DE112009004789T5

DE112009004789T5 - Verfahren zur Verbesserung der Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit an dem Bereich unter der Plattform einer Gasturbinenschaufel

Info

Publication number: DE112009004789T5
Application number: DE112009004789T
Authority: DE
Inventors: Howard WILKINS Melvin; Ross THOLKE Brent; Bernard KOOL Lawrence; Davis Jr. GROSSKLAUS Warren
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-05-21
Filing date: 2009-05-21
Publication date: 2012-06-21
Also published as: GB201119786D0; GB2482460A; WO2010134918A1; JP2012527537A; CA2761697A1

Abstract

Erzeugung einer siliziummodifizierten Aluminid-Beschichtung an dem unter einer Plattform befindlichen Bereich einer Superlegierungs-Laufschaufel eines Gasturbinentriebwerks zur verbesserten Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit. Die Beschichtung wird aus einer Aufschlämmungszusammensetzung erzeugt, die kolloidales Siliziumdioxid und aluminiumbasiertes Pulver enthält, und im Wesentlichen frei von sechswertigem Chrom ist. Die Beschichtung ergibt einen Aluminium- und Siliziumgehalt in den äußeren 25% einer Beschichtungsdicke von wenigstens etwa 20 Gewichts% Aluminium und etwa 3 Gewichts% Silizium.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein eine korrosionsbeständige Beschichtung für einen unter einer Plattform liegenden Bereich einer Turbinenlaufschaufel eines Gasturbinentriebwerks, Verfahren zur Aufbringung korrosionsbeständiger Beschichtungen, Verfahren zur Reparatur von Gasturbinenschaufeln und korrosionsbeständige Gegenstände.
In einem Gasturbinentriebwerk für ein Flugzeug wird Luft in die Vorderseite des Triebwerks eingesaugt, durch einen auf einer Welle montierten Verdichter komprimiert und mit einem Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird verbrannt und die heißen Verbrennungsgase werden durch eine Turbine geleitet, die auf derselben Welle montiert ist. Die Verbrennungsgasströmung dreht die Turbine durch den Aufprall gegen einen Schaufelblattabschnitt der Turbinenschaufeln und Leitschaufeln, was die Welle dreht und Leistung für den Verdichter liefert. Die heißen Abgase strömen aus der Rückseite des Triebwerks, wobei sie dieses und das Flugzeug vorwärts antreiben.
Je heißer die Verbrennungs- und Abgase sind, desto effizienter ist der Betrieb des Strahltriebwerks. Es besteht somit ein Anreiz, die Verbrennungs- und Abgastemperaturen zu erhöhen. Die maximale Temperatur der Verbrennungsgase ist normalerweise durch die Materialien begrenzt, die verwendet werden, um die Komponenten des heißen Abschnitts des Triebwerks herzustellen. Diese Komponenten enthalten die Turbinenleitschaufeln und die Turbinenlaufschaufeln der Gasturbine, auf die die heißen Verbrennungsgase unmittelbar auftreffen. Diese Komponenten unterliegen einer Beschädigung durch Oxidation und korrosive Mittel.
Es werden viele Methoden verwendet, um die Betriebstemperaturgrenzen und Nutzungslebensdauern der Turbinenlaufschaufeln und -leitschaufeln auf ihre derzeitigen Niveaus zu erhöhen. Die Zusammensetzung und Verarbeitung der Basismaterialien selbst werden verbessert. Es werden Kühltechniken verwendet, indem die Komponente z. B. mit inneren Kühlkanälen versehen wird, durch die Kühlluft strömen gelassen wird. Eine weitere Methode, die verwendet wird, um die Komponenten des heißen Abschnitts zu schützen, besteht darin, einen Teil der Oberflächen mit einer Schutzbeschichtung, beispielsweise einer aluminiumhaltigen Beschichtung, zu überziehen. Die Schutzbeschichtung oxidiert, um eine Aluminiumoxid-Schutzschicht zu ergeben, die das darunter liegende Substrat schützt.
Leck- und Zapfluft führen korrosive Materialien zu den Nicht-Strömungspfadseiten der Turbinenlaufschaufeln mit. Metallsalze, wie beispielsweise Alkalisulfat, Sulfite, Chloride, Karbonate, Oxide und andere Salzablagerungen, die von eingesaugtem Schmutz, Flugasche, vulkanischer Asche, Betonstaub, Meeressandsalz, etc., herrühren, bilden eine Hauptquelle für die Korrosion. Andere Elemente in der Zapfgasumgebung können ebenfalls die Korrosion beschleunigen. Eine Alkalisulfatkorrosion in dem interessierenden Temperaturbereich und atmosphärischen Bereich hat einen Lochfraß an dem Turbinenlaufschaufelsubstrat bei Temperaturen, die gewöhnlich um 1200°F (649°C) herum beginnen, zur Folge.
Ein Lochfraß durch Korrosion wurde als eine Ursache für die Auslösung einer Ermüdungsrissbildung in manchen Gasturbinentriebwerkslaufschaufeln in dem Bereich unter der Plattform identifiziert. In der Technik wird der unter der Plattform liegende Bereich mit einer einfachen Aluminid-Beschichtung oder einer Platin-Aluminid(PtAl)-Beschichtung überzogen. PtAl ist die üblichste Beschichtung für den Bereich unter der Plattform. Eine Steuerung der Platinierung in der komplexen Geometrie des unter der Plattform liegenden Bereiches des Schwalbenschwanzes ist sehr schwierig. Eine Platin-Aluminid-Beschichtung ist auch kostspielig. Teile mit komplexen Beschichtungsanforderungen erfordern schwierige Maskierungs- und prozessinterne Abstreifzyklen, um die richtige Beschichtung in manchen Bereichen und eine Vermeidung in anderen Bereichen zu erhalten. Ferner ist festgestellt worden, dass unter schweren Betriebsbedingungen PtAl-Beschichtungen nicht ausreichen, um zu verhindern, dass korrosionsbedingter Lochfraß und eine nachfolgende Ermüdungsrissbildung in dem Bereich unter der Plattform auftreten. Die Oxidation- und Korrosionsbeschädigung kann zu einem Ausfall oder vorzeitigen Ausbau und Ersatz der Turbinenlaufschaufeln führen, wenn nicht der Schaden reduziert oder repariert wird.
