DE69821945T2 - Gasturbineteil - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft ein Gasturbinenbauteil gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
  • Sie betrifft auch ein Verfahren zum Schützen eines Gasturbinenbauteils gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruchs.
  • STAND DER TECHNIK
  • Die neuesten Erfahrungen mit Turbinen zeigen deutlich, daß die mechanischen Eigenschaften von Beschichtungen in hochentwickelten Turbinen eine der kritischsten Materialangelegenheiten darstellen. Der Fortschritt bei Beschaufelungsmaterialien und -techniken (d. h. Einkristallbeschaufelung) wird von den derzeitigen Beschichtungssystemen nicht mitgemacht. Die thermomechanischen Ermüdungseigenschaften (TMF-Eigenschaften) beschichteter Legierungen liegen weit unter denen von unbeschichtetem einkristallinem Material (SX-Material). Die Hauptanstrengungen bei der Verlängerung der TMF-Lebensdauer des beschichteten Bauteils konzentrieren sich nun auf zwei Richtungen. Zum einen wird die Zusammensetzung der Beschichtung der Zusammensetzung des Substrats angepaßt. Dadurch wird die Wärmeausdehnungsdifferenz zwischen Beschichtung und Substrat auf ein Minimum reduziert. Zum anderen verleiht man der Beschichtung eine feine Kornstruktur, um die Duktilität zu erhöhen und daher die auf das unterschiedliche mechanische Verhalten der Beschichtung und des Substrats zurückzuführende Spannungsakkumulation zu verringern.
  • In der US-PS 4,758,480 wird eine Klasse von Beschichtungen beschrieben, deren Zusammensetzung auf der Zusammensetzung des darunterliegenden Substrats basiert. Durch die Ähnlichkeit der Phasenstruktur und der chemischen Zusammensetzung werden die mechanischen Eigenschaften der Beschichtung denjenigen des Substrats ähnlicher gemacht, wodurch die thermomechanisch induzierte Schädigung im Betrieb verringert wird. Beim Aufbringen dieser Beschichtung mit herkömmlichen Mitteln auf das einkristalline Substrat wird jedoch durch die E-Modul-Differenz zwischen der <010>-orientierten Oberflächenschicht des Substrats und statistisch orientierten Beschichtungskörnern eine große TMF-Schädigung hervorgerufen.
  • In der US-PS 5,232,789 wird eine weitere Verbesserung der TMF-Eigenschaften des Systems aus Beschichtung und Substrat beschrieben. Die Beschichtung, die eine der Substratlegierung ähnliche Zusammensetzung und Phasenstruktur aufweist, hat eine mindestens um den Faktor 1000 feinkörnigere Struktur, die nach einer speziellen Technik erzeugt wird. Die unterste Lage der feinkörnigen Beschichtung wächst epitaxial auf und hat daher die gleiche Kristallorientierung wie das Substrat. Durch das epitaktische Aufwachsen wird auch das Problem der Haftung an der Grenzfläche zwischen Beschichtung und Substrat gelöst.
  • In dem System aus einem einkristallinen Substrat und der multikristallinen Beschichtung gibt es jedoch immer noch einen großen Unterschied im mechanischen Verhalten zwischen dem Substrat und der Beschichtung, da jede äquiaxiale Struktur einen viel höheren E-Modul besitzt als einkristallines Material in <001>-Richtung. Ein höherer E-Modul spiegelt sich in einer kürzeren TMF-Lebensdauer der Beschichtung im Vergleich zum Substrat wider (wenngleich die Spannungen an der Grenzfläche zwischen Substrat und Beschichtung im Vergleich zum herkömmlichen System aus Beschichtung und Substrat erheblich verringert sind). Durch eine Vielzahl von Korngrenzen wird die Kriechfestigkeit der feinkörnigen Beschichtung drastisch verringert, was letztendlich die Lebensdauer des gesamten Beschaufelungssystems bestimmt.
  • Des weiteren wird in der EP-A1-0 861 927 und der EP-A1-0 892 090 ein allgemeines Verfahren zur Herstellung von einkristallinen Strukturen, Teilen oder Werkstücken aus metallischen Superlegierungen auf Substraten mit einkristalliner Struktur beschrieben. Dabei wird die Oberfläche des Substrats mit einem Energiestrahl hoher Energiedichte aus einer Energiequelle aufgeschmolzen. Das Material, das in die einkristalline Struktur gebracht werden soll, wird dem geschmolzenen Bereich des Substrats zugeführt. Das zugeführte Material wird vollständig aufgeschmolzen. Die Energiezufuhr mit dem Energiestrahl wird so geregelt und/oder gesteuert, daß Erstarrungsgeschwindigkeit und Temperaturgradient im GV-Diagramm im dendritisch kristallinen Bereich außerhalb des globulitischen Bereichs liegen.
