DE19609690C2 - Turbinenschaufel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Beim Betrieb von Hochtemperaturgasturbinen werden an der Ober­ fläche der Turbinenschaufeln Temperaturen von bis zu 900°C erreicht. Bei diesen hohen Temperaturen wird der Hauptkorrosi­ onsmechanismus durch Oxidation (Diffusion von Sauerstoff) her­ vorgerufen. Deshalb beschichtet man die Schaufeln mit einer Hochtemperatur-Super-Legierung-MCrAlY (M=Metall-Basis z. B. Ni, Co).

MCrAlY Schutzschichten werden in der Regel durch Plasmaspritz­ verfahren aufgebracht. Die Legierung erstarrt zweiphasig. Da­ mit ergibt sich für die Ausbildung von Al₂O₃-Deckschichten an der Oberfläche eine ungünstige Basis. An der Oberfläche der zweiphasigen Legierung wird die Ausbildung einer homogenen Oxidschicht behindert. Die sich bildenden Oxiddeckschichten neigen zur Spallation (Abplatzung).

Aus R. Sivakumar, Princ. of Solidific. and Mat. Process., Vo­ lume 2, p 671-726 ist bekannt, daß mit Laserstrahlen diese zweiphasige Legierung, über einen Umschmelzprozeß, in eine einphasige überführt werden kann. Der Nachteil dieses Verfah­ rens besteht zum einen in der geringen räumlichen Ausdehnung des Laserstrahls (bei den hier benötigten Leistungsdichten von 10⁵-10⁶ W/cm²) von < 10^-2 cm², und zum anderen in der ge­ ringen Eindringtiefe der Laserstrahlung in das Material.

Der räumlich begrenzte Energieeintrag führt zu starken thermi­ schen Spannungen, was sich durch Rißbildung, sowohl in longi­ tudinaler als auch in transversaler Richtung, bemerkbar macht. Rißbildung vermindert den Spallationswiderstand der Oxid­ schichten und damit die Korrosionsbeständigkeit.

Eine weitere Konsequenz des geringe Strahldurchmesser sind die Raupenbildung an der Oberfläche und Phasenausscheidungen und Rekristallisationen in der Oberflächenschicht hervorgerufen durch das Rastern mit dem Laserstrahl.

Die relativ lange Bestrahlungszeit von einigen Millisekunden, zum Durchschmelzen von einigen 10 µm Schichtdicke, führt zur Änderung der ursprünglichen Stöchiometrie in der Schicht, d. h. zur Reduktion des Anteils der leichten Elemente (Al, Y), die über Konvektion an die Oberfläche geschwemmt werden und damit für den Prozeß der Erneuerung der Oxiddeckschicht feh­ len.

Aus der DD 220 457 A1 ist die Nachbehandlung von Oberflächen durch Aufheizen bzw. Umschmelzen mittels gepulstem Elektronen­ strahl bekannt.

Ein ähnliches Verfahren ist in der DD 247 924 A1 beschrieben. Hier kommt ein oszillierender Elektronenstrahl zum Einsatz.

Bei beiden Verfahren wird die ursprüngliche Stöchiometrie einer heterogenen Schicht gestört.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbinenschaufel bereitzu­ stellen, bei der die Deckschicht nicht zur Spallation neigt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1.

Die Unteransprüche beschreiben eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels mit Hilfe der Figur näher erläutert. Die Figur zeigt einen schematischen Schnitt durch eine konventionelle zweipha­ sige MCrAlY-Turbinenschaufelschutzschicht vor (a) und nach dem Umschmelzvorgang (b).

Schmilzt man die Schutzschicht kurzzeitig auf und kühlt sie sehr schnell ab, und zwar so schnell, daß keine Zeit für Pha­ senausscheidungen bleibt, erhält man eine einphasige Struktur, die je nach Abkühlgeschwindigkeit nanokristallin oder gar amorph ist und zur Bildung von gleichmäßigen nicht unterbro­ chenen Oxid-Deckschichten führt. Korrosionstests bis zu einer Dauer von 10000 Stunden bei 1000°C an Luft haben gezeigt, daß sich auf der Oberfläche von Schutzschichten nach Anspruch 1 gleichmäßige, fest haftende, nicht unterbrochene Oxid-Deck­ schichten bilden, während diese Schichten bei unbehandelten Vergleichsproben eine unterbrochene Struktur mit teilweise Ab­ platzungen zeigen. Solche Schäden in der Oxiddeckschicht hei­ len zwar durch Einwanderung von Aluminium aus, dieser Prozeß führt jedoch zu einer Verarmung von Aluminium in der MCrAlY- Schutzschicht und damit zu einer verringerten Standzeit.

Ein weiterer Vorteil der Turbinenschaufelschutzschicht besteht darin, daß die herstellungsbedingte Mikrorauhigkeit der Ober­ fläche durch den Prozeß der Oberflächenvergütung beseitigt wird und damit der Wärmeaustausch zwischen dem Gas und der Oberfläche reduziert wird und damit höhere Gaseinlaßtemperatu­ ren möglich sind. Höhere Gaseinlaßtemperaturen führen zur Steigerung des Wirkungsgrades.

