EP0397731B1 - Metallgegenstand, insbesondere gasturbinenschaufel mit schutzbeschichtung - Google Patents

Metallgegenstand, insbesondere gasturbinenschaufel mit schutzbeschichtung Download PDF

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EP0397731B1
EP0397731B1 EP19890901530 EP89901530A EP0397731B1 EP 0397731 B1 EP0397731 B1 EP 0397731B1 EP 19890901530 EP19890901530 EP 19890901530 EP 89901530 A EP89901530 A EP 89901530A EP 0397731 B1 EP0397731 B1 EP 0397731B1
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EP
European Patent Office
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coating layer
layer
chromium
approximately
component according
Prior art date
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EP19890901530
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EP0397731A1 (de
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Friedhelm Schmitz
Norbert Czech
Bruno Deblon
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/02—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material
    • C23C28/023—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material only coatings of metal elements only

Definitions

  • the present invention relates to a metal object, in particular a component of a gas turbine plant, for. B. a blade, according to the preamble of claim 1.
  • a metal object in particular a component of a gas turbine plant, for. B. a blade, according to the preamble of claim 1.
  • Many components exposed to hot gas, particularly in gas turbines, are subject to thermal, mechanical and erosive stresses and are also to a large extent corrosive influences. Coatings that form from salts, the origin of which can be attributed to fuel and air pollution, together with some gaseous substances lead to corrosive damage from high-temperature corrosion (HTK).
  • the corrosion pathogens can be very heterogeneous.
  • the type and origin of the fuels and, on the other hand, the composition of the combustion air determine the different types of attack that come about through different chemical mechanisms.
  • the combustion air may contain heavy metals, alkalis and / or chlorides.
  • coating layers including multiple coatings for components exposed to hot gas, are known in large numbers from the literature for different purposes.
  • the innermost layer is a diffusion layer mainly containing chromium.
  • the graded coating described is generally intended to protect the metal object against heat corrosion, in which case corrosion tests at temperatures of approximately 925 ° C. are described.
  • DE-C-28 26 909 discloses a further double layer for metal objects loaded in this way, an inner partial layer containing portions of the elements aluminum, chromium and yttrium.
  • US Pat. No. 3,649,225 also describes double layers which are intended to prevent high-temperature corrosion.
  • the lower, generally thin layer does not itself serve as protection against external attack, but only improves the durability and adhesion of the upper layer.
  • the known layer systems protect a component against oxidation and corrosion at very high temperatures, but intensive studies have shown that the known layers do not simultaneously protect against a different type of corrosion attack at temperatures between 600 ° and 800 ° C. As can be seen from FIG. 1 of the drawing, there are two different types of attack for high-temperature corrosion after investigations have become known.
  • Fig. 1 shows that in addition to the already mentioned high-temperature corrosion in the range of about 850 ° C (hereinafter referred to as HTKI), against which the known protective layers are designed, there is another strong corrosion mechanism which has a maximum in the range of about 700 ° C Has. 1 shows a diagram in which the corrosion rate is plotted against the temperature.
  • HTKI high-temperature corrosion in the range of about 850 ° C
  • Has. 1 shows a diagram in which the corrosion rate is plotted against the temperature.
  • DE-A 31 04 581 already points to the additional problem of corrosion at lower temperatures in gas turbines.
  • a silicon-rich layer on the outside of a layer that is corrosion-resistant to high temperatures, which forms aluminides, in order to improve the corrosion resistance against attacks at medium temperatures.
  • the object of the present invention is therefore to create a combination of protective layers which makes a metal object more resistant to both known attack mechanisms, HTKI and HTKII, and thus increases the service life of the component.
  • the component is first provided with a layer which, owing to its thickness or composition, is highly resistant to attack mechanisms at temperatures of 600 ° to 800 ° C. Furthermore, a second coating layer is applied, which is particularly resistant to attacks at 800 ° to 900 ° C.
