DE60307041T2

DE60307041T2 - Verfahren zum Aufbringen einer dichten Verschleisschutzschicht und Dichtungsystem

Info

Publication number: DE60307041T2
Application number: DE2003607041
Authority: DE
Inventors: Dr. Abdus Suttar Khan; Ian William Boston; James Alexander Hearley
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2003-03-21
Filing date: 2003-03-21
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2023-03-22
Also published as: EP1460152A1; US20100047460A1; US7851027B2; US20040185294A1; EP1460152B1; DE60307041D1; US7445854B2

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft nach Anspruch 1 ein Verfahren zum Abscheiden einer dichten Verschleißschutzbeschichtung und ein Dichtungssystem nach Anspruch 6.
Stand der Technik
Die Effektivität einer Dichtung zwischen zwei Kontaktflächen von Teilen einer Maschine hängt von der Bildung einer glasierten Schicht auf der Oberfläche unter Betriebsbedingungen ab. Damit eine Dichtung effektiv funktioniert, muss die Kobaltoxidglasur in einer angemessenen und korrekten Menge in der Oberfläche gebildet werden. Zum Beispiel wirkt sich die Bildung von zu wenig oder zuviel der glasierten Schicht in der Kobalt- und Chromcarbid-Verschleißbeschichtung nachteilig auf das Leben der Dichtung aus. Eine angemessene und geeignete Menge Kobaltoxid in dem System ist eine notwendige Bedingung für die Lebensdauer der Verschleißbeschichtung. Derzeitige Dichtungssysteme von Kobalt-Chromcarbid haben die Einschränkung, dass sie bei erhöhten Temperaturen zu viele Kobaltoxide bilden und bei hohen Temperaturen nicht das gewünschte Lebensziel eines Gasturbinen-Dichtungssystems bereitstellen.
Die Verschleißbeschichtungen werden im Allgemeinen durch ein Plasmaspritzverfahren aufgebracht. Zum Beispiel ist aus US-A-5,419,976 bekannt, Verschleißbeschichtungen aus Chrom- und Wolframcarbid durch ein HVOF-Verfahren abzuscheiden. Gleichermaßen ist aus US-A-2001/0026845 bekannt, Verschleiß-, Oxidations- und Korrosionsschutzbeschichtungen durch ein HVOF-Verfahren abzuscheiden. Die offenbarten Beschichtungen waren Titansiliziumcarbid, das heißt, H-Phasen-Keramikstoffe des generischen Typs 3-1-2 und 2-1-1. Indes offenbaren US-A-6,302,318, US-A-6,398,103 und US-A-2001/0006187 Verfahren zum Abscheiden von Verschleißschutzbeschichtungen, wobei eine Folie, welche die Verschleißbeschichtungen enthält, zuerst an die Substratoberfläche gebunden und dann durch Hartlöten verschmolzen wird. Die hier bezeichneten Verschleißbeschichtungen sind vom Chromcarbidtyp. US-A-6,423,432 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Verschleißbeschichtungen durch thermisches Spritzen eines Pulvergemischs aus einer NiCo-Legierung und Chromcarbid zur Bildung einer Chromcarbidbeschichtung und nachfolgendem Aufbringen von Al durch die Diffusion und Infiltration auf die Carbidschicht.
US-A-6,503,340 offenbart ein Verfahren zum Bilden von Chromcarbidbeschichtungen durch Carbonisieren der Oberfläche und nachfolgendem Chromieren zur Bildung einer Carbidbeschichtung.
US-A-5,558,758 offenbart ein Verfahren zum Abscheiden einer Chromcarbidbeschichtung mit Hilfe eines Galvanisierungsverfahrens. Kurz gesagt betrifft das Verfahren die Abscheidung von Chromcarbidteilchen, die in dem Elektrolytbad, das Kobaltsalz in Lösung enthält, in Suspension gehalten werden. Die anderen Beispiele der Einschlussabscheidung zur Herstellung von Schleifspitzen für Gasturbinenschaufeln sind in US-A-5,935,407 und US-A-6,194,086 offenbart. In den hier genannten Beispielen wurde das kubische Bornitrid aus einer Bornitridsuspension in dem Elektrolytbad auf die durch Plasmaspritzverfahren erzeugten MCrAlX-Haftschichten abgeschieden.
