DE60305329T2 - Hochoxidationsbeständige komponente - Google Patents

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Description

  • Erfindungsgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Komponente, insbesondere eine Laufschaufel oder eine Leitschaufel einer Gasturbine, mit hoher Oxidationsbeständigkeit.
  • Allgemeiner Stand der Technik
  • Metallische Komponenten, die einer hohen Temperatur ausgesetzt sind, müssen vor Hitze und Korrosion geschützt werden.
  • Insbesondere ist es bei Gasturbinen mit ihrer Verbrennungskammer oder ihren Turbinenlauf schaufeln oder -leitschaufeln üblich, die Komponenten mit einer schützenden MCrAlY-Zwischenschicht (M= Fe, Co, Ni) zu schützen, die für Oxidationsbeständigkeit sorgt, und einer keramischen Wärmebarrierenbeschichtung, die das Substrat der metallischen Komponente vor der Hitze schützt.
  • Aufgrund von Oxidation entsteht zwischen der MCrAlY- und der Wärmebarrierenbeschichtung eine Aluminiumoxidschicht.
  • Für eine lange Lebensdauer einer beschichteten Komponente ist es erforderlich, eine gute Verbindung zwischen der MCrAlY-Schicht und der Wärmebarrierenschicht zu haben, die bereitgestellt wird durch das Bonden der Wärmebarrierenbeschichtung und der Oxidschicht auf die MCrAlY-Schicht.
  • Wenn zwischen den beiden miteinander verbindenden Schichten eine thermische Fehlanpassung vorherrscht oder wenn die Keramikschicht nicht gut an die auf der MCrAlY-Schicht ausgebildete Aluminiumoxidschicht gebonded ist, kommt es zu einem Abplatzen der Wärmebarrierenbeschichtung.
  • Aus der US-PS 6,287,644 ist eine kontinuierlich abgestufte MCrAlY-Bondschicht bekannt, die mit zunehmender Entfernung von dem darunterliegenden Substrat eine kontinuierlich zunehmende Menge an Chrom, Silizium oder Zirkonium aufweist, um die thermische Fehlanpassung zwischen der Bondschicht und der Wärmebarrierenbeschichtung zu reduzieren, indem der Wärmeausdehnungskoeffizient eingestellt wird.
  • Die US-PS 5,792.521 zeigt eine mehrschichtige Wärmebarrierenbeschichtung.
  • Aus der US-PS 5,514,482 ist ein Wärmebarriernbeschichtungssystem für Superlegierungskomponenten bekannt, das die MCrAlY-Schicht eliminiert, indem eine Aluminidbeschichtungsschicht wie etwa NiAl verwendet wird, die eine ausreichend große Dicke aufweisen muß, damit ihre gewünschten Eigenschaften erzielt werden. Ähnliches ist aus der US-PS 6,255,001 bekannt.
  • Die NiAl-Schicht weist den Nachteil auf, daß sie sehr brüchig ist, was zu einem frühen Abplatzen der daraufliegenden Wärmebarrierenbeschichtung führt.
  • Die EP 1 082 216 B1 zeigt eine MCrAlY-Schicht mit der γ-Phase als ihrer äußeren Schicht. Doch ist der Aluminiumgehalt hoch und diese γ-Phase der äußeren Schicht wird nur durch Wiederschmelzen oder Abscheiden aus einer flüssigen Phase auf teure Weise erhalten, weil zusätzliche Geräte für den Prozeß des Wiederschmelzens oder Beschichtens mit flüssiger Phase benötigt werden.
  • US-A-5,507,623 beschreibt eine Turbinenlaufschaufel, die beschichtet ist und mit einer ersten chicht in Kontakt steht, die aus MCrAlY besteht, wobei M = Co oder Ni/Co. Eine zweite Schicht wird auf die erste Schicht aufgebracht, wobei die zweite Schicht aus MCrAlY besteht, mit M = Ni.