Auf einer homogenen einphasigen Legierung, sind die Bedingun­ gen für die Ausbildung einer gleichmäßigen Oxiddeckschicht ge­ geben. Eine gleichmäßige spallationsfeste Oxiddeckschicht be­ hindert am effektivsten das Eindringen von Sauerstoff und ver­ langsamt die Verarmung der Schutzschicht an Al durch Neubil­ dung der Oxiddeckschicht.

Zur Erzeugung der Korrosionsschutzschichten wird ein gepulster Elektronenstrahl mit großem Strahlquerschnitt benutzt. Die Vorteile des gepulsten Elektronenstrahls sind der große Strahldurchmesser und die große Eindringtiefe der Elektronen ins Material, die über die Energie der Elektronen leicht ge­ steuert werden kann. Mit den gepulsten Elektronenstrahlen las­ sen sich hohe Leistungsdichten mit bis zu 3 . 10⁶ W/cm² homogen auf einer Fläche von 50 cm² erzeugen. Das sind um vier Größenordnungen höhere Querschnittsflächen als beim Laser­ strahl. Durch die homogene Leistungsdichteverteilung gibt es in der Schmelzschicht keinen Temperaturgradienten parallel zur Oberfläche, so daß die Ausbildung von transversalen Spannungs­ rissen unterbleibt. Die Ausbildung einer sogenannten heat ef­ fected zone am Strahlrand bleibt wegen der sehr kurzen Prozeß­ zeit und hoher Kühlraten ohne Konsequenzen.

Die Tiefe der aufgeschmolzenen Schicht wird über die Energie die Pulsdauer und die Leistungsdichte des Elektronenstrahls eingestellt.

Entscheidend für das Ausbleiben von Spannungsrissen senkrecht zur Oberfläche und die Umwandlung der zweiphasigen Legierung in die einphasige amorphe bis nanokristalline Struktur, ist die Kühlrate beim Prozeß der Selbstabschreckung.

Zu geringe Kühlraten < 10⁵ K/s führen nicht zu der gewünschten Phasenbildung.

Zu hohe Kühlraten < 10⁷ K/s führen zu thermischen Spannungs­ rissen.

Die Elektronenstrahlparameter zur Erzeugung von Schutzschich­ ten gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 lassen sich wie folgt zusam­ menfassen:

Elektronenenergie: 50-150 keV
Leistungsdichte: 5 . 10⁵-3 . 10⁶ W/cm²
Pulsdauer: 10-60 µsec

Aus J. G. Smeggil, Mat. Sci. and Eng., 87 (1987) p 261/65 und A. M. Huntz :Mat. Sci. and Eng., 87 (1987) p 251/60 ist be­ kannt, daß durch Zulegierung von Elementen gemäß Anspruch 2 der Spallationswiderstand, die Rißbildung und die Hochtempera­ turstabilität der Schichtstruktur positiv beeinflußt werden. Diese Zulegierung wird zusammen mit dem MCrAlY-Pulver über das Plasmaspritzverfahren aufgebracht. Speziell die Hochtempera­ turmetalle (Ta, Re, Mo, W) werden dabei, wegen ihrer hohen Schmelzpunkte, nur ungenügend geschmolzen und kondensieren in der Regel in der ursprünglichen Pulverform. Damit bilden sich ungelöste Inseln aus Hochtemperaturmetallen, die in dieser Form nur lokal wirksam sind. Durch den erfindungsgemäßen Um­ schmelzvorgang gehen diese Metalle mit der MCrAlY-Schutz­ schicht in Lösung und können erst so ihre stabilisierende Wir­ kung im gesamten legierten Schichtbereich entfalten.

Der stabilisierende Effekt der zulegierten Elemente wird nur in der der Korrosion stark ausgesetzten oberflächennahen Schicht benötigt, so daß gemäß Anspruch 3 vorgeschlagen wird die Zusatzelemente durch eine Beschichtung (z. B. PVD) ober­ flächlich anzubringen und über den Umschmelzprozeß einzulegie­ ren. Das hat den wirtschaftlichen Vorteil, daß ein wesentli­ cher Teil der zu verarbeitende Menge der, zumeist sehr teuren Elemente, eingespart werden könnte.

Claims (3)

1. Turbinenschaufel mit einer korrosionsbeständigen MCrAlY- Schutzschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen­ schicht der MCrAlY-Schutzschicht bis zu einer Tiefe von 5-50 µm großflächig, gleichmäßig über die gesamte Oberflächenschicht aus einer einphasigen Legierung besteht, wobei die einphasige Legierung durch Umschmelzen mit einem gepulsten Elektronenstrahl mit großem Strahlenquerschnitt erzeugt ist, wobei der Umschmelzvorgang so geführt wird, daß die Kühlrate zwischen 10⁵ und 10⁷ K/s liegt.

2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der korrosionsbeständigen MCrAlY-Schutzschicht eine oder mehrere Komponenten aus den starken Oxidbildnern wie La, Al, Ce und den Hochtemperaturmetallen mit einem Schmelzpunkt größer als 2500°C über die ganze Oberflächen­ schicht der MCrAlY-Schutzschicht homogen verteilt sind.

3. Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine oder mehrere Komponenten aus den starken Oxidbildnern wie La, Al, Ce und den Hochtemperaturmetallen mit einem Schmelzpunkt größer als 2500°C als weitere dünne Schicht auf die MCrAlY-Schutzschicht homogen aufgetragen und zusammen mit dieser umgeschmolzen ist.