Somit wäre es erwünscht, ein Beschichtungssystem und -verfahren zum Schutz bestimmter Abschnitte der Turbinenlaufschaufel gegen Korrosion und Oxidation zu schaffen.
So genannte „siliziummodifizierte” Aluminide sind als aluminisierende Zusammensetzungen zur Schaffung eines aluminiumreichen Bereiches für Superlegierungssubstrate z. B. in der US-Patentschrift 4,310,574 und der US-Patentschrift 6,126,758 vorgeschlagen worden. Die siliziummodifizierten Aluminide können aus Aufschlämmungsbeschichtungen gebildet werden, die auf das Substrat aufgesprüht oder in sonstiger Weise aufgetragen werden können. Die flüchtigen Komponenten werden anschließend verdampft, und die aluminiumhaltige Komponente kann auf eine Weise erhitzt werden, die das Aluminium und Silizium veranlasst, in die Substratoberfläche einzudiffundieren.
Es gibt Vorteile der Verwendung von Aufschlämmungen zur Aluminisierung der Substrate. Z. B. können Aufschlämmungen leicht und wirtschaftlich zubereitet werden, und ihr Aluminiumgehalt kann leicht angepasst werden, um die Anforderungen für ein bestimmtes Substrat zu erfüllen. Außerdem können die Aufschlämmungen auf das Substrat durch mehrere unterschiedliche Methoden aufgebracht werden, und ihre Benetzungsfähigkeit hilft, eine relativ gleichmäßige Aluminisierung sicherzustellen.
Einige aluminiumhaltige Aufschlämmungszusammensetzungen enthalten Chromationen, von denen bekannt ist, dass sie die Korrosionsbeständigkeit verbessern. Während diese Aufschlämmungszusammensetzungen für einige Anwendungen nützlich sein können, gelten die Chromationen als toxisch. Insbesondere wird sechswertiges Chromat (Cr⁺⁶) auch als ein Karzinogen angesehen. Somit hat die Verwendung dieser Arten von Beschichtungszusammensetzungen spezielle Handhabungsprozeduren zur Folge, um Gesundheits- und Sicherheitsvorschriften einzuhalten, die Kosten steigern und die Produktivität senken können.
Die US-Patentschrift 7,270,852 stellt aufschlämmungsartige Aluminisierungszusammensetzungen zur Anreicherung des Oberflächenbereiches eines metallbasierten Substrats mit Aluminium bereit. Eine beispielhafte Zusammensetzung enthält kolloidales Siliziumdioxid und Partikel eines aluminiumbasierten Pulvers und ist im Wesentlichen frei von sechswertigem Chrom.
Es wäre wünschenswert, geeignete Beschichtungen und Beschichtungsverfahren für die unter der Plattform befindlichen Bereiche der Turbinenlaufschaufeln zu schaffen, die die in der Technik festgestellten Schwierigkeiten vermeiden. Insbesondere wäre es wünschenswert, eine Beschichtung zu schaffen, die gegenüber bekannten PtAl-Beschichtungen eine bessere Leistungsfähigkeit bietet, die frei von sechswertigem Chrom ist, die leicht und gleichmäßig aufgetragen werden kann und die die thermischen mechanischen Eigenschaften des darunter liegenden Substrats nicht negativ beeinflusst.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der vorstehend erwähnte Bedarf oder die vorstehend erwähnten Bedürfnisse können durch beispielhafte Ausführungsformen gedeckt werden, die ein Verfahren zur Erzielung einer Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit an einem unter einer Plattform befindlichen Bereich einer Gasturbinenlaufschaufel bereitstellen. Ein beispielhaftes Verfahren enthält: a) Bereitstellen einer Superlegierungs-Gasturbinenlaufschaufel; b) Bereitstellen einer Aufschlämmungszusammensetzung, die kollidales Siliziumdioxid und aluminiumbasiertes Pulver, das im Wesentlichen frei von sechswertigem Chrom ist, aufweist; c) Aufbringen der Aufschlämmungszusammensetzung auf einen vorausgewählten Abschnitt der Außenfläche des Bereiches unter der Plattform; d) nach (c) folgend, Erhitzen der Gasturbinenlaufschaufel unter geeigneten Diffusionsbedingungen, um eine siliziummodifizierte Aluminidbeschichtung auf dem vorausgewählten Abschnitt zu bilden, wobei die Beschichtung einen Aluminium- und Siliziumgehalt in den äußeren 25% einer Beschichtungsdicke von wenigstens etwa 20 Gewichtsprozent Aluminium und etwa 3 Gewichtsprozent Silizium aufweist.