  • WO 99 55527 lehrt eine Gasturbinenlaufschaufel, die eine metallische Basis mit einer korrosionsbeständigen Schicht aufweist, die aus einer ersten und einer zweiten MCrAlY-Schicht besteht, wobei die erste MCrAlY-Schicht mit der Basis zusammenhängt. Die zweite MCrAlY-Schicht besteht hauptsächlich aus der γ-Phase. Bevorzugt wird die zweite Schicht durch einen Elektronen- oder Ionenstrahl wiedergeschmolzen, um zu einer äußeren Schicht zu führen, die aus einer reinen äußeren γ-Phase besteht.
  • MÜLLER G. ET AL. lehrt in „OXIDE SCALE GROWTH ON MCRALY COATINGS AFTER PULSED ELECTRON BEAM TREATMENT", SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, Band 108/109, Nr. 1-3, 1998, Seiten 43-47, ein gepulstes Elektronenstrahlbehandlungsverfahren, das die Oxidationsbeständigkeit von MCrAlY-Beschichtungen verbessert. Es wird gezeigt, daß vor der Behandlung eine β- und eine γ-Phase anzutreffen sind, wohingegen nach der Behandlung fast nur eine reine γ-Phase vorliegt.
  • Aus US-A-4,615,864 ist eine Legierung bekannt für das Beschichten von Superlegierungen, die beispielsweise für gute Oxidations- und Wärmeermüdungsbeständigkeit beispielsweise für in Gasturbinen verwendete Komponenten sorgt.
  • Kurze Darstellung der Erfindung
  • Gemäß dem oben Gesagten besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Beschreibung einer Schutzschicht mit einer guten Oxidationsbeständigkeit und auch mit einer guten Bindung an die Wärmebarrierenbeschichtung.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Schutzschicht, wie in der Komponente von Anspruch 1 definiert, gelöst.
  • Insbesondere wird die äußere Schicht, die aus einer γ-Ni-Festlösung besteht, derart gewählt, daß das Material der äußeren Schicht zum Beispiel durch Plasmasprühen aufgetragen werden kann. Dies hat den Vorteil, daß die äußere Schicht in dem gleichen Beschichtungsgerät direkt nach der Abscheidung der inneren Schicht abgeschieden werden kann, ohne die Oberfläche in einer anderen Vorrichtung wieder zu schmelzen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
  • 1 zeigt eine wärmebeständige Komponente, wie im Stand der Technik bekannt,
  • 2 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen oxidationsbeständigen Komponente.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung kann in vielen verschiedenen Formen verkörpert werden und sollte nicht so ausgelegt werden, als wenn sie auf die hier dargelegten veranschaulichten Ausführungsformen beschränkt wäre. Vielmehr werden diese dargestellten Ausführungsformen vorgelegt, damit diese Offenbarung eingehend und vollständig ist, und sie präsentiert dem Fachmann vollständig den Schutzbereich der Erfindung wie durch die beigefügten Ansprüche definiert.
  • 1 zeigt eine wärmebeständige Komponente, wie im Stand der Technik bekannt.
  • Die hoch oxidationsbeständige Komponente weist ein Substrat 4 auf, eine MCrAlY-Schicht 7 auf dem Substrat, worauf eine thermisch aufgewachsene Oxidschicht 10 (TGO -Thermally Grown Oxide) ausgebildet oder aufgebracht wird und schließlich eine äußere Wärmebarrierenbeschichtung 13.
  • 2 zeigt eine hoch oxidationsbeständige Komponente 1 gemäß der Erfindung.
  • Die Komponente 1 kann Teil einer Gasturbine sein, insbesondere eine Turbinenlaufschaufel oder -leitschaufel oder eine Wärmeabschirmung.
  • Das Substrat 4 ist metallisch, z.B. eine Superlegierung (z.B. Ni-Al-basiert).
  • Auf dem Substrat 4 ist die Zwischenschichtzone 16 eine herkömmliche Schicht 16 vom Typ NiCoCrAlY mit einer Zusammensetzung (in Gew.-%) 10% – 50% Kobalt (Co), 10% – 40% Chrom (Cr), 6% – 15% Aluminium (Al), 0,02% – 0,5% Yttrium (Y) und Nickel (Ni) als Basis oder Rest.