In der hier offenbarten Erfindung ist das bevorzugte Verfahren das Galvanisierungsverfahren, das in US-A-5,558,758 offenbart ist. Das Galvanisierungsverfahren wird bevorzugt, da das Verfahren keinerlei Anzeichen einer sichtbaren Einschränkung aufweist und die Beschichtungsdicke besser gesteuert werden konnte als bei dem Plasmaspritzverfahren. Außerdem wird die Carbidverschleißbeschichtung bei oder ungefähr bei Raumtemperatur hergestellt und die Sauerstoff- oder Stickstoffkontamination (die während des Plasmaspritzverfahrens auftreten würde), die sich nachteilig auf die Leitfähigkeit auswirkt, wird beseitigt.
Kurze Darstellung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein stabiles Dichtungssystem mit einer angemessenen, jedoch nicht übermäßigen Kobaltoxidmenge als die obere Schicht zu entwickeln. Dies ist mit einer chromreichen inneren Schicht erreicht worden, die ausreicht, um die Kobaltversorgung zur Reoxidation für die Oberfläche genügend zu verlangsamen und damit den schnellen Verlust der Verschleißeigenschaften der Beschichtungen zu verhindern, die in Betrieb sind. Die zweite Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Aufbringen der Verschleißschutzbeschichtungen auf die Komponente mit einer geeigneten Steuerung der Beschichtungszusammensetzung zu finden, um eine angemessene und korrekte Menge Kobaltoxidglasur in der Oberflächenschicht bereitzustellen. Es ist eine weitere Aufgabe, eine dünne Beschichtung ohne irgendein Anzeichen sichtbarer Einschränkung oder irgendeine Oxidkontamination, die während eines Plasmaspritzverfahrens vorherrschend ist, abscheiden zu können.
Gemäß der hierin offenbarten Erfindung wurde ein Verfahren zur Abscheidung einer dichten Verschleißschutzbeschichtung, das in den Merkmalen von Anspruch 1 beschrieben ist, und ein Dichtungssystem nach Anspruch 6 gefunden.
In dem Doppelschichtansatz enthält die obere Schicht der Beschichtung einen höheren Volumenanteil Chromcarbid als die untere Schicht. Im Allgemeinen kann das Dichtungssystem aus einer Vielzahl von Schichten gebil det werden, wobei jede Schicht einen zunehmenden Carbidgehalt aufweist und der Carbidgehalt in der obersten Schicht am höchsten ist. Die höhere Aktivität von Chrom wird in der Bildung einer chromreichen Unterschicht umgesetzt, wodurch die Mobilität von Kobalt verlangsamt und somit die Bildung des Kobaltoxids auf der Oberfläche verringert wird. In diesem Fall ist folglich die Notwendigkeit einer Vorwärmebehandlung der Beschichtung zur Bildung einer chromhaltigen Schicht nicht wesentlich.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die dichte Beschichtung mit Hilfe eines Galvanisierungsverfahrens aufgebracht werden, wie in US-A-5,558,758 erwähnt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Kosten der Aufbringung einer Beschichtung durch ein galvanisches Verfahren, das heißt, Abscheidungsverfahren vorteilhafterweise ein Drittel der Kosten eines herkömmlichen Plasmaspritzbeschichtungsverfahrens betragen. Außerdem weist das Verfahren der Erfindung eine Dickensteuerung von ±20 μm der Dicke der abgeschiedenen Schicht auf, wohingegen herkömmliche Verfahren der Plasmaspritzbeschichtung Dickenstreuungen von ±75 μm oder mehr aufweisen. Folglich kann eine Beschichtung mit einer Schichtdicke in einem Bereich von 25 bis 400 μm aufgebracht werden. Das benutzte Galvanisierungsverfahren weist keinerlei Anzeichen einer sichtbaren Einschränkung auf und kann Oberflächen mit komplexen Konturen (das heißt, eine Schaufel oder ein Blatt) gleichmäßig beschichten.
In dem Doppelbeschichtungssystem beträgt der Volumenanteil von Carbid in der unteren Schicht der Beschichtung zwischen 20 und 30%. In der oberen Schicht der Beschichtung liegt der Volumenanteil von Carbid im Bereich von 30% bis 50%. Die Dicke der oberen Schicht beträgt 25 bis 75% der Gesamtdicke der Beschichtung und die Dicke der Schichten kann je nach der Dichtungs systemstabilität und den Leistungsanforderungen eingestellt werden.
