DE19918900B4

DE19918900B4 - Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE19918900B4
Application number: DE19918900A
Authority: DE
Inventors: Masashi Yokohama Takahashi; Kazuhide Hachioji Matsumoto; Masayuki Kawasaki Itoh; Masahiro Yokohama Saitou; Kunihiko Kawasaki Wada; Akinori Yokohama Koga
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-04-27
Filing date: 1999-04-26
Publication date: 2011-01-20
Anticipated expiration: 2019-04-27
Also published as: DE19918900A1; US6398503B1; CH694164A5; JPH11311103A

Abstract

Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine, umfassend
– ein Metall-Basismaterial aus einer hitzebeständigen Legierung, die im Wesentlichen aus wenigstens einem Material auf Ni-Basis, einem Material auf Co-Basis und einem Material auf Fe-Basis besteht; und
– einen Wärmesperre-Überzug, der auf eine Oberfläche des Metall-Basismaterials aufgebracht ist und eine Wärmesperre-Keramikschicht umfasst;
wobei die Porosität der Wärmesperre-Keramikschicht auf verschiedenen Abschnitten des Metall-Basismaterials variiert, so dass die Oberflächentemperatur des Metall-Basismaterials bei Verwendung in einer Hochtemperatur-Umgebung einheitlich ist;
die Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine eine bewegliche Gasturbinenschaufel und/oder eine stationäre Gasturbinenschaufel ist; und
wenigstens ein Abschnitt der Wärmesperre-Keramikschicht, der in dem die Vorderkante umgebenden Bereich oder in dem die rückwärtige Kante umgebenden Bereich der beweglichen Schaufel der Gasturbine oder der stationären Schaufel der Gasturbine ausgebildet ist und eine relativ hohe Temperatur aufweist, eine Porosität aufweist, die größer ist als diejenige eines anderen Abschnitts der Schaufel, oder die Porosität auf der Rückseite der beweglichen...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine technische Verfahrensweise, die gerichtet ist auf eine Hochtemperatur-Komponente, die unter einer bei hoher Temperatur befindlichen korrosiven oder oxidativen Atmosphäre in einer Gasturbine verwendet wird. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine, mit der die Wärmesperre-Eigenschaften dadurch verbessert werden können, dass man eine Oberfläche eines Metall-Basismaterials mit einer Wärmesperre-Beschichtung (thermal barrier coating; TBC) versieht. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zu deren Herstellung.
Um die Effizient der Ausnutzung von Hitze zu verbessern, wurden ernsthaft Untersuchungen und Entwicklungen für die Anwendung einer hohen Temperatur (eine Erhöhung der Arbeitstemperatur des Gases) bei einer Kraftmaschine wie beispielsweise einer Gasturbine, einem Triebwerk oder dergleichen durchgeführt. Im Hinblick auf zur Verwendung bei hoher Temperatur geeignete Materialien besteht eine Tendenz dahingehend, dass die Materialien der Komponenten harten Bedingungen ihrer Arbeitsumgebung wie beispielsweise hoher Temperatur ausgesetzt sind. Daher wurden bei Gasturbinen-Komponenten, insbesondere bei beweglichen Turbinenschaufeln, stationären Turbinenschaufeln und Komponenten, die unmittelbar einem Verbrennungsgas eines Brenners ausgesetzt sind, die beiden folgenden Faktoren untersucht, so dass diese Komponenten eine gute Haltbarkeit bei hoher Temperatur aufgrund einer Verbesserung der charakteristischen Kühl-Eigenschaften zeigen können und dass die Wärmebeständigkeits-Temperatur der Materialien verbessert wird.
Zuerst folgt nun eine Beschreibung einer Untersuchung zur Verbesserung der charakteristischen Kühl-Eigenschaften, um die Temperatur der Materialien der Komponenten zu verringern.
Um die charakteristischen Kühl-Eigenschaften zu verbessern, ist es prinzipiell wirksam, ein Gas zu verwenden, das eine hohe Wärmekapazität aufweist, oder die Kühlgas-Strömungsgeschwindigkeit zur erhöhen. Jedoch wird bei dem Verfahren der Verwendung eines Gases mit einer hohen Wärmekapazität oder bei dem Verfahren der Erhöhung der Kühlgas-Strömungsgeschwindigkeit die Temperatur des Verbrennungsgases verringert, und es gibt viele Fälle, bei denen sich dann die Effizienz der Wärmeausbeutung verringert. Im Hinblick auf diese Umstände wurden die folgenden Verfahrensweisen als Verfahrensweisen zur Verbesserung der Kühlleistung ohne Verringerung der Temperatur des Verbrennungsgases angewendet: Es wurde nämlich – genauer gesagt – ein Verfahren zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit zwischen einem Material und einem Kühlgas und ein Verfahren zur Erhöhung der Kontaktfläche des Materials mit dem Kühlgas vorgesehen.
Ein Abkühlen eines Films oder ein Abkühlen durch Auftreffen auf eine kühle Fläche werden als typische Beispiele der Verfahrensweise zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit zwischen einem Material und einem Kühlgas angeführt. Außerdem wird eine Umkehrstrom-Struktur eines Turbinenschaufel-Kühldurchgangs als typisches Beispiel eines Verfahrens zur Erhöhung der Kontaktfläche des Materials und des Kühlgases genannt. Wie oben angegeben, wird Wärme wirksam beseitigt, wie es die Gegebenheiten erfordern. Jedoch wird in jedem Fall einer Anwendung dieser Verfahrensweisen die Struktur der Anlagen sehr groß, und die Struktur der einzelnen Komponenten wird kompliziert. Aus diesem Grund erhöhen sich die Herstellungskosten der Anlagen, und das System wird kompliziert.
Es folgt nun eine Beschreibung einer Untersuchung zur Verbesserung der Wärmebeständigkeits-Temperatur des Materials.
Es wurde herkömmlich als hitzebeständiges Strukturmaterial eine unidirektional verfestigte oder monokristallisierte Superlegierung entwickelt. Die Superlegierung verwendet ein Material auf der Basis von Ni, auf der Basis von Co oder auf der Basis von Fe als Hauptkomponente. Andererseits wurde eine intermetallische Verbindung entwickelt, die eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit aufweist, indem man ein Element auf Nb-Basis oder Mo-Basis oder dergleichen zusetzte. Dadurch wurde versucht, die Hochtemperatur-Festigkeit des Materials weiter zu verbessern. Jedoch liegt bei der unidirektional verfestigten oder monokristallisierten Superlegierung die verwendbare kritische Temperatur bei höchstens 1.000°C, und zwar im Hinblick auf den Schmelzpunkt der Superlegierung. Darüber hinaus tritt im Fall der Superlegierung, der ein Element auf Nb-Basis und Mo-Basis zugesetzt wurde, um die Oxidationsbeständigkeit zu verbessern, das Problem auf, daß die Verarbeitbarkeit verschlechtert wird und damit die Herstellungskosten dieser Legierung hoch werden.
Weiter wurde ein Verfahren zur Verbesserung der Wärmebeständigkeit einer Hochtemperatur-Komponente durch Aufbringen eines Keramikmaterials auf die Hochtemperatur-Komponente entwickelt, das einen hohen Schmelzpunkt aufweist und eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit hat. Tatsächlich wurde ein Keramikmaterial auf SiC-Basis und Si₃N₄-Basis als Hochtemperatur-Komponente aufgebracht. Jedoch hat das Keramikmaterial eine geringe Zähigkeit im Vergleich zu einem Material aus Metall, und es tritt daher das Problem auf, daß die Verarbeitbarkeit verschlechtert wird und die damit verbundenen Kosten hoch werden. Aus diesem Grund traten viele Probleme bei der Realisierung der Hochtemperatur-Beständigkeit des Materials und der Kostensenkung bei seiner Herstellung auf und verhinderten damit die breite Anwendung des Keramikmaterials als Strukturmaterial der Hochtemperatur-Komponente.
Andererseits besteht ein Verfahren, bei dem ein Metallmaterial mit ausgezeichneter Zähigkeit als Basismaterial der Hochtemperatur-Komponente verwendet wird und die Oberfläche des Basismaterials aus Metall mit einer Beschichtung mit einem Wärmesperre-Überzug (thermal barrier coating; TBC) versehen wird. Dadurch wird die Wärmebeständigkeit der Hochtemperatur-Komponente verbessert. Der Wärmesperre-Überzug ist eine Keramikschicht auf Oxid-Basis, die eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist, und der Hitzeeinfluß wird abgeschirmt durch Ausbildung eines Wärmesperre-Überzugs auf der Oberfläche des Metall-Basismaterials, wodurch ein Anstieg der Temperatur des Metall-Basismaterials verhindert wird.
Beispielsweise wurde – wie in der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung Nr. Sho 62-211,387 offenbart – ein Verfahren zur Bildung einer Wärmesperre-Keramikschicht mit einer Dicke von wenigen hundert Mikrometern (μm) auf der Oberfläche eines Metall-Basismaterials vorgeschlagen, so daß ein Anstieg der Temperatur auf der Oberfläche des Metall-Basismaterials um einige zehn Grad (°C) verringert werden kann. Gemäß diesem Verfahren ist es möglich, den Anstieg der Temperatur auf der Oberfläche des Metall-Basismaterials zu beschränken. Damit kann eine Gasturbine hochtemperaturfest gemacht werden. Dies bedeutet, daß bei der Aufbringung eines Wärmesperre-Überzugs gilt, daß die Wärmesperre-Eigenschaften um so ausgezeichneter sind, je dicker die Dicke der Wärmesperre-Keramikschicht ist. Damit ist es möglich, den Einfluß der Temperatur auf das Metall-Basismaterial zu verringern. Weiter wird dadurch, daß man die Oberfläche des Metall-Basismaterials mit einem Wärmesperre-Überzug versieht, der Wärmefluß von der Seite des Verbrennungsgases auf die Seite der Kühlluft gering. Damit kann die Kühlgas-Strömungsgeschwindigkeit verringert werden.
Jedoch stellen bei einer Wärmesperre-Keramikschicht, die – wie vorstehend beschrieben – als Überzug aufgebracht wird, das Auftreten von Rissen und das Abschälen von dem Metall-Basismaterial ein großes Problem dar. Aus diesem Grund wurden verschiedene Forschungen und Entwicklungen im Stand der Technik durchgeführt, um das Problem des Abschälen zu lösen.