In einer anderen Ausführungsform enthält ein beispielhafte Verfahren: a) Bereitstellen einer Turbinenlaufschaufel eines Gasturbinentriebwerks, die in einem Bereich unter einer Plattform Korrosion aufweist; b) Vorbereiten wenigstens eines vorausgewählten Abschnitts des Bereiches unter der Plattform zur Aufnahme einer vom sechswertigen Chrom im Wesentlichen freien Aufschlämmungszusammensetzung; c) Bilden einer korrosionsbeständigen siliziummodifizierten Aluminidbeschichtung auf wenigstens dem Bereich unter der Plattform aus der Aufströmungszusammensetzung, wobei die siliziummodifizierte Aluminidbeschichtung wenigstens dem vorausgewählten Abschnitt eine einer Platin-Aluminid-Beschichtung vergleichbare Korrosionsbeständigkeit verleiht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Der Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, ist in dem abschließenden Teil dieser Offenbarung besonders angegeben und deutlich beansprucht. Die Erfindung kann jedoch am besten unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung verstanden werden, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren aufzufassen ist, in denen:
1 zeigt eine Perspektivansicht eines Komponentenbauteils, wie beispielsweise einer Turbinenlaufschaufel eines Gasturbinenantriebs.
2 zeigt eine schematische Darstellung, die eine Aufschlämmungszusammensetzung veranschaulicht, die auf einen unter einer Plattform befindlichen Bereich einer Turbinenlaufschaufel aufgebracht wird, und eine daraus gebildete korrosionsbeständige Beschichtung.
3 zeigt ein Flussdiagramm, das einen beispielhaften Beschichtungsprozess darstellt.
4 zeigt eine ausschnittsweise Querschnittsansicht, die einen beschichteten unter einer Plattform befindlichen Bereich einer beispielhaften Turbinenlaufschaufel veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bezugnehmend auf die Zeichnung zeigt 1 eine Gasturbinenlaufschaufel 20, die bevorzugterweise früher im Einsatz gewesen ist oder die ein neu hergestellter Gegenstand sein kann. Die Gasturbinenlaufschaufel 20 weist ein Schaufelblatt 22, gegen das die heiße Verbrennungsgasströmung während des Einsatzes im Betrieb aufprallt, einen sich nach unten erstreckenden Schaft 24 und eine Befestigungsvorrichtung in Form eines Schwalbenschwanzes 26 auf, der die Gasturbinenlaufschaufel 20 an einer (nicht veranschaulichten) Gasturbinenscheibe des Gasturbinenantriebs befestigt. Eine Plattform 28 erstreckt sich an einer Stelle zwischen dem Schaufelblatt 22 und dem Schaft 24 sowie dem Schwalbenschwanz 26 quer nach außen. Die Plattform 28 weist eine obere Fläche 30 angrenzend an das Schaufelblatt 22 und eine (manchmal als eine „Unterseite” der Plattform bezeichnete) untere Fläche 32 angrenzend an den Schaft 24 und den Schwalbenschwanz 26 auf.
Die Gasturbinenlaufschaufel 20 kann aus einer nickel-, eisen- oder kobaltbasierten Superlegierung hergestellt sein. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Gasturbinenlaufschaufel 20 eine Laufschaufel sein, die früher im Einsatz gewesen ist, obwohl neu hergestellte Gegenstände ebenfalls in dem Umfang dieser Offenbarung vorgesehen sind. Die Gasturbinenlaufschaufel 20, die früher im Einsatz gewesen ist, wird als eine neu geschaffene Gasturbinenschaufel hergestellt und anschließend wenigstens einmal in einem Flugtriebwerkseinsatz verwendet. Während des Einsatzes ist die Gasturbinenlaufschaufel 20 Bedingungen ausgesetzt, die ihre Struktur schwächen. Es werden Teile der Gasturbinenlaufschaufel weg erodiert, oxidiert und/oder korrodiert, so dass sich ihre Gestalt und Abmessungen verändern, und Beschichtungen werden weggefressen oder abgebaut. Da die Gasturbinenlaufschaufel 20 einen kostspieligen Gegenstand bildet, wird bevorzugt, dass eine verhältnismäßig geringe Beschädigung repariert wird, anstatt die Gasturbinenlaufschaufel 20 zu verschrotten. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Gasturbinenlaufschaufel 20 repariert, überholt und regeneriert werden, so dass sie wieder in Betrieb genommen werden kann. Eine derartige Reparatur, Überholung und Regenerierung ist eine wichtige Funktion, die die wirtschaftliche Lebensfähigkeit von Gasturbinenflugtriebwerken verbessert, indem sie ansonsten unbenutzbare Gasturbinenlaufschaufeln wieder einem späteren Einsatz nach einer geeigneten Bearbeitung zurückführt.
Ein Aspekt der Reparatur in einigen Fällen besteht darin, eine Schutzbeschichtung auf die untere Fläche 32 der Plattform 28 und den benachbarten Abschnitt des Schaftes 24, hierin als der „unter der Plattform befindliche Bereich 34” bezeichnet, aufzubringen. Weil der unter der Plattform befindliche Bereich 34 von der heißen Verbrennungsgasströmung, die gegen das Schaufelblatt 22 auftrifft, relativ isoliert ist, ist es in der Vergangenheit manchmal üblich gewesen, dass dieser nicht mit einer Schutzbeschichtung versehen wurde. Als andere Eigenschaften der Gasturbinenlaufschaufel 20 verbessert worden sind, um noch höhere Betriebstemperaturen für einen erhöhten Triebwerkswirkungsgrad zu ermöglichen, ist es jedoch deutlich geworden, dass der Bereich 34 unter der Plattform Schutzbeschichtungen erfordern kann, um eine Beschädigung aufgrund von Oxidation und Korrosion zu verhindern und wünschenswerter Weise zu vermeiden. Die hierin offenbarten Ausführungsformen sind in gleicher Weise auf Gasturbinenlaufschaufeln, die früher im Einsatz gewesen sind, und auf neu hergestellte Laufschaufeln anwendbar.
