EP0379699B1 - Verfahren zur Erhöhung des Korrosions- und Erosionswiderstandes einer Schaufel einer rotierenden thermischen Maschine und nach diesem Verfahren hergestellte Schaufel - Google Patents
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- F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
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- Y10T428/12736—Al-base component
- Y10T428/1275—Next to Group VIII or IB metal-base component
- Y10T428/12757—Fe
Definitions
- the invention relates to a method according to the introductory part of patent claim 1.
- the invention also relates to a blade which can be obtained by the method according to patent claim 1.
- Rotating thermal machines are mainly steam turbines, gas turbines and turbo compressors.
- the blades used in these machines are to be effectively protected against operational attacks, in particular erosion and corrosion, but also oxidation, wear and damage.
- the blades of rotating thermal machines are often provided with protective layers. This is used in both steam and gas turbine blades as well as compressor blades. The main thing is to increase resistance to corrosion and oxidizing attack as well as erosion and wear (wear and tear).
- the elements Cr, Al, Si forming the oxide cover layers occupy a special position.
- Layers that have a high Al content have been used, among other things, as filler material for carbide-containing coatings (Cr2C3; WC) in engine construction.
- the invention is based on the object of a method for increasing the corrosion (Cl and SO4 ions) and erosion resistance (particle and drop impact erosion) of a blade of a rotating thermal machine in the presence of H2O- Steam and at comparatively moderate temperatures (450 ° C), which is particularly suitable for ferritic and / or ferritic-martensitic base material of the blade.
- the invention as defined in claim 5, is also based on the object of specifying a blade obtained by the method according to claim 1, in which a long service life is ensured by avoiding or at least delaying the occurrence of pitting corrosion.
- a compressor blade for an axial compressor was provided with a protective layer.
- the scoop was first degreased and cleaned in trichloroethane, whereupon the blade and the pale / foot transition were sandblasted.
- the coating of the blade was carried out using a high-speed flame spraying process with a particle speed of 400 m / s and a gas speed of 1000 m / s with nitrogen as the conveying gas.
- the aluminum alloy powder was conveyed by means of nitrogen into a combustion chamber operated with propane and oxygen.
- the liquefied particles were thrown onto the workpiece as fine drops under high excess pressure.
- the blade stood in a device that covered the blade root.
- the protective layer was applied with the hand-held spray gun.
- the applied protective layer was measured using a metallographic cut and was in Average 8 to 15 ⁇ m.
- a plastic in the present case polytetrafluoroethylene was applied to this metal protective layer using a conventional paint spraying process.
- This smooth surface layer had an average thickness of 6 to 10 ⁇ m and a roughness of approximately 2 ⁇ m.
- the coated compressor blade was subjected to a corrosion resistance test. For this purpose, it was immersed in a test solution and then stored in a climatic cabinet for 4 hours. This cycle was repeated a total of 60 times.
- a compressor blade of the same dimensions and composition was coated according to Example 1 with an aluminum alloy and a plastic. Now a scratch of 10 mm in length and a total of 25 ⁇ m in depth parallel to the longitudinal axis was made on the coated blade, the profile of which just barely grasped the base material with its tip. The blade was then subjected to the same corrosion tests as in Example 1. Thanks to the local element formation (aluminum layer functions as a "sacrificial anode”), the base material was largely protected, while the aluminum layer on the flanks of the scratch was only slightly degraded.
- the protective layer according to the invention can be expected to have a long service life under practical conditions of use.
- a compressor blade was provided with a protective layer.
- the material of the blade consisted of a martensitic-austenitic two-phase steel with a low austenite content and was available in a tempered condition.
- the aluminum alloy was sprayed on using an industrial robot. 3 spray coats were carried out. The thickness of the applied layer averaged 90 to 100 ⁇ m. A plastic layer of approx. 10 to 15 ⁇ m thickness was additionally applied to this metal protective layer using a conventional paint spraying process. The coated blade was subjected to the same corrosion test as in Example 1. No attack was then found.
- a used compressor blade with wing profile was provided with a protective layer.
- the metal layer was sprayed on by hand using the high-speed flame spraying process.