Eine Zweischichten-Struktur ist ein typisches Beispiel des Wärmesperre-Überzugs zur Lösung des Problems des Abschälen. Die Zweischichten-Struktur wird gebildet durch beschichtungsmäßiges Aufbringen der folgenden beiden Schichten: einer MCrAlY-Legierungsschicht (worin M für Fe, Co oder Ni steht), die auf die Oberfläche des Metall-Basismaterials aufgebracht wird, und eine Keramikschicht auf Oxid-Basis, die eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist und auf die Oberfläche der MCrAlY-Legierungsschicht aufgebracht wird. In diesem Fall wird ein Keramikmaterial auf Zirkoniumoxid-Basis als Keramikschicht auf Oxid-Basis verwendet.
Der Wärmesperre-Überzug mit der vorstehend genannten Zweischichten-Struktur wird üblicherweise durch ein thermisches Sprühverfahren gebildet. In dem Fall jedoch, in dem das Beschichten an der Atmosphärenluft durchgeführt wird, wird die Wärmesperre-Überzugsschicht porös. Aus diesem Grund besteht ein Problem darin, daß sich die Haftfestigkeit an dem Metall-Basismaterial verringert und daß sich die Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit verschlechtern. Um diese Probleme zu lösen, wurde in den zurückliegenden Jahren ein Verfahren zur Durchführung eines Plasma-Sprühverfahrens in einer Niederdruck-Inertgasatmosphäre entwickelt, die Luft im wesentlichen ausschließt (dieses Verfahren wird allgemein als Niederdruck-Plasma-Sprühverfahren bezeichnet). Dadurch wurde die Haltbarkeit des Wärmesperre-Überzugs stark verbessert.
Es wurden verschiedene Untersuchungen über ein Material zur Bildung der Wärmesperre-Keramikschicht durchgeführt.
Genauer gesagt, findet bei Zirkoniumoxid (ZrO₂) in der Nähe von 1.200°C eine Phasenumwandlung statt. Aus diesem Grund wird eine Verbesserung der Phasenstabilisierung und der charakteristischen Hitzezyklus-Eigenschaften durch Zusatz eines Additivs zur Stabilisierung des Zirkoniumoxids erreicht.
Darüber hinaus wurde im Fall der Ausbildung der Wärmesperre-Keramikschicht eine Wärmesperre-Überzugsschicht mit Säulenstruktur gebildet, wenn ein physikalisches Elektronenstrahl-Abscheideverfahren aus der Dampfphase (electron beam physical vapor deposition; EB-PVD) angewendet wird. Dadurch wird die Struktur verbessert, so daß die Lebensdauer der Gasturbine verlängert wird.
Jedoch ist es beim beschichtungsmäßigen Aufbringen der vorstehend beschriebenen Wärmesperre-Überzugsschicht eine allgemeine Vorgehensweise, daß ein Keramikmaterial auf Zirkoniumoxid-Basis verwendet wird, das eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist, und die Wärmesperre-Eigenschaften dieses Materials wurden nicht gesteuert. Aus diesem Grund ist es unmöglich, einen Wärmesperre-Überzug zu erhalten, der ausgezeichnete Wärmesperre-Eigenschaften aufweist.
Darüber hinaus ist es beispielsweise bei einer beweglichen Gasturbinenschaufel, einer stationären Gasturbinenschaufel und einem Brenner, die einem bei hoher Temperatur befindlichen Verbrennungsgas ausgesetzt sind, eine Tatsache, daß die Bedingungen der Temperaturbelastung in Abhängigkeit von den Abschnitten der dem Gas ausgesetzten Schaufeln unterschiedlich sind. Jedoch gab es bisher keine Steuerung dahingehend, passende Wärmesperre-Eigenschaften in Abstimmung mit den Temperaturbelastungs-Bedingungen zu erhalten; vielmehr wurde die Dicke der Wärmesperre-Keramikschicht nicht variiert. So war die Wärmesperre-Keramikschicht an allen Stellen der Teile gleich dick. Aus diesen Gründen waren die Wärmesperre-Eigenschaften in diesen Teilen immer dieselben. Damit war die Oberflächentemperatur des Metall-Basismaterials, das das verstärkende Teil ist, an dessen verschiedenen Stellen erheblich verschieden voneinander.
Wie oben beschrieben, werden die charakteristischen Wärmesperre-Eigenschaften nicht berücksichtigt, und es ergeben sich daraus die folgenden Probleme: Es wird eine große Menge an Kühlmedium benötigt. Außerdem ist der Temperaturgradient in Dickenrichtung relativ groß. Aus diesem Grund gibt es heiße Stellen (hot spots) mit örtlich hoher Temperatur aufgrund eines punktgerichteten Gases wie beispielsweise eines Verbrennungsgases und eines Kühlgases. Daher ist es erforderlich, die Lebensdauer des Metall-Basismaterials und damit die Wärmeeffizienz einer Gasturbine und deren Zuverlässigkeit zu verbessern.
Aus der US 4,492,522 ist eine mit einer Schutzschicht gegen Verschleiß, Rißbildung und Erosion versehene Schaufel für eine Strömungsmaschine bekannt. Die Schutzschicht ist in denjenigen Bereichen verdickt, die der Fluidströmung intensiver ausgesetzt sind. Die Schutzschichtmaterialien besteht aus TiN, TiC, B₄C, BN oder Titancarbonnitrid.
In der DE 197 42 223 A1 ist eine Wärmesperrbeschichtung beschrieben, bei der eine Außenschicht einer Wärmesperre-Keramikschicht ein Material zum Unterdrücken eines Reaktionssinterns in der Keramikschicht enthält. Das Material kann Lufthohlräume oder Poren enthalten, wobei die Poren mit in Dickenrichtung der Keramikschicht gesteuertem Gradienten der Porosität ausgebildet sind.
Aus der US 4,916,022 ist ein Wärmesperre-Keramikbeschichtungssystem für Superlegierungskomponenten, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wie Gasturbinenschaufeln, bekannt, wobei das Wärmespeichersystem eine mit Titan dotierte Zwischenschicht zwischen einem metallischen Grundsubstrat und der keramischen Beschichtung aufweist, um die Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Materialabtragung zu verbessern.
Die US 5,320,909 beschreibt eine Wärmesperrbeschichtung für metallische Gegenstände, die raschen thermischen Zyklen ausgesetzt sind. Die Beschichtung enthält eine auf den metallischen Gegenstand aufgebrachte metallisch gebundene Beschichtung, wenigstens eine auf die metallisch gebundene Beschichtung aufgebrachte keramische Beschichtung aus MCrAlY und eine auf diese keramische Beschichtung aufgebrachte keramische Außenschicht.
Die US 5,209,645 beschreibt ein mit Keramik beschichtetes wärmewiderstandsfähiges Legierungselement, beispielsweise eine Gasturbinenschaufel. Die beschriebene Gasturbinenschaufel enthält unterschiedliche Zonen bezüglich des Beschichtungsmaterials. Insbesondere ist ein wärmewiderstandsfähiges Legierungsbasismaterial mit einer gleichmäßigen, sich über die ganze Oberfläche erstreckenden Legierungsschicht beschichtet. Durch Maskierung wird in ausgewählten Zonen auf diese Legierungsschicht eine Mischungsschicht aus einer Mischung aus Keramikmaterial und Metall aufgebracht, über die wiederum ebenfalls in den nicht maskierten, ausgewählten Zonen eine weitere Legierungsschicht aufgebracht wird. Jede der einzelnen Schichten hat über ihre gesamte Erstreckung eine gleichmäßige Dicke. Schließlich wird die Hochtemperaturkomponente unter Abnahme der Maskierung insgesamt mit einer ebenfalls gleichmäßig dicken Keramikschicht überzogen, so dass sich Zonen dickerer Beschichtung und weniger dickere Beschichtung aufgrund der Maskierung beim Aufbringen der Mischungsschicht und der Legierungsschicht ergeben.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine und ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, mit denen es möglich ist, die Oberflächentemperatur eines Metall-Basismaterials beim beschichtungsmäßigen Aufbringen einer Wärmesperre-Schicht bei einer Gasturbine einheitlich zu machen, die in einer Verbrennungsgas-Atmosphäre verwendet wird, um die Effizienz der Wärmenutzung, die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit der Gasturbine zu verbessern.
Diese Aufgabe kann gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst werden.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
In einer bevorzugten Ausführungsform dieses Aspekts weist die Oberflächentemperatur des Basismaterials eine Temperaturdifferenz an dessen unterschiedlichen Stellen innerhalb des Bereichs von 100°C auf.
Der Wärmesperre-Überzug umfasst eine Wärmesperre-Keramikschicht, und die charakteristischen Eigenschaften der Wärmesperre-Keramikschicht werden gesteuert durch Variieren der Porosität der Schicht an verschiedenen Stellen der Wärmesperre-Keramikschicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine wenigstens eines der Teile bewegbare Schaufel und stationäre Schaufel einer Gasturbine.
Der Wärmesperre-Überzug umfaßt eine Wärmesperre-Keramikschicht. Wenigstens eine Wärmesperre-Keramikschicht, die auf dem die Vorderkante umgehenden Bereich oder auf dem die rückwärtige Kante umgebenden Bereich der beweglichen Turbinenschaufel oder der stationären Turbinenschaufel, die einer relativ hohen Temperatur ausgesetzt sind, ausgebildet ist, weist eine Dicke auf, die größer ist als diejenige eines anderen Abschnitts der jeweiligen Turbinenschaufel. Die Wärmesperre-Keramikschicht weist vorzugsweise eine Dicke auf, die im Bereich von 0,1 mm oder mehr bis zu 1,0 mm oder weniger im Bereich der dickeren Seite liegt, und weist eine Dicke auf, die im Bereich von 0 mm oder mehr bis 0,5 mm oder weniger im Bereich der dünneren Seite liegt. Die Dicke der dünneren Seite der Wärmesperre-Keramikschicht ist dünner als die Dicke der dickeren Seite der Wärmesperre-Keramikschicht.