In einer beispielhaften Ausführungsform wird eine korrosions- und oxidationsbeständige Beschichtung an dem Bereich 34 unter der Plattform geschaffen, um eine Korrosion und/oder Spannungskorrosionsrissbildung an der Laufschaufel in diesem Bereich zu verhindern. Während eine beispielhafte Ausführungsform auf eine Turbinenlaufschaufel 20 abhebt, würden andere Komponenten, die relativ hohen Belastungen und Korrosionsbedingungen ausgesetzt sind, voraussichtlich ebenfalls von dieser Beschichtung profitieren.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist die korrosions- und oxidationsbeständige Beschichtung eine vom sechswertigen Chrom im Wesentlichen freie Zusammensetzung. Eine beispielhafte vom sechswertigen Chrom freie Zusammensetzung kann als eine aluminisierende Zusammensetzung sonst wo auf der Laufschaufel verwendet werden. Eine beispielhafte Zusammensetzung enthält (a) kolloidales Siliziumdioxid und (b) Teilchen eines aluminiumbasierten Pulvers. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das kolloidale Siliziumdioxid in dem Bereich von etwa 5 Gewichts% bis etwa 20 Gewichts% auf der Basis des festen Siliziumdioxids als ein Prozentsatz der gesamten Zusammensetzung vorhanden. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Aluminium in dem Bereich von etwa 0,5 Gewichts% bis etwa 45 Gewichts% auf der Basis des Gewichts der gesamten Zusammensetzung vorhanden. Alle hierin offenbarten prozentualen Anteile sind, sofern nicht anders angegeben, in Gewichts%.
In einer beispielhaften Ausführungsform weist die Zusammensetzung auf: ein aluminiumbasiertes Pulver; ein Bindemittel, das aus der Gruppe von kolloidalem Siliziumdioxid (Systeme auf wässriger Basis), organischem Harz (Systeme auf organischer Basis) und deren Kombinationen ausgewählt ist; und optional ein inertes organisches pyrolisierbares Verdickungsmittel. In dem hierin verwendeten Sinne bedeutet „pyrolisierbar” zur thermischen Zersetzung in der Lage.
Gewöhnlich weist das inerte pyrolisierbare Verdickungsmittel ein festes organisches partikelförmiges Verdickungsmittel. Zu beispielhaften Strukturen gehören Perlen, Faden, Stränge, Fasern und Kombinationen hiervon. Zu beispielhaften Materialien gehören Acrylate, Polymere und mehr speziell Polymethylmethacrylat. Eine beispielhafte Zusammensetzung kann ein wasserlösliches polymeres Verdickungsmittel, wie beispielsweise Polyvinylalkohol, enthalten.
In dem hierin verwendeten Sinne ist ein „aluminiumbasiertes Pulver” als eines definiert, das wenigstens etwa 75 Gewichts% Aluminium auf der Basis der gesamten in dem Pulver vorhandenen Elemente enthält. Das Pulver kann weitere Elemente, wie beispielsweise Metalle der Platingruppe, Seltenerdmetalle, z. B. Lanthanide, und Elemente, die den Lanthaniden chemisch ähnlich sind, wie beispielsweise Scandium und Yttrium, enthalten.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Aufschlämmungszusammensetzung eine Legierung aus Aluminium und Silizium enthalten. Das Silizium in der Aluminium-Silizium-Legierung dient zum Teil dazu, den Schmelzpunkt der Legierung herabzusetzen, wodurch der Beschichtungsprozess erleichtert wird.
Es können weitere Zusatzstoffe in der Zusammensetzung vorhanden sein, wie beispielsweise Pigmente, Verdünnungsmittel, Härtungsmittel, Dispergatoren, Verflüssigungsmittel, Anti-Absetzmittel, Schaumverhütungsmittel, Bindemittel, Plastifizierungsmittel, Weichmacher, oberflächenaktive Stoffe, Trockenmittel, Füllstoffe und Schmiermittel. Im Allgemeinen werden die Zusatzstoffe in einer Menge in dem Bereich von etwa 0,01 Gewichts% bis etwa 10 Gewichts% auf der Basis des Gewichts der gesamten Zusammensetzung eingesetzt.
Für Zusammensetzungen auf wässriger Basis weist das Bindemittel das kolloidale Siliziumdioxid auf. In dem hierin verwendeten Sinne bedeutet „kolloidales Siliziumdioxid” jede beliebige Dispersion von feinen Siliziumdioxidteilchen in einem Medium Wasser oder anderem Lösungsmittel. „Wässrig” bezieht sich auf Zusammensetzungen, in denen wenigstens etwa 65% der flüchtigen Komponenten Wasser sind. zu anderen Trägern, die mit Wasser vermischt werden können, gehören niedere Alkohole, z. B. 1–4 Kohlenstoffatome, und halogenierte Kohlenwasserstofflösungsmittel.
Die Menge des verwendeten flüssigen Trägers ist gewöhnlich die minimale Menge, die ausreicht, um die festen Komponenten einer Aufschlämmung in Suspension zu halten, obwohl andere Mengen verwendet werden können, um z. B. die Viskosität der Zusammensetzung anzupassen. Allgemein weist der flüssige Träger in etwa 30 Gewichts% bis etwa 70 Gewichts% der gesamten Zusammensetzung auf.
