EP1181437B1 - Steam turbine component and method for producing a protective coating on the component - Google Patents
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- EP1181437B1 EP1181437B1 EP00931207A EP00931207A EP1181437B1 EP 1181437 B1 EP1181437 B1 EP 1181437B1 EP 00931207 A EP00931207 A EP 00931207A EP 00931207 A EP00931207 A EP 00931207A EP 1181437 B1 EP1181437 B1 EP 1181437B1
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Definitions
- EP 0 379 699 A1 describes a method for increasing the Corrosion and oxidation resistance of a blade thermal machine, especially a compressor blade an axial compressor.
- the basic material of the compressor blade consists of a ferritic-martensitic Material.
- a solid is placed on the base material adhesive surface protective layer consisting of 6 to 15 % By weight silicon, rest aluminum according to the high-speed process with a particle velocity of at least 300 mls sprayed onto the surface of the base material.
- This metal protective layer is made according to a conventional one Paint spraying process a plastic, for example polytetrafluoroethylene, applied which plastic the top layer (outer layer) of the blade. With the procedure a protective layer is provided on a blade which increased resistance to corrosion and erosion when present of water vapor and comparatively moderate temperatures (450 ° C), as relevant for compressor blades are.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Dampfturbinenbauteil, insbesondere ein einem heißen Dampf aussetzbarem Dampfturbinenbauteil, mit einem metallischen Grundkörper der eine Schutzbeschichtung zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit des Grundwerkstoffes aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Schutzbeschichtung zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit auf einem Dampfturbinenbauteil, welches heißem Dampf aussetzbar ist, mit einem metallischen Grundkörper, der einen Grundwerkstoff aufweist.The invention relates to a steam turbine component, in particular a steam turbine component that can be exposed to hot steam, with a metallic base body of a protective coating to increase the oxidation resistance of the base material having. The invention further relates to a method for Production of a protective coating to increase the resistance to oxidation on a steam turbine component, which is exposed to hot steam, with a metallic base body, which has a base material.
In verschiedenen technischen Gebieten, werden Dampfturbinenbauteile heißem Dampf, insbesondere Wasserdampf, ausgesetzt. Dies trifft beispielsweise für Dampfturbinenbauteile in Dampfanlagen, insbesondere in Dampfkraftwerken zu. Im Rahmen der Steigerung der Effizienz von Dampfkraftwerken wird unter anderem durch Anhebung der Dampfparameter (Druck und Temperatur) eine Erhöhung des Wirkungsgrades erreicht. Zukünftige Entwicklungen werden hierbei Drücke bis 300 bar und Temperaturen bis zu über 650°C aufweisen. Zur Realisierung solch erhöhter Dampfparameter sind geeignete Werkstoffe mit hoher Festigkeit im Zeitstandbereich bei erhöhten Temperaturen erforderlich.In various technical fields, steam turbine components are used exposed to hot steam, especially water vapor. This applies, for example, to steam turbine components Steam plants, especially in steam power plants. As part of The increase in efficiency of steam power plants is under by increasing the steam parameters (pressure and temperature) achieved an increase in efficiency. future Developments are pressures up to 300 bar and temperatures up to over 650 ° C. To realize such elevated Steam parameters are suitable materials with high Strength in the creep range required at elevated temperatures.
Da austenitische Stähle aufgrund ungünstiger physikalischer Eigenschaften, wie hoher Wärmedehnungskoeffizient und niedriger Wärmeleitfähigkeit, hierbei an ihre Grenzen stoßen werden, werden derzeit verschiedene Varianten von zeitstandfesten, ferritisch-martensitischen Stählen mit Chromgehalten von 9 Gew.% bis 12 Gew.% entwickelt.Because austenitic steels due to unfavorable physical Properties such as high thermal expansion coefficient and lower Thermal conductivity, will reach their limits here, are currently different variants of creep resistance, ferritic-martensitic steels with chrome contents of 9% by weight to 12% by weight developed.