Alternativ hat vorzugsweise die Wärmesperre-Keramikschicht, die auf der Rückseite der beweglichen Turbinenschaufel oder der stationären Turbinenschaufel ausgebildet ist, die eine relativ hohe Temperatur aufweist, eine Dicke, die größer ist als diejenige der Wärmesperre-Keramikschicht, die auf der Vorderseite (Bauchseite) der jeweiligen Turbinenschaufel ausgebildet ist, die eine relativ niedrige Temperatur aufweist. Die Wärmesperre-Keramikschicht weist vorzugsweise im Bereich der dickeren Seite eine Dicke auf, die im Bereich von 0,1 mm oder mehr bis 1,0 mm oder weniger liegt, und weist im Bereich der dünneren Seite eine Dicke auf, die im Bereich von 0 mm oder mehr bis zu 0,5 mm oder weniger liegt. Die Dicke der dünneren Seite der Wärmesperre-Keramikschicht ist geringer als die Dicke auf der dickeren Seite der Wärmesperre-Keramikschicht.
Der Wärmesperre-Überzug umfaßt eine Wärmesperre-Keramikschicht, und wenigstens eine Wärmesperre-Keramikschicht, die auf dem die Vorderkante umgebenden Bereich oder auf dem die rückwärtige Kante umgebenden Bereich der beweglichen Turbinenschaufel oder der stationären Turbinenschaufel ausgebildet ist, die eine relativ hohe Temperatur aufweisen, weist eine Porosität auf, die größer ist als diejenige eines anderen Bereichs der Schaufel.
Die Oberflächentemperatur des Metall-Basismaterials wird dadurch einheitlich gemacht, daß man die Porosität des Keramik-Materials auf der Rückseite der beweglichen oder stationären Turbinenschaufel, die eine relativ hohe Temperatur aufweist, größer macht als die Porosität auf der Vorderseite (Bauchseite) der Schaufel. Die Porosität der Wärmesperre-Keramikschicht liegt im Bereich von 10% oder mehr bis 40% oder weniger, auf der Seite mit höherer Porosität und liegt im Bereich von 2% oder mehr bis 20% oder weniger auf der Seite niedrigerer Porosität.
Ein Keramikmaterial auf Oxid-Basis wird als Material der Wärmesperre-Keramikschicht verwendet. Das Keramikmaterial auf Oxid-Basis umfaßt herkömmlicherweise ZrO₂ und wenigstens eines oder mehrere Additive aus der Gruppe MgO, CaO, Y₂O₃ oder CeO₃. Ein Keramikmaterial auf Oxid-Basis wird als Material der Wärmesperre-Keramikschicht verwendet, und das Keramikmaterial auf Oxid-Basis umfaßt im wesentlichen wenigstens eines der Materialien aus der Gruppe Al₂O₃, HfO₂, ThO₂ oder BeO.
Die Oberflächentemperatur des Basismaterials weist einen Unterschied der Temperatur zwischen den einzelnen Abschnitten des Materials innerhalb des Bereichs von bis zu 100°C auf. Der Wärmesperre-Überzug umfaßt eine Wärmesperre-Keramikschicht, und die charakteristischen Wärmesperre-Eigenschaften der Wärmesperre-Keramikschicht werden dadurch gesteuert, daß man die Dicke oder die Porosität der Schichten in bestimmten Bereichen der Schichten steuert.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Wärmesperre-Keramikschicht gebildet durch Aufsprühen eines Rohpulvers aus einem Wärmesperre-Keramikmaterial mit hoher Geschwindigkeit unter Einsatz einer Wärmequelle wie beispielsweise eines Plasmas.
Die Zufuhrmenge des Rohpulvers, die Korngröße des Rohpulvers, die Material-Zufuhrgeschwindigkeit der Hitze-Sprühpistole, der Winkel der Hitze-Sprühpistole, die Sprühentfernung und die Sprühenergie werden optimiert, und die Abscheidegeschwindigkeit, die die Beschichtungsdicke pro Durchlauf bestimmt, werden so variiert, daß die Dicke oder die Porosität der Wärmesperre-Keramikschicht in Abhängigkeit von den zu besprühenden Abschnitten der Teile variiert werden.
In einem Fall der Ausbildung einer Wärmesperre-Keramikschicht auf einem Metall-Basismaterial wird ein Target-Material mittels eines Elektronenstrahls erhitzt und verdampft, und der so erhaltene Dampf wird auf der Oberfläche des Metall-Basismaterials abgeschieden und so die Wärmesperre-Keramikschicht gebildet. Das Rohpulver des Wärmesperre-Keramikmaterials wird durch eine Platte geführt, die unterschiedliche Raumverhältnisse aufweist, so daß die Abscheidegeschwindigkeit variiert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung in den oben beschriebenen Ausführungsformen ist es möglich, die Oberflächentemperatur des Basismaterials einheitlich zu machen, indem man die charakteristischen Wärmesperre-Eigenschaften des Wärmesperre-Überzugs in Abhängigkeit der Bereiche der Hochtemperatur-Komponente variiert. So wird der Unterschied der Oberflächentemperatur des Basismaterials zwischen dessen verschiedenen Bereichen klein gemacht, so daß die Lebensdauer des Basismaterials verbessert werden kann und auch die Zuverlässigkeit der Hochtemperatur-Komponente sichergestellt werden kann. Außerdem ist die Hochtemperatur-Komponente auf die Außenwand eines Triebwerks oder einer Rakete aufbringbar, das einer bei hoher Temperatur befindlichen Umgebung ausgesetzt ist.
Weiterhin wird gemäß diesem Aspekt der Unterschied der Oberflächentemperatur zwischen den Bereichen des Basismaterials auf einen Wert innerhalb 100°C festgesetzt. Der Unterschied der Oberflächentemperatur liegt innerhalb dieses Temperaturbereichs, wodurch es möglich ist, die Lebensdauer des Basismaterials zu verbessern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die charakteristischen Wärmesperre-Eigenschaften des Wärmesperre-Überzugs dadurch zu verbessern, daß man die Dicke der Wärmesperre-Keramikschicht vergrößert oder deren Porosität vergrößert.
In einem anderen Aspekt wurden im Stand der Technik bei dem Metall-Basismaterial verschiedene Entwicklungen gemacht, um eine gewisse Festigkeit sicherzustellen. So wurde verschiedentlich eine unidirektional verfestigte und monokristallisierte (in Form eines Einkristalls vorliegende) Superlegierung entwickelt, die im wesentlichen ein Material auf Ni-Basis, ein Material auf Co-Basis oder ein Material auf Fe-Basis umfaßt. Um gute Wärmesperre-Eigenschaften sicherzustellen, wird eine Wärmesperre-Überzugsschicht auf dem Metall-Basismaterial gebildet. Dadurch ist es möglich, eine Hochtemperatur-Komponente zu erhalten, die eine ausgezeichnete Festigkeit selbst in einer Hochtemperatur-Umgebung aufweist.
Gemäß diesem Aspekt werden die charakteristischen Wärmesperre-Eigenschaften des Wärmesperre-Überzugs in den Bereichen der Hochtemperatur-Komponente in Übereinstimmung mit der Umgebung variiert, der die Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine ausgesetzt ist. Dadurch ist es möglich, die Oberflächentemperatur des Metall-Basismaterials einheitlich zu machen. So wird die Oberflächentemperatur des Metall-Basismaterials einheitlich gemacht, so daß die Menge an Kühlmedium reduziert werden kann. Dadurch ist es möglich. die Leistungsmerkmale der Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine zu verbessern. Außerdem wird der Temperaturgradient in Dickenrichtung verringert, wodurch die Lebensdauer der Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine verlängert werden kann. Außerdem ist es möglich, das Auftreten von hot spots zu reduzieren. was ein Faktor beim Hervorrufen von Gas-Haltepunkten wie beispielsweise bei einem Verbrennungsgas oder einem Kühlgas ist, so daß die Zuverlässigkeit der Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine verbessert werden kann.
Im besonderen ist eine Gasturbinen-Komponente wie beispielsweise eine bewegliche Turbinenschaufel oder eine stationäre Turbinenschaufel bei hoher Temperatur befindlichen Gasen bzw. Dämpfen ausgesetzt. Jedoch werden gemäß der vorliegenden Erfindung die charakteristischen Wärmesperre-Eigenschaften dieser Komponenten verbessert, und dadurch kann eine Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine mit guter Zuverlässigkeit bei hoher Temperatur erhalten werden.
Außerdem wird gemäß der vorliegenden Erfindung der Unterschied der Oberflächentemperatur zwischen den verschiedenen Bereichen des Basismaterials auf einen Wert innerhalb von 100°C festgelegt. Der Unterschied der Oberflächentemperatur liegt innerhalb dieses Temperaturbereichs, wodurch die Lebensdauer des Basismaterials verbessert wird.
Außerdem wird die Dicke der Wärmesperre-Keramikschicht variiert, und dadurch ist es möglich, die Wärmebeständigkeit der Wärmesperre-Keramikschicht so zu steuern, daß ein Temperaturbereich bestimmt wird.
In diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es dadurch, daß man die Dicke der Wärmesperre-Keramikschicht des Vorderkanten-Abschnitts oder des rückwärtigen Kanten-Abschnitts der beweglichen Turbinenschaufel oder der stationären Turbinenschaufel, deren Temperatur hoch wird, größer macht, möglich, die Oberflächentemperatur des Metall-Basismaterials einheitlich zu machen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es dadurch, daß man die Dicke der Wärmesperre-Keramikschicht auf der Rückseite oder auf der Vorderseite (Bauchseite) der beweglichen Schaufel oder der stationären Schaufel, deren Temperatur hoch wird, größer macht, möglich, wirksam die Oberflächentemperatur des Metall-Basismaterials einheitlich zu machen.
Außerdem ist die Dicke der Wärmesperre-Überzugsschicht in dem oben beschriebenen Bereich definiert, und dadurch ist es möglich, die Oberflächentemperatur des Metall-Basismaterials einheitlich zu machen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Pore, d. h. ein Hohlraum, eine hohe Wärmebeständigkeit auf. Aus diesem Grund ist es möglich, durch Variieren der Porosität des Materials, aus dem die Wärmesperre-Keramikschicht besteht, die Wärmebeständigkeit der Wärmesperre-Keramikschicht zu steuern, die den Temperaturbereich bestimmt. Mit anderen Worten: Die Porosität der Wärmesperre-Keramikschicht wird variiert, wodurch die Oberflächentemperatur des Metall-Basismaterials einheitlich gemacht wird.
