DE102016204627A1 - Process for machining a component provided with a thermal barrier coating - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Bauteils (1), das mit einer Wärmedämmschicht (4) versehen ist, wobei zumindest auf Bereichen der Wärmedämmschicht (4) eine nichtmetallische, wenigstens einen oxidationsfähigen Bestandteil aufweisende Schutzschicht (5) aufgetragen wird.The invention relates to a method for processing a component (1) which is provided with a thermal barrier coating (4), wherein a non-metallic, at least one oxidation-resistant constituent protective layer (5) is applied at least on areas of the thermal barrier coating (4).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Bauteils, das mit einer Wärmedämmschicht versehen ist. The present invention relates to a method for processing a component which is provided with a thermal barrier coating.

Bauteile, deren Substrat durch eine auf diesem aufgetragene Wärmedämmschicht vor den negativen Einflüssen hoher Temperaturen geschützt ist, sind im Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt, beispielsweise in Form von Heißgaskomponenten einer Gasturbine oder dergleichen. Das Substrat solcher Bauteile wird meist durch eine Superlegierung gebildet, insbesondere durch eine solche auf Nickel-, Cobalt- oder Eisenbasis. Die Wärmedämmschicht besteht meist aus keramischen Materialien, wie beispielsweise aus teilstabilisiertem Zirkon oder Gadoliniumzirkonat. Zur Verbesserung der Haftung zwischen dem Substrat und der Wärmedämmschicht kann zwischen diesen eine Haftschicht vorgesehen werden, beispielsweise aus MCrAlX, wobei M für Eisen, Cobalt und/oder Nickel und X für Yttrium oder andere Seltenerdmetalle steht. Components whose substrate is protected from the negative influences of high temperatures by a thermal barrier coating applied thereto are known in the prior art in a wide variety of configurations, for example in the form of hot gas components of a gas turbine or the like. The substrate of such components is usually formed by a superalloy, in particular by one based on nickel, cobalt or iron. The thermal barrier coating is usually made of ceramic materials, such as partially stabilized zirconium or gadolinium zirconate. To improve the adhesion between the substrate and the thermal barrier coating, an adhesive layer may be provided between them, for example MCrAlX, where M is iron, cobalt and / or nickel and X is yttrium or other rare earth metals.

Während des Betriebs von Heißgaskomponenten lagern sich auf der Wärmedämmschicht aufgrund von in der Umgebungsluft enthaltenen Substanzen Verunreinigungen ab, die bei hohen Temperaturen auch als CMAS bezeichnete eutektische Legierungen mit geringem Schmelzpunkt bilden können, die Calciumoxid, Magnesiumoxid, Aluminiumoxid und Siliziumoxid enthalten. Oberhalb der eutektischen Temperatur können die CMAS-Ablagerungen schmelzen und die Wärmedämmschicht infiltrieren, was häufig zu Rissbildungen oder gar zum Abplatzen der Wärmedämmschicht führt. During operation of hot gas components, contaminants are deposited on the thermal barrier coating due to substances in the ambient air which, at high temperatures, may also form low melting point eutectic alloys called CMAS containing calcium oxide, magnesium oxide, aluminum oxide and silicon oxide. Above the eutectic temperature, the CMAS deposits can melt and infiltrate the thermal barrier coating, often causing cracking or even spalling of the thermal barrier coating.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem die negative Beeinflussung der Wärmedämmschicht durch CMAS-Ablagerungen verringert werden kann. Based on this prior art, it is an object of the present invention to provide a method of the type mentioned, with which the negative influence of the thermal barrier coating by CMAS deposits can be reduced.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest auf Bereichen der Wärmedämmschicht eine nichtmetallische, wenigstens einen oxidationsfähigen Bestandteil aufweisende Schutzschicht aufgetragen wird. Spätestens während der bestimmungsgemäßen Verwendung des Bauteils in Umgebungsluftatmosphäre bei hohen Temperaturen oxidiert der wenigstens eine oxidationsfähige Bestandteil der Schutzschicht. Die gebildeten Oxide reagieren wiederum mit sich ausbildenden CMAS-Ablagerungen derart, dass der Schmelzpunkt der CMAS-Ablagerungen heraufgesetzt wird, wodurch die Infiltration und die Reaktion der CMAS-Ablagerungen in bzw. mit der Wärmedämmschicht verringert werden. Auf diese Weise werden Rissbildungen und Abplatzungen der Wärmedämmschicht zumindest reduziert, was mit einer Verlängerung der Lebensdauer des Bauteils einhergeht. To achieve this object, the present invention provides a method of the type mentioned, which is characterized in that at least on areas of the thermal barrier coating, a non-metallic, at least one oxidation-capable component having protective layer is applied. At the latest during the intended use of the component in an ambient air atmosphere at high temperatures, the oxidized at least one oxidizable component of the protective layer. The formed oxides, in turn, react with CMAS deposits that form to increase the melting point of the CMAS deposits, thereby reducing infiltration and the reaction of the CMAS deposits in the thermal barrier coating. In this way, cracking and flaking of the thermal barrier coating are at least reduced, which is associated with an extension of the life of the component.

Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Schutzschicht Aluminiumphosphat auf. Die Verwendung von Aluminiumphosphat hat sich als besonders effektiv und unproblematisch erwiesen. According to one embodiment of the present invention, the protective layer comprises aluminum phosphate. The use of aluminum phosphate has proven to be particularly effective and unproblematic.

Bevorzugt weist die Schutzschicht zumindest ein Element ausgewählt aus der Gruppe Magnesium (Mg), Zirkon (Zr), Titan (Ti), Tantal (Ta), Niob (Nb), Hafnium (Hf), Silizium (Si), Bor (B), Germanium (Ge) und /oder Gallium (Ga) in nichtmetallischer Bindung auf. The protective layer preferably comprises at least one element selected from the group magnesium (Mg), zirconium (Zr), titanium (Ti), tantalum (Ta), niobium (Nb), hafnium (Hf), silicon (Si), boron (B) , Germanium (Ge) and / or gallium (Ga) in non-metallic bond.

Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schutzschicht in einer Dicke aufgetragen, die maximal der 0,2-fachen Dicke der Wärmedämmschicht entspricht. According to one embodiment of the method according to the invention, the protective layer is applied in a thickness which corresponds at most to 0.2 times the thickness of the thermal barrier coating.

Vorteilhaft wird die Schutzschicht in einer Dicke von maximal 20µm aufgetragen, wodurch ein hinreichender Schutz vor den negativen Einflüssen von CMAS-Ablagerungen gewährleistet wird. Dicken über diese Obergrenze hinaus scheinen keine zusätzliche positive Wirkung zu entfalten. Advantageously, the protective layer is applied in a thickness of a maximum of 20 microns, whereby a sufficient protection against the negative effects of CMAS deposits is ensured. Thicknesses beyond this upper limit do not appear to have an additional positive effect.

Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Schutzschicht durch einen Schlicker, Aufdampfen, Aufsprühen oder unter Verwendung eines Pinsels aufgetragen. According to one embodiment of the present invention, the protective layer is applied by a slurry, vapor deposition, spraying or using a brush.

Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schutzschicht nach ihrem Auftrag in einem weiteren Schritt oxidiert. Dies hat den Vorteil, dass die schützende Oxidschicht bereits zu Beginn der bestimmungsgemäßen Verwendung des Bauteils vorhanden ist und nicht erst ausgebildet werden muss. Die Oxidation kann beispielsweise durch Erwärmen des Bauteils in einer oxidationsfördernden Umgebung wie Luft oder dergleichen erfolgen. Ebenso kann die Oxidation auch elektrochemisch hervorgerufen werden. According to a variant of the method according to the invention, the protective layer is oxidized after its application in a further step. This has the advantage that the protective oxide layer is already present at the beginning of the intended use of the component and does not have to be formed first. The oxidation can be carried out, for example, by heating the component in an oxidation-promoting environment such as air or the like. Likewise, the oxidation can also be caused electrochemically.

Vorteilhaft ist das Bauteil eine Heißgaskomponente einer Gasturbine, wie beispielsweise eine Leit- oder Laufschaufel. Advantageously, the component is a hot gas component of a gas turbine, such as a guide or blade.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das erfindungsgemäße Verfahren im Rahmen einer Neuherstellung eines Bauteils oder an einem bereits existierenden Bauteil durchgeführt werden, wie beispielsweise im Rahmen von Reparaturarbeiten. According to the present invention, the method according to the invention may be carried out as part of a new production of a component or on an already existing component, such as in the context of repair work.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich, die eine Querschnittansicht eines Bauteils zeigt. Further features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of an embodiment of the method according to the invention with reference to the accompanying drawing, which shows a cross-sectional view of a component.