- the thickness of the protective layer fluctuated between 25 and 45 ⁇ m.
- the metallographic tests after the corrosion test indicated above showed an unchanged, unaffected surface zone.
- the invention is not restricted to the exemplary embodiments.
- the method for increasing the corrosion and erosion resistance of a blade of a rotating thermal machine which essentially consists of a ferritic and / or ferritic-martensitic base material, is carried out by applying a firmly adhering surface protective layer, in that one of 6 to 15 parts by weight % Silicon and the remainder essentially aluminum protective layer is sprayed onto the surface of the base material by the high-speed process with a particle speed of at least 300 m / s.
- the base material consists of a chromium-containing steel with 12 to 13 wt .-% chromium and other additives.
- the protective layer advantageously contains 10 to 12% by weight of silicon and the remainder essentially aluminum.
- a cover layer made of a heat-resistant plastic is preferably additionally applied to said protective layer.
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Description
- Die Erfindung bezieht sich ein Verfahren nach dem einleitenden Teil von Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft auch eine durch das Verfahren gemäss Patentanspruch 1 erhältliche Schaufel.
- Rotierende thermische Maschinen sind hierbei vor allem Dampfturbinen, Gasturbinen und Turbokompressoren. Die in diesen Maschinen verwendeten Schaufeln sollen wirksam gegen betriebliche Angriffe, wie insbesondere Erosion und Korrosion, aber auch Oxidation, Verschleiss und Beschädigung geschützt werden.
- Um den zahlreichen Beanspruchungen Genüge leisten zu können, werden die Schaufeln rotierender thermischer Maschinen vielfach mit Schutzschichten versehen. Davon wird sowohl bei Dampf- und Gasturbinenschaufeln wie bei Kompressorschaufeln Gebrauch gemacht. Es gilt vor allem, den Widerstand gegen Korrosion und oxydierenden Angriff sowie gegen Erosion und Abnutzung (Verschleiss) zu erhöhen. Unter den verwendeten Stoffen für Schutzschichten nehmen die oxydische Deckschichten bildenden Elemente Cr, Al, Si eine Sonderstellung ein. Schichten, die einen hohen Al-Gehalt aufweisen, sind unter anderem als Füllmaterial für karbidhaltige Überzüge (Cr₂C₃; WC) im Triebwerksbau verwendet worden.
- Zum Stand der Technik werden folgende Druckschriften angegeben:
- F.N. Davis, C.E. Grinnell, "Engine Experience of Turbine Rotor Blade Materials and Coatings", The American Society of Mechanical Engineers, 345 E. 47 St. New York, N.Y. 10017, 82-GT-244
- SermeTel Technische Information: "SermaLoy J-Prozess STS", SermeTel GmbH, Weilenburgstrasse 49, D-5628 Heiligenhaus, BRD
- Mark F. Mosser and Bruce G. McMordie, "Evaluation of Aluminium/Ceramic Coating on Fasteners to Eliminate Galvanic Corrosion", Reprinted from SP-649-Corrosion: Coatings and Steels, International Congress and Exposition, Detroit, Michigan, February 24-28, 1986, ISSN 0148-7191, Copyright 1986 Society of Automotive Engineers, Inc.
- Thomas F. Lewis III, "Gator-Gard, The Process, Coatings, and Turbomachinery Applications", Presented at the International Gas Turbine Conference and Exhibit, Düsseldorf, West Germany - June 8-12, 1986, The American Society of Mechanical Engineers, 345 E. 47 St., New York, N.Y. 10017, 86-GT-306
- H.J. Kolkman, "New Erosion Resistant Compressor Coatings", Presented at the Gas Turbine and Aeroengine Congress, Amsterdam, The Netherlands - June 6-9, 1988, The American Society of Mechanical Engineers, 345 E. 47 St., New York, N.Y. 10017, 88-GT-186.
- Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 definiert ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erhöhung des Korrosions- (Cl- und SO₄-Ionen) und Erosionswiderstandes (Partikel- und Tropfenschlagerosion) einer Schaufel einer rotierenden thermischen Maschine bei Anwesenheit von H₂O-Dampf und bei vergleichsweise mässigen Temperaturen (450 °C) anzugeben, welches sich besonders für ferritisches und/oder ferritisch-martensitisches Grundmaterial der Schaufel eignet. Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 5 definiert ist, liegt zugleich auch die Aufgabe zugrunde, eine nach dem Verfahren gemäss Patentanspruch 1 erhaltene Schaufel anzugeben, bei der durch das Vermeiden oder mindestens das Hinauszögern des Auftretens von Lochfrass-Korrosion eine grosse Lebensdauer gewährleistet ist.
- Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele beschrieben:
- Eine Verdichterschaufel für einen Axialkompressor wurde mit einer Schutzschicht versehen. Die Schicht hatte Tragflügelprofil, wobei das Schaufelblatt folgende Abmessungen aufwies:
Breite = 80 mm Grösste Dicke = 9 mm Profilhöhe = 14 mm Radiale Länge = 210 mm - Der Werkstoff der Schaufel war ein martensitischer Stahl, der im voll vergütetem Gefügezustand vorlag und folgende Zusammensetzung aufwies:
Cr = 12 Gew.-% Mo = 1 Gew.-% Ni = 0,5 Gew.-% C = 0,25 Gew.-% Fe = Rest - Die Schaufel wurde zunächst in Trichloräthan entfettet und gereinigt, worauf das Blatt und der Uebergang Blass/Fuss sandgestrahlt wurde. Die Beschichtung der Schaufel wurde nach einem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren mit einer Partikelgeschwindigkeit von 400 m/s und einer Gasgeschwindigkeit von 1000 m/s mit Stickstoff als Fördergas durchgeführt. Als Beschichtungsmaterial wurde eine Aluminiumlegierung der nachfolgenden Zusammen-setzung verwendet, die in Pulverform vorlag:
Si = 12,8 Gew.-% Mn = 0,22 Gew.-% Mg = 0,34 Gew.-% Ti = 0,1 Gew.-% Al = Rest - Gemäss dem hier angewendeten Beschichtungsverfahren mit der Markenbezeichnung "Jet-Kote" wurde das Aluminiumlegie rungspulver mittels Stickstoff in eine mit Propan und Sauerstoff betriebene Brennkammer gefördert. Die verflüssigten Partikel wurden als feine Tropfen unter hohem Ueberdruck auf das Werkstück geschleudert. Dabei stand die Schaufel in einer Vorrichtung, die den Schaufelfuss abdeckte. Die Aufbringung der Schutzschicht erfolgte mit der von Hand geführten Spritzpistole. Die aufgetragene Schutzschicht wurde anhand eines metallographischen Schliffes gemessen und betrug im Mittel 8 bis 15 µm. Auf diese Metall-Schutzschicht wurde nach einem herkömmlichen Lackspritzverfahren ein Kunststoff (im vorliegenden Fall Polytetrafluoräthylen) aufgetragen. Diese glatte Oberflächenschicht hatte eine durchschnittliche Dicke von 6 bis 10 µm und eine Rauheit von ca. 2 µm.
- Die beschichtete Verdichterschaufel wurde einer Prüfung auf Korrosionsbeständigkeit unterworfen. Zu diesem Zweck wurde sie in eine Prüflösung getaucht und danach in einem Klimaschrank während 4 h ausgelagert. Dieser Zyklus wurde insgesamt 60 x wiederholt. Die Prüflösung bestand aus einer wässrigen Lösung der folgenden Salze:
220 g/l (NH₄)₂FeSO₄ . 6H₂O
50 g/l NaClp H = 3 - 3,5 Temperatur Klimaschrank = 45 °C Luftfeuchtigkeit = 100 % Prüfdauer/Zyklus = 4 h Zahl der Zyklen = 60 - Die metallographischen Untersuchungen zeigten, dass nach diesen Korrosionsversuchen weder an den aufgebrachten Schichten noch am Grundmaterial irgendwelche Veränderungen festgestellt werden konnten.
