DE112009004976T5

DE112009004976T5 - Korrosionsbeständige Artikel

Info

Publication number: DE112009004976T5
Application number: DE112009004976T
Authority: DE
Inventors: Bernard KOOL Lawrence; Howard WILKINS Melvin; Ross THOLKE Brent; 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: 2012-08-30
Also published as: GB2482459A; CA2761714A1; JP2012527536A; GB201119785D0; WO2010134917A1

Abstract

Eine Turbinenschaufel einer Gasturbinenmaschine beinhaltet eine mit Silizium modifizierte Aluminidbeschichtung auf wenigstens einer unteren Plattformregion, die aus einer Aufschlämmungszusammensetzung gebildet wird, die im Wesentlichen frei von hexavalentem Chrom ist. Die mit Silizium modifizierte Aluminidbeschichtung sorgt ohne zusätzliches Gewicht für eine mit PtAl-Beschichtungen vergleichbare Oxidationsbeständigkeit.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine korrosionsbeständige Beschichtung für eine untere Plattformregion einer Turbinenschaufel einer Gasturbinenmaschine, Verfahren zum Aufbringen korrosionsbeständiger Beschichtungen, Verfahren zum Reparieren von Gasturbinenmaschinenschaufeln und korrsionsbeständige Artikel.
In einem Flugzeug-Gasturbinentriebwerk wird Luft an der Vorderseite des Triebswerks angesaugt, von einem wellenmontierten Verdichter verdichtet und mit Treibstoff vermischt. Das Gemisch wird verbrannt und die heißen Verbrennungsgase durch eine auf derselben Welle montierte Turbine hindurchgeführt. Der Strom der Verbrennungsgase dreht die Turbine, indem er auf einen Schaufelblattabschnitt der Turbinenschaufeln und Turbinenleitschaufeln prallt, was wiederum die Welle antreibt und den Verdichter mit Energie versorgt. Die heißen Abgase strömen an der Rückseite des Triebwerks aus, treiben es an und das Flugzeug vorwärts.
Je heißer die Verbrennungs- und Abgase, desto effizienter ist der Betrieb des Strahltriebwerks. Es besteht also ein Anreiz dafür, die Verbrennungs- und Abgastemperaturen zu erhöhen. Die maximale Temperatur der Verbrennungsgase wird normalerweise durch die für die Herstellung der Bauteile im heißen Abschnitt der Maschine verwendeten Werkstoffe begrenzt. Zu diesen Bauteilen zählen die Turbinenleitschaufeln und die Turbinenlaufschaufeln der Gasturbine, auf die die heißen Verbrennungsgase direkt aufprallen. Diese Bauteile sind anfällig für Schäden durch Oxidation und korrodierende Mittel.
Zur Erhöhung der Betriebstemperaturgrenzen und Verlängerung der Betriebslebensdauer der Turbinenlauf- und -leitschaufeln auf ihr derzeitiges Niveau werden viele Ansätze verwendet. Die Zusammensetzung und Verarbeitung der Grundmaterialien selbst wurde verbessert. Es werden Kühlmethoden verwendet, wie beispielsweise durch Versehen des Bauteils mit inneren Kühlkanälen, durch welche Kühlluft hindurchgeführt wird. Ein weiterer Ansatz, der zum Schutz von Heißabschnittbauteilen verwendet wird, ist das Beschichten eines Teils der Oberflächen mit einer Schutzbeschichtung wie z. B. einer aluminiumhaltigen Beschichtung. Die Schutzbeschichtung oxidiert und produziert eine Schutzschicht aus Aluminiumoxid, die das darunter liegende Substrat schützt.
Leck- und Zapfluft führen korrodierende Materialien zu den nicht im Strömungspfad liegenden Seiten der Turbinenlaufschaufeln. Metallsalze wie alkalisches Sulfat, Sulfite, Chloride, Carbonate, Oxide und andere Salzablagerungen infolge von aufgenommenem/r Schmutz, Flugasche, vulkanischer Asche, Betonstaub und Meersalz usw. sind eine bedeutende Quelle der Korrosion. Andere Elemente in der Zapfgasumgebung können die Korrosion ebenfalls beschleunigen. Korrosion aufgrund von alkalischem Sulfat im Temperaturbereich und in der atmosphärischen Region von Interesse führt zu Lochfraß an der Turbinenschaufel bei Temperaturen, die gewöhnlich bei etwa 649°C (1200°F) beginnen.