  • This structure is based on the knowledge that components which are exposed to hot gas are generally cooled on the inside, so that there is a temperature gradient from the outermost layer to the interior of the component. Therefore, the inner layer is initially designed against the attack mechanism at a lower temperature, while the outer layer should protect against corrosion at high temperatures.
  • a component does not always have to be completely provided with both layers, provided that the temperature load of individual areas is different.
  • the invention should therefore of course also include the double coating only in partial areas of the metal objects.
  • the proposed arrangement of the layers has the advantage that the service life of a component is increased in any case, even if the average prevailing attack mechanism is different at different locations on the component and is not necessarily known. If, for example, a special one well-cooled part of the component is mainly in the temperature range around 700 ° C even during full load operation, so the outermost protective layer, which is not optimized for this type of attack, is gradually destroyed, but then protects the layer underneath.
  • FIG. 2 shows an example of the effects of the double layer on the operating time in a diagram.
  • the consumption is plotted against the operating time and typical consumption curves for different temperature loads of different sub-areas of a component are shown.
  • FIG. 3 shows the effect of a thermal barrier layer over a corrosion protection layer in an internally cooled component.
  • the diagram shows 2 typical temperature profiles inside and outside the component and the protective layers.
  • a diffusion layer applied to the metal object with a chromium content greater than 50% is suitable as the first coating layer.
  • Such diffusion layers are known per se according to the prior art, in particular from DE-C-28 26 910. However, their beneficial effect compared to HTKII when combined with a second coating layer against HTKI was not recognized.
  • An additional amount of iron or manganese, e.g. B. 10 to 30% (all the following data are percentages by weight) the thickness of such a diffusion layer can be increased to over 0.130 mm, with an increasing proportion of iron or manganese also increasing the possible layer thickness, which of course increases the service life under HTKII conditions .
  • an overlay layer can alternatively be provided, which can be applied, for example, by low-pressure plasma spraying.
  • This layer should contain 30 to 55%, preferably about 40%, chromium and 0.5 to 2%, preferably about 1%, of at least one of the rare earth elements, yttrium, scandium, hafnium, zirconium, niobium, Tantalum, silicon. If at all, aluminum should only be present in small amounts, namely less than 3%.
  • the rest of the layer consists of one or a mixture of the elements iron, cobalt, nickel, and production-related impurities can also be added.
  • the chromium content can be chosen to be lower, namely between 15 and 50%, preferably between about 20 and 30%, to achieve an equally good effect. .
  • the second coating layer is said to belong to the MCrAlY type.
  • Such layers are basically known per se from the prior art, for. B. again from DE-C 28 21 910.
  • this combination in particular results in a particularly long service life of the metal objects at locally different temperatures.
  • the second coating layer should have the following composition: 15 to 40% chromium, preferably approximately 20 to 30%; 3 to 15% aluminum, preferably about 7 to 12%; 0.2 to 3% of at least one element from the group of rare earths, yttrium, tantalum, hafnium, scandium, zirconium, niobium, rhenium, silicon, preferably about 0.7%; The rest of at least one of the elements made of cobalt, nickel, as well as manufacturing-related impurities.
  • the second coating layer should be applied by plasma spraying, in particular low-pressure plasma spraying.
  • plasma spraying in particular low-pressure plasma spraying.
  • various coating methods come into consideration, as have already been described in DE-C-28 26 910, but low-pressure plasma spraying allows the application of particularly adhesive and oxide-free layers of greater layer thickness.
  • the outer coating layer may have a greater layer thickness than the inner one.
  • a diffusion barrier layer can significantly increase the service life.
  • Such a layer can consist, for example, of titanium nitride or titanium carbide.
  • thermal barrier layers on the outside of the metal object. These layers have the effect that the underlying metallic layers only have temperatures against which they are designed. In order to prevent the thermal barrier layer from flaking off, it can be advantageous according to claim 13 to oxidize the surface of the second coating layer before the thermal barrier layer is applied.