Das Bauteil 1, bei dem es sich vorliegend um eine Heißgaskomponente einer Gasturbine handelt, wie beispielsweise eine Leit- oder Laufschaufel, umfasst ein Substrat 2. Das Substrat 2 ist aus einer Superlegierung auf Nickel-, Cobalt- oder Eisenbasis hergestellt. Auf die Außenfläche des Substrats 2 ist vorliegend eine Haftschicht 3 aufgetragen, die aus MCrAlX ausgebildet ist, wobei M für Eisen, Cobalt und/oder Nickel und X für Yttrium oder andere Seltenerdmetalle steht. An der Außenseite der Haftschicht 3 ist eine Wärmedämmschicht 4 vorgesehen, die aus keramischem Material hergestellt ist, vorliegend aus teilstabilisiertem Zirkon, wobei natürlich auch andere Materialien denkbar sind. Die Wärmedämmschicht 4 dient während der bestimmungsgemäßen Verwendung des Bauteils 1 dazu, das Substrat 2 vor den negativen Einflüssen hoher Temperaturen zu schützen. Die Haftschicht 3 verbessert die Haftung zwischen dem Substrat 2 und der Wärmedämmschicht 4. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass auf die Haftschicht 3 grundsätzlich auch verzichtet werden kann. The component 1 , which is in the present case a hot gas component of a gas turbine, such as a guide or blade, comprises a substrate 2 , The substrate 2 is made of a superalloy based on nickel, cobalt or iron. On the outer surface of the substrate 2 is in the present case an adhesive layer 3 applied, which is formed of MCrAlX, wherein M stands for iron, cobalt and / or nickel and X for yttrium or other rare earth metals. On the outside of the adhesive layer 3 is a thermal barrier coating 4 provided, which is made of ceramic material, in this case partially stabilized zirconium, of course, other materials are conceivable. The thermal barrier coating 4 serves during the intended use of the component 1 to the substrate 2 to protect against the negative effects of high temperatures. The adhesive layer 3 improves adhesion between the substrate 2 and the thermal barrier coating 4 , It should be noted, however, that the adhesive layer 3 basically can be dispensed with.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird an der Außenseite der Wärmedämmschicht 4 eine nicht metallische, wenigstens einen oxidationsfähigen Bestandteil aufweisende Schutzschicht 5 aufgetragen. Die Schutzschicht 5 weist vorliegend Aluminiumphosphat auf, wobei der oxidationsfähige Bestandteil durch Aluminium gebildet wird. Der Auftrag der Schutzschicht 5 erfolgt in einer Dicke, die maximal der 0,2-fachen Dicke der Wärmedämmschicht 4 entspricht. Genauer gesagt wird die Schutzschicht 5 vorliegend in eine Dicke von 15 µm aufgetragen, wobei Dicken in Bereich von 2 bis 20 µm grundsätzlich als vorteilhaft angesehen werden. Der Auftrag der Schutzschicht 5 kann beispielsweise durch einen Schlicker, Aufdampfen, Aufsprühen oder unter Verwendung eines Pinsels während der Herstellung des Bauteils 1 oder nachträglich im Rahmen von Reparaturarbeiten oder dergleichen erfolgen. According to the inventive method is on the outside of the thermal barrier coating 4 a non-metallic, at least one oxidation-capable constituent protective layer 5 applied. The protective layer 5 In this case, aluminum phosphate is present, the oxidisable constituent being formed by aluminum. The order of the protective layer 5 takes place in a thickness which is at most 0.2 times the thickness of the thermal barrier coating 4 equivalent. More specifically, the protective layer 5 in the present case applied in a thickness of 15 microns, with thicknesses in the range of 2 to 20 microns are generally considered advantageous. The order of the protective layer 5 For example, by a slurry, vapor deposition, spraying or using a brush during the manufacture of the component 1 or subsequently in the context of repair work or the like.

