2 μm erzeugt.
  • Gemäß noch einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Haftschicht mittels thermischen Spritzens, zum Beispiel Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens (HVOF) oder Vakuum-Plasmaspritzen Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens oder Abscheidung aus der Dampfphase, auf das Basismetall aufgebracht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die AL-Diffusionsschicht nach der Abrasivbehandlung einer Glättungsbehandlung unterzogen, so dass an der verbleibenden AL-Diffusionsschicht eine Oberflächenrauigkeit von Ra ≤ 2 μm erzeugt wird.
  • Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach der Überalitierung der Haftschicht und vor der Abrasivbehandlung der AL-Diffusionsschicht eine Wärmebehandlung zur Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften des Basismetalls durchgeführt.
  • Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bei der Überalitierung in der AL-Diffusionsschicht eine innere Diffusionszone mit einem Al-Gehalt von etwa 20 Gew.-% und auf der Diffusionszone die äußere Aufbauschicht mit einem Al-Gehalt von etwa 30% erzeugt, wobei bei der Abrasivbehandlung die äußere Aufbauschicht der AL-Diffusionsschicht so weit entfernt wird, dass der Gehalt an Al in einer Oberfläche der verbleibenden Al-Diffusionsschicht über 18 Gew.-% und unter 30 Gew.-% beträgt.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird bereitgestellt ein Bauteil zum Einsatz in einem Heißgasbereich einer Gasturbine, wobei das Bauteil eine Oberfläche aufweist, die zumindest teilweise mit einer nach einem Verfahren gemäß einer, mehreren oder allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in jeder denkbaren Kombination aufgebrachten gegen Hochtemperaturkorrosion und Hochtemperaturerosion beständigen Schutzschicht versehen ist.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird bereitgestellt eine Gasturbine mit einem Heißgasbereich und einem darin angeordneten Bauteil gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.
  • Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen der Schutzschicht auf dem Bauteil weist die Schutzschicht eine gute Thermoermüdungsbeständigkeit auf, ist aber dennoch auf einfache Weise herstellbar.
  • Im Fazit wird durch die Erfindung ein Wärmedämmschichtkonzept bereitgestellt, das die günstigen Kosten des APS-Verfahrens mit den Vorteilen der chemischen Bindung zwischen der Haft- und der Keramikschicht kombiniert. Hierdurch kann das TCF-Verhalten gegenüber den klassischen APS-Schichten verbessert werden. Somit können Wärmedämmschichten mit verbesserter Thermoermüdungsbeständigkeit einfacher und damit zu niedrigeren Kosten als mit EB-PVD-Verfahren hergestellt werden.
  • Die Erfindung erstreckt sich ausdrücklich auch auf solche Ausführungsformen, welche nicht durch Merkmalskombinationen aus expliziten Rückbezügen der Ansprüche gegeben sind, womit die offenbarten Merkmale der Erfindung – soweit dies technisch sinnvoll ist – beliebig miteinander kombiniert sein können.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur beschrieben.
  • 1 zeigt in einer Schnittansicht einen mit einer Schutzschicht versehenen Bereich eines in einem Heißgasbereich angeordneten Bauteils einer Gasturbine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 1 zeigt in einer Schnittansicht einen mit einer Schutzschicht 12–14 versehenen Bereich eines in einem Heißgasbereich angeordneten Bauteils 10 einer Gasturbine 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Das Bauteil 10, welches z. B. als Turbinenschaufel oder auch als ein anderes mit Heißgas in Berührung kommendes Bauteil der Gasturbine 1 ausgebildet sein kann, weist ein Basismetall 11 (Grundwerkstoff) mit einer Oberfläche auf, die zum Schutz gegen Hochtemperaturkorrosion und Hochtemperaturerosion komplett oder teilweise mit einer dagegen beständigen keramischen Wärmedämmschicht 13 versehen ist. Die keramische Wärmedämmschicht 13 besteht aus Zirkoniumoxid, das mit etwa 7 Gew.-% Yttriumoxid teilstabilisiert ist (internationale Kurzbezeichnung: „YPSZ” von Yttria Partially Stabilised Zirconia).
  • Zur Verbesserung der Haftung der Wärmedämmschicht 13 auf dem Basismetall 11 wird auf dieses (auf dessen Oberfläche) zunächst eine Auflageschicht bzw. Haftschicht 12 aufgebracht. Die Haftschicht 12 besteht aus einer Sonderlegierung auf MCrAlY-Basis (z. B. LCO 22). Der Buchstabe M steht hier für Ni oder Co oder eine Kombination davon. Das Aufbringen der Haftschicht 12 erfolgt durch Niederdruckplasmaspritzen (LPPS) oder wie hier bevorzugt durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF).
  • Anschließend wird die aufgebrachte Haftschicht 12 einer Glättungsbehandlung (z. B. Feinglätten) unterzogen, wobei an der Haftschicht 12 eine Oberflächenrauigkeit von Ra ≤ 2 μm erzeugt wird.
  • Danach wird zur Erhöhung des Al-Gehaltes in der Haftschicht 12 diese per Überalitieren mit einer Al-Diffusionsschicht 14 überzogen. Das Überalitieren kann realisiert werden durch eine Behandlung, bei der ein reaktives Al-haltiges Gas, das ein Al-Halogenid (AlX2) sein kann, bei höherer Temperatur eine Einwärtsdiffusion von Al verbunden mit einer Auswärtsdiffusion von Ni bewirkt, wie z. B. ein chemisches Aufdampfen (Chemical Vapour Deposition, CVD).