Aus der EP 0 379 699 A1 geht ein Verfahren zur Erhöhung des Korrosions- und Oxidationswiderstandes einer Schaufel einer thermischen Maschine, insbesondere eine Verdichterschaufel eines Axialkompressors, hervor. Das Grundmaterial der Verdichterschaufel besteht hierbei aus einem ferritisch-martensitischen Werkstoff. Auf das Grundmaterial wird eine feste haftende Oberflächenschutzschicht bestehend aus 6 bis 15 Gew.% Silizium, Rest Aluminium nach dem Hochgeschwindigkeitsverfahren mit einer Partikelgeschwindigkeit von mindestens 300 mls auf die Oberfläche des Grundmaterials aufgespritzt. Auf diese Metall-Schutzschicht wird nach einem herkömmlichen Lackspritzverfahren ein Kunststoff, beispielsweise Polytetrafluoräthylen, aufgetragen, welcher Kunststoff die Deckschicht (äußere Schicht) der Schaufel bildet. Mit dem Verfahren wird eine Schutzschicht auf einer Schaufel bereitgestellt, die einen erhöhten Korrosions- und Erosionswiderstand bei Anwesenheit von Wasserdampf und vergleichsweise mäßigen Temperaturen (450°C) aufweist, wie sie für Verdichterschaufeln relevant sind.EP 0 379 699 A1 describes a method for increasing the Corrosion and oxidation resistance of a blade thermal machine, especially a compressor blade an axial compressor. The basic material of the compressor blade consists of a ferritic-martensitic Material. A solid is placed on the base material adhesive surface protective layer consisting of 6 to 15 % By weight silicon, rest aluminum according to the high-speed process with a particle velocity of at least 300 mls sprayed onto the surface of the base material. This metal protective layer is made according to a conventional one Paint spraying process a plastic, for example polytetrafluoroethylene, applied which plastic the top layer (outer layer) of the blade. With the procedure a protective layer is provided on a blade which increased resistance to corrosion and erosion when present of water vapor and comparatively moderate temperatures (450 ° C), as relevant for compressor blades are.
In dem Artikel "Werkstoffkonzept für hochbeanspruchte Dampfturbinen-Bauteile", von Christina Berger und Jürgen Ewald im Siemens Power Journal 4/94, S. 14-21, wurden die Werkstoffeigenschaften für geschmiedete sowie gegossene Chromstähle untersucht. Die Zeitstandfestigkeit von Chromstählen mit 2 bis 12 Gew.% Chrom sowie Zusätzen von Molybdän, Wolfram, Niob und Vanadium nimmt hierbei mit steigender Temperatur kontinuierlich ab. Für den Einsatz bei Temperaturen von über 550 bis 600°C sind geschmiedete Wellen angegeben mit einem Anteil von 10 bis 12 Gew.% Chrom, 1 % Molybdän, 0,5 bis 0,75 Gew.% Nickel, 0,2 bis 0,3 Gew.% Vanadium, 0,12 bis 0,23 Gew.% Kohlenstoff und optional 1 Gew.% Wolfram. Aus Chromstahl herstellte Gussteile finden Verwendung in Ventilen einer Dampfturbine, Außen- und Innengehäuse von Hochdruck-, Mitteldruck-, Niederdruck- und Sattdampfturbinen. Für Ventile und Gehäuse bei Temperaturen von 550 bis 600°C finden 10 bis 12 Gew.% Chrom enthaltende Stähle Anwendung, die daneben 0,12 bis 0,22 Gew.% Kohlenstoff, 0,65 bis 1 % Mangan, 1 bis 1,1 % Molybdän, 0,7 bis 0,85 % Nickel, 0,2 bis 0,3 Gew.% Vanadium oder auch 0,5 bis 1 Gew.% Wolfram enthalten können.In the article "Material concept for highly stressed steam turbine components", by Christina Berger and Jürgen Ewald in Siemens Power Journal 4/94, pp. 14-21, were the material properties for forged and cast chrome steels examined. The creep rupture strength of chrome steels with 2 to 12% by weight of chromium and additions of molybdenum, tungsten, Niobium and vanadium decrease with increasing temperature continuously. For use at temperatures from Forged shafts are indicated above 550 to 600 ° C a proportion of 10 to 12 wt.% Chromium, 1% molybdenum, 0.5 to 0.75 wt% nickel, 0.2 to 0.3 wt% vanadium, 0.12 to 0.23 % By weight carbon and optionally 1% by weight tungsten. Made of chrome steel Cast parts are used in valves a steam turbine, outer and inner casing of high pressure, Medium pressure, low pressure and saturated steam turbines. For valves and housings at temperatures from 550 to 600 ° C find 10 to Steels containing 12% by weight of chromium, the addition 0.12 up to 0.22% by weight carbon, 0.65 to 1% manganese, 1 to 1.1% Molybdenum, 0.7 to 0.85% nickel, 0.2 to 0.3% by weight vanadium or can also contain 0.5 to 1% by weight of tungsten.