Je dicker die Wärmesperre-Keramikschicht ausgebildet wird oder je höher die Porosität gemacht wird, desto höher wird die Wärmebeständigkeit. Daher besteht eine Neigung dazu, daß die Wärmesperre-Eigenschaften verbessert werden. Bei einer beweglichen Gasturbinenschaufel und einer stationären Gasturbinenschaufel ist es dadurch, daß man die Wärmebeständigkeit der Wärmesperre-Keramikschicht in dem die Vorderkante umgebenden Bereich oder in dem die rückwärtige Kante umgebenden Bereich, die einer hinsichtlich der Temperatur belastenderen Umgebung ausgesetzt sind als die Wärmesperre-Keramikschicht der anderen Bereiche der Schaufeln, möglich, die Oberflächentemperatur des Metall-Basismaterials einheitlich zu machen.
Außerdem wird in diesem Aspekt bei der beweglichen Gasturbinenschaufel oder bei der stationären Schaufel dadurch, daß man die Wärmebeständigkeit der Wärmesperre-Keramikschicht auf der Rückseite, die einer hinsichtlich der Temperatur stärker belastenden Umgebung ausgesetzt ist als die Vorderseite (Bauchseite), die Oberflächentemperatur des Metall-Basismaterials einheitlich gemacht. Die Porosität der Wärmesperre-Überzugsschicht ist so definiert, wie dies oben beschrieben wurde, wodurch die Oberflächentemperatur des Metall-Basismaterials einheitlich gemacht wird.
Das ZrO₂ wird als Hauptkomponente des Materials der Wärmesperre-Keramikschicht verwendet. Wenn das ZrO₂ eine Temperatur von 1.200°C übersteigt, ruft dies eine Kristallumwandlung hervor. Aus diesem Grund wurde herkömmlicherweise ein Keramikmaterial auf Oxid-Basis verwendet, und das Keramikmaterial auf Oxid-Basis wurde partiell durch Zusatz von Y₂O₃ in einer Menge von etwa 8% zu dem ZrO₂ stabilisiert. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Material verwendet, das durch Zusatz von Y₂O₃ in einer Menge von etwa 8% zu dem ZrO₂ hergestellt wurde. Zusätzlich zu dem Y₂O₃ kann ein Material verwendet werden, das durch Zusatz von MgO, CaO oder CeO₂ hergestellt wurde.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können HfO₂, ThO₂ oder BeO, die einen Schmelzpunkt über dem von ZrO₂ aufweisen, als Material der Wärmesperre-Keramikschicht anstelle der Hauptkomponente ZrO₂ verwendet werden. Außerdem kann Al₂O₃, mit dem die Kosten reduziert werden können, verwendet werden.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es durch Variieren der Dicke oder Porosität der Wärmesperre-Keramikschicht möglich, eine Hochtemperatur-Komponente zu erhalten, mit der es möglich ist, die Wärmebeständigkeit der Wärmesperre-Keramikschicht zu steuern.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es durch Variieren der Dicke oder Porosität der Wärmesperre-Keramikschicht möglich, eine Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine zu erhalten, mit der bzw. bei der die charakteristischen Wärmesperre-Eigenschaften verbessert werden können.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die Wärmesperre-Keramikschicht auf dem Metall-Basismaterial mittels eines thermischen Sprühverfahrens gebildet. In dem thermischen Sprühverfahren wird ein Rohpulver auf das Metall-Basismaterial mit hoher Geschwindigkeit aufgesprüht, so daß eine geeignete Porenbildung in der Wärmesperre-Keramikschicht erfolgen kann. Daher ist es möglich, die Zerbrechlichkeit der Wärmesperre-Keramikschicht zu verbessern.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es in dem Fall der Ausbildung der Wärmesperre-Keramikschicht unter Verwendung des thermischen Sprühverfahrens möglich, durch Variieren der Zufuhrmenge des Rohpulvers, der Korngröße des Rohpulvers, der Zufuhrgeschwindigkeit der Hitze-Sprühpistole, des Sprühwinkels der Hitze-Sprühpistole, der Sprühentfernung und der Sprühenergie die Abscheidegeschwindigkeit (und damit die Dicke der Keramikschicht) der Wärmesperre-Keramikschicht zu variieren. So können die Dicke oder die Porosität der Wärmesperre-Keramikschicht variiert werden. Mit anderen Worten: Diese Bedingungen werden gezielt in bestimmten Bereichen der Wärmesperre-Keramikschicht variiert, und dadurch ist es möglich, eine Wärmesperre-Keramikschicht zu bilden, die unterschiedliche Dicken und Porositäten in ihren verschiedenen Bereichen aufweist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die Wärmesperre-Keramikschicht auf der Oberfläche des Metall-Basismaterials unter Verwendung eines Verfahrens der physikalischen Abscheidung aus der Dampfphase gebildet. Nach dem Verfahren der physikalischen Abscheidung aus der Dampfphase wird die Wärmesperre-Keramikschicht, die auf der Oberfläche des Metall-Basismaterials abgeschieden wird, durch Kristallwachstum in Längsrichtung gebildet. Daher passiert es kaum, daß sich das Metall-Basismaterial und die Wärmesperre-Keramikschicht voneinander abschälen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird in dem Fall der Bildung der Wärmesperre-Keramikschicht unter Verwendung des thermischen Sprühverfahrens oder des Verfahrens der physikalischen Abscheidung aus der Dampfphase ein Filmüberzug über eine Platte mit unterschiedlichem Raumverhältnis, beispielsweise einem Netz mit unterschiedlicher Maschenanordnung, gebildet. Dadurch ist es möglich, die Abscheidungsgeschwindigkeit der Wärmesperre-Keramikschicht zu variieren. Mit anderen Worten: Das Raumverhältnis wird gezielt in Abhängigkeit von den Abschnitten variiert, und es wird möglich, eine Wärmesperre-Keramikschicht zu bilden, die eine variable Dicke und Porosität in Abhängigkeit von ihren Abschnitten aufweist.
Zusammengefaßt ist es – wie von der Hochtemperatur-Komponente, der Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine und ihren Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung offensichtlich – möglich, eine Hochtemperatur-Komponente zu erhalten, mit der es möglich ist, die charakteristischen Wärmesperre-Eigenschaften des Wärmesperre-Überzugs in Übereinstimmung mit der Umgebung zu steuern, der die Hochtemperatur-Komponente ausgesetzt ist. Insbesondere ist die erhaltene Hochtemperatur-Komponente anwendbar als Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine, die in einer bei hoher Temperatur befindlichen oxidativen und korrosiven Atmosphäre in einer Gasturbine zur Anwendung kommt, die in einer Verbrennungsgas-Atmosphäre verwendet wird. Daher ist es möglich, eine Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine zu schaffen, die in Bezug auf ihre Wärmeverwertungs-Effizienz, die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit der Gasturbine ausgezeichnet ist.
Die Natur und weitere charakteristische Merkmale der vorliegenden Erfindung werden noch klarer aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren.
In den Figuren zeigen:
1 eine schematische Ansicht, die einen Querschnitt einer beweglichen Turbinenschaufel für eine Gasturbine zeigt, die mit einem Wärmesperre-Überzug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung versehen wird;
2 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Wärmebeständigkeit eines Wärmesperre-Überzugs und der Oberflächentemperatur des Basismaterials der beweglichen Gasturbinenschaufel in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Porosität einer mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht und der Wärmeleitfähigkeit in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 eine graphische Darstellung, die den Einfluß des Verhältnisses der Zusammensetzung der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht auf die Wärmeleitfähigkeit in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 eine graphische Darstellung, die den Einfluß verschiedener Parameter des thermischen Sprühverfahrens auf die Abscheidegeschwindigkeit des thermischen Sprühverfahrens in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Maschen-Rauhheit eines Netzes und der Abscheidegeschwindigkeit im thermischen Sprühverfahren in einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 eine graphische Darstellung, die den Einfluß verschiedener Parameter des thermischen Sprühverfahrens auf die Porosität im Rahmen des thermischen Sprühverfahrens in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Maschen-Rauhheit eines Netzes und der Abscheidegeschwindigkeit im Rahmen eines Verfahrens der physikalischen Abscheidung aus der Dampfphase in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
9 eine schematische Ansicht, die einen Querschnitt einer stationären Gasturbinenschaufel zeigt, die einem Schritt des beschichtungsmäßigen Aufbringen mit einem Wärmesperre-Überzug gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unterworfen wird.
Die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 bis 8 beschrieben.
In dieser Ausführungsform werden eine umlaufende Gasturbinenschaufel, die einem Schritt des beschichtungsmäßigen Aufbringen eines Wärmesperre-Überzugs unterworfen wird, und ein Herstellungsverfahren behandelt.
1 ist eine schematische Ansicht, die einen Querschnitt einer beweglichen Gasturbinenschaufel als Hochtemperatur-Komponente zeigt, die einem Schritt des beschichtungsmäßigen Aufbringen mit einem Wärmesperre-Überzug gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unterzogen wird.
Wie in 1 gezeigt, wird bei einer beweglichen Gasturbinenschaufel 1 eine MCrAlY-Legierungsschicht 3 (worin M für Cr, Co oder Ni steht), die eine exzellente Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit aufweist, auf einem Basismaterial für eine umlaufende Turbinenschaufel gebildet, das aus einer Superlegierung auf Ni-Basis, Co-Basis oder Fe-Basis hergestellt wurde, die ausgezeichnet in Bezug auf die Hochtemperatur-Festigkeit ist. Weiter wird eine mit Y₂O₃ partiell stabilisierte ZrO₂-Schicht 4, die eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist und chemisch stabil ist, auf der MCrAlY-Legierungsschicht 3 gebildet. So besteht die Wärmesperre-Überzugschicht aus der MCrAlY-Legierungsschicht 3 und der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht 4.