  • In der EP-A1-740 977 wird ein behälterloses Verfahren zur Herstellung eines endkonturnahen rißfreien Metallgegenstands beschrieben, bei dem man ein Füllmaterial unter Bedingungen in ein Metallsubstrat oder einen Metallkeim einschmilzt, die so gewählt sind, daß Rißbildung ausgeschlossen ist. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird an der Substratoberfläche ein Laserstrahl mit verhältnismäßig geringer Leistungsdichte und verhältnismäßig großem Strahldurchmesser über einen längeren Zeitraum betrieben, wodurch ein geschmolzener Pool mit kleinem Aspektverhältnis gebildet wird.
  • KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Aufgabe der Erfindung ist demgemäß die Bereitstellung von Beschichtungen, die auf das Substrat abgestimmt sind und eine lange TMF-Lebensdauer haben.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst.
  • Den Kern der Erfindung bildet daher die vollkommen einkristalline Struktur des beschichteten Gasturbinenbauteils, wobei die einkristalline Beschichtungsschicht epitaktisch auf das Grundmaterial aufgewachsen ist.
  • Die Vorteile der Erfindung kann man u. a. darin sehen, daß eine vollkommen einkristalline Struktur des beschichteten Bauteils, einschließlich einer McrAlY-Beschichtung, die epitaktisch auf das Grundmaterial aufgewachsen ist, die Differenz der E-Module und daher der TMF-Lebensdauer zwischen dem einkristallinen Substrat und der Beschichtung auf ein Minimum reduzieren wird. Da das Grundmaterial und die Beschichtung die gleiche kristallographische Orientierung haben, ist der E-Modul über das System aus Substrat und Beschichtung praktisch konstant. Durch Optimierung der chemischen Zusammensetzung der Beschichtung kann man einen sehr kleinen Wärmeausdehnungsunterschied zwischen Substrat und Beschichtung erreichen. Durch chemische Optimierung werden die Kriecheigenschaften der epitaktischen Beschichtung denjenigen des Substrats angeglichen, was für das System aus einkristallinem Substrat und feinkörniger Beschichtung unmöglich ist. Das gesamte System wird daher mechanische Eigenschaften aufweisen, die denen des Grundmaterials nahekommen, und die Lebensdauer ist im Vergleich zu den herkömmlichen Systemen aus einkristallinem Substrat und feinkörniger Beschichtung mindestens verdoppelt.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Außerdem wird ein Verfahren zum Schützen eines Gasturbinenbauteils näher spezifiziert.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Ein besseres Verständnis der Erfindung und vieler der damit bezweckten Vorteile ergibt sich ohne weiteres unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Laser-Cladding-Verfahrens;
  • 2 eine lichtmikroskopische Aufnahme von mit einer einkristallinen Struktur beschichtetem Grundmaterial;
  • 3 eine lichtmikroskopische Aufnahme von mit einer einkristallinen Struktur beschichtetem Grundmaterial in höherer Auflösung;
  • 4 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Beschichtung;
  • 5 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Beschichtung in höherer Auflösung;
  • 6 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Beschichtung in höchster Auflösung;
  • 7 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Beschichtung mit anderem Ätzmittel.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Mit Hilfe einer Laser-Cladding-Technik wurde auf das einkristalline Superlegierungssubstrat eine epitaktische Beschichtung mit einer Dicke von 100–300 μm aufgebracht. Da die Beschichtung epitaktisch auf das Substrat aufwächst, hat sie die gleiche Kristallorientierung wie das Substrat.
  • In 1 ist ein Laser-Cladding-Verfahren gezeigt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man einen Metallpulverstrahl 1 auf einen durch kontrolliertes Lasererhitzen durch sukzessives Abfahren des Substrats 4 mit dem Laserstrahl 3 (siehe den die Bewegung über das Substrat anzeigenden Pfeil) gebildeten geschmolzenen Pool 2 auftreffen läßt, wodurch ein zweidimensionaler Mantel 5 abgeschieden werden kann. Diese Technik ist in 1 illustriert.
  • Im Beispiel von 1 wurde bei dem Versuch ein CO2-Laser verwendet. Das Versorgungsmaterial wurde unter Schutzgas, wie Argon, zugeführt.
  • In der US-PS 4,643,782 wird eine Nickelbasislegierung mit dem Handelsnamen „CMSX-4" beschrieben, die im wesentlichen folgendes enthält: 9,3–10,0 Gew.-% Co, 6,4–6,8 Gew.-% Cr, 0,5–0,7 Gew.-% Mo, 6,2–6,6 Gew.-% W, 6,3–6,7 Gew.-% Ta, 5,45–5,75 Gew.-% Al, 0,8–1,2 Gew.-% Ti, 0,07–0,12 Gew.-% Hf, 2,8–3,2 Gew.-% Re und Rest Ni mit Verunreinigungen.
