DE69934766T2 - Erneuerung eines wärmehemmenden Beschichtungsystems - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf das Erneuern eines Schutzüberzuges auf einem Gegenstand und spezieller auf das Erneuern eines Wärmesperrenüberzugs(TBC)-Systems durch Erneuern eines Bindeüberzuges unter dem TBC.
  • Gewisse Komponenten oder Gegenstände, die in der Umgebung des Gaswegs eines Gasturbinentriebwerkes betrieben werden, werden signifikanten Temperaturextremen und einem Abbau durch oxidierende und korrosive Bedingungen ausgesetzt. Es ist übliche Praxis auf dem Gebiet der Gasturbinentriebwerke, ein Wärmesperrenüberzugs(TBC)-System auf Oberflächen solcher Komponenten aufzubringen, um sie vor einer solchen Umgebung zu schützen, während auch die Gelegenheit geboten wird, die Wirksamkeit des Triebwerkes dadurch zu verbessern, dass man eine Erhöhung bei den Betriebstemperaturen ermöglicht.
  • TBC-Systeme bestehen allgemein aus einer auf eine Gegenstandsoberfläche aufgebrachten inneren metallischen Beschichtung, die im Allgemeinen und hierin ein Bindeüberzug genannt wird, und einer äußeren isolierenden Keramikschicht, die im Allgemeinen direkt über dem Bindeüberzug aufgebracht wird. Typisch für solche äußeren TBC-Überzüge ist einer auf der Grundlage von mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkoniumdioxid, z.B. etwa 92 Gew.-% Zirkoniumdioxid, stabilisiert mit etwa 8 Gew.-% Yttriumoxid. Ein bevorzugtes Verfahren zum Aufbringen oder Abscheiden eines TBC-Überzuges erfolgt durch physikalische Dampfabscheidung mittels Elektronenstrahl, obwohl Plasmaspritzverfahren für Anwendungen bei Turbinentriebwerksbrennern häufig benutzt werden. Apparaturen für solche Verwendungen werden kommerziell vertrieben. Diese allgemeine Art des TBC-Systems wurde für einige Zeit beschrieben, wie durch solche US-PSn, wie 4,055,705 – Stecura et al. (patentiert 25. Oktober 1977); 4,095,003 – Weatherly et al. (patentiert 13, Juni 1978); 4,328,285 – Siemers et al. (patentiert 4. Mai 1982); 5,216,808 – Martus et al. (patentiert 8. Juni 1993) und 5,236,745 – Gupta et al. (patentiert 17. August 1993) gezeigt.
  • Die am meisten benutzten Bindeüberzüge für Schaufel- und Brenner-Komponenten von Gasturbinentriebwerken wurden in zwei allgemeinen Arten klassifiziert. Eine ist eine Deckschicht-MA l-Art, bei der M mindestens ein Element ist, ausgewählt aus Fe, Ni und Co, z.B. MAl, MAlY, MCrAl und MCrAlY; die andere sind diffundierte Aluminidüberzüge. Diese beiden Arten wurden in Verbindung mit Gasturbinen in weitem Rahmen benutzt und beschrieben. Ein MCrAlY-Typ-Überzug wurde durch physikalische Dampfabscheidung, einschließlich Zerstäuben, Kathodenstrahl, und Elektronenstrahl ebenso wie durch Plasmaspritzverfahren aufgebracht. Überzugszusammensetzung, -Mikrostruktur und -Dicke wurden durch Verarbeitungsparameter kontrolliert. Diffundierte Aluminidüberzüge wurden nach einer Vielfalt von Verfahren aufgebracht, einschließlich, wie im Stande der Technik benutzt, Packzementierung, oberhalb der Packung, Dampfphase, chemische Dampfabscheidung und Aufschlämmungs-Überzugsverfahren. Die Dicke und der Aluminiumgehalt des Endprodukt-Überzuges wurde durch variierende Überzugszeit, Überzugstemperatur und Aluminiumaktivität der Überzugsmaterialien und des -verfahrens kontrolliert. Die Leistungsfähigkeit solcher Überzüge wird häufig durch Einbeziehen solcher Elemente wie Pt, Rh, Pd, Cr, Si, Hf, Zr und/oder Y gefördert. Bei jeder Art von Bindeüberzug findet eine Interdiffusion von Elementen des Bindeüberzuges mit einem Gegenstandssubstrat während der Verarbeitung oder des Betriebes oder beiden statt, was eine Diffusionszone zwischen dem Bindeüberzug und dem darunter liegenden Gegenstandssubstrat ergibt. Die Diffusionszone wird als Teil des Bindeüberzuges und somit des TBC-Systems angesehen. Der Begriff Bindeüberzugssubstrat, wie er hier benutzt wird, soll mindestens einen Teil des verbliebenen Bindeüberzuges und eine solche Diffusionszone zwischen dem Bindeüberzug und dem darunter liegenden Gegenstandssubstrat bedeuten.