Lochfraß wurde als eine Ursache von Ermüdungsrisseinleitung in der unteren Plattformregion an gewissen Gasmaschinenturbinenschaufeln festgestellt. In der Technik wird der Bereich unter der Plattform mit einer einfachen Aluminidbeschichtung oder einer Platinaluminid-(PtAl-)Beschichtung beschichtet. PtAl ist die am häufigsten verwendete Beschichtung für die untere Plattformregion. Es ist sehr schwierig, die Platinplattierung in der komplexen Geometrie der unteren Plattformregion des Schwalbenschwanzes zu regulieren. Die Platinaluminidbeschichtung ist außerdem teuer. Teile mit komplexen Beschichtungsanforderungen erfordern schwierige Maskierungs- und prozessgekoppelte Entschichtungszyklen, um die richtige Beschichtung in gewissen Bereichen und keine Beschichtung in anderen Bereichen zu erhalten. Des Weiteren wurde festgestellt, dass PtAl-Beschichtungen in harschen Betriebsbedingungen nicht ausreichen, um das Auftreten von Lochfraß und nachfolgender Ermüdungsrissbildung im unteren Plattformabschnitt zu verhüten. Die Oxidations- und Korrosionsschäden können zum Versagen oder dem vorzeitigen Entfernen und Austauschen der Turbinenschaufeln führen, sofern die Schäden nicht reduziert oder repariert werden.
Es wäre daher erwünscht, ein Beschichtungssystem und -verfahren zum Schützen gewisser Teile der Turbinenschaufel vor Korrosion und Oxidation bereitzustellen.
So genannte „mit Silizium modifizierte” Aluminide werden z. B. in US-Patent 4 310 574 und US-Patent 6 126 758 als Aluminierungszusammensetzungen zum Bereitstellen einer aluminiumreichen Region für Superlegierungssubstrate vorgeschlagen. Die mit Silizium modifizierten Aluminide können von Aufschlämmungsbeschichtungen gebildet werden, die auf das Substrat aufgespritzt oder anderweitig aufgebracht werden können. Die flüchtigen Komponenten werden dann verdunstet und die aluminiumhaltige Komponente kann auf eine Weise erhitzt werden, die die Diffusion des Aluminiums und Siliziums in die Substratoberfläche verursacht.
Die Verwendung von Aufschlämmungen zur Aluminierung von Substraten hat gewisse Vorteile. Zum Beispiel können Aufschlämmungen leicht und wirtschaftlich hergestellt werden und ihr Aluminiumgehalt kann leicht angepasst werden, um den Anforderungen für ein bestimmtes Substrat gerecht zu werden. Darüber hinaus können die Aufschlämmungen mit einer Reihe verschiedener Techniken aufgebracht werden und ihre Netzfähigkeit trägt dazu bei, eine relativ gleichmäßige Aluminierung zu gewährleisten.
Einige aluminiumhaltige Aufschlämmungszusammensetzungen beinhalten Chromationen, die dafür bekannt sind, dass sie die Korrosionsbeständigkeit verbessern. Diese Aufschlämmungszusammensetzungen sind zwar für einige Anwendungen nützlich, die Chromationen gelten aber als toxisch. Insbesondere gilt das hexavalente Chromat (Cr⁺⁶) auch als Karzinogen. Die Verwendung dieser Beschichtungszusammensetzungstypen führt daher zu besonderen Vorgehensweisen für den Umgang mit ihnen zur Erfüllung der Gesundheitsschutz- und Sicherheitsvorschriften, die die Kosten erhöhen und die Produktivität reduzieren können.
US-Patent 7 270 852 sieht Aluminierungszusammensetzungen des Aufschlämmungstyps zur Anreicherung der Oberflächenregion eines Substrats auf Metallbasis mit Aluminium vor. Eine beispielhafte Zusammensetzung beinhaltet kolloidales Siliziumdioxid und Teilchen eines Pulvers auf Aluminiumbasis und ist im Wesentlichen frei von hexavalentem Chrom.
Es wäre erwünscht, geeignete Beschichtungen und Beschichtungsverfahren für die Region unter der Plattform der Turbinenschaufeln bereitzustellen, die die in der Technik angetroffenen Schwierigkeiten vermeiden. Insbesondere wäre es erwünscht, eine Beschichtung bereitzustellen, die eine bekannten PtAl-Beschichtungen überlegene Leistung ergibt, die frei von hexavalentem Chrom ist, die einfach und gleichmäßig aufgebracht werden kann und die die thermischen mechanischen Eigenschaften des darunter liegenden Substrats nicht beeinträchtigt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der oben erwähnte Bedarf kann von beispielhaften Ausführungsformen gedeckt werden, die eine ein Superlegierungssubstrat aufweisende Turbinenschaufel einer Gasturbinenmaschine mit einer unteren Schaufelplattformregion vorsehen. Die Schaufel ist mit einer mit Silizium modifizierten Aluminidbeschichtung auf wenigstens einem Teil der unteren Plattformregion versehen, wobei die Silizium-Aluminid-Beschichtung aus einer Aufschlämmungszusammensetzung gebildet wird, die im Wesentlichen frei von hexavalentem Chrom ist und kolloidales Siliziumdioxid und ein Pulver auf Aluminiumbasis aufweist.