  • Ein aus der Legierung CMSX-4 gegossener Einkristallstab mit der kristallogaphischen Orientierung <001> wurde durch Laser-Cladding mit einem 1,7-kW-CW-CO2-Laser in Argon-Schutzatmosphäre mit einer MCrAlY-Beschichtung, insbesondere einer als SV20 bezeichneten NiCrAlY-Beschichtung versehen, wie es in 1 gezeigt ist.
  • Die SV20-Beschichtung enthält im wesentlichen 25 Gew.-% Cr, 5,5 Gew.-% Al, 2,7 Gew.-% Si, 1 Gew.-% Ta, 0,5 Gew.-% Y und Rest Ni.
  • Typische Verfahrensparameter zum Aufwachsen der Beschichtung auf das Substrat mittels Laser-Cladding-Technik lauten wie folgt:
  • Figure 00070001
  • Durch epitaktisches Aufwachsen des SV20 auf das CMSX-4-Substrat wurde eine einkristalline Beschichtung hergestellt. Im folgenden wird die durch Laser-Cladding hergestellte einkristalline SV20-Beschichtung als SV20 SX bezeichnet. Der beschichtete Prüfstab wurde in Längs- und Querstücke geschnitten. Einige dieser Stücke wurden in Inertgas 4 Stunden bei 1140°C wärmebehandelt. Diese Art von Wärmebehandlung bezweckt eine Diffusionsbehandlung der Grenzfläche zwischen Beschichtung und Substrat sowie eine Homogenisierung der Beschichtung und eine zu γ'-Phasenausscheidungen führende Wärmebehandlung des CMSX-4-Substrats.
  • Die Längs- und Querproben wurden in wie bei der Abscheidung angefallenem Zustand und in wärmebehandeltem Zustand eingespannt, geschliffen und für die metallographische Untersuchung bis zu 1-μm-Diamantpaste poliert. Für die feine Mikrostruktur und die analytische Untersuchung wurden die Proben gemäß dem Standardverfahren für Nickelbasis-Superlegierungen chemisch geätzt. Zur Untersuchung der Sekundärkörner wurden die Proben neu poliert und mit dem folgenden Ätzmittel geätzt:
    100 ml H2O
    100 ml HCl
    5 g Kupfer(II)-chlorid (Raumtemperatur, Zeit = 10 s)
  • Die Ätzmittel greifen beide hauptsächlich Al-reiche Phasen an. Mit dem Kupfer(II)-chlorid-Ätzmittel lassen sich verschiedene Körner besser erkennen. Die Mikrostruktur wurde mittels Lichtmikroskop, REM, EDX-Analyse; digitaler Bildanalyse und EBSD-Technik bewertet.
  • Aus der Mikrostrukturanalyse geht hervor, daß aus der epitaktisch aufgewachsenen Schicht auf dem Grundmaterial 4 Dendriten 6 erzeugt werden, so daß sich eine einkristalline Struktur ergibt (siehe 2 und 3). Je nach der Position der Probenperipherie im transversalen Querschnitt ändert sich die Hauptwachstumsrichtung ohne Änderung der zugrundeliegenden Kristallorientierung von den primären Dendritenstämmen zu den sekundären Armen. Die mikroskopische Aufnahme zeigt ein perfektes epitaktisches Wachstum auf dem Grundmaterial. Nur der Außenbereich der Beschichtung weist eine andere Gitterrichtung auf, wie durch die anders orientierten Dendriten angezeigt wird. Dieser polykristalline Bereich kann durch Anpassung der Cladding-Parameter oder durch maschinelle Bearbeitung vermieden werden. Durch letzteres wird das einkristalline Produkt nicht gestört. Die gemessenen Dicken der verschiedenen Bereiche in der Beschichtung sind:
    CMSX-4-Umschmelzbereich: 60 bis 100 μm
    Einkristalliner Bereich: 400 bis 550 μm
    Polykristalliner Bereich; 100 bis 250 μm
  • Berücksichtigt man, daß die typische Dicke der Beschichtung auf Gasturbinenlauf- und -leitschaufeln etwa 150–300 μm beträgt, so ist es klar, daß eine vollkommen einkristalline Beschichtung bereitgestellt werden kann, selbst wenn die polykristallinen Bereiche der Beschichtung maschinell entfernt werden müssen.