  • Für Gasturbinentriebwerks-Anwendungen sind die für das TBC-System ausgewählten Materialien und Verarbeitungsverfahren so ausgewählt, dass sich eine Beständigkeit der äußeren Keramikschicht gegen Abspalten während thermischer Zyklen des Triebwerkes sowie Beständigkeit gegenüber der oxidierenden und korrosiven Umgebung im Falle eines TBC-Abspaltens ergibt. Während des normalen Triebwerksbetriebes wird sich das TBC-System, einschließlich des Bindeüberzuges und der äußeren Keramikschicht, nach einer gewissen Zeit in gewissen Oberflächenbereichen verschlechtern, die den beanspruchenden Betriebsbedingungen am meisten ausgesetzt sind. Es wurde beobachtet, dass der Bindeüberzug mit dem Gegenstandssubstrat in solchen Oberflächenbereichen während des Betriebes zu dem Ausmaß gegenseitig diffundiert ist, dass seine Schutzfähigkeit unter ein akzeptables Niveau vermindert wurde, was die Entfernung und das erneute Aufbringen eines Schutzüberzuges erfordert. Eine derzeitige Praxis bei einer solchen Reparatur besteht darin, das gesamte TBC-System, einschließlich des Bindeüberzuges zusammen mit seiner Diffusionszone mit dem Gegenstandssubstrat, sowie die äußere Keramikschicht zu entfernen. Nach irgendeiner erforderlichen Reparatur der Gegenstandsstruktur wird das gesamte TBC-System, einschließlich eines neuen Bindeüberzuges und eines neuen äußeren Keramiküberzuges, wieder aufgebracht. Die Art der Entfernung des TBC-Systems, bei dem die Bindeüberzugs-Diffusionszone entfernt wird, führt jedoch zum Verdünnen der Gegenstandswände. Es wurden zahlreiche Daten mechanischer Eigenschaften berichtet, die eine strenge Beziehung zwischen den mechanischen Schlüsseleigenschaften (einschließlich Kriechbruchfestigkeit und Langzeitermüdungsfähigkeit) und der verbliebenen Wanddicke zeigen. Eine solche Wandverdünnung kann daher zu einer Verkürzung der Betriebslebensdauer und der folgenden Reparierbarkeit des Gegenstandes sowie Luftströmungs-Regelproblemen führen, wenn Luftkühlöffnungen eingeschlossen sind.