In einer beispielhaften Ausführungsform enthält die Zusammensetzung wenigstens ein organisches Stabilisierungsmittel, das wenigstens zwei Hydroxylgruppen beinhaltet. Das organische Stabilisierungsmittel kann aus der Gruppe ausgewählt sein, zu der Alkandiole, Glycerin, Pantaerythritol, Fette und Kohlenhydrate gehören. Im Allgemeinen ist das organische Stabilisierungsmittel in einer Menge vorhanden, die ausreicht, um das aluminiumbasierte Pulver während eines Kontaktes mit einer beliebigen wässrigen Komponente, die in der Zusammensetzung vorhanden ist, chemisch zu stabilisieren. Z. B. kann das organische Stabilisierungsmittel in einer Menge in dem Bereich von etwa 0,1 Gewichts% bis etwa 20 Gewichts% auf der Basis des Gesamtgewichtes der Zusammensetzung vorhanden sein.
In Ausführungsformen der Zusammensetzung auf organischer Basis weist das Bindemittel wenigstens ein organisches Harz auf. In dem hierin verwendeten Sinne soll eine Zusammensetzung „auf organischer Basis” ein Material beschreiben, das wenigstens ein Kunstharz oder trocknendes Öl als die filmbildende Komponente gemeinsam mit einem oder mehreren Lösungsmitteln beinhaltet. Einige Beispiele für verwendbare organische Harze umfassen: Epoxydharze, Silikonharze, Alkydharze, Akrylharze, Polyurethanharze, Polyvinylchloridharze, Phenolharze, Polyesterharze, Urethanharze, Polyamidharze, Polyolefinharze und Kombinationen von diesen. Es kann nützlich sein, wenigstens ein organisches Lösungsmittel vorzusehen, das aus Alkoholen, Glykolen, Ketonen, Aldehyden, aromatischen Verbindungen, Dimethylformamid, Spiritussen, Naphtha, nitrierten Kohlenwasserstoffen, chlorierten Kohlenwasserstoffen und Kombinationen von diesen ausgewählt ist.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Zusammensetzung als eine Aufschlämmungsbeschichtungszusammensetzung geschaffen. Das Substrat, das beschichtet werden soll, ist aus einem Material ausgebildet, das eine nickelbasierte Superlegierung, eine kobaltbasierte Superlegierung oder eine eisenbasierte Superlegierung aufweist. Die Aufschlämmungsbeschichtungszusammensetzung ist im Wesentlichen frei von sechswertigem Chrom, weist ein Bindemittel, das aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der kolloidales Siliziumdioxid, wenigstens ein organisches Bindemittel und Kombinationen von diesen gehören, und Partikel einer Aluminium-Silizium-Legierung, die eine mittlere Teilchengröße in einem Bereich von etwa 1 Mikrometer bis etwa 50 Mikrometer aufweisen, und Kügelchen eines inerten organischen polymeren Verdickungsmittels auf.
Eine beispielhafte Ausführungsform enthält eine aluminiumbasierte Pulverkomponente, eine Aluminium-Silizium-Legierungskomponente, eine kolloidale Siliziumdioxid-Bindemittelkomponente und eine organische Stabilisierungsmittelkomponente.
Eine beispielhafte Zusammensetzung enthält etwa 8 Gewichts% Glycerin, etwa 32 Gewichts% eines kolloidalen Siliziumdioxid-Bindemittels, etwa 45 Gewichts% eines aluminiumbasierten Pulvers und etwa 15 Gewichts% eines Aluminiumlegierungspulvers.
Wie in 2 veranschaulicht kann eine Aufschlämmungszusammensetzung 50 auf einen vorbestimmten Abschnitt eines Substrats 52, z. B. dem unter der Plattform befindlichen Bereich einer Turbinenlaufschaufel, aufgebracht werden. Die Aufschlämmungszusammensetzung/Substrat-Anordnung 54 wird wärmebehandelt, um flüchtige Komponenten zu entfernen und um die siliziummodifizierte Aluminid-Diffusionsbeschichtung 56 zu bilden, in der Aluminium und Silizium in das Substrat eindiffundiert sind. Eine beispielhafte Wärmebehandlung wird bei einer Temperatur in dem Bereich von etwa 800°C bis etwa 920°C durchgeführt. Andere beispielhafte Wärmebehandlungen können eine vorbereitende Wärmebehandlung, um die flüchtigen Komponenten zu beseitigen, und eine endgültige Wärmebehandlung enthalten, um das Aluminium/Silizium in das Substrat hinein diffundieren zu lassen. In einer beispielhaften Ausführungsform ist ein Außenflächenbereich 60 derart definiert, dass er etwa 25% der Beschichtungsdicke T aufweist. In einer beispielhaften Ausführungsform weist der Außenflächenbereich 60 wenigstens etwa 20 Gewichts% Aluminium und von etwa 1 bis etwa 15 Gewichts% Silizium auf.
In einer beispielhaften Ausführungsform, wie durch das Flussdiagramm nach 3 veranschaulicht, ist ein Verfahren 90 zur Beschichtung eines vorausgewählten Abschnitts einer Gasturbinenlaufschaufel geschaffen. Das Verfahren enthält die Schritte des Bereitstellens einer Gasturbinenlaufschaufel, die einen unter einer Plattform befindlichen Bereich aufweist (Schritt 100). Das Verfahren enthält ferner ein Aufbringen einer Aufschlämmungszusammensetzung auf einen vorausgewählten Abschnitt des Bereiches unter der Plattform (Schritt 110), wobei die Aufschlämmungszusammensetzung eine von sechswertigem Chrom im Wesentlichen freie Zusammensetzung aufweist, die (a) ein kolloidales Siliziumdioxid und (b) Partikel eines aluminiumbasierten Pulvers enthält. Die Aufschlämmungszusammensetzung ist in der Lage, eine siliziummodifizierte Aluminid-Beschichtung auf dem vorausgewählten Abschnitt zu ergeben. Die Aufschlämmungszusammensetzung wird durch eine geeignete Aufbringungsmethode auf den vorausgewählten Abschnitt aufgebracht. Die Aufbringungsmethode kann aus Pinselauftrag, Aufsprühen, Aufgießen, Fluten, Eintauchen, Rollen etc. und Kombinationen von diesen ausgewählt sein. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Aufschlämmungszusammensetzung in einem automatisierten System unter Verwendung von Sprührobotern aufgebracht werden.