  • a component 1 has a first metallic coating layer 2, which is optimized against HTKII or is resistant due to its thickness. Above it is a second coating layer 3, which is resistant to HTKI. If necessary, there may be diffusion barrier layers 4, 5 between the base material 1 and the first coating layer 2 and / or between the first coating layer 2 and the second coating layer 3, which impede the concentration compensation of individual elements by diffusion. Finally, a thermal barrier layer 6, which protects against particularly high temperatures, can also be attached on the very outside.
  • the multiple coatings according to the invention are particularly suitable for blades and parts of gas turbines in which individual, for. B. cooled components, locally different temperatures occur, such as in systems that are operated temporarily at full load and secondly only at partial load.
  • thick multiple protective layers can be applied to such components, which usually consist of nickel-based alloys, which considerably extend the service life of the components, in particular of the blades.
  • the coatings described can, as far as this is economically justifiable, be supplemented by other similar or different coatings.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Metallgegenstand, insbesondere ein Bauteil einer Gasturbinenanlage, z. B. eine Schaufel, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Viele mit Heißgas beaufschlagte Bauteile, insbesondere bei Gasturbinen, unterliegen neben thermischen, mechanischen und erosiven Beanspruchungen auch in starkem Maße korrosiven Einflüssen. Beläge, die sich aus Salzen bilden, deren Herkunft auf Brennstoff- und Luftverunreinigungen zurückzuführen ist, führen zusammen mit einigen gasförmigen Stoffen zur korrosiven Schädigung durch Hochtemperaturkorrosion (HTK). Die Korrosionserreger können sehr heterogen sein. Einerseits bestimmen Art und Herkunft der Brennstoffe und andererseits die Zusammensetzung der Verbrennungsluft die unterschiedlichen Angriffsformen, die durch unterschiedliche chemische Mechanismen zustande kommen. Bei den Brennstoffen können variierender Schwefelgehalt in Erdgasen und Erdölen, Vanadium-Anteile in Schweröl, Schwermetalle in Gichtgas und Schwermetalle und Chloride in Kohlegas Einfluß ausüben. Bei der Zusammensetzung der Verbrennungsluft spielen die in ihr enthaltenen flüssigen und festen Aerosole eine entscheidende Rolle, wobei je nach Standort der Anlage in der Verbrennungsluft Schwermetalle, Alkalien und/oder Chloride enthalten sein können.
  • Verschiedene Überzugsschichten, auch Mehrfachbeschichtungen für mit Heißgas beaufschlagte Bauteile, sind aus der Literatur in größerer Anzahl für verschiedene Zwecke bekannt. Insbesondere ist aus der DE-C-28 26 910 bekannt, Metallgegenstände mit einem abgestuften Überzug zu versehen. Dabei ist die innerste Schicht eine hauptsächlich Chrom enthaltende Diffusionsschicht.
  • Der beschriebene abgestufte Überzug soll generell den Metallgegenstand gegen Hitzekorrosion schützen, wobei in diesem Falle Korrosionsversuche bei Temperaturen von etwa 925° C beschrieben werden.
  • Aus der DE-C-28 26 909 ist eine weitere Doppelschicht für derartig belastete Metallgegenstände bekannt, wobei eine innere Teilschicht Anteile der Elemente Aluminium, Chrom und Yttrium enthält. Auch in der US-PS 3,649,225 sind Doppelschichten beschrieben, die die Hochtemperaturkorrosion verhindern sollen. Bei den meisten bekannten Doppelschichten dient die untere, im allgemeinen dünne Schicht nicht selbst als Schutz gegen einen äußeren Angriff, sondern verbessert nur die Haltbarkeit und Haftung der oberen Schicht.