Eine beispielhafte Ausführungsform beinhaltet eine Turbinenschaufel einer Gasturbinenmaschine, die eine untere Plattformregion und eine Aufschlämmungszusammensetzung aufweist, die sich auf wenigstens einem Teil der unteren Plattformregion befindet. Die Aufschlämmungszusammensetzung ist im Wesentlichen frei von hexavalentem Chrom und weist kolloidales Siliziumdioxid und Teilchen eines Pulvers auf Aluminiumbasis auf, wobei, nach einer geeigneten Wärmebehandlung, die Aufschlämmungszusammensetzung eine Dicke hat, die ausreicht, um eine mit Silizium modifizierte Aluminidbeschichtung auf wenigstens dem Teil der unteren Plattformregion bereitzustellen, die eine endgültige Beschichtungsdicke von etwa 0,064 mm hat.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Der als die Erfindung betrachtete Gegenstand wird im Schlussteil der Patentbeschreibung besonders hervorgehoben und eindeutig beansprucht. Die Erfindung wird aber durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den Begleitzeichnungsfiguren am besten verständlich. Dabei zeigt:
1 eine perspektivische Darstellung eines Bauteilartikels wie z. B. einer Turbinenschaufel einer Gasturbinenmaschine,
2 eine schematische Darstellung, die eine auf eine untere Plattformregion einer Turbinenschaufel aufgebrachte Aufschlämmungszusammensetzung und eine daraus gebildete korrosionsbeständige Beschichtung veranschaulicht,
3 ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Beschichtungsverfahren darstellt,
4 einen teilweisen Querschnitt, der eine beschichtete untere Plattformregion einer beispielhaften Turbinenschaufel zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In 1, auf die Bezug genommen wird, ist eine Gasturbinenschaufel 20 abgebildet, die vorzugsweise bereits im Einsatz war oder die eine Neuanfertigung sein kann. Die Gasturbinenschaufel 20 hat ein Schaufelblatt 22, auf das während des Betriebsablaufs der Strom von heißem Verbrennungsgas aufprallt, einen abwärts verlaufenden Schaft 24 und einen Fortsatz in Form eines Schwalbenschwanzes 26, der die Gasturbinenschaufel 20 an einer Gasturbinenscheibe (nicht gezeigt) der Gasturbinenmaschine anbringt. Eine Plattform 28 verläuft an einer Stelle zwischen dem Schaufelblatt 22 und dem Schaft 24 und Schwalbenschwanz 26 quer nach außen. Die Plattform 28 hat eine obere Oberfläche 30 neben dem Schaufelblatt 22 und eine untere Oberfläche 32 (manchmal als „Unterseite” der Plattform bezeichnet) neben dem Schaft 24 und dem Schwalbenschwanz 26.
Die Gasturbinenschaufel 20 kann aus einer Nickel-, Eisen- oder Kobalt-Basis-Superlegierung sein. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Gasturbinenschaufel 20 eine Schaufel sein, die bereits in Betrieb war, obwohl Neuanfertigungen im Umfang dieser Offenbarung ebenfalls vorgesehen sind. Die Gasturbinenschaufel 20, die bereits in Betrieb war, wird als eine Gasturbinenschaufel-Neuanfertigung hergestellt und dann wenigstens einmal im Flugzeugtriebwerkbetrieb verwendet. Während des Betriebs wird die Gasturbinenschaufel 20 Bedingungen ausgesetzt, die ihrer Struktur abträglich ist. Teile der Gasturbinenschaufel werden wegerodiert, -oxidiert und/oder -korrodiert, so dass sich ihre Form und ihre Abmessungen ändern, und Beschichtungen werden durch Lochfraß beschädigt oder dezimiert. Weil die Gasturbinenschaufel 20 ein kostspieliger Artikel ist, wird bevorzugt, dass relativ kleinere Schäden repariert werden, anstatt die Gasturbinenschaufel 20 zu verschrotten. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Gasturbinenschaufel 20 repariert, überholt und saniert werden, so dass sie wieder in Betrieb genommen werden kann. Eine derartige Reparatur, Überholung und Sanierung ist eine wichtige Funktion, die die wirtschaftliche Rentabilität von Flugzeug-Gasturbinenmaschinen verbessert, indem sie ansonsten unverwendbare Gasturbinenschaufeln nach entsprechender Bearbeitung anschließend wieder dem Betriebseinsatz zuführt.
Ein Aspekt der Reparatur ist in einigen Fällen das Auftragen einer Schutzbeschichtung auf die untere Oberfläche 32 der Plattform 28 und den angrenzenden Teil des Schafts 24, was hierin als die „untere Plattformregion 34” bezeichnet wird. Weil die untere Plattformregion 34 vom Strom des heißen Verbrennungsgases, der auf das Schaufelblatt 22 prallt, relativ isoliert ist, war es in der Vergangenheit manchmal üblich, sie nicht mit einer Schutzbeschichtung zu versehen. Mit der Verbesserung anderer Eigenschaften der Gasturbinenschaufel 20, um für einen höheren Maschinenwirkungsgrad immer heißere Betriebstemperaturen zu ermöglichen, wurde es aber offensichtlich, dass die untere Plattformregion 34 eventuell Schutzbeschichtungen zum Hemmen und zur erwünschten Vermeidung von Schäden durch Oxidation und Korrosion erfordert. Die hier offenbarten Ausführungsformen gelten gleichermaßen für Gasturbinenschaufeln, die bereits in Betrieb waren, und für Schaufelneuanfertigungen.