Das Verfahren enthält ferner eine geeignete Wärmebehandlung (Schritt 120). In einer beispielhaften Ausführungsform wird die Turbinenlaufschaufel auf eine vorausgewählte Temperatur in dem Bereich von etwa 800°C bis etwa 920°C in einer Umgebung erhitzt, die aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der ein Vakuum und eine Schutzatmosphäre gehören. Die Wärmebehandlung enthält ein Halten der Temperatur der Gasturbinenlaufschaufel bei etwa der vorausgewählten Temperatur für eine vorausgewählte Zeitdauer in dem Bereich von etwa 0,5 Stunden bis etwa 4 Stunden, um das Aluminium und Silizium in den vorausgewählten Abschnitt eindiffundieren zu lassen, um eine siliziummodifizierte Aluminid-Beschichtung zu schaffen, die eine Dicke in dem Bereich von etwa 0,064 mm aufweist.
In einem beispielhaften Verfahren kann die Turbinenlaufschaufel bei Temperaturen von etwa 150°F (66°C) bis etwa 200°F (93°C) „vorgehärtet” werden, um eine Sichtüberprüfung der Schaufel hinsichtlich der Anzeichen für Rissbildung, Abblätterung, überschüssige Ansammlung oder sonstige sichtbare Oberflächendefekte zu ermöglichen (Schritt 130). Der „Vorhärte”-Vorgang ermöglicht ein Entfernen und Ersetzen der Beschichtung vor der endgültigen Wärmebehandlung. Alternativ könnte die Beschichtung bei Umgebungstemperatur „vorhärten”, um ähnliche Ergebnisse zu erreichen.
In einer beispielhaften Ausführungsform enthält die Beschichtung eine Kombination aus β-NiAl- und CrS₂-Phasen. In einer beispielhaften Ausführungsform enthält der Diffusionswärmebehandlungszyklus ein Erhitzen unter Vakuum (von 1 × 10^–3 Torr oder weniger) bei etwa 900°C für wenigstens etwa 4 Stunden. In einer beispielhaften Ausführungsform weist die Diffusionsbeschichtung eine Dicke von etwa 0,064 mm auf. In einem beispielhaften Verfahren kann die Aufschlämmungszusammensetzung bis auf eine Dicke aufgebracht werden, die ausreicht, um die gewünschte Beschichtungsdicke zu erzielen. In einer beispielhaften Ausführungsform wird die Aufschlämmungszusammensetzung auf eine Dicke aufgetragen, die um etwa 0,010 mm größer ist als die gewünschte Beschichtungsdicke. In einem beispielhaften Verfahren kann die Dicke der aufgetragenen Aufschlämmungszusammensetzung durch Methoden der Wirbelstromüberprüfung (ECI) bestimmt werden.
Das Verfahren enthält optional ein Vorbereiten des vorausgewählten Abschnitts zur Aufnahme der Aufschlämmungszusammensetzung durch Reinigung, Inspektion und Entfernen jeglicher früherer korrosionsbeständiger Beschichtungen (Schritt 105). Z. B. muss gegebenenfalls bei einer gebrauchten Laufschaufel, die früher im Einsatz gewesen ist, jede PtAl- oder Aluminid-Beschichtung von dem Bereich unter der Plattform entfernt werden. Es können mechanische Mittel (z. B. Granulatstrahlen) oder chemische Mittel (z. B. Ablösen) oder eine beliebige Kombination von diesen verwendet werden, um die vorherige Beschichtung zu entfernen. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Laufschaufel nach dem Entfernen der Beschichtung erhitzt/gekühlt werden um sicherzustellen, dass all die notwendige Beschichtung entfernt worden ist.
Ein beispielhaftes Verfahren enthält optional Nachbeschichtungsschritte, wie beispielsweise Reinigung und Inspektion (Schritt 140). Z. B. kann der Außenflächenbereich 60 (2) untersucht werden, um den Aluminium- und Siliziumgehalt zu bestimmen.
In einer beispielhaften Ausführungsform enthält der Schritt des Bereitstellens der Gasturbinenlaufschaufel (Schritt 100) ein Bereitstellen einer Laufschaufel, die wenigstens entweder eine Korrosion und/oder eine Rissbildung in dem Bereich unter der Plattform aufgrund eines früheren Betriebseinsatzes aufweist. Ein beispielhaftes Verfahren enthält eine Wiederinbetriebnahme der Laufschaufel (der reparierten Laufschaufel) oder eine Inbetriebnahme der Laufschaufel (neu hergestellten Laufschaufel), nachdem die beispielhafte Beschichtung auf dem vorausgewählten Abschnitt des unter der Plattform befindlichen Bereiches erzeugt worden ist (Schritt 150). In einer beispielhaften Ausführungsform wird auf Abschnitte der Laufschaufel abgehoben, die bei Temperaturen von mehr als etwa 1650°F (898°C) beschichtet oder aluminisiert werden, bevor die Aufschlämmungszusammensetzung auf den Bereich unter der Plattform aufgebracht wird. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform können Abschnitte der Laufschaufel z. B. mit Umgebungs- oder Wärmebarriere-Beschichtungssystemen beschichtet werden, nachdem eine beispielhafte Aufschlämmungszusammensetzung auf den Bereich unter der Plattform aufgetragen worden ist.