  • Durch das Überalitieren entstehen auf der weitgehend unveränderten Haftschicht 12 innerhalb der Al-Diffusionsschicht 14 eine innere Diffusionszone 14.1 mit einem Al-Gehalt von etwa 20 Gew.-% und darauf eine äußere Aufbauschicht 4.2 aus einer spröden β-NiAl-Phase mit einem Al-Gehalt von etwa 30 Gew.-%.
  • Nach der Überalitierung der Haftschicht 12 kann eine Wärmebehandlung zur Beeinflussung bzw. Einstellung der mechanischen Eigenschaften des Basismetalls 11 durchgeführt werden.
  • Anschließend wird die äußere Aufbauschicht 14.2 per Abrasivbehandlung, wie z. B. Strahlen mit harten Partikeln (z. B. Korund, Siliziumkarbid, verkleinerte Metalldrähte usw.) oder Bearbeiten mit anderen bekannten Schleif- oder Poliermitteln, bis herab auf die innere Diffusionszone 14.1 der Al-Diffusionsschicht 14 entfernt. Die Abrasivbehandlung wird so weit getrieben, dass die Oberfläche der verbliebenen Al-Diffusionsschicht 14 (Diffusionszone 14.1) einen Al-Gehalt von über ca. 18 Gew.-% und unter ca. 30 Gew.-% aufweist.
  • Nach der Abrasivbehandlung wird die AL-Diffusionsschicht 14 einer Glättungsbehandlung (z. B. Feinglätten) unterzogen, so dass an der verbleibenden AL-Diffusionsschicht 14 (Diffusionszone 14.1) eine Oberflächenrauigkeit von Ra ≤ 2 μm erzeugt wird.
  • Auf die so vorbereitete Oberfläche der verbleibenden AL-Diffusionsschicht 14 wird dann die keramische Wärmedämmschicht (YPSZ-Keramikschicht) 13 durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) aufgebracht, wobei für das APS-Verfahren die gleichen Parameter verwendet werden können wie bei üblichen Haftschichten.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Gasturbine
    10
    Bauteil
    11
    Basismetall
    12
    Haftschicht
    13
    Wärmedämmschicht
    14
    Al-Diffusionsschicht
    14.1
    innere Diffusionszone
    14.2
    äußere Aufbauschicht
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1637622 A1 [0002]

Claims (9)

  1. Verfahren zum Aufbringen einer gegen Hochtemperaturkorrosion und Hochtemperaturerosion beständigen Schutzschicht auf ein Basismetall (11), wobei auf das Basismetall (11) eine Haftschicht (12) auf MCrAlY-Basis aufgebracht wird, die Haftschicht (12) durch Überalitierung mit einer Al-Diffusionschicht (14) überzogen wird, die Al-Diffusionsschicht (14) einer Abrasivbehandlung unterzogen wird, so dass eine äußere Aufbauschicht (142) der Al-Diffusionschicht (14) entfernt wird, und auf die verbleibende AL-Diffusionschicht (14) eine keramische Wärmedämmschicht (13) aus durch Yttriumoxid teilstabilisiertem Zirkoniumoxid aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Wärmedämmschicht (13) durch atmosphärisches Plasmaspritzen auf die verbleibende AL-Diffusionschicht (14) aufgebracht wird.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgebrachte Haftschicht (12) vor deren Überalitierung einer Glättungsbehandlung unterzogen wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Glättungsbehandlung an der Haftschicht (12) eine Oberflächenrauigkeit von Ra ≤ 2 μm erzeugt wird.
  4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (12) mittels thermischen Spritzverfahrens auf das Basismetall (11) aufgebracht wird.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die AL-Diffusionsschicht (14) nach der Abrasivbehandlung einer Glättungsbehandlung unterzogen wird, so dass an der verbleibenden AL-Diffusionsschicht (14) eine Oberflächenrauigkeit von Ra ≤ 2 μm erzeugt wird.
  6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Überalitierung der Haftschicht (12) und vor der Abrasivbehandlung der AL-Diffusionsschicht (14) eine Wärmebehandlung zur Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften des Basismetalls (11) durchgeführt wird.
  7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Überalitierung in der AL-Diffusionsschicht (14) eine innere Diffusionszone (14.1) mit einem Al-Gehalt von etwa 20 Gew.-% und auf der Diffusionszone (14.1) die äußere Aufbauschicht (14.2) mit einem Al-Gehalt von etwa 30 Gew.-% erzeugt werden, und dass bei der Abrasivbehandlung die äußere Aufbauschicht (14.2) der AL-Diffusionsschicht (14) so weit entfernt wird, dass der Gehalt an Al in einer Oberfläche der verblelbenden Al-Diffusionsschicht (14) über 18 Gew.-% und unter 30 Gew.-% beträgt.
  8. Bauteil (10) zum Einsatz in einem Heißgasbereich einer Gasturbine (1), wobei das Bauteil (10) eine Oberfläche aufweist, die zumindest teilweise mit einer nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 aufgebrachten gegen Hochtemperaturkorrosion und Hochtemperaturerosion beständigen Schutzschicht versehen ist.
  9. Gasturbine (1) mit einem Heißgasbereich und einem darin angeordneten Bauteil (10) gemäß Anspruch 8.
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