In einer beispielhaften Ausführungsform wird an der unteren Plattformregion 34 eine korrosions- und oxidationsbeständige Beschichtung gebildet zum Verhüten von Korrosionsrissbildung und/oder Spannungsrisskorrosion der Schaufel in dieser Region. Eine beispielhafte Ausführungsform behandelt zwar eine Turbinenschaufel 20, es steht aber zu erwarten, dass andere Bauteile, die Bedingungen mit relativ hoher Spannung und korrodierenden Bedingungen ausgesetzt werden, ebenfalls von dieser Beschichtung profitieren würden.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist die korrosions- und oxidationsbeständige Beschichtung eine von hexavalentem Chrom im Wesentlichen freie Zusammensetzung. Eine beispielhafte Zusammensetzung ohne hexavalentes Chrom kann an anderer Stelle an der Schaufel als aluminierende Zusammensetzung genutzt werden. Eine beispielhafte Zusammensetzung beinhaltet (a) kolloidales Siliziumdioxid und (b) Teilchen eines Pulvers auf Aluminiumbasis. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das kolloidale Siliziumdioxid auf der Basis von Siliziumdioxidfeststoffen als Anteil der gesamten Zusammensetzung im Bereich von etwa 5 Gewichts-% bis etwa 20 Gewichts-% vorhanden. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Aluminium auf der Basis des Gewichts der gesamten Zusammensetzung im Bereich von etwa 0,5 Gewichts-% bis etwa 45 Gewichts-% vorhanden. Alle hierin offenbarten Prozentwerte sind Gewichtsprozente, falls nicht anders angegeben.
In einer beispielhaften Ausführungsform weist die Zusammensetzung ein Pulver auf Aluminiumbasis, ein aus der Gruppe von kolloidalem Siliziumdioxid (Systeme auf wässriger Basis), einem organischen Harz (Systeme auf organischer Basis) und Kombinationen davon gewähltes Bindemittel und fakultativ einen inerten organischen pyrolisierbaren Eindicker auf. Das hierin verwendete „pyrolisierbar” bedeutet der thermischen Zersetzung fähig.
Der inerte pyrolisierbare Eindicker umfasst im typischen Fall einen festen organischen partikelförmigen Eindicker. Beispielhafte Strukturen beinhalten Kügelchen, Garne, Fäden, Fasern und Kombinationen davon. Beispielhafte Materialien sind u. a. Acryle, Polymere und spezieller Poly(methylmethacrylat). Eine beispielhafte Zusammensetzung kann einen wasserlöslichen polymeren Eindicker wie z. B. Polyvinylalkohol beinhalten.
Ein „Pulver auf Aluminiumbasis”, wie hierin verwendet, wird als ein Pulver definiert, das wenigstens etwa 75 Gewichts-% Aluminium auf Basis der in dem Pulver vorhandenen Elemente insgesamt enthält. Das Pulver kann andere Elemente wie z. B. Metalle der Platingruppe, Metalle der Seltenen Erden, z. B. Lanthanoide und Elemente, die Lanthanoiden chemisch ähnlich sind, wie z. B. Scandium und Yttrium beinhalten.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Aufschlämmungszusammensetzung eine Legierung aus Aluminium und Silizium beinhalten. Das Silizium in der Aluminium-Silizium-Legierung dient teilweise zum Senken des Schmelzpunktes der Legierung, wodurch der Beschichtungsprozess erleichtert wird.
In der Zusammensetzung können andere Zusatzstoffe vorhanden sein, wie z. B. Pigmente, Verdünner, Härter, Dispergiermittel, Entflockungsmittel, Absetzverhinderungsmittel, Antischaummittel, Binder, Weichmacher, Aufweichmittel, Tenside, Trockenmittel, Füllstoffe und Schmierstoffe. Im Allgemeinen werden die Zusatzstoffe auf der Basis des Gewichts der gesamten Zusammensetzung auf einem Niveau im Bereich von etwa 0,01 Gewichts-% bis etwa 10 Gewichts verwendet.
Für Zusammensetzungen auf wässriger Basis umfasst der Binder kolloidales Siliziumdioxid. „Kolloidales Siliziumdioxid”, wie hierin verwendet, bedeutet eine beliebige Dispersion kleiner Siliziumteilchen in einem Medium aus Wasser oder einem anderen Lösungsmittel. „Wässrig” bezieht sich auf Zusammensetzungen, in denen wenigstens etwa 65% der flüchtigen Komponenten Wasser sind. Andere Träger, die mit Wasser gemischt werden können, sind u. a. niedrigere Alkohole, z. B. 1–4 Kohlenstoffatome, und Lösungsmittel aus halogenierten Kohlenwasserstoffen.
Die eingesetzte Menge von flüssigem Träger ist gewöhnlich die Mindestmenge, die ausreicht, um die Feststoffkomponenten einer Aufschlämmung in Suspension zu halten, obwohl auch andere Mengen verwendet werden können, z. B. um die Viskosität der Zusammensetzung anzupassen. Allgemein umfasst der flüssige Träger etwa 30% Gewichts-% bis etwa 70 Gewichts-% der gesamten Zusammensetzung.