  • Die vorliegende Erfindung schafft in einer Form ein Verfahren zum Erneuern eines TBC-Systems auf einer Gegenstandsoberfläche ohne Entfernen des gesamten metallischen Bindeüberzuges. Das Verfahren umfasst das Entfernen des äußeren Keramik-TBC, um ein Bindeüberzugssubstrat freizulegen, einschließlich irgendeines ursprünglichen Bindeüberzuges und der Bindeüberzugs-Diffusionszone. Von einem thermischen Muster, das aufgrund des Betriebes einzigartig für die Gegenstandsoberfläche ist, wird mindestens ein diskreter lokaler Oberflächenbereich der Gegenstandsoberfläche ausgewählt, der einer Bindeüberzug-Verschlechterung während des Betriebes ausgesetzt ist. Mindestens ein Erneuerungsmetall, ausgewählt aus Pt, Rh und Pd, wird auf das Bindeüberzugssubstrat bei mindestens dem diskreten lokalen Oberflächenbereich aufgebracht und das Erneuerungsmetall wird auf eine Temperatur und für eine Zeit erhitzt, die zum Diffundieren des Erneuerungsmetalles in das Bindeüberzugssubstrat genügen. Ein umgebungsbeständiger Überzug, ausgewählt aus Aluminiden und Aluminium einschließenden Legierungen, wird dann mindestens auf den diskreten lokalen Oberflächenbereich über dem diffundierten Erneuerungsmetall aufgebracht. Danach wird ein äußerer Keramik-TBC auf die Gegenstandsoberfläche aufgebracht.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der zeigen:
  • 1 eine perspektivische diagrammartige Ansicht einer Gasturbinentriebwerksschaufel von der konkaven Seite, die diskrete lokale Oberflächenbereiche zeigt, die einer Überzugsverschlechterung in einem thermischen Muster ausgesetzt sind, das für den Gegenstand aufgrund des Betriebes einzigartig ist,
  • 2 einen graphischen Vergleich der Veränderung im Aluminiumgehalt eines Bindeüberzuges an verschiedenen Turbinenschaufelstellen als ein Resultat des Betriebes,
  • 3 einen graphischen Vergleich der Veränderung des Platingehaltes eines Bindeüberzuges an verschiedenen Turbinenschaufelstellen als ein Resultat des Betriebes,
  • 4 einen graphischen Vergleich von Unterschieden bei der Verarmung an PtAl in einem Bindeüberzug als eine Funktion des Abspaltens eines äußeren Keramik-TBC,
  • 5 einen graphischen Vergleich des Platingehaltes am Bindeüberzug vor und nach der Bindeüberzugs-Erneuerung,
  • 6 einen graphischen Vergleich des Aluminiumgehaltes am Bindeüberzug vor und nach der Bindeüberzugs-Erneuerung.
  • Während des Betriebes eines Gasturbinentriebwerkes zeigt ein heiß betriebener Gegenstand oder eine Komponente, wie ein Brenner, ein Flügel einer Turbinenschaufel oder -laufschaufel usw. ein thermisches Muster, das über seine Oberfläche ungleichförmig ist und einzigartig ist für das Design der speziellen Komponente und des Triebwerkes. Ein typisches einzigartiges thermisches Muster auf der konkaven Seite eines Gasturbinen-Schaufelflügels ist in der perspektivischen diagrammartigen Ansicht von 1 gezeigt. In 1 ist eine Hochdruck-Turbinenschaufel eines Gasturbinentriebwerkes von der konkaven Flügelseite allgemein bei 10 gezeigt und umfasst eine Basis 12 und einen Flügel 14, der darauf ein schützendes TBC-System einschließt. Auf der Gegenstandsoberfläche der konkavewn Seite des Flügels 14 sind diskrete lokale Oberflächenbereiche 16 und 18 gezeigt, die während des Betriebes der Schaufel eines Triebwerkes beanspruchenderen thermischen Bedingungen ausgesetzt sind. In einigen einzigartigen Mustern gehen solche Bereiche, wie 16 und 18, entlang der Vorderkante des Flügels ineinander über. Diese Art thermischen Musters führt zu einer ungleichmäßigen Verschlechterung an einer solchen Gegenstandsoberfläche, einschließlich einer ungleichmäßigen Diffusion eines Oberflächenüberzuges, wie eines Bindeüberzuges, in das Gegenstandssubstrat und/oder einer Oxidation eines freigelegten Bindeüberzuges. In der oben beschriebenen Art von TBC-System zeigen die Oberflächenbereiche des Gegenstandes, z.B. eine Flügeloberfläche, die den höchsten Temperaturen ausgesetzt sind, einen größeren Diffusionsverlust an kritischen Bindeüberzugs-Elementen in das Substrat hinein, und das Potenzial zur TBC-Abspaltung und nachfolgenden Freilegung des Bindeüberzuges gegenüber der oxidierenden und korrosiven Atmosphäre. Kühlere Stellen auf der Oberfläche von Komponenten mit einem solchen TBC-System können durch den Triebwerksbetrieb unbeeinflusst bleiben.