Bei der beweglichen Gasturbinenschaufel 1, wie sie in 1 gezeigt ist, ist jeder Wärmesperre-Überzug im Bereich der Umgebung der Vorderkante 5 und im Bereich der Umgebung der rückwärtigen Kante 6 (Abschnitte der Vorderkante und der rückwärtigen Kante und diese umgebende Bereiche) den Bedingungen einer stark belastenden Verbrennungsgas-Temperatur ausgesetzt. Aus diesem Grund haben die Wärmesperre-Überzüge an dieser Stelle eine Dicke von mehr als 0,1 mm und weniger als 1,0 mm, und die mit Y₂O₃ partiell stabilisierte ZrO₂-Schicht 4 wird an diesen Stellen dicker ausgebildet als die entsprechende Schicht an anderen Stellen. Außerdem weisen mit dem Ziel, die Wärmesperre-Eigenschaften zu verbessern, diese Wärmesperre-Überzüge eine Porosität auf, die größer ist als diejenige in anderen Bereichen. Mit anderen Worten: Die Porosität liegt hier in einem Bereich von 10% oder mehr bis 40% oder weniger. So wird der Unterschied der Oberflächentemperatur des Basismaterials der umlaufenden Turbinenschaufel 2 auf einen Wert innerhalb des Bereichs von 100°C festgesetzt.
2 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Wärmebeständigkeit des Wärmesperre-Überzugs und der Oberflächentemperatur des Basismaterials der beweglichen Gasturbinenschaufel zeigt.
Wie in 2 gezeigt ist, wird der Wert der Wärmebeständigkeit des Wärmesperre-Überzugs höher festgesetzt. Dadurch ist es möglich, die Oberflächentemperatur des Basismaterials der beweglichen Schaufel als festigkeitsbestimmendes Bauteil niedrig zu machen. Daher können die Wärmesperre-Eigenschaften verbessert werden. Andererseits ist es möglich, die Wärmebeständigkeit des Wärmesperre-Überzugs durch die Dicke des Wärmesperre-Überzugs oder die Wärmeleitfähigkeit von Materialien zu variieren, aus denen der Wärmesperre-Überzug besteht. Insbesondere ist die Wärmeleitfähigkeit des Materials eine physikalische Eigenschaft, die für dieses Material typisch ist. Es wird jedoch eine Pore, d. h. ein Hohlraum gebildet, der eine hohe adiabatische Wirkung aufweist, und es ist dadurch möglich, den absoluten Wert der Wärmeleitfähigkeit zu variieren.
3 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Porosität der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht und der Wärmeleitfähigkeit zeigt.
Wie in 3 gezeigt ist, ist es offensichtlich, daß die Porosität der mit Y₂O₃ partiell stabilisieren ZrO₂-Schicht in starkem Maße die Wärmeleitfähigkeit beeinträchtigt. Je höher die Porosität gemacht wird, desto niedriger wird die Wärmeleitfähigkeit.
Außerdem wird die Materialzusammensetzung der mit Y₂O₃ partiell stabilisieren ZrO₂-Schicht variiert. Dadurch ist es möglich, den absoluten Wert der Wärmeleitfähigkeit zu variieren.
4 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Anteil von Y₂O₃ in der Zusammensetzung und der Wärmeleitfähigkeit der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht zeigt.
Wie in 4 gezeigt ist, ist es offensichtlich, daß der Anteil an der Zusammensetzung der mit Y₂O₃ partiell stabilisieren ZrO₂-Schicht in starkem Maße die Wärmeleitfähigkeit beeinflußt. Je kleiner der Anteil des Y₂O₃ an der Zusammensetzung gemacht wird, desto niedriger wird die Wärmeleitfähigkeit.
Als nächstes folgt die Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung einer beweglichen Gasturbinenschaufel 1, auf die der Wärmespeere-Überzug aufgebracht wird.
Zuerst wird ein MCrAlY-Legierungspulver (M steht für Cr, Co oder Ni) in eine Hochtemperatur-Wärmequelle wie beispielsweise ein Plasma oder ein Verbrennungsgas eingeleitet. Danach werden die geschmolzenen MCrAlY-Legierungsteilchen auf eine umlaufende Turbinenschaufel aus einer Superlegierung auf Ni-Basis. Co-Basis oder Fe-Basis gesprüht, die ausgezeichnet in Bezug auf eine Hochtemperatur-Festigkeit ist. Dies geschieht mit hoher Geschwindigkeit, und so wird eine MCrAlY-Legierungsschicht 3 gebildet.
Danach wird das mit Y₂O₃ partiell stabilisierte ZrO₂-Pulver in die Hochtemperatur-Wärmequelle wie beispielsweise ein Plasma oder ein Verbrennungsgas eingeleitet. Danach werden die geschmolzenen Teilchen aus einem mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂ auf die MCrAlY-Legierungsschicht 3 mit hoher Geschwindigkeit aufgesprüht. So wird die mit Y₂O₃ partiell stabilisierte ZrO₂-Schicht 4 gebildet.
In dem Fall der Bildung der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht 4 des Wärmesperre-Überzugs 5 auf der Vorderkante und des Wärmesperre-Überzugs 6 auf der rückwärtigen Kante haben diese Überzüge eine Dicke und Porosität, die größer sind als die entsprechenden Parameter in anderen Abschnitten. Dies wird erreicht durch Variieren der Parameter des thermischen Sprühverfahrens wie beispielsweise der Zufuhrmenge des Rohpulvers, dessen Korngröße, der Zufuhrgeschwindigkeit der Hitze-Sprühpistole, dem Sprühwinkel der Hitze-Sprühpistole, der Sprühentfernung, der Sprühenergie beim Hitze-Sprühen oder dergleichen. So werden die Wärmesperre-Eigenschaften relativ verbessert.
Was die Abscheidegeschwindigkeit betrifft, tritt das durch Hitze-Sprühen aufgebrachte Material durch das Netz, das eine unterschiedliche Maschenanordnung aufweist, hindurch, das eine plattenähnliche Struktur aufweist, die unterschiedliche Raumverhältnisse hat. Danach wird die mit Y₂O₃ partiell stabilisierte ZrO₂-Schicht 4 gebildet.
Noch spezieller liegt die Menge des Rohpulvers im Bereich von 1 bis 30 cm³/min, liegt die Korngröße des Rohpulvers im Bereich von 1 bis 200 μm, liegt die Zufuhrgeschwindigkeit der Hitze-Sprühpistole im Bereich von 100 bis 1.000 mm/s, liegt der Winkel der Hitze-Sprühpistole im Bereich zwischen 30 und 90°, liegt die Sprühentfernung im Bereich von 50 bis 300 mm und liegt die Sprühenergie des thermischen Sprühverfahrens im Bereich von 20 bis 100 kW.
5 ist eine graphische Darstellung, die den Einfluß verschiedener Parameter des thermischen Sprühverfahrens auf die Abscheidegeschwindigkeit im Fall der Bildung der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht bei Anwendung des thermischen Sprühverfahrens zeigt.
Wie in 5 gezeigt ist, ist es durch Variieren verschiedener Parameter des thermischen Sprühverfahrens, wie z. B. der Menge A des Rohpulvers des mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂, der Zufuhrgeschwindigkeit B der Hitze-Sprühpistole, des Winkels C der Hitze-Sprühpistole, der Sprühentfernung D, der Hitze-Sprühenergie E, möglich, in starkem Maße die Abscheidegeschwindigkeit zu variieren. Üblicherweise werden die Parameter des thermischen Sprühverfahrens mit dem Ziel festgesetzt, zu verhindern, daß sich das Basismaterial für die bewegbare Turbinenschaufel von dem Wärmesperre-Überzug abschält, und noch spezieller werden verschiedene Parameter auf einen Wert festgesetzt, wie er durch die durchbrochene Linie a in 5 gezeigt wird.
Im Fall des Aufsprühen des Wärmesperre-Überzugs auf die bewegliche Gasturbinenschaufel 1 wird es durch Variieren der Parameter des thermischen Sprühverfahrens möglich, die Abscheidegeschwindigkeit zu steuern, die der Dicke der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht entspricht, die pro Durchlauf gebildet wird. So ist es selbst in dem Fall, in dem das thermische Sprühverfahren mit derselben Zahl von Durchläufen wiederholt wird, möglich, die mit Y₂O₃ partiell stabilisierte ZrO₂-Schicht so auszubilden, daß sie eine vorbestimmte Dickenverteilung aufweist. Mit anderen Worten: Die Parameter des thermischen Sprühverfahrens werden in Abstimmung auf den zu sprühenden Abschnitt gesteuert, und dadurch schwankt die Abscheidegeschwindigkeit. Als Ergebnis ist es möglich, die bewegliche Gasturbinenschaufel 1 so herzustellen, daß sie eine dickere, mit Y₂O₃ partiell stabilisierte ZrO₂-Schicht im Bereich der Umgebung 5 der Vorderkante und im Bereich der Umgebung 6 der rückwärtigen Kante aufweist. In diesem Fall liegt vorzugsweise die Dicke der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht im Bereich der Umgebung 5 der Vorderkante und im Bereich der Umgebung 6 der rückwärtigen Kante im Bereich von 0,1 mm oder mehr bis 1,0 mm oder weniger, was eine Beschränkung im Zusammenhang mit der Herstellung und im Zusammenhang mit der Haltbarkeit mit sich bringt.
6 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Maschen-Rauhheit des Netzes und der Abscheidegeschwindigkeit im Fall der Bildung der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht auf dem Basismaterial der bewegbaren Schaufel durch das thermische Sprühverfahren zeigt.
Wie in 6 gezeigt ist, wird die Maschen-Rauhheit des Netzes rauh gemacht, und dadurch wird die Abscheidegeschwindigkeit, die der Dicke der gebildeten, mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht 4 pro Zeiteinheit entspricht, hoch. Aus diesem Grund wird im Fall des Aufsprühen des Wärmesperre-Überzugs auf die bewegliche Gasturbinenschaufel 1 die Maschen-Rauhheit des Netzes variiert. Dadurch ist es möglich, die Abscheidegeschwindigkeit der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht 4 zu steuern. So ist es selbst in dem Fall, in dem der Hitze-Sprühvorgang mit derselben Anzahl von Durchläufen wiederholt wird, möglich, die mit Y₂O₃ partiell stabilisierte ZrO₂-Schicht 4 so auszubilden, daß sie eine vorbestimmte Dickenverteilung aufweist. Mit anderen Worten: Die Maschen-Rauhheit des Netzes wird in Abstimmung mit dem zu besprühenden Abschnitt variiert. Dadurch schwankt die Abscheidegeschwindigkeit. Als Ergebnis ist es möglich, eine bewegliche Gasturbinenschaufel 1 so herzustellen, daß sie eine dickere, mit Y₂O₃ partiell stabilisierte ZrO₂-Schicht 4 im Bereich der Umgebung 5 der Vorderkante und im Bereich der Umgebung 6 der rückwärtigen Kante aufweist.