In einer beispielhaften Ausführungsform beinhaltet die Zusammensetzung wenigstens einen organischen Stabilisator, der wenigstens zwei Hydroxylgruppen enthält. Der organische Stabilisator kann aus der Gruppe bestehend aus Alkandiolen, Glycerin, Pentaerythrit, Fetten und Kohlehydraten gewählt werden. Im Allgemeinen ist der organische Stabilisator in einer Menge vorhanden, die ausreicht, um das Pulver auf Aluminiumbasis während des Kontakts mit einer in der Zusammensetzung vorhandenen wässrigen Komponente chemisch zu stabilisieren. Zum Beispiel kann der organische Stabilisator auf einer Höhe im Bereich von etwa 0,1 Gewichts-% bis etwa 20 Gewichts-% auf der Basis des Gesamtgewichts der Zusammensetzung vorhanden sein.
In Ausführungen mit einer Zusammensetzung auf organischer Basis umfasst der Binder wenigstens ein organisches Harz. Mit einer Zusammensetzung „auf organischer Basis”, wie hierin verwendet, soll ein Material beschrieben werden, das wenigstens ein Kunstharz oder trocknendes Öl als filmbildende Komponente zusammen mit einem oder mehreren Lösungsmitteln enthält. Einige Beispiele für nützliche organische Harze sind: Epoxidharze, Silikonharze, Alkydharze, Acrylharze, Polyurethanharze, Polyvinylchloridharze, Phenolharze, Polyesterharze, Urethanharze, Polyamidharze, Polyolefinharze und Kombinationen davon. Eventuell ist es nützlich, wenigstens ein organisches Lösungsmittel bereitzustellen, das aus Alkoholen, Glycolen, Ketonen, Aldehyden, aromatischen Verbindungen, Dimethylformamid, Leichtbenzinen, Naphtha, nitrierten Kohlenwasserstoffen, chlorierten Kohlenwasserstoffen und Kombinationen davon ausgewählt ist.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Zusammensetzung als eine Aufschlämmungs-Beschichtungszusammensetzung vorgesehen. Das zu beschichtende Substrat ist aus einem Material hergestellt, das eine Superlegierung auf Nickelbasis, eine Superlegierung auf Kobaltbasis oder eine Superlegierung auf Eisenbasis umfasst. Die Aufschlämmungs-Beschichtungszusammensetzung ist im Wesentlichen frei von hexavalentem Chrom, weist einen Binder, der aus der Gruppe bestehend aus kolloidalem Siliziumdioxid, wenigstens einem organischen Harz und Kombinationen davon gewählt ist, und Teilchen einer Aluminium-Silizium-Legierung auf, die eine durchschnittliche Partikelgröße im Bereich von etwa 1 Mikrometer bis etwa 50 Mikrometer hat, sowie Eindickerkügelchen aus inertem organischem Polymer.
Eine beispielhafte Ausführungsform beinhaltet eine Pulverkomponente auf Aluminiumbasis, eine Aluminium-Silizium-Legierungskomponente, eine Binderkomponente aus kolloidalem Siliziumoxid und eine Komponente aus einem organischen Stabilisator.
Eine beispielhafte Zusammensetzung beinhaltet etwa 8 Gewichts-% Glycerin, etwa 32 Gewichts-% Binder aus einem kolloidalem Siliziumdioxid, etwa 45 Gewichts-% eines Pulvers auf Aluminiumbasis und etwa 15 Gewichts-% eines Aluminiumlegierungspulvers.
Wie in 2 dargestellt, kann eine Aufschlämmungszusammensetzung 50 auf einen vorbestimmten Teil eines Substrats 52 aufgetragen werden, z. B. die untere Plattformregion einer Turbinenschaufel. Die Aufschlämmungszusammensetzung/Substrat-Kombination 54 wird wärmebehandelt, um flüchtige Komponenten zu entfernen und die mit Silizium modifizierte Aluminiddiffusionsbeschichtung 56 zu bilden, wobei Aluminum und Silizium in das Substrat diffundiert werden. Eine beispielhafte Wärmebehandlung wird bei einer Temperatur im Bereich von etwa 800°C bis etwa 920°C durchgeführt. Andere beispielhafte Wärmebehandlungen können eine vorläufige Wärmebehandlung zum Entfernen der flüchtigen Komponenten und eine abschließende Wärmebehandlung zum Diffundieren des Aluminiums/Siliziums in das Substrat beinhalten. In einer beispielhaften Ausführungsform ist eine äußere Oberflächenregion 60 als etwa 25% der Beschichtungsdicke T definiert. In einer beispielhaften Ausführungsform weist die äußere Oberflächenregion 60 wenigstens etwa 20 Gewichts-% Aluminium und von etwa 1 bis etwa 15 Gewichts-% Silizium auf.