  • Die graphischen Vergleiche der 2 und 3 zeigen die Aluminium- bzw. Platin-Verarmung aus einem solche Elemente einschließenden Bindeüberzug an verschiedenen Stellen auf einer Turbinenschaufel-Flügeloberfläche. Eine solche Verarmung in Form der Diffusion von Elementen zum Gegenstandssubstrat als eine Funktion des thermischen Aussetzens trat unterhalb eines Keramik-TBC bei Abwesenheit der Abspaltung des TBC auf. Der graphische Vergleich der 4 zeigt die Wirkung der Abspaltung und das resultierende direkte Aussetzen des Bindeüberzuges gegenüber einer oxidierenden Atmosphäre auf das Ausmaß der Verarmung an Aluminium aus einem PtAl einschließenden Bindeüberzug an der Vorderkante eines Turbinenschaufelflügels. Es wurde daher in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung erkannt, dass die oben beschriebene potenziell nachteilige ebenso wie kostspielige Entfernung des gesamten Bindeüberzuges einschließlich seiner Diffusionszone in das Gegenstandssubstrat nicht erforderlich war. Gemäß der vorliegenden Erfindung erfordern nur ausgewählte Oberflächenbereiche in einem thermischen Muster, das einzigartig für die Komponente ist und am meisten durch ein solches Aussetzen beeinflusst wird, eine Erneuerung in einem TBC-System.
  • Eine anfängliche Stufe bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die Entfernung des äußeren Keramik-TBC von der Gegenstandsoberfläche, wie der Oberfläche eines Flügels, im Wesentlichen ohne Beeinflussen des darunter liegenden Bindeüberzugssubstrates. Ein bevorzugtes Verfahren zum Entfernen, das bei der Auswertung der vorliegenden Erfindung benutzt wurde, schloss das Richten von Wasserdampf unter Druck, z.B. im Bereich von etwa 5-20 ksi, auf eine vorbehandelte äußere Keramik-TBC-Schicht ein. Dies entfernte den TBC ohne Beschädigen oder Entfernen des Bindeüberzugssubstrates, wie oben definiert. Im Allgemeinen schließen Verfahren zum Ausführen einer solchen Entfernung, die ausführlich im Stande der Technik berichtet sind, die kontrollierte Druckanwendung von Schleifmitteln, Schrot, Dämpfen, Flüssigkeiten usw. ein. Ein solches Entfernen setzt das Bindeüberzugssubstrat frei, das irgendeinen verbliebenen ursprünglichen Bindeüberzug ebenso wie die Diffusionszone einschließen kann, in die der Bindeüberzug in das Gegenstandssubstrat diffundiert ist.
  • Nach dem Entfernen des äußeren Keramik-TBC wurde mindestens ein diskreter lokaler Oberflächenbereich der Gegenstandsoberfläche, der dem Abbau des Bindeüberzuges ausgesetzt war, aus einem thermischen Muster ausgewählt, das für die Ge genstandsoberfläche einzigartig war und aufgrund des Betriebes beobachtet wurde. Beispiele solcher diskreten lokalen Bereiche sind Flügelbereiche 16 und 18 in 1; eine andere Art thermischen Musters schließt eine verbundene Kombination von Bereichen 16 und 18 ein, die entlang einer Vorderkante des Flügels ineinander übergehen. Ein Erneuerungsmetall, ausgewählt aus Pt, Rh, Pd oder deren Kombinationen wurde zumindest auf das freigelegte Bindeüberzugssubstrat an dem ausgewählten diskreten lokalen Bereich aufgebracht. Waren nur die diskreten Bereiche zu überziehen, dann wurde der Rest der Oberfläche maskiert, z.B. indem man Standardband zum Elektroplattieren benutzte. Andere üblicherweise benutzte Maskierungsmaterialien schließen nicht leitende Werkzeuge zum Festklemmen, z.B. aus Kunststoff, ein. Dann wurde das Erneuerungsmetall aufgebracht, in einem Beispiel durch Elektroabscheidung. Die Dicke des aufgebrachten Erneuerungsmetalles wurde variiert auf der Basis des Grades der wechselseitigen Diffusion des Bindeüberzuges mit dem Gegenstandssubstrat an den ausgewählten diskreten Bereichen (z.B., wie in 2, 3 und 4 gezeigt), des für den Gegenstand geplanten Gesamtüberzugsschemas und der Berücksichtigung einzigartiger spezifischer Betriebsbeschränkungen für den Gegenstand.