7 ist eine graphische Darstellung, die den Einfluß verschiedener Parameter des thermischen Sprühverfahrens auf die Porosität im Fall der Bildung der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht 4 mittels des thermischen Sprühverfahrens zeigt.
Wie in 7 gezeigt ist, ist es durch Variieren verschiedener Parameter des thermischen Sprühverfahrens wie beispielsweise der Menge A des Rohpulvers des mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂, der Zufuhrgeschwindigkeit B der Hitze-Sprühpistole, der Pulverkorngröße F, des Winkels C der Hitze-Sprühpistole und der Sprühentfernung D möglich, in starkem Maße die Porosität der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht zu variieren. Im Fall des Aufsprühen eines Wärmesperre-Überzugs auf die bewegliche Gasturbinenschaufel 1 ist es durch Variieren der Parameter des thermischen Sprühverfahrens möglich, die Porosität der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht zu steuern. So ist es möglich, die mit Y₂O₃ partiell stabilisierte ZrO₂-Schicht so auszubilden, daß sie in Abhängigkeit von den verschiedenen Teilabschnitten eine unterschiedliche Porosität aufweist. Mit anderen Worten: Die Parameter des thermischen Sprühverfahrens werden in Abstimmung mit dem zu besprühenden Abschnitt gesteuert. Dadurch schwankt die Porosität. Als Ergebnis ist es möglich, die bewegliche Gasturbinenschaufel 1 in der Weise herzustellen, daß sie verbesserte Wärmesperre-Eigenschaften dadurch aufweist, daß man die Porosität der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht im Bereich der Umgebung 5 der Vorderkante und im Bereich der Umgebung 6 der rückwärtigen Kante hoch macht. In diesem Fall liegt die Porosität vorzugsweise im Bereich von 10% oder mehr bis 40% oder weniger, da die Festigkeit in dem Fall zurückgeht, in dem der Porositätswert hoch gemacht wird.
Außerdem kann im Fall der Bildung der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht 4 auf der MCrAlY-Legierungsschicht 3 (worin M für Cr, Co oder Ni steht) der umlaufenden Gasturbinenschaufel 1 ein Verfahren der physikalischen Abscheidung aus der Dampfphase verwendet werden, bei dem ein aus mit Y₂O₃ partiell stabilisiertem ZrO₂ hergestelltes Target mittels einer Hochtemperatur-Quelle wie beispielsweise eines Elektronenstrahls erhitzt und verdampft wird und der so erhaltene Dampf (verdampftes Material) abgeschieden wird.
8 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Maschen-Rauhheit des Netzes und der Abscheidegeschwindigkeit in dem Fall der Bildung der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht durch die Maschen des Netzes mittels des Verfahrens der physikalischen Abscheidung aus der Dampfphase zeigt.
Wie in 8 gezeigt ist, wird die Maschen-Rauhheit bzw. -Unebenheit des Netzes rauh gemacht. Dadurch wird die Abscheidegeschwindigkeit hoch. Aus diesem Grund wird im Fall des Aufsprühen des Wärmesperre-Überzugs auf die bewegliche Gasturbinenschaufel 1 die Maschen-Rauhheit bzw. -Unebenheit des Netzes variiert, und dadurch ist es möglich, die Geschwindigkeit der Abscheidung der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht 4 zu steuern. So ist es möglich, die mit Y₂O₃ partiell stabilisierte ZrO₂-Schicht 4 so auszubilden, daß sie eine vorbestimmte Dickenverteilung aufweist. Mit anderen Worten: Wenn das Verfahren der physikalischen Abscheidung aus der Dampfphase in dem Zustand durchgeführt wird, daß vorher die bewegliche Gasturbinenschaufel mit dem Netz überzogen wird, das eine unterschiedliche Maschenanordnung aufweist, ist die Abscheidegeschwindigkeit in Abhängigkeit von den Stellen der Schaufel unterschiedlich. Als Ergebnis ist es möglich, eine bewegliche Gasturbinenschaufel 1 herzustellen, die eine größere Dicke der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht im Bereich der Umgebung 5 der Vorderkante und im Bereich der Umgebung 6 der rückwärtigen Kante aufweist.
Der folgende Sachverhalt ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung offensichtlich: Es ist möglich, in einfacher Weise die Eigenschaften der Wärmesperre-Schicht dadurch zu steuern, daß man die Wärmebeständigkeit des Wärmesperre-Überzugs auf der beweglichen Gasturbinenschaufel variiert. So wird die Wärmebeständigkeit des Wärmesperre-Überzugs in Übereinstimmung mit dem Zustand des Verbrennungsgases gesteuert, dem die bewegliche Gasturbinenschaufel ausgesetzt ist, wodurch die Oberflächentemperatur des Basismaterials der beweglichen Schaufel einheitlich gemacht wird. Noch spezieller wird in dem Fall, in dem man die Umgebung der Vorderkante und die Umgebung der rückwärtigen Kante der Schaufel, die relativ strengen Verbrennungsgas-Bedingungen ausgesetzt sind, mit einem Wärmesperre-Überzug versieht, die Wärmebeständigkeit des Wärmesperre-Überzugs relativ hoch gemacht, verglichen mit den anderen Abschnitten, wodurch die Oberflächentemperatur des Basismaterials der beweglichen Schaufel einheitlich gemacht wird. Dann ist es möglich, die Wärmebeständigkeit des Wärmesperre-Überzugs dadurch hoch zu machen, daß man eine große Dicke der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht wählt, daß man deren Porosität hoch macht und daß man den Wert des Verhältnisses der Zusammensetzung klein macht.
Insbesondere weist gemäß der vorliegenden Erfindung der Wärmesperre-Überzug in der Umgebung der Vorderkante und in der Umgebung der rückwärtigen Kante, die einem Verbrennungsgas unter erschwerten Temperaturbedingungen ausgesetzt sind, verbesserte thermische Eigenschaften auf, so daß die Oberflächentemperatur des Basismaterials der beweglichen Schaufel einheitlich gemacht werden kann. So besteht bei dem Ziel, die Wärmesperre-Eigenschaften in Übereinstimmung mit dem Temperaturzustand zu steuern, dem die bewegliche Gasturbinenschaufel ausgesetzt ist, keine Notwendigkeit zur Durchführung eines unnötigen Abkühlschrittes. Als Ergebnis ist es möglich, die absolute Menge des Kühlmediums zu verringern und damit die Effizienz der Gasturbine zu verbessern.
Weiter werden die Wärmesperre-Eigenschaften in Übereinstimmung mit dem Temperaturzustand gesteuert, dem die bewegliche Gasturbinenschaufel ausgesetzt ist. Dadurch ist es möglich, die Oberflächentemperatur des Basismaterials der beweglichen Schaufel in den Bereichen zu verringern, die einem bei schädlichen Temperaturbedingungen befindlichen Verbrennungsgas ausgesetzt sind, den Temperaturgradienten in Dickenrichtung des Basismaterials der beweglichen Turbinenschaufel zu verringern und die thermische Belastung des Basismaterials der beweglichen Turbinenschaufel zu verringern. Als Ergebnis kann die Lebensdauer der Gasturbine verlängert werden.
Darüber hinaus werden die Wärmesperre-Eigenschaften in Übereinstimmung mit der Temperatur gesteuert, der die umlaufende Gasturbinenschaufel ausgesetzt ist. Daher ist es möglich, das Auftreten von lokal bei hoher Temperatur befindlichen hot spots, wie sie beispielsweise von einem Verbrennungsgas und einem Kühlgas erzeugt werden, zu verringern. Als Ergebnis ist es möglich, eine plötzliche Oxidation der MCrAlY-Schicht und des Basismaterials zu verhindern, was ein Abschälen des Wärmesperre-Überzugs hervorruft, und das Auftreten starker thermischer Belastung zu verringern.
Neben dem mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂ können weitere Materialien wie beispielsweise Al₂O₃, HfO₂, ThO₂ und BeO als Keramikmaterialien auf Oxid-Basis genannt werden, die chemisch stabil sind, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen und damit wirksam sind als Wärmesperre-Überzugsmaterial. Die Wärmeleitfähigkeit ist eine physikalische Eigenschaft, die dem Material eigen ist. Aus diesem Grund ist die Wärmeleitfähigkeit der Keramikmaterialien auf Oxid-Basis in starkem Maße unterschiedlich. Daher wird das Material zum Hitzesprühen in Abstimmung mit den durch Hitzesprühen aufgebrachten Abschnitten ausgewählt bzw. gesteuert. Als Ergebnis ist es möglich, eine bewegliche Gasturbinenschaufel herzustellen, die mit dem Wärmesperre-Überzug versehen ist, der verbesserte Wärmesperre-Eigenschaften in dem die Vorderkante umgebenden Bereich und in dem die rückwärtige Kante umgebenden Bereich aufweist.
9 gibt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wieder. Darin wird eine stationäre Gasturbinenschaufel beschrieben, die mit einem Wärmesperre-Überzug versehen ist. Es wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen stationären Gasturbinenschaufel beschrieben.
9 ist eine schematische Ansicht, die einen Querschnitt durch eine stationäre Gasturbinenschaufel zeigt, die mit einem Wärmesperre-Überzug gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung versehen ist.
Wie in 9 gezeigt ist, wird bei einer stationären Gasturbinenschaufel 7 eine MCrAlY-Legierungsschicht 9 (M steht für Cr, Co oder Ni), die eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit aufweist, auf einem Basismaterial 8 für eine stationäre Gasturbinenschaufel gebildet, das aus einer Superlegierung auf Ni-Basis, Co-Basis oder Fe-Basis besteht, die eine ausgezeichnete Festigkeit bei hoher Temperatur aufweist. Außerdem wird eine mit Y₂O₃ partiell stabilisierte ZrO₂-Schicht 10, die eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist und chemisch stabil ist, auf der MCrAlY-Legierungsschicht 9 gebildet. Auf diese Weise besteht der Wärmesperre-Überzug aus der MCrAlY-Legierungsschicht 9 und der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht 10.