  • Die Schicht 16 kann weiterhin Elemente enthalten wie etwa 0,1% – 2% Silizium (SI), 0,2% – 8% Tantal (Ta), 0,2% – 5% Rhenium (Re).
  • Statt dessen kann mindestens ein Teil des Yttriums dieser Schichtzone 16 durch Hafnium (Hf) und/oder Zirkonium (Zr) und/oder Lanthan (La) und/oder Cer (Ce) oder andere Elemente der Lanthanoid-Gruppe ersetzt werden.
  • Die Dicke dieser herkömmlichen Schicht 16 liegt im Bereich von 100 bis 500 Mikrometer und wird durch Plasmasprühen (VPS, APS) oder andere herkömmliche Beschichtungsverfahren aufgetragen.
  • Bei diesem Beispiel offenbart die erfindungsgemäße hoch oxidationsbeständige Komponente 1 eine Zwischenschicht 16 mit einer weiteren äußeren Schichtzone 19 darauf, die zusammen mit der Schichtzone 16 die Schutzschicht 17 bildet.
  • Auf herkömmlichen MCrAlY-Beschichtungen wird üblicherweise die stabile α-Phase des Aluminiumoxids ausgebildet, wenn die Beschichtung hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Während der Verwendung der hitzebeständigen Komponente 1 mit ihrer äußeren Schicht 19 jedoch kann metastabiles Aluminiumoxid 10 während der Hochtemperaturbehandlung in die stabile α-Phase umgewandelt werden, was zu einer erwünschten Mikroporosität in der TGO führt.
  • Eine Möglichkeit einer Komponente 1 gemäß der Erfindung ist derart gegeben, daß die Standardschicht 16, die vom Typ NiCoCrAlY ist, eine Aluminiummenge zwischen 8% und 14 Gew.-% bei einer Dicke von 50 bis 600 Mikrometer, insbesondere zwischen 100 und 300 Mikrometern, aufweist.
  • Auf dieser Schicht 16 wird eine zweite äußere Schichtzone 19 vom Typ NiCoCrAlY aufgebracht. Die Zusammensetzung dieser zweiten Schicht wird so gewählt, daß die äußere Schicht 19 bei einer hohen Anwendungstemperatur (900° – 1100°C) eine reine γ-Ni-Matrix zeigt. Eine geeignete Zusammensetzung der zweiten Schicht (19) kann aus den bekannten Phasendiagrammen Ni-Al, Ni-Cr, Co-Al, Co-Cr, Ni-Cr-Al, Co-Cr-Al hergeleitet werden.
  • Im Vergleich zu herkömmlichen MCrAlY-Beschichtungen weist diese modifizierte Schicht 19 eine niedrigere Aluminiumkonzentration mit einer Aluminiumkonzentration von zwischen 3 – 6,5 Gew.-% auf, was durch Plasmasprühen leicht aufgebracht werden kann, indem einfach die Pulverzufuhr der Plasmasprühvorrichtung entsprechend geändert wird.
  • Jedoch kann die Schicht 19 auch durch andere herkömmliche Beschichtungsverfahren aufgebracht werden.
  • Die Zusammensetzung dieser Schicht 19, die aus γ-Phase besteht, lautet: 15 – 40 Gew.-% Chrom (Cr), 5 – 80 Gew.-% Cobalt (Co), 3 – 6,5 Gew.-% Aluminium (Al) und Ni-Basis, insbesondere 20 – 30 Gew.-% Cr, 10 – 30 Gew.-% Co, 5 – 6 Gew.-% Al und Ni-Basis.
  • Die Dicke der modifizierten MCrAlY-Schicht 19 liegt zwischen 1 und 80 Mikrometer, insbesondere zwischen 3 und 20 Mikrometer.
  • Eine Wärmebehandlung vor dem Aufbringen einer Wärmebarrierenbeschichtung kann in einer Atmosphäre mit einem niedrigen Sauerstoffpartialdruck ausgeführt werden, insbesondere bei 10–7 und 10–15 Bar.