In dem Artikel "Steam Turbine Materials: High Temperature Forgings" von C. Berger et al, 5th Int. Conf. Materials for Advanced Power Engineering, Liége, Belgium, Okt. 3-6, 1994, wird ein Überblick über die Entwicklung von zeitstandfesten 9 bis 12 Gew.% Chrom enthaltenen CrMoV-Stählen gegeben. Diese Stähle finden hierbei in Dampfkraftanlagen wie konventionellen Dampfkraftwerken und nuklearen Kraftwerken Anwendung. Aus solchen Chromstählen hergestellte Bauteile sind beispielsweise Turbinenwellen, Gehäuse, Bolzen, Turbinenschaufeln, Rohrleitungen, Turbinenradscheiben und Druckgefäße. Einen weiteren Überblick über die Entwicklung neuer Werkstoffe, insbesondere 9-12 Gew.% Chromstähle gibt der Artikel "Material development for high temperature-stressed components of turbomachines" von T.-U. Kern et al in Stainless Steel World, Oct. 1998, S. 19-27.In the article "Steam Turbine Materials: High Temperature Forgings" by C. Berger et al, 5 th Int. Conf. Materials for Advanced Power Engineering, Liége, Belgium, Oct. 3-6, 1994, gives an overview of the development of creep resistant CrMoV steels containing 9 to 12% by weight chromium. These steels are used in steam power plants such as conventional steam power plants and nuclear power plants. Components made from such chrome steels are, for example, turbine shafts, housings, bolts, turbine blades, pipelines, turbine wheel disks and pressure vessels. The article "Material development for high temperature-stressed components of turbomachines" by T.-U. provides a further overview of the development of new materials, especially 9-12% by weight chromium steels. Kern et al in Stainless Steel World, Oct. 1998, pp. 19-27.
Weitere Anwendungsbeispiele von Chromstählen mit 9 Gew.% bis 13 Gew.% Chrom sind beispielsweise in der US-PS 3,767,390 angegeben. Der hierin verwendete martensitische Stahl findet Anwendung bei Dampfturbinenschaufeln und den die Gehäusehälften einer Dampfturbine zusammenhaltenden Bolzen.Further application examples of chrome steels with 9% by weight to 13% by weight of chromium is given, for example, in US Pat. No. 3,767,390. The martensitic steel used herein finds Use with steam turbine blades and the housing halves a steam turbine holding bolts together.
In der EP 0 639 691 A1 ist eine Turbinenwelle für eine Dampfturbine angegeben, die 8 bis 13 Gew.% Chrom, 0,05 bis 0,3 Gew.% Kohlenstoff, kleiner 1 % Silizium, kleiner 1 % Mangan, kleiner 2 % Nickel, 0,1 bis 0,5 Gew.% Vanadium, 0,5 bis 5 Gew.% Wolfram, 0,025 bis 0,1 Gew.% Stickstoff bis 1,5 Gew.% Molybdän, sowie zwischen 0,03 bis 0,25 Gew.% Niob oder 0,03 bis 0,5 Gew.% Tantal oder kleiner 3 Gew.% Rhenium, kleiner 5 % Kobalt, kleiner 0,05 % Bor mit einer martensitischen Struktur aufweist.EP 0 639 691 A1 describes a turbine shaft for a steam turbine indicated the 8 to 13 wt.% Chromium, 0.05 to 0.3 % By weight carbon, less than 1% silicon, less than 1% manganese, less than 2% nickel, 0.1 to 0.5% by weight vanadium, 0.5 to 5 % By weight tungsten, 0.025 to 0.1% by weight nitrogen to 1.5% by weight Molybdenum, and between 0.03 to 0.25% by weight of niobium or 0.03 up to 0.5% by weight tantalum or less than 3% by weight rhenium, less than 5 % Cobalt, less than 0.05% boron with a martensitic structure having.
Eine Erzielung eines Schutzes gegen einen korrosiven und erosiven Angriff bei einer Temperatur bis etwa 500°C für ein aus Chromstahl bestehendes Substrat, wobei auf dem Substrat eine Schutzschicht gebildet wird, welche Aluminium beinhaltet, ist in der WO 94/08071 beschrieben.Achieving protection against a corrosive and erosive Attack at a temperature up to about 500 ° C for one Chromium steel existing substrate, with a Protective layer is formed, which contains aluminum described in WO 94/08071.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Dampfturbinenbauteil, welches heißem Dampf aussetzbar ist, mit einem metallischen Grundkörper anzugeben, welches eine gegenüber dem metallischen Grundkörper erhöhte Oxidationsbeständigkeit aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Schutzbeschichtung zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit des Grundwerkstoffes auf einem Dampfturbinenbauteil anzugeben.The object of the invention is a steam turbine component, which hot steam is exposed to a metallic Specify basic body, which one compared to the metallic Base body has increased resistance to oxidation. Another object of the invention is to provide a method for Production of a protective coating to increase the resistance to oxidation of the base material on a steam turbine component specify.