  • Die bekannten Schichtsysteme schützen ein Bauteil zwar gegen Oxidation und Korrosion bei sehr hohen Temperaturen, jedoch haben intensive Untersuchungen gezeigt, daß die bekannten Schichten nicht zugleich gegen einen andersartigen Korrosionsangriff bei Temperaturen zwischen 600° und 800° C schützen. Wie aus Fig. 1 der Zeichnung hervorgeht, gibt es nämlich nach inzwischen bekanntgewordenen Untersuchungen 2 unterschiedliche Angriffsarten für Hochtemperaturkorrosion.
  • Fig. 1 zeigt, daß es neben der schon erwähnten Hochtemperaturkorrosion im Bereich von etwa 850° C (im folgenden als HTKI bezeichnet), wogegen die bekannten Schutzschichten ausgelegt sind, einen anderen starken Korrosionsmechanismus gibt, welcher ein Maximum im Bereich von etwa 700° C hat. Fig. 1 zeigt ein Diagramm, in welchem die Korrosionsrate gegen die Temperatur aufgetragen ist.
  • Bei bestimmten Betriebsweisen von Gasturbinenanlagen, insb. in Fällen, in denen die Turbine über längere Zeiträume im Teillastbereich arbeitet, spielt nun der Korrosionsmechanismus bei 700° C (im folgenden als HTKII bezeichnet) für die Lebens-dauer von Bauteilen eine entscheidende Rolle. Es hat sich nämlich gezeigt, daß diese Art der Korrosion bei Teillastbetrieb allmählich die gegen Angriffe bei höheren Temperaturen geeigneten Schutzschichten zerstört, so daß anschließend bei Voll-Lastbetrieb und wieder höherer Temperatur die Bauteile ungeschützt den übrigen Angriffsmechanismen ausgesetzt sind.
  • In der DE-A 31 04 581 wird bereits auf das zusätzliche Problem der Korrosion bei niedrigerer Temperatur in Gasturbinen hingewiesen. Zur Lösung wird dort vorgeschlagen, außen auf eine gegen hohe Temperaturen korrosionsbeständige Schicht, welche Aluminide bildet, zusätzlich eine siliziumreiche Schicht aufzutragen, um die Korrosionsbeständigkeit gegen Angriffe bei mittleren Temperaturen zu verbessern. Ein solcher Aufbau ist im Hinblick auf die Temperaturverteilung in Gasturbinenbauteilen nicht für alle Anwendungsfälle geeignet.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kombination von Schutzschichten zu schaffen, die einen Metallgegenstand gegenüber beiden bekannten Angriffmechnismen, HTKI und HTKII nach widerstandsfähiger macht und so die Standzeit des Bauteiles erhöht.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe dienen Metallgegenstände mit den Beschichtungen gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1, 3 bzw. 6. Danach wird das Bauteil zunächst mit einer Schicht versehen, welche aufgrund ihrer Dicke oder Zusammensetzung eine große Widerstandsfähigkeit gegen Angriffsmechanismen bei Temperaturen von 600° bis 800° C hat. Weiter wird eine zweite Überzugsschicht aufgebracht, welche besonders widerstandsfähig gegen Angriffe bei 800° bis 900° C ist. Dieser Aufbau geht von der Erkenntnis aus, daß mit Heißgas beaufschlagte Bauteile im allgemeinen innen gekühlt werden, so daß ein Temperaturgefälle von der äußersten Schicht bis in das Innere des Bauteiles besteht. Daher wird zunächst die weiter innen liegende Schicht gegen den Angriffsmechanismus bei niedrigerer Temperatur ausgelegt, während die äußere Schicht gegen die Korrosion bei hohen Temperaturen schützen sollte.