  • Die Ausbildung des gewünschten metastabilen Aluminiumoxids auf der modifizierten Schicht 19 auf Basis der γ-Phase kann erhalten werden durch Oxidation der Schicht 19 bei einer Temperatur zwischen 850°C und 1000°C vor einer Opposition einer Wärmebarrierenbeschichtung, insbesondere zwischen 875°C und 925°C für 2 – 100 Stunden, insbesondere zwischen 5 und 15 Stunden.
  • Die Ausbildung dieses metastabilen Aluminiumoxids während dieses erwähnten Oxidationsprozesses kann durch das Zusetzen von Wasserdampf (0,2 – 50 Vol.-%, insbesondere 20 – 50 Vol.-%) in der Oxidationsatmosphäre oder durch die Verwendung einer Atmosphäre mit einem sehr niedrigen Sauerstoffpartialdruck bei einer Temperatur zwischen 800°C und 1100°C, insbesondere zwischen 850°C und 1050°C, gefördert werden. Zusätzlich zu Wasserdampf kann die Atmosphäre auch nichtoxidierende Gase wie etwa Stickstoff, Argon oder Helium enthalten.
  • Weil die Schicht 19 dünn ist, kann Aluminium von der inneren oder Standardschicht 16 durch die Schicht 19 diffundieren, um die Ausbildung von Aluminiumoxid auf der äußeren Oberfläche der Schicht 19 bei langem Einsatz zu unterstützen, was durch die Schicht 19 für sich alleine aufgrund ihrer niedrigen Aluminiumkonzentration nicht geleistet werden könnte.
  • 2 zeigt eine zweischichtige Schutzschicht 17, wobei auf der äußeren Schichtzone (19) eine Wärmebarrierenbeschichtung (13) ausgebildet ist.

Claims (8)

  1. Hoch oxidationsbeständige Komponente (1), mit einem Substrat (4), einer Schutzschicht (17), wobei die Schutzschicht (17) aus zwei getrennten Schichten (16, 19) besteht: einer NiCoCrAlY-Zwischenschichtzone (16) auf oder in der Nähe des Substrats (4), die (in Gew.-%) die folgende Zusammensetzung aufweist: 10% – 50% Co, 10% – 40% Cr, 6% – 15% Al, 0,02% – 0,5% Y, Ni-Basis, und eine äußere Schichtzone (19), die die Struktur des γ-Phase-Ni aufweist und aus reinem γ-Phase-Ni besteht und die (in Gew.-%) die folgende Zusammensetzung aufweist: 15% – 40% Cr, 5% – 80% Co, 3% – 6,5% Al und Ni-Basis, wobei sich die äußere Schichtzone (19) auf der NiCoCrAlY-Zwischenschichtzone (16) befindet.
  2. Komponente nach Anspruch 1, wobei die äußere Schichtzone (19) dünner ist als die Zwischenschicht (16) auf oder in der Nähe des Substrats (4).
  3. Komponente nach Anspruch 1, wobei die NiCoCrAlY-Zwischenschicht (16) oder die äußere Schichtzone (19) mindestens ein weiteres Element wie etwa (in Gew.-%): 0,1% – 2% Si, 0,2% – 8% Ta oder 0,2% – 5% Re enthält.
  4. Komponente nach Anspruch 1, wobei das Yttrium des NiCoCrAlY der NiCoCrAlY-Zwischenzone (16) zumindest teilweise durch mindestens ein anderes Element der Gruppe Hf, Zr, La, Ce und/oder andere Elemente der Lanthanoid-Gruppe ersetzt wird.
  5. Komponente nach Anspruch 1, wobei die Schichtzone (16, 19) Ti (Titan) und/oder Sc (Skadium) enthält.
  6. Komponente nach Anspruch 1, wobei auf der äußeren Schichtzone (19) eine Wärmebarrierenbeschichtung (13) ausgebildet ist.
  7. Komponente nach Anspruch 3, wobei der Rhenium-Gehalt (Re) zwischen 0,2 und 2 Gew.-% liegt.
  8. Komponente nach Anspruch 6, wobei vor dem Aufbringen einer Wärmebarrierenbeschichtung eine Wärmebehandlung in einer Atmosphäre mit einem niedrigen Sauerstoffpartialdruck, insbesondere bei 10–7 und 10–15 Bar, ausgeführt wird.
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