In einer beispielhaften Ausführungsform, die von dem Flussdiagramm von 3 veranschaulicht wird, ist ein Verfahren 90 zum Beschichten eines vorausgewählten Teils einer Gasturbinenschaufel vorgesehen. Das Verfahren beinhaltet die Schritte des Bereitstellens einer Gasturbinenschaufel, die eine untere Plattformregion hat (Schritt 100). Das Verfahren beinhaltet ferner das Aufbringen einer Aufschlämmungszusammensetzung auf einen vorausgewählten Teil der unteren Plattformregion (Schritt 110), wobei die Aufschlämmungszusammensetzung eine im Wesentlichen von hexavalentem Chrom freie Zusammensetzung umfasst, die (a) ein kolloidales Siliziumdioxid und (b) Teilchen eines Pulvers auf Aluminiumbasis beinhaltet. Die Aufschlämmungszusammensetzung kann eine mit Silizium modifizierte Aluminidbeschichtung auf dem vorausgewählten Teil bereitstellen. Die Aufschlämmungszusammensetzung wird mit einem geeigneten Aufbringungsverfahren auf den vorausgewählten Teil aufgebracht. Das Aufbringungsverfahren kann aus Streichen, Spritzen, Gießen, Auffließenlassen, Eintauchen, Aufrollen usw. und Kombinationen davon ausgewählt werden. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Aufschlämmungszusammensetzung in einem automatisierten System mit Spritzrobotern aufgebracht werden.
Das Verfahren beinhaltet ferner eine geeignete Wärmebehandlung (Schritt 120). In einer beispielhaften Ausführungsform wird die Turbinenschaufel auf eine vorausgewählte Temperatur im Bereich von etwa 800°C bis etwa 920°C in einer Umgebung erhitzt, die aus der Gruppe bestehend aus einem Vakuum und einer Schutzatmosphäre gewählt wird. Die Wärmebehandlung beinhaltet das Halten der Temperatur der Gasturbinenschaufel für eine vorausgewählte Zeitspanne im Bereich von etwa 0,5 Stunden bis etwa 4 Stunden auf etwa der vorausgewählten Temperatur, um das Aluminium und das Silizium in den vorausgewählten Teil zu diffundieren, um eine mit Silizium modifizierte Aluminidbeschichtung mit einer Dicke im Bereich von etwa 0,064 mm zu bilden.
In einem beispielhaften Verfahren kann die Turbinenschaufel bei Temperaturen von etwa 66°C (150°F) bis etwa 93°C (200°F) „vorgehärtet” werden, um die Untersuchung der Schaufel in Sichtprüfung auf Anzeichen von Rissen, Abblättern, zu starkem Auftrag oder einem anderen sichtbaren Oberflächendefekt zu ermöglichen (Schritt 130). Der „Vorhärtungs”-Vorgang ermöglicht das Entfernen und Ersetzen der Beschichtung vor der abschließenden Wärmebehandlung. Alternativ könnte die Beschichtung bei Umgebungstemperatur „vorhärten”, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen.
In einer beispielhaften Ausführungsform beinhaltet die Beschichtung eine Kombination von β-NiAl- und CrS₂-Phasen. In einer beispielhaften Ausführungsform beinhaltet der Diffusionswärmebehandlungszyklus das Erhitzen unter Vakuum (1 × 10^–3 Torr oder darunter) für wenigstens etwa 4 Stunden bei etwa 900°C. In einer beispielhaften Ausführungsform hat die Diffusionsbeschichtung eine Dicke von etwa 0,064 mm. Bei einem beispielhaften Verfahren kann die Aufschlämmungszusammensetzung in einer Dicke aufgebracht werden, die ausreicht, um die gewünschte Beschichtungsdicke zu ergeben. In einer beispielhaften Ausführungsform wird die Aufschlämmungszusammensetzung in einer Dicke aufgebracht, die etwa 0,010 mm mehr als die gewünschte Beschichtungsdicke beträgt. Bei einem beispielhaften Verfahren kann die Dicke der aufgebrachten Aufschlämmungszusammensetzung mit Wirbelstromprüfmethoden (ECI) ermittelt werden.
Das Verfahren beinhaltet fakultativ das Präparieren des vorausgewählten teils zur Aufnahme der Aufschlämmungszusammensetzung durch Reinigen, Überprüfen und Entfernen eventueller vorheriger korrosionsbeständiger Beschichtungen (Schritt 105). Zum Beispiel muss bei einer gebrauchten Schaufel, die bereits in Betrieb war, möglicherweise eine PtAl- oder Aluminidbeschichtung aus der unteren Plattformregion beseitigt werden. Zum Entfernen der vorherigen Beschichtung können mechanische Mittel (z. B. Strahlen) oder chemische Mittel (z. B. Entschichten) oder eine Kombination davon eingesetzt werden. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Schaufel nach dem Entfernen der Beschichtung erhitzt/gekühlt werden, um sicherzustellen, dass sämtliche erforderliche Beschichtung entfernt wurde.
Ein beispielhaftes Verfahren beinhaltet fakultativ Nachbeschichtungsschritte wie Reinigung und Überprüfung (Schritt 140). Zum Beispiel kann die äußere Oberflächenregion 60 (2) überprüft werden, um den Aluminium- und Siliziumgehalt zu ermitteln.