Eine Wärmebehandlung nach dem Beschichten kann angewendet werden, um die obere Beschichtung selektiv mit Chrom anzureichern. Die Beschichtung wird bei höheren Temperaturen vorgewärmt, um die obere Schicht mit Chrom anzureichern. Diese Wärmebehandlung im Vakuum wird für einen Zeitraum im Bereich von einer halben Stunde bis 100 Stunden und bei Temperaturen im Bereich von 800 bis 1060°C vorgenommen. Bei 800°C ist die Chromanreicherung aufgrund der Wärmebehandlung gering, wohingegen die Chromanreicherung bei etwa 1060°C bedeutend ist, das heißt, eine größere Chromoxidschichtmenge gebildet wird. Der Zeitintervall der Wärmebehandlung hängt von der Wärmebehandlungstemperatur selbst ab, wobei bei einer erhöhten Temperatur eine bedeutend kürzere Zeit benötigt wird, das heißt, 30 Minuten bei 1060°C, wohingegen bei 800°C eine Wärmebehandlung von mindestens 100 Stunden erforderlich ist.
Die Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann als ein Dichtungssystem zwischen Kontaktflächen von Gasturbinenkomponenten wie Verbrennungsrohren usw. bereitgestellt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt, in denen
1 beispielhaft eine doppelte Verschleißschutz-Beschichtungsstruktur darstellt und
2 eine Anwendung eines erfinderischen Dichtungssystems bei einem Verbrennungsrohr einer Gasturbine zeigt.
Die Zeichnungen zeigen nur diejenigen Teile, die für die Erfindung von Bedeutung sind.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht eine Verschleißschutzbeschichtung 2 aus mindestens zwei Schichten 3, 4 auf der Oberfläche eines Gegenstands 1. Die obere Schicht oder Oberflächenschicht 4 weist eine höhere Chromaktivität auf als eine untere Schicht 3.
Die vorliegende Erfindung begünstigt die schnelle Bildung einer chromreichen Schicht unter der glasierten Schicht, die aus Kobaltoxid besteht. Sobald die chromreiche Schicht gebildet ist, wird die nachfolgende Bildung von Kobaltoxid vermindert, da sich das Kobalt nun durch die chromreiche Schicht zu der Oberfläche ausbreiten muss, um die Bildung von Kobaltoxid voranzutreiben. In der vorliegenden Beschichtung 2 weist die obere Schicht 4 eine größere Menge Chromcarbide auf als die untere Schicht 3. In der Regel breitet sich das Chromcarbid in der Kobaltmatrix aus. Im Allgemeinen kann das Dichtungssystem aus einer Vielzahl von Schichten gebildet werden, wobei jede Schicht einen zunehmenden Kobaltgehalt aufweist und der Kobaltgehalt in der obersten Schicht am höchsten ist.
Die Vorteile des Schichtsystems bestehen darin, dass es eine höhere Stabilität und ein besseres Verschleißschutzvermögen aufweist und keine Vorwärmebehandlung der Komponenten benötigt. Durchgeführte Oxidationsstudien zeigten, dass das Kobaltoxid die obere Schicht ist, jedoch die Schicht darunter eine Schicht chromreicher Oxide enthält. Die Gegenwart des Chromoxids in der Schicht hängt stark von der Zeit und der Temperatur ab. Eine wärmebehandelte Beschichtung bildete während der Oxidation eine dünnere Schicht. Die Wärmebehandlung von Teilen, das heißt, Verbrennungskomponenten, konnte im Allgemeinen bei Temperaturen von bis zu 900°C durchgeführt werden, konnte bei höheren Temperaturen jedoch zu einer Verformung der Teile, das heißt, der Verbrennungskomponenten führen. Dennoch können Substrate, die hohen Temperaturen standhalten, der vorteilhaften Wirkung auf die Lebenszeit durch solch eine Wärmebehandlung zugute kommen.
Beispiel einer mit vorwärmebehandelten Beschichtung
Eine Kobalt-Chromcarbid-Beschichtung, die 33% Chromcarbid enthielt, wurde auf Substrate abgeschieden. Die Beschichtungen wurden jeweils 300, 1000 und 2632 Stunden lang bei 650°C oxidiert. Bis 1000 Stunden bildete sich das Oxid relativ schnell und verlangsamte sich dann dramatisch, so dass die Schichtdicke bei 1000 und 2632 Stunden ähnlich war, das heißt, eine winzige Dickenzunahme von 1000 bis 2632 Stunden zu verzeichnen war. Eine längere Aussetzungszeit ermöglichte die Anreicherung des Chroms unter der Kobaltoxidschicht. Die Tendenz der Schichtdicke war bei 800°C ähnlich.