  • Nach dem Aufbringen wurde das Erneuerungsmetall und bequemerweise der gesamte Gegenstand, auf den das Erneuerungsmetall aufgebracht worden war, in einer nicht oxidierenden Atmosphäre auf ine Temperatur, typischerweise im Bereich von etwa 900-1150 °C, erhitzt und für eine Zeit, typischerweise etwa 0,5-4 Stunden, gehalten, die genügen, um das Erneuerungsmetall in das darunter liegende Bindeüberzugssubstrat zu diffundieren. In einem Beispiel, in dem Pt das bis zu einer Dicke von etwa 6 μm aufgebrachte Erneuerungsmetall war, betrug die Temperatur etwa 1050 °C und die Zeit etwa 2 Stunden, um das Erneuerungsmetall in das Bindeüberzugssubstrat zu diffundieren. Diese separate Diffusions-Wärmebehandlung besei tigt die Notwendigkeit, in anderer derzeitiger Praxis, für ein ausgedehntes Aussetzen gegenüber hoher Temperatur während eines Aluminierungszyklus, der manchmal benutzt wird, um sowohl die Abscheidung von Aluminium als auch die Diffusion eines aufgebrachten Metalales, wie Pt, in den darunter liegenden Überzug bzw. das Substrat zu bewerkstelligen. Die vorliegende Erfindung gestattet eine signifikante Flexibilität der Auswahl der Art des Verfahrens und der Verfahrensparameter für einen nachfolgend aufgebrachten Umweltschutz-Überzug, z.B. ein Aluminid.
  • Nach dem Aufbringen und Diffundieren des Erneuerungsmetalles wurde ein umweltbeständiger Überzug, z.B. ein Aluminid oder eine Aluminium enthaltende Legierung, auf mindestens die diskreten Oberflächenbereiche oberhalb des diffundierten Erneuerungsmetalles und vorzugsweise auf den gesamten Gegenstands-Oberflächenbereich, wie den gesamten Flügel einer Schaufel, einschließlich Oberflächenbereiche, auf die in den obigen Stufen ein Erneuerungsmetall nicht aufgebracht worden war, aufgebracht. In einem Beispiel, bei dem die gesamte Flügeloberfläche mit einem Aluminid-Umweltüberzug überzogen wurde, waren die ausgewählten Überzugsparameter derart, dass ein mit Pt-Erneuerungsmetall modifizierter Aluminidüberzug, z.B. ein PtAl-Überzug, an den ausgewählten dikreten lokalen Oberflächen erzeugt wurde, während benachbarte Oberflächenbereiche, die nicht mit dem Erneuerungsmetall behandelt waren, mit Aluminium ohne beträchtliche Dickenänderung angereichert wurden. Aus dieser Praxis resultierte ein erneuerter Bindeüberzug restaurierter Schutzfähigkeit an den ausgewählten diskreten lokalen Bereichen. Benachbarte Oberflächenbereiche wurden mit verbesserter Umweltkapazität versehen. Der graphische Vergleich von 5 zeigt ein Beispiel des Platinprofils von behandelten ausgewählten diskreten lokalen Bereichen eines Turbinenschaufelflügels nach dem Betrieb und nach dem Er satz von Pt und Al. Der graphische Vergleich von 6 zeigt ein Beispiel des Aluminiumprofils des Turbinenschaufelflügels nach dem Betrieb und nach dem Aluminieren der gesamten Flügeloberfläche, wie oben beschrieben. Die Fähigkeit wurde in beiden Fällen bis zu Niveaus nahe den Überzugsniveaus im produzierten Zustand erneuert.