Zum Vergleich wurde eine nach einem herkömmlichen Spritzverfahren mit je einer Aluminiumschicht und einer Kunststoffschicht versehene Verdichterschaufel geprüft. Nach 60 Prüfzylen waren die Schutzschichten weitgehend zerstört und lamellenförmige Schuppen herausgebrochen. -
- Eine Verdichterschaufel gleicher Abmessungen und Zusammensetzung wurde gemäss Beispiel 1 mit einer Aluminiumlegierung und einem Kunststoff beschichtet. Nun wurde auf der beschichteten Schaufel ein der Längsachse paralleler Kratzer von 10 mm Länge und total durchschnittlich 25 µm Tiefe angebracht, dessen Profil also mit seiner Spitze gerade noch das Grundmaterial knapp erfasste. Dann wurde die Schaufel den gleichen Korrosionsprüfungen wie in Beispiel 1 unterworfen. Dank der Lokalelementbildung (Aluminiumschicht funktioniert als "Opferanode") wurde das Grundmaterial weitgehend geschützt, während die Aluminiumschicht an den Flanken des Kratzers nur geringfügig abgebaut wurde. Durch die Wanderung der Al-Ionen im korrosiven Medium als "Elektrolyt" und deren Entladung an der elektropositiven Elektrode (Fe) des Grundmaterials kommt der korrosive Angriff in vielen Fällen zum Stillstand. Durch diese Simulierung der Oberflächenbeschädigung durch auftreffende Partikel im Betrieb und deren Verhalten unter korrosiver Atmosphäre wurde bewiesen, dass die erfindungsgemässe Schutzschicht unter praktischen Einsatzbedingungen eine lange Lebensdauer zu erwarten lässt.
- Eine Verdichterschaufel wurde mit einer Schutzschicht versehen. Der Tragflügel des Schaufelblattes hatte die nachfolgenden Abmessungen:
Breite = 100 mm Grösste Dicke = 10,5 mm Profilhöhe = 18 mm Radiale Länge = 265 mm - Der Werkstoff der Schaufel bestand aus einem martensitisch-austenitischen Zweiphasenstahl mit geringem Austenitanteil und lag im vergüteten Zustand vor. Die Zusammensetzung war die folgende:
CR = 15,5 Gew.-% Mo = 1,28 Gew.-% Ni = 5,4 Gew.-% C = 0,2 Gew.-% Fe = Rest - Nach dem üblichen Entfetten, Reinigen und Sandstrahlen wurde das Schaufelblatt zusätzlich gezielt kugelgestrahlt. Durch diese Oberflächenbehandlung wurde die Randzone des Grundmaterials kaltverformt und verdichtet, so dass sie Druckeigenspannungen aufwies. Damit wurde erreicht, dass die Wechselfestigkeit (Ermüdungsfestigkeit) durch Abbau der Spannungen auf der Zugseite im Betrieb erhöht wurde. Für die Beschichtung der Schaufel nach dem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren mit einer Partikelgeschwindigkeit von 450 m/s und einer Gasgeschwindigkeit von 1200 m/s mit Stickstoff als Fördermittel wurde eine Aluminiumlegierung der nachfolgenden Zusammensetzung verwendet:
Si = 10,65 Gew.-% Mn = 0,37 Gew.-% Mg = 0,1 Gew.-% Al = Rest - Das Aufspritzen der Aluminiumlegierung erfolgte mit einem Industrieroboter. Es wurden 3 Spritzgänge durchgeführt. Die Dicke der aufgetragenen Schicht betrug im Durchschnitt 90 bis 100 µm. Auf diese Metall-Schutzschicht wurde zusätzlich eine Kunststoffschicht von ca. 10 bis 15 µm Dicke nach einem üblichen Lackspritzverfahren aufgetragen.