  • Anzumerken ist noch, daß nicht grundsätzlich ein Bauteil vollständig mit beiden Schichten versehen sein muß, sofern die Temperaturbelastung einzelner Bereiche unterschiedlich ist. Die Erfindung soll daher natürlich auch die Doppelbeschichtung nur in Teilbereichen der Metallgegenstände umfassen. Die vorgeschlagene Anordnung der Schichten hat jedoch den Vorteil, daß die Standzeit eines Bauteiles in jedem Falle erhöht wird, selbst wenn der durchschnittlich vorherrschende Angriffmechanismus an verschiedenen Stellen des Bauteiles unterschiedlich und nicht unbedingt bekannt ist. Falls beispielsweise ein besonders gut gekühlter Teilbereich des Bauteiles sich auch bei Voll-Lastbetrieb überwiegend im Temperaturbereich um 700° C befindet, so wird zwar die äußerste Schutzschicht, die für diese Angriffsart nicht optimiert ist, allmählich zerstört, jedoch schützt anschließend die darunterliegende Schicht.
  • Fig. 2 zeigt beispielhaft in einem Diagramm die Auswirkungen der Doppelschicht auf die Betriebszeit. In diesem Diagramm ist die Abzehrung gegen die Betriebszeit aufgetragen und es sind typische Abzehrungskurven für unterschiedliche Temperaturbeanspruchungen verschiedener Teilbereiche eines Bauteils eingezeichnet.
  • Fig. 3 zeigt schließlich noch die Wirkung einer Thermobarriereschicht über einer Korrosionsschutzschicht bei einem innengekühlten Bauteil. Das Diagramm zeigt 2 typische Temperaturprofile innerhalb und außerhalb des Bauteiles und der Schutzschichten.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den jeweils abhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
  • Als erste Überzugsschicht eignet sich eine auf den Metallgegenstand aufgebrachte Diffusionsschicht mit einem Chromgehalt größer als 50 %. Solche Diffusionsschichten sind an sich nach dem Stand der Technik, insbesondere aus der DE-C-28 26 910 bekannt. Ihre günstige Wirkung gegenüber HTKII bei Kombination mit einer zweiten Überzugsschicht gegen HTKI wurde jedoch nicht erkannt. Durch einen zusätzlichen Anteil an Eisen oder Mangan, z. B. 10 bis 30 % (alle folgenden Angaben sind Gewichtsprozente), kann die Dicke einer solchen Diffusionsschicht auf über 0,130 mm gesteigert werden, wobei mit steigendem Anteil an Eisen oder Mangan auch die mögliche Schichtdicke zunimmt, was natürlich die Standzeit unter HTKII-Bedingungen erhöht.
  • Statt einer ersten Überzugsschicht als Diffusionsschicht kann alternativ auch eine Auflageschicht vorgesehen werden, die sich beispielsweise durch Niederdruck-Plasmaspritzen aufbringen läßt. Diese Schicht sollte 30 bis 55 %, vorzugsweise etwa 40 %, Chrom enthalten und 0,5 bis 2 %, vorzugsweise etwa 1 %, von mindestens einem der Elemente aus der Gruppe der seltenen Erden, Yttrium, Scandium, Hafnium, Zirkonium, Niob, Tantal, Silizium. Aluminium sollte, wenn überhaupt, nur in geringen Mengen, nämlich weniger als 3 %, vorhanden sein. Der Rest der Schicht besteht aus einem oder einer Mischung der Elemente Eisen, Kobalt, Nickel, wobei herstellungsbedingte Verunreinigungen hinzukommen können.
  • Verwendet man kein Kobalt, sondern nur eines oder eine Mischung der Elemente aus Eisen und Nickel für die erste Überzugsschicht, so kann zur Erreichung einer gleich guten Wirkung der Chromgehalt niedriger gewählt werden, nämlich zwischen 15 und 50 %, vorzugsweise etwa zwischen 20 und 30 %.