  • Nach dem Erneuern des Bindeüberzuges, wie oben beschrieben, wurde ein neuer äußerer Keramik-TBC über den Bindeüberzug unter Anwendung von physikalischer Dampfabscheidung mittels Elektronenstrahl gemäß der derzeitigen kommerziellen Praxis im Stande der Technik aufgebracht. Die Ausführung der vorliegenden Erfindung restaurierte das TBC-System ohne negative Auswirkungen auf den Gegenstand, z.B. Wandstärkenverminderung, wie oben diskutiert, oder unnötiges Entfernen des Bindeüberzugssubstrates. Zusätzlich wurden Bindeüberzugsbereiche benachbart den ausgewählten diskreten Bereichen, die mit dem Erneuerungsmetall behandelt wurden, ohne beträchtliche Dickenzunahme verbessert.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein effizientes wirksames Verfahren zum Reparieren eines TBC-Systems durch Erneuern ausgewählter diskreter Oberflächenbereiche eines darunter liegenden Bindeüberzuges ohne Entfernen eines Bindeüberzugssubstrates bereit. In einer Form fördert es die Umweltfähigkeit von Oberflächenbereichen benachbart den ausgewählten Bereichen.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Erneuern eines TBC-Systems auf einer Oberfläche (14) eines Gegenstandes, wobei das TBC-System einen metallischen Bindeüberzug auf der Gegenstandsoberfläche und einen äußeren Keramik-TBC aufweist, umfassend die Stufen: Entfernen des äußeren Keramik-TBC zum Freilegen eines Bindeüberzugssubstrates; Aus einem thermischen Muster, das aus dem Betrieb herrührt und für die Gegenstandsoberfläche (14) einzigartig ist, wird mindestens ein diskreter lokaler Oberflächenbereich (16, 18) der Gegenstandsoberfläche (14) augewählt, der einem Abbau des Bindeüberzuges während des Betriebes unterliegt; Auf das Bindeüberzugssubstrat wird zumindest an dem diskreten lokalen Oberflächenbereich mindestens ein Erneuerungsmetall aufgebracht, das aus der Gruppe bestehend aus Pt, Rh und Pd ausgewählt ist; Das Erneuerungsmetall wird auf eine Temperatur und für eine Zeit erhitzt, die zum Eindiffundieren des Erneuerungsmetalles in das Bindeüberzugssubstrat genügt; Auf zumindest den diskreten lokalen Oberflächenbereich über dem Erneuerungsmetall wir ein umweltbeständiger Überzug aufgebracht, der aus der Gruppe bestehend aus Alumi niden und Aluminium enthaltenden Legierungen ausgewählt ist, und dann Wird auf die Gegenstandsoberfläche (14) eine äußere Keramik-TBC aufgebracht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der umweltbeständige Überzug auf die gesamte Gegenstandsoberfläche (14) aufgebracht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Erneuerungsmetall auf eine Temperatur im Bereich von etwa 900 °C-1150 °C und für eine Zeit im Bereich von etwa 0,5-4 Stunden erhitzt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, worin: das Erneuerungsmetall Pt und; der umweltbeständige Überzug ein Aluminid ist und der umweltbeständige Überzug auf die gesamte Gegenstandsoberfläche (14) aufgebracht wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, worin: das Erneuerungsmetall Pt und; der umweltbeständige Überzug eine MAl-artige Legierung ist, bei der M mindestens ein Metall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fe, Co und Ni, ist und der umweltbeständige Überzug auf die gesamte Gegenstandsoberfläche (14) aufgebracht wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, worin die MAl-artige Legierung eine MCrAlY-Legierung ist.
DE69934766T 1998-12-22 1999-12-22 Erneuerung eines wärmehemmenden Beschichtungsystems Expired - Lifetime DE69934766T2 (de)

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