Basierend auf dieser Beobachtung wurden Proben bei 800 und 1060°C in einem Vakuum vorgewärmt und danach in Luft bei 800°C oxidiert. Die Voroxidation verringerte die Oxiddicke und die Verringerung war nach der Wärmebehandlung von 30 Minuten bei 1060°C dramatischer. Die Gesamtdicke der Beschichtung 2 beträgt bis zu 400 μm, der bevorzugte Bereich beträgt von 50 bis 250 μm.
In dem Doppelbeschichtungssystem beträgt der Volumenanteil von Carbid zwischen 20 bis 30% in der unteren Schicht 3 der Beschichtung 2. In der oberen Schicht 4 der Beschichtung 2 liegt der Volumenanteil von Carbid im Bereich von 30 bis 50%. Die Dicke der oberen Schicht 4 beträgt 25 bis 75% der Gesamtdicke der Beschichtung 2 und kann je nach der Dichtungssystemstabilität und basierend auf der Systemleistung eingestellt werden.
Die Wärmebehandlung nach der Beschichtung kann angewendet werden, um die obere Schicht 4 der Beschichtung mit Chrom anzureichern. Diese Wärmebehandlung wird in einem Vakuum in einem Zeitraum von einer halben Stunde bis 100 Stunden bei Temperaturen im Bereich von 800 bis 1060°C durchgeführt. Bei 800°C ist die Chromanreicherung bedeutend, das heißt, eine größere Chromoxidschichtmenge wird gebildet. Da Kobaltoxid absolut notwendig ist, um die Verschleißeigenschaften zu erhalten, wird eine Wärmebehandlungstemperatur im Bereich von 800 bis 1000°C oder alternativ während eines sehr kurzen Zeitraums bei 1060°C bevorzugt. Die Wärmebehandlungstemperatur hängt von der Substratkompatibilität ab, wobei darauf hingewiesen wird, dass bei einer höheren Wärmebehandlungstemperatur sogar eine kürzere Wärmebehandlung eine bedeutende vorteilhafte Wirkung auf die Lebenszeit hat.
Die Vorteile des Schichtsystems bestehen darin, dass es eine höhere Stabilität und ein besseres Vermögen im Hinblick auf die Verschleißzurückhaltung aufweist und keine Vorwärmebehandlung der Komponenten erfordert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Dichtungsbeschichtung 2 unter Anwendung eines Galvanisierungsverfahrens abgeschieden werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die Kosten der Aufbringung einer Beschichtung 2 durch ein Galvanisierungsverfahren vorteilhaft ein Drittel der Kosten einer herkömmlichen Plasmaspritzbeschichtung betragen. Außerdem weist das Verfahren der Erfindung eine Dickensteuerung von ±20 μm der Dicke der abgeschiedenen Schicht auf, wohingegen die herkömmlichen Verfahren der Plasmaspritzbeschichtung Dickestreuungen von ±75 μm oder sogar mehr aufweisen. Folglich kann eine Beschichtung mit einer Schichtdicke in einem Bereich von 25 bis 400 μm aufgebracht werden. Eine dünnere Beschichtung erhöht die mechanische Integrität des Dichtungssystems. Das benutzte Galvanisierungsverfahren weist keinerlei Anzeichen einer sichtbaren Einschränkung auf und kann Oberflächen mit komplexen Konturen, das heißt, eine Schaufel oder ein Blatt, mit gleichmäßiger Beschichtungsdicke beschichten.
Wie aus 2 ersichtlich ist, kann diese Beschichtung 2 als ein Dichtungssystem zwischen Kontaktflächen von Gasturbinenkomponenten wie Verbrennungsrohren 5 bereitgestellt werden, wobei ein Befestigungsstreifen und eine Dichtung 7 bereitgestellt werden.
Wenngleich diese Erfindung mit Hilfe eines Beispiels beschrieben worden ist, ist es offensichtlich, dass ein Fachmann andere Formen anwenden kann. Demgemäß ist der Schutzbereich der Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche eingeschränkt.