  • Die zweite Überzugsschicht soll zum Typ MCrAlY gehören. Auch solche Schichten sind grundsätzlich nach dem Stand der Technik an sich bekannt, z. B. wiederum aus der DE-C 28 21 910. Die Erkenntnis jedoch, eine solche Überzugsschicht nicht nur gegen HTKI zu optimieren, sondern außerdem noch in Kombination mit einer darunterliegenden, gegen HTKII optimierten Schicht zu benutzen, ist aus dem Stand der Technik nicht zu entnehmen. Gerade diese Kombination bewirkt jedoch eine besonders lange Standzeit der Metallgegenstände bei örtlich unterschiedlichen Temperaturen. Erfindungsgemäß soll die zweite Auflageschicht folgende Zusammensetzung haben: 15 bis 40 % Chrom, vorzugsweise etwa 20 bis 30 %; 3 bis 15 % Aluminium, vorzugsweise etwa 7 bis 12 %; 0,2 bis 3 % von mindestens einem Element aus der Gruppe seltener Erden, Yttrium, Tantal, Hafnium, Scandium, Zirkonium, Niob, Rhenium, Silizium, vorzugsweise etwa 0,7 %; Rest mindestens eines der Elemente aus Kobalt, Nickel, sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen.
  • Gemäß Anspruch 9 wird vorgeschlagen, daß die zweite Überzugsschicht durch Plasmaspritzen, insb. Niederdruckplasmaspritzen, aufgebracht werden soll. Grundsätzlich kommen verschiedene Beschichtungsverfahren in Betracht, wie sie auch schon in der DE-C-28 26 910 beschrieben sind, jedoch läßt das Niederdruck-Plasmaspritzen das Aufbringen besonders haftfähiger und oxidfreier Schichten größerer Schichtdicke zu. Dementsprechend kann es sein, daß die äußere Überzugsschicht eine größere Schichtdicke als die innere hat.
  • Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem alle unterschiedlichen Überzugsschichten durch Diffusion mit dem Metallgegenstand und untereinander verbunden sein sollen, kann es für die erfindungsgemäß opitimierten Schichten und deren Beständigkeit von Bedeutung sein, daß Diffusionsvorgänge zwischen den Schichten durch eine Diffusionsbarriereschicht verhindert werden. Dies ist Gegenstand des Anspruchs 10. Bei sehr präzise für bestimmte Bedingungen optimierte Schichten ist es unerwünscht, daß sich die Konzentrationen einzelner Bestandteile, wie beispielsweise Chrom oder Aluminium durch Diffusion ausgleichen, da hierbei die spezifischen Eigenschaften der einzelnen Schichten verlorengehen können. Hier kann eine Diffusionsbarriereschicht die Standzeit deutlich erhöhen. Eine solche Schicht kann beispielsweise aus Titannitrid oder Titancarbid bestehen.
  • Insbesondere bei innen gekühlten Metallgegenständen besteht eine Möglichkeit des Schutzes gegen besonders hohe Temperaturen darin, die Temperaturen gar nicht bis zu den metallischen Schichten gelangen zu lassen. Dies kann durch Thermobarriereschichten außen auf dem Metallgegenstand erreicht werden. Diese Schichten bewirken, daß die darunterliegenden metallischen Schichten nur noch Temperaturen aufweisen, gegen die sie ausgelegt sind. Um ein mögliches Abplatzen der Thermobarriereschicht zu verhindern, kann es gemäß Anspruch 13 vorteilhaft sein, die zweite Überzugsschicht an ihrer Oberfläche vor dem Aufbringen der Thermobarriereschicht zu oxidieren.
  • Durch die erfindungsgemäße Beschichtung eines Bauteiles können, wie Anspruch 14 aussagt, insgesamt Beschichtungsdicken von über 0,3 mm erreicht werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Ein Bauteil 1 weist eine erste metallische Überzugsschicht 2 auf, welche gegen HTKII optimiert oder wegen ihrer Dicke widerstandsfähig ist. Darüber liegt eine zweite Überzugsschicht 3, welche gegen HTKI beständig ist. Falls nötig, können zwischen dem Grundwerkstoff 1 und der ersten Überzugsschicht 2 und/oder zwischen der ersten Überzugsschicht 2 und der zweiten Überzugsschicht 3 Diffusionsbarriereschichten 4, 5 vorhanden sein, welche den Konzentrationsausgleich einzelnen Elemente durch Diffusion behindern. Schließlich kann ganz außen noch eine Thermobarriereschicht 6 angebracht sein, welche gegen besonders hohe Temperaturen schützt.