Bei der stationären Gasturbinenschaufel 7, wie sie in 9 gezeigt ist, ist insbesondere jeder der Wärmesperre-Überzüge auf der Rückseite 11 und auf der Vorderseite (Bauchseite) 12 relativ stark einem unter Bedingungen einer hohen Temperatur befindlichen Verbrennungsgas ausgesetzt. Aus diesem Grund haben diese Wärmesperre-Überzüge eine Dicke von mehr als 0,1 mm und weniger als 1,0 mm, und in diesem Bereich ist die mit Y₂O₃ partiell stabilisierte ZrO₂-Schicht 4 dicker ausgebildet als in den anderen Bereichen. Außerdem haben zur Verbesserung der Wärmesperre-Eigenschaften diese Wärmesperre-Überzüge eine Porosität, die höher ist als diejenige in anderen Bereichen, d. h. eine Porosität, die im Bereich von 10% oder mehr bis 40% oder weniger liegt. So wird der Unterschied der Oberflächentemperatur des Basismaterials 8 der stationären Schaufel auf einen Wert innerhalb eines Bereichs von 100°C festgesetzt.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung der stationären Gasturbinenschaufel 7 gemäß der obigen Ausführungsform beschrieben, auf die der Wärmesperre-Überzug aufgebracht wird.
Zuerst wird ein MCrAlY-Legierungspulver (M steht für Cr, Co oder Ni) in eine Hochtemperatur-Wärmequelle wie beispielsweise ein Plasma oder ein Verbrennungsgas eingeführt. Anschließend werden die geschmolzenen MCrAlY-Legierungsteilchen auf eine stationäre Turbinenschaufel 8 aus einer Superlegierung auf Ni-Basis, Co-Basis oder Fe-Basis aufgesprüht, die eine ausgezeichnete Hochtemperatur-Festigkeit aufweist. Dies geschieht mit hoher Geschwindigkeit. So wird eine MCrAlY-Legierungsschicht 9 gebildet.
Danach wird das Pulver des mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂ in die Hochtemperatur-Wärmequelle wie beispielsweise ein Plasma oder ein Verbrennungsgas eingeleitet. Danach werden die Teilchen von geschmolzenem, mit Y₂O₃ partiell stabilisiertem ZrO₂ auf die MCrAlY-Legierungsschicht 9 mit hoher Geschwindigkeit aufgesprüht. So wird die mit Y₂O₃ partiell stabilisierte ZrO₂-Schicht 10 gebildet. Im Fall der Bildung des Wärmesperre-Überzugs in Form der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht 4 auf der Rückseite 11 und der Vorderseite (Bauchseite) 12 der Turbinenschaufel weisen diese Überzüge eine Dicke und Porosität auf, die größer ist als die entsprechenden Werte der anderen Bereiche, die nicht strengen Bedingungen hoher Temperatur ausgesetzt sind. Dies geschieht durch Variieren der Parameter des thermischen Sprühverfahrens wie beispielsweise der Zufuhrmenge des Rohpulvers, der Korngröße des Rohpulvers, der Zufuhrgeschwindigkeit der Hitze-Sprühpistole, des Winkels der Hitze-Sprühpistole, der Sprühentfernung, der Energie des Sprühvorgangs und dergleichen. So werden die Wärmesperre-Eigenschaften relativ verbessert. Was die Abscheidegeschwindigkeit entsprechend der Dicke der aufgesprühten Abschnitte angeht, tritt das durch thermisches Sprühen aufgebrachte Material durch das unterschiedliche Maschenweite aufweisende Netz hindurch, das eine plattenartige Struktur mit unterschiedlicher räumlicher Anordnung ist. Dann wird die mit Y₂O₃ partiell stabilisierte ZrO₂-Schicht 10 gebildet.
Genauer gesagt liegt die Menge des Rohpulvers im Bereich von 1 bis 30 cm³/min, liegt die Korngröße des Rohpulvers im Bereich von 1 bis 200 μm, liegt die Zufuhrgeschwindigkeit der Hitze-Sprühpistole im Bereich von 100 bis 1.000 mm/s, liegt der Winkel der Hitze-Sprühpistole im Bereich von 30 bis 90°, liegt die Sprühentfernung im Bereich von 5 bis 300 mm und liegt die Energie des Sprühvorgangs im Bereich von 20 bis 100 kW.
Im Fall der Herstellung der stationären Gasturbinenschaufel 7 ist es wie im Fall der oben beschriebenen beweglichen Gasturbinenschaufel 1 – wie in 5 gezeigt – durch Variieren verschiedener Parameter des thermischen Sprühverfahrens wie beispielsweise der Menge A des Rohpulvers des mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂, der Zufuhrgeschwindigkeit der Hitze-Sprühpistole, dem Winkel der Hitze-Sprühpistole, der Sprühentfernung, der Energie des Sprühvorgangs, möglich, in starker Maße die Abscheidegeschwindigkeit zu variieren. Daher ist es im Fall des Aufsprühen des Wärmesperre-Überzugs auf die stationäre Gasturbinenschaufel 7 durch Variieren der Parameter des thermischen Sprühverfahrens möglich, die Abscheidegeschwindigkeit zu steuern, die der Dicke der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht 10 entspricht, die pro Durchgang gebildet wird. So ist es selbst in dem Fall, in dem das thermische Sprühverfahren mit derselben Anzahl von Durchgängen wiederholt wird, möglich, die mit Y₂O₃ partiell stabilisierte ZrO₂-Schicht so auszubilden, daß sie eine vorbestimmte Dickenverteilung aufweist. Mit anderen Worten: Die Parameter des thermischen Sprühverfahren werden in Abstimmung mit dem zu besprühenden Abschnitt gesteuert, und die Abscheidegeschwindigkeit schwankt. Als Ergebnis dessen ist es möglich, eine stationäre Gasturbinenschaufel 7 herzustellen, die eine dickere, mit Y₂O₃ partiell stabilisierte ZrO₂-Schicht auf der Rückseite 11 aufweist, verglichen mit der Vorderseite (Bauchseite) 12.
Wie in 6 gezeigt, wird die Maschen-Rauhheit des Netzes mittels des thermischen Sprühverfahrens rauh gemacht. Dadurch ist es möglich, die Abscheidegeschwindigkeit zu variieren. Daher wird im Fall des Aufsprühen des Wärmesperre-Überzugs auf die stationäre Gasturbinenschaufel 7 die Maschen-Rauhheit bzw. -Unebenheit des Netzes variiert. Dadurch ist es möglich, die Abscheidegeschwindigkeit der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht 10 zu steuern. So ist es selbst in dem Fall, in dem der Hitze-Sprühvorgang mit derselben Anzahl von Durchgängen wiederholt wird, möglich, die mit Y₂O₃ partiell stabilisierte ZrO₂-Schicht 10 so auszubilden, daß sie eine vorbestimmte Dickenverteilung aufweist. Mit anderen Worten: Die Maschen-Rauhheit bzw. -Unebenheit des Netzes wird in Abstimmung mit dem zu besprühenden Abschnitt variiert, und damit wird auch die Abscheidegeschwindigkeit variiert. Als Ergebnis ist es möglich, eine stationäre Gasturbinenschaufel 7 herzustellen, die eine dickere, mit Y₂O₃ partiell stabilisierte ZrO₂-Schicht 10 auf der Rückseite 11 aufweist, verglichen mit der Vorderseite (Bauchseite) 12.
Wie in 7 gezeigt, ist es durch Variieren verschiedener Parameter des thermischen Sprühverfahrens wie beispielsweise der Menge des Rohpulvers des mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂, der Pulverkorngröße, der Zufuhrgeschwindigkeit der Hitze-Sprühpistole, des Winkels der Hitze-Sprühpistole und der Sprühentfernung und Sprühenergie möglich, in weitem Umfang die Porosität der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht zu variieren. Im Fall des Aufsprühen des Wärmesperre-Überzugs auf die stationäre Gasturbinenschaufel 7 ist es durch Variieren der Parameter des thermischen Sprühverfahren möglich, die Porosität der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht 10 zu steuern. So wird es möglich, die mit Y₂O₃ partiell stabilisierte ZrO₂-Schicht 10 so auszubilden, daß sie eine unterschiedliche Porosität in den aufzusprühenden Abschnitten aufweist. Mit anderen Worten: Die Parameter des thermischen Sprühverfahrens werden in Abstimmung mit dem zu besprühenden Abschnitt gesteuert. Dadurch schwankt die Porosität. Als Ergebnis ist es möglich, die stationäre Gasturbinenschaufel 7 so herzustellen, daß sie verbesserte Wärmesperre-Eigenschaften aufweist, indem man die Porosität der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht 10 auf der Rückseite 11 hoch macht, verglichen mit der Vorderseite (Bauchseite) 12.
Wie in 8 gezeigt ist, wird die Maschen-Rauhheit bzw. -Unebenheit des Netzes mittels des Verfahren der physikalischen Abscheidung aus der Dampfphase rauh gemacht, wodurch in weitem Bereich die Abscheidegeschwindigkeit variiert wird. Daher wird im Fall des Aufsprühen des Wärmesperre-Überzugs auf die stationäre Gasturbinenschaufel 7 die Maschen-Rauhheit des Netzes variiert, und dadurch kann die Abscheidegeschwindigkeit der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht 10 gesteuert werden. So ist es möglich, die mit Y₂O₃ partiell stabilisierte ZrO₂-Schicht 10 durch das Verfahren der physikalischen Abscheidung aus der Dampfphase so auszubilden, daß sie eine vorbestimmte Dickenverteilung aufweist. Mit anderen Worten: Wenn die physikalische Abscheidung aus der Dampfphase in einer solchen Situation durchgeführt wird, daß vorher die stationäre Gasturbinenschaufel mit dem Netz mit unterschiedlicher Maschenanordnung überzogen wurde, ist die Abscheidegeschwindigkeit an den zu besprühenden Teilen unterschiedlich. Als Ergebnis dessen ist es möglich, eine stationäre Gasturbinenschaufel 7 herzustellen, die eine dickere, mit Y₂O₃ partiell stabilisierte ZrO₂-Schicht 10 auf der Rückseite 11 aufweist, verglichen mit der Vorderseite (Bauchseite) 12.