Die beschichtete Schaufel wurde der gleichen Prüfung auf Korrosion unterzogen wie in Beispiel 1. Es konnte danach keinerlei Angriff festgestellt werden. - Eine gebrauchte Verdichterschaufel mit Tragflügelprofil wurde mit einer Schutzschicht versehen. Das Schaufelblatt hatte die nachfolgenden Abmessungen:
Breite = 63 mm Grösste Dicke = 8 mm Profilhöhe = 12 mm Radiale Länge = 140 mm - Das Grundmaterial der Schaufel war ein martensitischer Stahl im hochfest vergüteten Gefügezustand, dessen Zusammensetzung nachstehend wiedergegeben ist:
Cr = 11,73 Gew.-% Mo = 0,8 Gew.-% V = 0,1 Gew.-% C = 0,22 Gew.-% Fe = Rest - Im vorliegenden Fall handelte es sich um eine nach üblichen Verfahren beschichtete Schaufel, welche beträchtliche Betriebsschäden in Form von Lochfrass-Korrosion, die sich teilweise auch auf das Grundmaterial erstreckte, aufwies. Diese gebrauchte Schaufel wurde zunächst entfettet, überschliffen und sandgestrahlt, um die Schäden zu beseitigen. Dann wurde die Oberflächenzone des Grundmaterials durch Kugelstrahlen verdichtet. Die Beschichtung erfolgte mit einer Aluminiumlegierung folgender Zusammensetzung:
Si = 6,84 Gew.-% Mn = 0,3 Gew.-% Mg = 0,36 Gew.-% Ti = 0,1 Gew.-% Al = Rest - Das Aufspritzen der Metallschicht erfolgte von Hand nach dem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren. Die Dicke der Schutzschicht schwankte zwischen 25 und 45 µm. Die metallographischen Prüfungen nach dem oben angegebenen Korrosionsversuch ergaben eine unveränderte, nicht angegriffene Oberflächenzone.
- Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
- Das Verfahren zur Erhöhung des Korrosions- und Erosions-widerstandes einer Schaufel einer rotierenden thermischen Maschine, die im wesentlichen aus einem ferritischen und/oder ferritisch-martensitischen Grundmaterial besteht, wird durch Aufbringen einer festhaftenden Oberflächenschutzschicht durchgeführt, indem eine aus 6 bis 15 Gew.-% Silicium und als Rest im wesentlichen aus Aluminium bestehende Schutzschicht nach dem Hochgeschwindigkeitsverfahren mit einer Partikelgeschwindig-keit von mindestens 300 m/s auf die Oberfläche des Grundmaterials aufgespritzt wird. Vorzugsweise besteht das Grundmaterial aus einem chromhaltigen Stahl mit 12 bis 13 Gew.-% Chrom und weiteren Zusätzen. Die Schutzschicht enthält in vorteilhafter Weise 10 bis 12 Gew.-% Silicium und als Rest im wesentlichen Aluminium. Auf die besagte Schutzschicht wird zur Verfeinerung der Oberfläche vorzugsweise zusätzlich eine Deckschicht aus einem wärmebeständigen Kunststoff aufgetragen.
Claims (5)
- Verfahren zur Erhöhung des Korrosions- und Erosionswiderstandes einer Schaufel einer rotierenden thermischen Maschine, die im wesentlichen aus einem ferritischen und/oder ferritisch-martensitischen Grundmaterial besteht, durch Aufbringen einer festhaftenden Oberflächenschutzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus 6 bis 15 Gew.-% Silicium und als Rest im wesentlichen aus Aluminium bestehende Schutzschicht nach dem Hochgeschwindigkeitsverfahren mit einer Partikelgeschwindigkeit von mindestens 300 m/s auf die Oberfläche des Grundmaterials aufgespritzt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial aus einem chromhaltigen Stahl mit 12 bis 13 Gew.-% Cr und weiteren Zusätzen besteht.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht 10 bis 12 Gew.-% Silicium und als Rest im wesentlichen Aluminium enthält.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Schutzschicht zusätzlich eine Deckschicht aus einem wärmebeständigen Kunststoff aufgetragen wird.
- Schaufel einer rotierenden thermischen Maschine, im wesentlichen aus einem ferritischen und/oder ferritischmartensitischen Grundmaterial bestehend, mit einer aus 6 bis 15 Gew.-% Silicium und als Rest im wesentlichen aus Aluminium bestehenden Schutzschicht, erhältlich durch das Verfahren nach Patentanspruch 1.
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