  • Die erfindungsgemäßen Mehrfachbeschichtungen eignen sich insbesondere für Schaufeln und Teile von Gasturbinen, bei denen an einzelnen, z. B. gekühlten Bauteilen, örtlich unterschiedliche Temperaturen vorkommen, wie beispielsweise in Anlagen, die zeitweise bei Voll-Last und zweitweise nur bei Teil-Last betrieben werden. Auf solche Bauteile, die gewöhnlich aus Nickel-Basis-Legierungen bestehen, können erfindungsgemäß dicke Mehrfach-Schutzschichten aufgebracht werden, die die Standzeiten der Bauteile, insbesondere der Schaufeln, erheblich verlängern. In Sonderfällen können die beschriebenen Beschichtungen, soweit dies wirtschaftlich noch vertretbar ist, durch weitere gleichartige oder andersartige Beschichtungen ergänzt werden.

Claims (15)

  1. Metallisches Bauteil einer Gasturbinenanlage aus einem Grundwerkstoff (1) auf Nickelbasis, wobei der Grundwerkstoff zumindest in Teilbereichen des Bauteils versehen ist mit
    a) einer ersten gegen Korrosion bei Temperaturen von 600° bis 800° C (HTKII) schützenden Überzugsschicht (2) bestehend aus einer auf den Grundwerkstoff aufgebrachten Diffusionsschicht mit einer Dicke größer als 0,130 mm, welche hauptsächlich aus Chrom besteht und zusätzlich mindestens 10 % von mindestens einem der Elemente aus Eisen, Mangan enthält (Gewichtsprozent);
    b) einer zweiten darüberliegenden gegen Korrosion bei Temperaturen von 800° bis 900° C (HTKI) schützenden Überzugsschicht (3) mit folgenden Bestandteilen:
    15 bis 40 % Chrom,
    etwa 7 bis 15 % Aluminium,
    0,2 bis 3 % von mindestens einem Element aus der Gruppe seltener Erden, Yttrium, Tantal, Hafnium, Scandium, Zirkonium, Niob, Rhenium, Silizium;
    Rest mindestens eines der Elemente aus Kobalt, Nickel; sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen.
  2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Überzugsschicht (2) etwa 20 bis 30 % Eisen enthält.
  3. Metallisches Bauteil einer Gasturbinenanlage aus einem Grundwerkstoff (1) auf Nickelbasis, wobei der Grundwerkstoff zumindest in Teilbereichen des Bauteils versehen ist mit
    a) einer ersten gegen Korrosion bei Temperaturen von 600° bis 800° C (HTKII) schützenden Überzugsschicht, wobei die erste Überzugsschicht (2) eine Auflageschicht ist mit folgenden Bestandteilen (Gewichtsprozente):
    Chrom 30 bis 55 %;
    Aluminium kleiner 3 %;
    0,5 bis 2 % mindestens eines Elementes aus der Gruppe seltener Erden, Yttrium, Tantal, Hafnium, Scandium, Zirkonium, Niob, Silizium;
    Rest mindestens eines der Elemente aus Eisen, Kobalt, Nickel;
    sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen;
    b) einer zweiten darüberliegenden gegen Korrosion bei Temperaturen von 800° bis 900° C (HTKI) schützenden Überzugsschicht (3) mit folgenden Bestandteilen:
    15 bis 40 % Chrom,
    etwa 7 bis 15 % Aluminium,
    0,2 bis 3 % von mindestens einem Element aus der Gruppe seltener Erden, Yttrium, Tantal, Hafnium, Scandium, Zirkonium, Niob, Rhenium, Silizium;
    Rest mindestens eines der Elemente aus Kobalt, Nickel;
    sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen.