Bei der stationären Gasturbinenschaufel 7 gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, in einfacher Weise die Wärmesperre-Eigenschaften dadurch zu steuern, daß man die Wärmebeständigkeit des Wärmesperre-Überzugs variiert. So wird die Wärmebeständigkeit des Wärmesperre-Überzugs in Abstimmung mit den Temperaturbedingungen des Verbrennungsgases gesteuert, denen die stationäre Gasturbinenschaufel ausgesetzt ist, wodurch die Oberflächentemperatur des Basismaterials 8 der stationären Schaufel einheitlich gemacht wird. Noch spezieller wird die Wärmebeständigkeit des Wärmesperre-Überzugs auf der Rückseite 11, die strengen Temperaturbedingungen des Verbrennungsgases ausgesetzt ist, höher gemacht als die des Wärmesperre-Überzugs auf der Vorderseite (Bauchseite) 12, wodurch die Oberflächentemperatur des Basismaterials 8 der stationären Schaufel einheitlich gemacht wird. Dann ist es möglich, die Wärmebeständigkeit des Wärmesperre-Überzugs dadurch hoch zu machen, daß man die Dicke der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht 10 hoch macht, die Porosität der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht 10 hoch macht und den Wert des Verhältnisses der Zusammensetzung der mit Y₂O₃ partiell stabilisierten ZrO₂-Schicht klein macht.
Weiter weist gemäß der vorliegenden Erfindung der Wärmesperre-Überzug auf der Rückseite 11, der strengen Temperaturbedingungen des Verbrennungsgases ausgesetzt ist, verbesserte thermische Eigenschaften auf, so daß die Oberflächentemperatur des Basismaterials 8 der stationären Schaufel einheitlich gemacht werden kann. So besteht bei dem Ziel, die Wärmesperre-Eigenschaften in Abstimmung mit den Temperaturbedingungen zu steuern, denen die umlaufende bzw. die stationäre Gasturbinenschaufel ausgesetzt ist, keine Notwendigkeit, einen erforderlichen Schritt des Kühlen durchzuführen. Als Ergebnis dessen ist es möglich, die absolute Menge des Kühlmediums zu reduzieren und die Effizienz der Gasturbine zu verbessern.
Weiter werden die Wärmesperre-Eigenschaften in Abstimmung mit den Temperaturbedingungen gesteuert, denen die bewegliche bzw. stationäre Gasturbinenschaufel ausgesetzt ist. Daher ist es möglich, die Oberflächentemperatur des Basismaterials 8 der stationären Schaufel in den Abschnitten zu reduzieren, die strengen Temperaturbedingungen des Verbrennungsgases ausgesetzt sind, den Temperaturgradienten in Dickenrichtung des Basismaterials 8 der stationären Turbinenschaufel zu verringern und die Wärmebelastung des Basismaterials 8 der stationären Turbinenschaufel zu verringern. Als Ergebnis dessen kann die Lebensdauer der Gasturbine verlängert werden.
Ferner werden die Wärmesperre-Eigenschaften in Abstimmung mit den Temperaturbedingungen gesteuert, denen die stationäre Gasturbinenschaufel ausgesetzt ist. Daher ist es möglich, das Auftreten von hot spots zu reduzieren. Als Ergebnis dessen ist es möglich, eine plötzliche Oxidation der MCrAlY-Schicht 9 und des Basismaterials 8 der stationären Schaufel zu verringern, die ein Abschälen des Wärmesperre-Überzugs hervorruft, und die Ausbildung von großer thermischer Spannung zu verringern.
In den obigen Ausführungsformen wurden die Fälle erklärt, in denen die bewegliche Gasturbinenschaufel 1 und die stationäre Gasturbinenschaufel 7 mit dem Wärmesperre-Überzug versehen werden. Die vorliegende Erfindung ist auch anwendbar auf andere Hochtemperatur-Komponenten wie beispielsweise die Außenwände eines Strahltriebwerks oder einer Rakete, die einer bei hoher Temperatur befindlichen Umgebung ausgesetzt sind.

Claims

Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine, umfassend – ein Metall-Basismaterial aus einer hitzebeständigen Legierung, die im Wesentlichen aus wenigstens einem Material auf Ni-Basis, einem Material auf Co-Basis und einem Material auf Fe-Basis besteht; und – einen Wärmesperre-Überzug, der auf eine Oberfläche des Metall-Basismaterials aufgebracht ist und eine Wärmesperre-Keramikschicht umfasst; wobei die Porosität der Wärmesperre-Keramikschicht auf verschiedenen Abschnitten des Metall-Basismaterials variiert, so dass die Oberflächentemperatur des Metall-Basismaterials bei Verwendung in einer Hochtemperatur-Umgebung einheitlich ist; die Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine eine bewegliche Gasturbinenschaufel und/oder eine stationäre Gasturbinenschaufel ist; und wenigstens ein Abschnitt der Wärmesperre-Keramikschicht, der in dem die Vorderkante umgebenden Bereich oder in dem die rückwärtige Kante umgebenden Bereich der beweglichen Schaufel der Gasturbine oder der stationären Schaufel der Gasturbine ausgebildet ist und eine relativ hohe Temperatur aufweist, eine Porosität aufweist, die größer ist als diejenige eines anderen Abschnitts der Schaufel, oder die Porosität auf der Rückseite der beweglichen oder der stationären Schaufel der Gasturbine, die eine relativ hohe Temperatur aufweist, größer ist als die der Vorderseite (Bauchseite), wobei die Porosität der Wärmesperre-Keramikschicht in den Abschnitten höherer Porosität im Bereich von 10% oder mehr bis 40% oder weniger liegt, und die Porosität in den Abschnitten niedrigerer Porosität im Bereich von 2% oder mehr bis 20% oder weniger liegt.
Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Wärmesperre-Keramikschicht, die auf einem Vorderkanten-Abschnitt oder einem rückwärtigen Kanten-Abschnitt der beweglichen Schaufel der Gasturbine oder der stationären Schaufel der Gasturbine ausgebildet ist, die eine relativ hohe Temperatur aufweisen, eine Dicke aufweist, die größer ist als diejenige eines anderen Abschnitts der Schaufel.
Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesperre-Keramikschicht in einem dickeren Abschnitt eine Dicke im Bereich von 0,1 mm oder mehr bis 1,0 mm oder weniger aufweist und in einem dünneren Abschnitt eine Dicke im Bereich von 0 mm oder mehr bis 0,5 mm oder weniger aufweist, und die Dicke im dünneren Abschnitt der Wärmesperre-Keramikschicht geringer ist als derjenige im dickeren Abschnitt der Wärmesperre-Keramikschicht.
Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesperre-Keramikschicht, die auf einer Rückseite der beweglichen Schaufel der Gasturbine oder der stationären Schaufel der Gasturbine gebildet ist, die eine relativ hohe Temperatur aufweisen, eine Dicke aufweist, die größer ist als die Dicke der Wärmesperre-Keramikschicht, die auf der Vorderseite (Bauchseite) der Schaufel gebildet ist, die eine relativ niedrige Temperatur aufweist.
Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesperre-Keramikschicht in ihrem dickeren Abschnitt eine Dicke aufweist, die im Bereich von 0,1 mm oder mehr bis 1,0 mm oder weniger liegt, und in ihrem dünneren Abschnitt eine Dicke aufweist, die im Bereich von 0 mm oder mehr bis 0,5 mm oder weniger liegt, und die Dicke des dünneren Abschnitts der Wärmesperre-Keramikschicht geringer ist als die Dicke des dickeren Abschnitts der Wärmesperre-Keramikschicht.
Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Keramikmaterial auf Oxid-Basis als Material der Wärmesperre-Keramikschicht verwendet wird und das Keramikmaterial auf Oxid-Basis im Wesentlichen ZrO₂ und wenigstens eines oder mehrere der Additive MgO, CaO, Y₂O₃ oder CeO₂ umfaßt.
Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Keramikmaterial auf Oxid-Basis als Material der Wärmesperre-Keramikschicht verwendet wird und das Keramikmaterial auf Oxid-Basis im wesentlichen wenigstens eine der Verbindungen Al₂O₃, HfO₂, ThO₂ oder BeO umfaßt.
Verfahren zur Herstellung einer Hochtemperatur-Komponente für eine Gasturbine, umfassend die Schritte: – Herstellen eines Metall-Basismaterials, das aus einer hitzebeständigen Legierung hergestellt ist, die im Wesentlichen wenigstens ein Material aus der Gruppe Material auf Ni-Basis, Material auf Co-Basis und Material auf Fe-Basis umfasst; und – Aufbringen eines Wärmesperre-Überzugs, der eine Wärmesperre-Keramikschicht umfaßt, auf eine Oberfläche des Metall-Basismaterials, wobei Porosität der Wärmesperre-Keramikschicht auf verschiedenen Abschnitten des Metall-Basismaterials variiert wird, so dass die Porosität der Wärmesperre-Keramikschicht in den Abschnitten höherer Porosität im Bereich von 10% oder mehr bis 40% oder weniger liegt, und die Porosität in den Abschnitten niedrigerer Porosität im Bereich von 2% oder mehr bis 20% oder weniger liegt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesperre-Keramikschicht durch Aufsprühen eines Rohpulvers eines Wärmesperre-Keramikmaterials mit hoher Geschwindigkeit gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesperre-Keramikschicht im geschmolzenen Zustand durch Anwendung eines Plasmas aufgesprüht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrmenge an Rohpulver, die Korngröße des Rohpulvers, die Zufuhrgeschwindigkeit der Hitze-Sprühpistole, der Winkel der Hitze-Sprühpistole, die Sprühentfernung und die Sprühenergie optimiert werden und die Abscheidegeschwindigkeit, die die ausgebildete Beschichtungsdicke pro Durchgang ist, so variiert wird, dass die Dicke und die Porosität der Wärmesperre-Keramikschicht in Abhängigkeit von den zu besprühenden Abschnitten variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Target-Material mittels eines Elektronenstrahls erhitzt und verdampft wird, der so erhaltene Dampf auf der Oberfläche des Metall-Basismaterials abgeschieden und so die Wärmesperre-Keramikschicht gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohpulver des Wärmesperre-Keramikmaterials durch eine Platte mit unterschiedlichem Raumverhältnis geführt wird und so die Abscheidegeschwindigkeit variiert wird.