  • Die rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen der 4 bis 7 zeigen die Mikrostruktur von SV20 SX in wie bei der Abscheidung angefallenem Zustand mit von 4 zu 7 zunehmendem Maßstabsfaktor. Die Beschichtung besteht aus 96 Vol.-% Dendriten. Die Dendriten sind einphasig, soweit dies aus der angewandten Untersuchungsmethode hervorgeht. Der Raum zwischen den Dendriten besteht aus mindestens zwei Phasen, nämlich der Matrix (dunkel in den rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen, 4 bis 8) und hellen Ausscheidungen, die die Dendriten kettenartig umgeben (5).
  • Die Matrix zwischen den Dendriten enthält möglicherweise auch sehr kleine andere Ausscheidungen (6), was aber aus der rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme nicht klar ersichtlich ist. Des weiteren enthält die Beschichtung kleine Schrumpfungshohlräume (< 10 μm), wobei die Peripherie/Wände mit Yttrium angereichert sind (Anhang A4). In allen anderen Phasen konnte kein Y nachgewiesen werden. Die Umschmelzzone des CMSX-4 enthält helle Ta- und Si-reiche Teilchen, die sich in dem Raum zwischen den Dendriten befinden und eine perfekte epitaktische Struktur haben (7). Die Phasenzusammensetzung der einkristallinen Beschichtung ist derjenigen der standardmäßig durch Vakuumplasmasprühen aufgebrachten polykristallinen Beschichtung im wie beim Sprühen anfallenden Zustand sehr ähnlich.
  • Statt aus einem ähnlichen Material wie dem Grundmaterial kann das Beschichtungsmaterial auch aus einem Al-haltigen intermetallischen Material bestehen. Hierbei kann es sich um PtAl oder komplexe Legierungen, wie die aus der EP 0 625 585 B1 bekannte Fe-Cr-Al-Legierung, die sehr oxidationsbeständig sind, handeln.
  • Der hohe Gehalt an Al (und/oder Si) in dem intermetallischen Material oder in der intermetallische Phase enthaltenden Legierung ist notwendig, um die dichte, stabile Schicht aus Al2O3-Oxid auf der Beschichtungsoberfläche bereitzustellen, die eine Oxidation der Beschichtung und des Substrats wirksam verhindert.
  • Bezugszahlenliste
    • 1
    Pulverstrahl
    2
    geschmolzener Pool
    3
    Laserstrahl
    4
    Substrat
    5
    Mantel
    6
    Dendrit

Claims (10)

  1. Gasturbinenbauteil aus einem Superlegierungsgrundsubstratmaterial mit einkristalliner Struktur und einer darauf angeordneten Schutzbeschichtungsschicht, bei dem die Beschichtungsschicht eine mit dem Basismaterial epitaktische, vollkommen einkristalline Struktur aufweist.
  2. Gasturbinenbauteil, bei dem die Schutzbeschichtungsschicht eine Dicke im Bereich von 100 μm und 300 μm aufweist.
  3. Gasturbinenbauteil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Beschichtung aus einer MCrAlY-Legierung besteht.
  4. Gasturbinenbauteil nach Anspruch 3, bei dem die Beschichtung aus 25 Gew.-% Cr, 5,5 Gew.-% Al, 2,7 Gew.-% Si, 1 Gew.-% Ta, 0,5 Gew.-% Y und Rest Ni besteht.
  5. Gasturbinenbauteil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Beschichtung aus einem intermetallischen Aluminidmaterial besteht.
  6. Gasturbinenbauteil nach Anspruch 5, bei dem die Beschichtung aus PtAl besteht.
  7. Gasturbinenbauteil nach Anspruch 1 bis 6, bei dem das Superlegierungsgrundmaterial aus 9,3–10,0 Gew.-% Co, 6,4–6,8 Gew.-% Cr, 0,5–0,7 Gew.-% Mo, 6,2–6,6 Gew.-% W, 6,3–6,7 Gew.-% Ta, 5,45–5,75 Gew.-% Al, 0,8–1,2 Gew.-% Ti, 0,07–0,12 Gew.-% Hf, 2,8–3,2 Gew.-% Re und Rest Ni mit Verunreinigungen besteht.
  8. Verfahren zum Schützen eines Gasturbinenbauteils aus einem Superlegierungsgrundmaterialsubstrat mit einkristalliner Struktur durch eine Schutzbeschichtungsschicht, bei dem man die Schutzbeschichtung epitaktisch auf das Basismaterial aufwachsen läßt und die Beschichtung mit einer vollkommen einkristallinen Struktur wachsen läßt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem man die Beschichtung durch Laser-Cladding aufbringt.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem man das beschichtete Gasturbinenbauteil bei 1080–1150°C mit Diffusionswärme behandelt.
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