Unter Bezugnahme auf 4 enthält eine beispielhafte Ausführungsform eine Turbinenlaufschaufel 100 eines Gasturbinenantriebs, die eine Superlegierung aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der nickelbasierte Superlegierungen, eisenbasierte Superlegierungen, kobaltbasierte Superlegierungen und Kombinationen von diesen gehören. Die beispielhafte Laufschaufel 100 enthält eine Plattform 102, die eine untere Fläche 104 aufweist, und einen Schaftabschnitt 106, die hierin gemeinsam als ein Bereich 110 unter der Plattform bezeichnet werden. Die beispielhafte Laufschaufel 100 enthält ferner eine siliziummodifizierte Aluminid-Beschichtung 120 auf einem vorausgewählten Abschnitt des Bereiches 110 unter der Plattform, wobei die siliziummodifizierte Aluminid-Beschichtung aus einer vom sechswertigen Chrom im Wesentlichen freien Aufschlämmungszusammensetzung, die kolloidales Siliziumdioxid enthält, gebildet ist. In einer beispielhaften Ausführungsform weist die Beschichtung einen Aluminium- und Siliziumgehalt in den äußeren 25% der Beschichtungsdicke von wenigstens etwa 20 Gewichts% Aluminium und von etwa 1 bis etwa 15 Gewichts% Silizium auf. In einer beispielhaften Ausführungsform ist Aluminium in den äußeren 25% der Beschichtung in einer Menge von wenigstens etwa 24 Gewichts% vorhanden. In einer beispielhaften Ausführungsform ist Silizium in den äußeren 25% der Beschichtung in einer Menge von wenigstens etwa 4 Gewichts% vorhanden. In einer beispielhaften Ausführungsform ist Silizium in den äußeren 25% der Beschichtung in einer Menge von etwa 1 bis etwa 10 Gewichts% vorhanden.
In einer beispielhaften Ausführungsform verhindert die siliziummodifizierte Aluminid-Beschichtung, wie sie hierin offenbart ist, an dem Bereich unter der Plattform keine bestimmten mechanischen Eigenschaften der Laufschaufel. Z. B. zeigen Tests der Ermüdung bei niedriger Lastspielzahl (LCF) an verschiedenen beschichteten Superlegierungssubstraten, das aus vom sechswertigen Chrom freien Aufschlämmungszusammensetzungen erzeugte Beschichtungen, wie hierin offenbart, sich im Vergleich zu bekannten PtAl-Beschichtungen positiv abheben. Im Vergleich zu bekannten PtAl-Beschichtungen sind hierin offenbarte Ausführungsformen im Wesentlichen Gewichtsneutral.
BEISPIEL I
Es wurden beispielhafte Substratproben, die aus dem Superlegierungsmaterial Rene N5 erzeugt waren, bei der Demonstration der Umsetzbarkeit der Beschichtungen gemäß dieser Offenbarung verwendet. Ein vom sechswertigen Chrom freies siliziummodifiziertes Aluminid gemäß hierin offenbarten Ausführungsformen wurde als eine Aufschlämmung aufgebracht und wärmebehandelt, um eine Überzugsbeschichtung auf dem Substrat zu bilden. Die Beschichtungsdicke betrug ungefähr 1,6 Mils (40,64 Mikrometer). Die Beschichtung wies eine Kombination von β-NiAl- und CrSi₂-Phasen auf. Die Proben wurden einem Korrosionsgemisch ausgesetzt, das bestimmt war, um korrosive Materialien zu simulieren, denen der unter der Plattform befindliche Bereich von Turbinenlaufschaufeln unter normalen Betriebsbedingungen ausgesetzt ist. Das Korrosionsgemisch enthält Sulfatverbindungen, wie beispielsweise CaSO₄, MgSO₄, Na₂SO₄ und K₂SO₄. Nach wiederholten Beaufschlagungszyklen, in denen die Proben dem Korrosionsgemisch unter erhöhten Temperaturen ausgesetzt wurden, zeigte eine Untersuchung der Beschichtung wenig bis keine Verschlechterung der Beschichtung. Die Beschichtungszusammensetzung wies ferner eine durch die gesamte Beschichtung hinweg verteilte feine siliziumreiche Phase auf.
Ähnliche Tests wurden unter Verwendung von Beschichtungen mit sechswertigem Chrom, einfachen Aluminiden und PtAl durchgeführt. Die hierin offenbarten Beschichtungen ohne sechswertiges Chrom zeigten positive Vergleichsergebnisse.
Somit sind hierin offenbarte beispielhafte Aufschlämmungszusammensetzungen, die auf den unter einer Plattform befindlichen Bereich einer Turbinenlaufschaufel aufgebracht werden, in der Lage, eine korrosionsbeständige und oxidationsbeständige Beschichtung zu ergeben, um das Hochtemperatur-Leistungsverhalten zu verbessern. Die hierin offenbarten beispielhaften Verfahren erzielen geeignete Aufbringungs- und Wärmebehandlungsprozesse zur Schaffung einer geeigneten Beschichtung an dem Bereich unter der Plattform.
Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jedem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung zu schaffen und zu verwenden. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4310574 [0008]
US 6126758 [0008]
US 7270852 [0011]

Claims

Verfahren zur Schaffung einer Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit an einem unter einer Plattform befindlichen Bereich einer Gasturbinenlaufschaufel, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: a) Bereitstellen einer Gasturbinenlaufschaufel, die eine Superlegierung aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der nickelbasierte Superlegierungen, kobaltbasierte Superlegierungen, eisenbasierte Superlegierungen und Kombinationen von diesen gehören, wobei die Laufschaufel ferner einen unter einer Plattform befindlichen Bereich mit einer äußeren Fläche aufweist; b) Bereitstellen einer Aufschlämmungszusammensetzung, wobei die Aufschlämmungszusammensetzung im Wesentlichen frei von sechswertigem Chrom ist und wobei die Aufschlämmungszusammensetzung kolloidales Siliziumdioxid und aluminiumbasiertes Pulver aufweist; c) Aufbringen der Aufschlämmungszusammensetzung auf einen vorausgewählten Abschnitt der äußeren Fläche des unter der Plattform befindlichen Bereiches; d) nach (c) folgend, Erhitzen der Gasturbinenlaufschaufel unter geeigneten Diffusionsbedingungen, um eine siliziummodifizierte Alumind-Beschichtung auf dem vorausgewählten Abschnitt zu bilden, wobei die Beschichtung einen Aluminium- und Siliziumgehalt in den äußeren 25% einer Beschichtungsdicke von wenigstens etwa 20 Gewichts% Aluminium und etwa 3 Gewichts% Silizium aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in (b) das Bereitstellen einer Aufschlämmungszusammensetzung enthält: Bereitstellen einer Aufschlämmungszusammensetzung, die (a) kolloidales Siliziumdioxid und (b) Partikel eines aluminiumbasierten Pulvers enthält, wobei das kolloidale Siliziumdioxid in dem Bereich von etwa 5 Gewichts% bis etwa 20 Gewichts% auf der Basis von fester Siliziumdioxid vorhanden ist und wobei Aluminium in dem Bereich von etwa 0,5 Gewichts% bis etwa 45 Gewichts% der gesamten Zusammensetzung vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in (d) das Erhitzen der Gasturbinenlaufschaufel enthält: Erhitzen der Gasturbinenlaufschaufel auf eine vorausgewählte Temperatur in dem Bereich von etwa 800°C bis etwa 920°C in einer Umgebung, die aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der ein Vakuum und eine Schutzatmosphäre gehören; und Halten der Temperatur der Gasturbinenlaufschaufel bei der vorausgewählten Temperatur für eine vorausgewählte Zeitdauer in dem Bereich von etwa 0,5 Stunden bis etwa 8 Stunden, um das Aluminium und das Silizium in den vorausgewählten Abschnitt eindiffundieren zu lassen, um eine korrosions- und oxidationsbeständige Beschichtung zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in (a) das Bereitstellen der Gasturbinenlaufschaufel ein Bereitstellen einer Gasturbinenlaufschaufel enthält, die aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der eine neu hergestellte Schaufel und eine gebrauchte Schaufel, die eine Reparatur in wenigstens einem ihrem Bereich unter der Plattform erfordert, gehören.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Gasturbinenlaufschaufel eine gebrauchte Laufschaufel ist, die einer Reparatur bedarf, wobei das Verfahren ferner enthält: Entfernen einer vorherigen Beschichtung, falls sie vorhanden ist, von wenigstens dem vorausgewählten Abschnitt.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner enthält: vor (c), Vorbereiten wenigstens des vorausgewählten Abschnitts zur Aufnahme der Aufschlämmungszusammensetzung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in (c) das Aufbringen der Aufschlämmungszusammensetzung ein Verwenden wenigstens einer Aufbringungsmethode enthält, die aus Pinselauftrag, Aufsprühen, Gießen, Fluten, Eintauchen, Rollen ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in (c) das Aufbringen der Aufschlämmungszusammensetzung ein Verwenden von Sprührobotern in einem automatisierten Aufbringungssystem enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, das enthält: nach (c) folgend, Vorhärten der Aufschlämmungszusammensetzung unter Umgebungs- oder erhöhten Temperaturbedingungen, um eine vorgehärtete Beschichtung zu bilden; und Inspektion der vorgehärteten Beschichtung hinsichtlich wenigstens eines Oberflächendefekts, der aus Rissbildung, Abblätterung und überschüssiger Ansammlung ausgewählt ist, vor (d).
Verfahren nach Anspruch 9, das enthält: Entfernen wenigstens eines Abschnitts der vorgehärteten Beschichtung beim Erfassen des wenigstens einen Oberflächendefektes.
Verfahren nach Anspruch 10, das enthält: Ersetzen der entfernten vorgehärteten Beschichtung durch zusätzliche Aufschlämmungszusammensetzung.
Verfahren, das aufweist: a) Bereitstellen einer Turbinenlaufschaufel eines Gasturbinenantriebs, die eine Korrosion in einem unter einer Plattform befindlichen Bereich aufweist; b) Vorbereiten wenigstens eines vorausgewählten Abschnitts des unter der Plattform befindlichen Bereiches zur Aufnahme einer vom sechswertigen Chrom im Wesentlichen freien Aufschlämmungszusammensetzung; c) Bilden einer korrosionsbeständigen siliziummodifizierten Aluminid-Beschichtung auf wenigstens dem unter der Plattform befindlichen Bereich aus der Aufschlämmungszusammensetzung, wobei die siliziummodifizierte Aluminid-Beschichtung wenigstens dem vorausgewählten Abschnitt eine Korrosionsbeständigkeit verleiht, die mit einer Platin-Aluminid-Beschichtung vergleichbar ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei in (b) ein Vorbereiten des vorausgewählten Abschnitts wenigstens eines aus Entfernen einer vorherigen korrosionsbeständigen Beschichtung, Reinigen und Inspizieren enthält.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Entfernen der vorherigen korrosionsbeständigen Beschichtung ein Verwenden wenigstens einer Methode enthält, die aus mechanischen Mitteln und chemischen Mitteln ausgewählt ist.