Gemäß eine ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Oxidation der Schutzschicht 5 bzw. des in dieser enthaltenen oxidationsfähigen Bestandteils nicht in einem gesonderten Verfahrensschritt sondern während des bestimmungsgemäßen Einsatzes des Bauteils 1 in Umgebungsluftatmosphäre bei hohen Temperaturen. Diese Variante ist insbesondere dahingehend von Vorteil, dass mit der Oxidation keine zusätzlichen Kosten verbunden sind. Gemäß einer zweiten Variante kann die Schutzschicht 5 aber auch in einem eigenen Verfahrensschritt oxidiert werden, beispielsweise durch Erwärmen des Bauteils in einer oxidationsfördernden Umgebung wie Luft, elektrochemisch oder dergleichen. According to a first variant of the method according to the invention, an oxidation of the protective layer takes place 5 or of the oxidisable constituent contained therein not in a separate process step but during the intended use of the component 1 in ambient air atmosphere at high temperatures. This variant is particularly advantageous in that no additional costs are associated with the oxidation. According to a second variant, the protective layer 5 but also be oxidized in a separate process step, for example by heating the component in an oxidation-promoting environment such as air, electrochemical or the like.

Die gebildeten Oxide reagieren während des bestimmungsgemäßen Einsatzes des Bauteils 1 mit sich ausbildenden CMAS-Ablagerungen derart, dass der Schmelzpunkt der CMAS-Ablagerungen heraufgesetzt wird, wodurch die Infiltration und die Reaktion der CMAS-Ablagerungen in bzw. mit der Wärmedämmschicht 4 verringert werden. Auf diese Weise werden Rissbildungen und Abplatzungen der Wärmedämmschicht 4 zumindest reduziert, was mit einer Verlängerung der Lebensdauer des Bauteils einhergeht. The oxides formed react during the intended use of the component 1 with CMAS deposits forming such that the melting point of the CMAS deposits is increased, thereby preventing infiltration and reaction of the CMAS deposits into the thermal barrier coating 4 be reduced. In this way, cracking and flaking of the thermal barrier coating 4 at least reduced, which is associated with an extension of the life of the component.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

Claims (9)

Verfahren zur Bearbeitung eines Bauteils (1), das mit einer Wärmedämmschicht (4) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest auf Bereichen der Wärmedämmschicht (4) eine nichtmetallische, wenigstens einen oxidationsfähigen Bestandteil aufweisende Schutzschicht (5) aufgetragen wird. Method for processing a component ( 1 ) with a thermal barrier coating ( 4 ), characterized in that at least on areas of the thermal barrier coating ( 4 ) a non-metallic, at least one oxidation-capable constituent protective layer ( 5 ) is applied. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (5) Aluminiumphosphat aufweist. Method according to claim 1, characterized in that the protective layer ( 5 ) Aluminum phosphate. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (5) zumindest ein Element ausgewählt aus der Gruppe Magnesium (Mg), Zirkon (Zr), Titan (Ti), Tantal (Ta), Niob (Nb), Hafnium (Hf), Silizium (Si), Bor (B), Germanium (Ge) und /oder Gallium (Ga) in nichtmetallischer Bindung aufweist. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the protective layer ( 5 ) at least one element selected from the group magnesium (Mg), zirconium (Zr), titanium (Ti), tantalum (Ta), niobium (Nb), hafnium (Hf), silicon (Si), boron (B), germanium ( Ge) and / or gallium (Ga) in non-metallic bond. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (5) in einer Dicke aufgetragen wird, die maximal der 0,2-fachen Dicke der Wärmedämmschicht (4) entspricht. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the protective layer ( 5 ) is applied in a thickness of not more than 0.2 times the thickness of the thermal barrier coating ( 4 ) corresponds. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (5) in einer Dicke von maximal 20µm aufgetragen wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the protective layer ( 5 ) is applied in a thickness of a maximum of 20 microns. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass die Schutzschicht (5) durch einen Schlicker, Aufdampfen, Aufsprühen oder unter Verwendung eines Pinsels aufgetragen wird. Method according to one of the preceding claims, that the protective layer ( 5 ) is applied by slip, evaporation, spraying or by using a brush. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (5) nach ihrem Auftrag in einem weiteren Schritt oxidiert wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the protective layer ( 5 ) is oxidized after their order in a further step. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) eine Heißgaskomponente einer Gasturbine ist. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the component ( 1 ) is a hot gas component of a gas turbine. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses im Rahmen einer Neuherstellung eines Bauteils (1) oder an einem bereits existierenden Bauteil (1) durchgeführt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that this in the context of a new production of a component ( 1 ) or on an already existing component ( 1 ) is carried out.
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