In einer beispielhaften Ausführungsform beinhaltet der Schritt des Bereitstellens der Turbinenschaufel (Schritt 100) das Bereitstellen einer Schaufel, die in der unteren Plattformregion aufgrund vorherigem Betriebseinsatz Korrosion und/oder Rissbildung aufweist. Ein beispielhaftes Verfahren beinhaltet das Wiederinbetriebnehmen der Schaufel (reparierte Schaufel) bzw. das Inbetriebnehmen der Schaufel (Schaufelneuanfertigung), nachdem die beispielhafte Beschichtung auf dem vorausgewählten Teil der unteren Plattformregion gebildet worden ist (Schritt 150). In einer beispielhaften Ausführungsform werden Teile der Schaufel, die bei Temperaturen über etwa 898°C (1650°F) beschichtet oder aluminiert werden sollen, adressiert, bevor die Aufschlämmungszusammensetzung auf die untere Plattformregion aufgebracht wird. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform können Teile der Schaufel beispielsweise mit Schutz- oder Wärmedämmschichtsystemen beschichtet werden, nachdem eine beispielhafte Aufschlämmungszusammensetzung auf die untere Plattformregion aufgebracht worden ist.
Eine beispielhafte Ausführungsform, mit Bezug auf 4, beinhaltet eine Gasturbinenschaufel 100, die eine Superlegierung aufweist, die aus der Gruppe bestehend aus Superlegierungen auf Nickelbasis, Superlegierungen auf Eisenbasis, Superlegierungen auf Kobaltbasis und Kombinationen davon ausgewählt ist. Die beispielhafte Schaufel 100 beinhaltet eine Plattform 102, die eine untere Oberfläche 104 und einen Schaftteil 106 aufweist, die hierin zusammen als eine untere Plattformregion 110 bezeichnet werden. Die beispielhafte Schaufel 100 beinhaltet ferner eine mit Silizium modifizierte Aluminidbeschichtung 120 auf einem vorausgewählten Teil der unteren Plattformregion 110, wobei die mit Silizium modifizierte Aluminidbeschichtung von einer Aufschlämmungszusammensetzung mit kolloidalem Siliziumdioxid gebildet wird, die im Wesentlichen frei von hexavalentem Chrom ist. In einer beispielhaften Ausführungsform weist die Beschichtung einen Aluminium- und Siliziumanteil 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 in den äußeren 25% der Beschichtung Aluminum 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 hemmt die hierin offenbarte, mit Silizium modifizierte Aluminidbeschichtung an der unteren Plattformregion gewisse mechanische Eigenschaften der Schaufel nicht. Beispielsweise demonstrieren Kurzzeitermüdungsversuche (LCF) an diversen beschichteten Superlegierungssubstraten, dass aus hierin offenbarten Aufschlämmungszusammensetzungen ohne hexavalenten Chrom gebildete Beschichtungen im Vergleich mit bekannten PtAl-Beschichtungen günstig abschneiden. Verglichen mit bekannten PtAl-Beschichtungen sind hierin offenbarte Ausführungsformen im Wesentlichen gewichtsneutral.
BEISPIEL 1
Bei der Demonstration der Realisierbarkeit der Beschichtungen gemäß dieser Offenbarung wurden beispielhafte, aus Rene N5 Superlegierungsmaterial hergestellte Substratproben verwendet. Ein von hexavalentem Chrom freies, mit Silizium modifiziertes Aluminid entsprechend den hierin offenbarten Ausführungsformen wurde als eine Aufschlämmung aufgebracht und wärmebehandelt, um eine Überzugsbeschichtung auf dem Substrat zu bilden. Die Beschichtungsdicke betrug etwa 40,64 Mikrometer (1,6 mils). Die Beschichtung wies eine Kombination von β-NiAl- und CrSi₂-Phasen auf. Die Proben wurden einem Korrosionsmittelgemisch ausgesetzt, das korrodierende Stoffe simulieren sollte, die von der unteren Plattformregion von Turbinenschaufeln bei normalen Betriebsbedingungen angetroffen werden. Das Korrosionsmittelgemisch beinhaltet Sulfatverbindungen wie CaSO₄, MgSO₄, Na₂SO₄ und K₂SO₄. Nach wiederholten Expositionszyklen, bei denen die Proben dem Korrosionsmittelgemisch bei erhöhten Temperaturen ausgesetzt wurden, zeigt eine Überprüfung der Beschichtung wenig bis keine Verschlechterung der Beschichtung. Die Beschichtungszusammensetzung wies auch eine durch die Beschichtung hindurch verteilte feine silikonreiche Phase auf.
Ähnliche Tests wurden unter Verwendung von Beschichtungen mit hexavalentem Chrom, einfachen Aluminiden und PtAl durchgeführt. Die hierin offenbarten Beschichtungen ohne hexavalentes Chrom schnitten im Vergleich günstig ab.