  4. Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Überzugsschicht (2) der Anteil an Chrom etwa 40 % und der Anteil der Elemente aus der Gruppe seltener Eiden, Yttrium, Tantal, Hafnium, Scandium, Zirkonium, Niob, Silizium insgesamt etwa 1 % beträgt.
  5. Bauteil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Überzugsschicht (2) durch Niederdruck-Plasmaspritzen aufgebracht ist.
  6. Metallisches Bauteil einer Gasturbinenanlage aus einem Grundwerkstoff (1) auf Nickelbasis, wobei der Grundwerkstoff zumindest in Teilbereichen des Bauteils versehen ist mit
    a) einer ersten gegen Korrosion bei Temperaturen von 600° bis 800° C (HTKII) schützenden Überzugsschicht (2), wobei die erste Überzugsschicht (2) eine Auflageschicht ist mit folgenden Bestandteilen (Gewichtsprozent):
    Chrom 15 bis 50 %;
    Aluminium kleiner 3 %
    0,5 bis 2 % mindestens eines
    Elementes aus der Gruppe seltener Erden, Yttrium, Tantal, Hafnium, Scandium, Zirkonium, Niob, Silizium;
    Rest mindestens eines der Elemente Eisen oder Nickel;
    sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen;
    b) einer zweiten darüberliegenden gegen Korrosion bei Temperaturen von 800° bis 900° C (HTKI) schützenden Überzugsschicht (3) mit folgenden Bestandteilen:
    15 bis 40 % Chrom,
    etwa 7 bis 15 % Aluminium,
    0,2 bis 3 % von mindestens einem Element aus der Gruppe seltener Erden, Yttrium, Tantal, Hafnium, Scandium, Zirkonium,
    Niob, Rhenium, Silizium;
    Rest mindestens eines der Elemente aus Kobalt, Nickel; sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen.
  7. Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Überzugsschicht (2) der Anteil an Chrom 20 bis 30% und der Anteil der Elemente aus der Gruppe seltener Erden, Yttrium, Tantal, Hafnium, Scandium, Zirkonium, Niob, Silizium insgesamt etwa 1 % beträgt.
  8. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Überzugsschicht (3) der Anteil an Chrom etwa 20 bis 30 %, der Anteil an Aluminium etwa 7 bis 12 % und der Anteil der Elemente aus der Gruppe seltener Erden, Yttrium, Tantal, Hafnium, Scandium Zirkonium, Niob, Rhenium, Silizium etwa 0,7 % beträgt.
  9. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die zweite Überzugsschicht durch Niederdruck-Plasmaspritzen aufgebracht ist.
  10. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Grundwerkstoff (1) und der ersten Überzugsschicht (2) und/oder zwischen der ersten Überzugsschicht (2) und der zweiten Überzugsschicht (3) eine Diffusionsbarriereschicht (4 bzw. 5), z. B. aus Titannitrid, zur Verminderung von Diffusionsvorgängen zwischen den unterschiedlichen Werkstoffzusammensetzungen vorhanden ist.
  11. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der zweiten Überzugsschicht (3) zusätzlich eine keramische Thermobarriereschicht (6) mit geringer Wärmeleitfähigkeit vorhanden ist.
  12. Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermobarriereschicht (6) aus Zirkoniumoxid mit Zusatz von Yttriumoxid besteht.
  13. Bauteil nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Überzugsschicht (3) an ihrer Oberfläche zur Thermobarriereschicht (6) vor-oxidiert ist.
  14. Bauteil nach Anspruch 1, 3, 6, 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtdicke der Überzugsschicht größer als 0,3 mm ist.
  15. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (1) eine Gasturbinenschaufel ist.
EP19890901530 1988-02-05 1989-01-19 Metallgegenstand, insbesondere gasturbinenschaufel mit schutzbeschichtung Expired - Lifetime EP0397731B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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