1: Gegenstand
2: Beschichtung
3: Untere Schicht der Beschichtung 2
4: Obere Schicht der Beschichtung 2
5: Verbrennungsrohr
6: Befestigungsstreifen
7: Dichtung

Claims

Verfahren zum Abscheiden einer Verschleißbeschichtung (2) auf die Oberfläche eines Gegenstands (1), umfassend die folgenden Schritte: – Abscheiden mindestens einer ersten Schicht (3) der Beschichtung (2) auf die Oberfläche des Gegenstands (1), wobei die erste Schicht (3) eine bestimmte Menge Chromcarbide umfasst, die in einer Kobaltmatrix dispergiert sind, und – Abscheiden mindestens einer zweiten Schicht (4) der Beschichtung (2) auf die Oberseite der ersten Schicht (3), wobei die zweite Schicht (4) eine Menge Chromcarbide umfasst, die in einer Kobaltmatrix dispergiert sind, welche höher ist als die Menge Chromcarbide in der ersten Schicht (3), wobei die Schichten (3, 4) der Beschichtung (2) durch ein Galvanisierungsverfahren aufgebracht werden.
Verfahren zum Abscheiden einer Beschichtung (2) nach Anspruch 1, ferner umfassend, nach dem Schritt des Abscheidens mindestens einer ersten Schicht (3) der Beschichtung (2) auf die Oberfläche des Gegenstands (1), wobei die erste Schicht (3) eine bestimmte Menge Chromcarbide umfasst, die in einer Kobaltmatrix dispergiert sind, den folgenden Schritt – Abscheiden mehrerer aufeinanderfolgender Schichten (3, 4), wobei jede Schicht einen erhöhten Carbidgehalt aufweist, wobei der Carbidgehalt in der obersten Schicht (4) am höchsten ist.
Verfahren zum Abscheiden einer Beschichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, umfassend den Schritt des Aufbringens einer Beschichtung (2) mit einer Gesamtdi cke von bis zu 400 μm, wobei die bevorzugte Dicke in einem Bereich von 50 bis 250 μm liegt.
Verfahren zum Abscheiden einer Beschichtung (2) nach Anspruch 1 bis 4, ferner umfassend den Schritt des Wärmebehandelns der aufgebrachten Beschichtung (2) in einem Vakuum bei Temperaturen, die im Bereich von 800 bis 1060°C liegen, für einen Zeitraum im Bereich von einer halben Stunde bis 100 Stunden.
Dichtungssystem zwischen zwei Gegenständen (1), wobei mindestens ein Gegenstand (1) mit einer Verschleißschutzbeschichtung (2) beschichtet ist, wobei die Beschichtung (2) Folgendes umfasst – mindestens eine erste Schicht (3) auf der Oberfläche des Gegenstands (1), wobei die erste Schicht (3) eine bestimmte Menge Chromcarbide umfasst, die in einer Kobaltmatrix dispergiert sind, und – mindestens eine zweite Schicht (4) der Beschichtung (2) auf der Oberseite der ersten Schicht (3), wobei die zweite Schicht (4) eine Menge Chromcarbide umfasst, die in einer Kobaltmatrix dispergiert sind, welche höher ist als die Menge Chromcarbide in der ersten Schicht (3).
Dichtungssystem nach Anspruch 5, wobei die Beschichtung (2) als eine Dichtung zwischen Gasturbinenkomponenten bereitgestellt ist.
Dichtungssystem nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Beschichtung (2) auf Kontaktflächen von zwei Gegenständen (1) oder Gasturbinenkomponenten aufgebracht ist.
Dichtungssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Gesamtdicke der Beschichtung (2), welche die Schichten (3, 4) bildet, bis zu 400 μm beträgt und vorzugsweise in einem Bereich von 50 bis 250 μm liegt.
Dichtungssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Dicke der oberen Schicht (4) 25 bis 75% der Gesamtdicke der Beschichtung (2) beträgt.
Dichtungssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der Volumenanteil von Chromcarbid der oberen Schicht (4) im Bereich von 30 bis 50% liegt.
Dichtungssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der Volumenanteil von Chromcarbid in der unteren Schicht (3) im Bereich von 20 bis 30% liegt.
Dichtungssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei das Dichtungssystem aus einer Vielzahl von Schichten gebildet ist, wobei jede Schicht einen zunehmenden Carbidgehalt aufweist, wobei der Carbidgehalt in der obersten Schicht am höchsten ist.