Die hierin offenbarten, auf die untere Plattformregion einer Turbinenschaufel aufgebrachten beispielhaften Aufschlämmungszusammensetzungen können eine korrosionsbeständige und oxidationsbeständige Beschichtung zum Verbessern des Hochtemperaturverhaltens ergeben. Die hierin offenbarten beispielhaften Verfahren ergeben geeignete Aufbringungs- und Wärmebehandlungsverfahren zum Bereitstellen einer geeigneten Beschichtung auf der unteren Plattformregion.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführung, zu offenbaren und um dem Fachmann die Herstellung und Verwendung der Erfindung zu ermöglichen. Der patentfähige Umfang der Erfindung wird von den Ansprüchen definiert und kann andere Beispiele beinhalten, die fachkundigen Personen einfallen. Es ist vorgesehen, dass derartige andere Beispiele im Umfang der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente beinhalten, die sich nicht von der wörtlichen Bedeutung der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden von den wörtlichen Bedeutungen der Ansprüche beinhalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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

Claims

Turbinenschaufel einer Gasturbinenmaschine, die Folgendes aufweist: ein Superlegierungssubstrat, das aus der Gruppe bestehend aus Superlegierungen auf Nickelbasis, Superlegierungen auf Eisenbasis und Superlegierungen auf Kobaltbasis und Kombinationen davon gewählt ist, eine untere Plattformregion der Schaufel, eine mit Silizium modifizierte Aluminidbeschichtung auf wenigstens einem Teil der unteren Plattformregion, wobei die Silizium-Aluminid-Beschichtung aus einer Aufschlämmungszusammensetzung gebildet wird, die im wesentlichen frei von hexavalentem Chrom ist und kolloidales Siliziumdioxid und ein Pulver auf Aluminiumbasis aufweist.
Turbinenschaufel einer Gasturbinenmaschine nach Anspruch 1, wobei die mit Silizium modifizierte Aluminidbeschichtung eine Siliziumkonzentration an einer Oberfläche der mit Silizium modifizierten Aluminidbeschichtung im Bereich von etwa 1 bis etwa 15 Gewichts-% und eine Aluminiumkonzentration an der Oberfläche der mit Silizium modifizierten Aluminidbeschichtung im Bereich von wenigstens etwa 20 Gewichts-% hat.
Turbinenschaufel einer Gasturbinenmaschine nach Anspruch 2, wobei die Siliziumkonzentration an der Oberfläche der mit Silizium modifizierten Aluminidbeschichtung im Bereich von wenigstens etwa 4 Gewichts-% beträgt.
Turbinenschaufel einer Gasturbinenmaschine nach Anspruch 2, wobei die Siliziumkonzentration an der Oberfläche der mit Silizium modifizierten Aluminidbeschichtung im Bereich von etwa 1 bis etwa 10 Gewichts-% beträgt.
Turbinenschaufel einer Gasturbinenmaschine nach Anspruch 1, wobei die Schaufel eine Schaufelneuanfertigung umfasst.
Turbinenschaufel einer Gasturbinenmaschine nach Anspruch 1, wobei die Schaufel eine reparierte benutzte Schaufel umfasst.
Turbinenschaufel einer Gasturbinenmaschine nach Anspruch 1, wobei die Schaufel die Superlegierung auf Nickelbasis aufweist.
Turbinenschaufel einer Gasturbinenmaschine nach Anspruch 1, wobei die mit Silizium modifizierte Aluminidbeschichtung eine Dicke von etwa 0,064 mm hat.
Turbinenschaufel einer Gasturbinenmaschine nach Anspruch 1, die eine Oxidationsbeständigkeit in der unteren Plattformregion aufweist, die mit der Schaufel einer Gasturbinenmaschine vergleichbar ist, die in der unteren Plattformregion mit einer Platinaluminidbeschichtung beschichtet ist.
Turbinenschaufel einer Gasturbinenmaschine nach Anspruch 1, wobei die Aufschlämmungszusammensetzung (a) kolloidales Siliziumdioxid und (b) Teilchen eines Pulvers auf Aluminiumbasis aufweist, wobei das kolloidale Siliziumdioxid auf der Basis der Siliziumdioxidfeststoffe im Bereich von etwa 0,5 Gewichts-% bis etwa 20 Gewichts-% vorhanden ist und wobei Aluminium im Bereich von etwa 0,5 Gewichts-% bis etwa 45 Gewichts der gesamten Zusammensetzung vorhanden ist.
Turbinenschaufel einer Gasturbinenmaschine, umfassend: eine untere Plattformregion, eine Aufschlämmungszusammensetzung, die sich auf wenigstens einem Teil der unteren Plattformregion befindet, wobei die Aufschlämmungszusammensetzung im Wesentlichen frei von hexavalentem Chrom ist und kolloidales Siliziumdioxid und Teilchen eines Pulvers auf Aluminiumbasis aufweist, wobei, nach einer geeigneten Wärmebehandlung, die Aufschlämmungszusammensetzung eine Dicke hat, die ausreicht, um eine mit Silizium modifizierte Aluminidbeschichtung auf wenigstens dem Teil der unteren Plattformregion bereitzustellen, die eine endgültige Beschichtungsdicke von etwa 0,064 mm hat.
Turbinenschaufel einer Gasturbinenmaschine nach Anspruch 10, wobei die Dicke der Aufschlämmungszusammensetzung etwa 0,010 mm größer als die endgültige Beschichtungsdicke ist.