Erfindungsgemäß wird die auf ein Bauteil gerichtete Aufgabe dadurch gelöst, dass das Dampfturbinenbauteil mit einem metallischen Grundkörper aus einem Grundwerkstoff, an den eine Schutzschicht zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit des Grundwerkstoffes angebunden ist, welche Schutzschicht eine dem Grundkörper zugewandte, mit Aluminium angereicherte Zone in Form einer intermetallischen Verbindung zwischen Aluminium und dem Grundwerkstoff aufweist und die äußere Oberfläche bildet, die im Betrieb der Dampfturbine mit heißem Dampf beaufschlagt ist, wobei die Schutzschicht eine Dicke von unter 20 µm und der Anteil von Aluminium in der Schutzschicht über 50 Gew.% beträgt.According to the invention, the object is directed to a component solved in that the steam turbine component with a metallic Base body made of a base material to which one Protective layer to increase the oxidation resistance of the Base material, which protective layer is a aluminum-enriched zone facing the base body in the form of an intermetallic connection between aluminum and the base material and the outer surface forms, which is subjected to hot steam during operation of the steam turbine is, the protective layer having a thickness of less than 20 µm and the proportion of aluminum in the protective layer above Is 50% by weight.
Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, dass bei hohen Einsatztemperaturen eines Grundwerkstoffes, beispielsweise in Dampfkraftwerken neben einer erhöhten Zeitstandfestigkeit auch eine erhöhte Anforderung an die Oxidationsbeständigkeit im Dampf erforderlich ist. Die Oxidation der Grundwerkstoffe nimmt hierbei mit steigender Temperatur zum Teil deutlich zu. Dieses Problem der Oxidation wird durch die Absenkung des Chromgehaltes in den zum Einsatz kommenden Stählen noch verschärft, da Chrom als Legierungselement einen positiven Einfluss auf die Zunderbeständigkeit besitzt. Mit einem geringeren Chromgehalt kann es somit zu einer Erhöhung der Zundergeschwindigkeit kommen. Beispielsweise kann es bei Dampferzeugerrohren durch dicke Oxidationsschichten auf der Dampfseite zu einer Verschlechterung des Wärmeübergangs vom metallischen Grundwerkstoff zum Dampf und damit zu einer Temperaturerhöhung der Rohrwand und zur Verminderung der Lebensdauer der Dampferzeugerrohre kommen. Bei Dampfturbinen könnte es beispielsweise zum Festzundern von Schraubenverbindungen und Ventilen sowie einer Zusatzbeanspruchung durch Zunderwachstum in Schaufelnuten oder durch Abplatzen von Zunder an Schaufelaustrittskanten zur Kerbspannungserhöhung kommen.The invention is based on the knowledge that at high operating temperatures of a base material, for example in steam power plants in addition to increased creep rupture strength also an increased requirement for resistance to oxidation in the steam is required. The oxidation of the Base materials increase with increasing temperature Part clearly too. This problem of oxidation is caused by the Lowering the chromium content in those used Steels are tightened because chrome is an alloying element has a positive impact on scale resistance. With A lower chromium content can therefore lead to an increase the tinder speed come. For example, at Steam generator tubes through thick layers of oxidation on the Steam side to a deterioration of the heat transfer from metallic base material for steam and thus for a temperature increase the pipe wall and to reduce the service life of the steam generator pipes come. With steam turbines could it for example for scaling screw connections and valves as well as additional stress caused by scale growth in shovel grooves or by flaking of scale Blade leading edges come to increase the notch stress.
Aufgrund einer negativen Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften des Grundwerkstoffes scheidet die Möglichkeit die Zunderbeständigkeit durch Änderung der Legierungszusammensetzung des Grundwerkstoffes durch zunderverminderte Elemente wie Chrom, Aluminium und/oder Silizium in einer erhöhten Konzentration aus. Mit der Erfindung hingegen, welche eine dünne mit Aluminium angereicherte Zone des Grundwerkstoffes aufweist, wird bereits eine Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit des Grundwerkstoffes um bis zu über einer Größenordung erreicht. Weiterhin können hierdurch fertig bearbeitete Dampfturbinenbauteile problemlos geschützt werden, indem sie eine solche Oxidationsbeschichtung erhalten. Aufgrund der geringen Dicke der Schutzschicht findet auch keine negative Beeinflussung des Grundwerkstoffes in seinen mechanischen Eigenschaften statt. Die Schutzschicht ist hierbei zu einem großen Teil, ggf. vollständig durch die Diffusion von Aluminium in den Grundwerkstoff bzw. auch umgekehrt entstanden. Eine entsprechende Diffusion des Aluminiums in den Grundwerkstoff hinein und von Elementen des Grundwerkstoffes in eine Aluminiumschicht hinein, kann im Rahmen einer Wärmebehandlung unterhalb der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffes stattfinden, so dass keine neue Wärmebehandlung des Dampfturbinenbauteils erforderlich ist. Gegebenenfalls kann eine solche Diffusion auch beim Einsatz des Bauteils bei den dort herrschenden Temperaturen erfolgen. Infolge der metallischen Bindung zwischen dem Aluminium und den Legierungselementen des Grundwerkstoffes wird eine hohe Haftfestigkeit erzielt. Zudem weist die Schutzschicht eine hohe Härte auf, so dass ebenfalls eine hohe Abriebfestigkeit gegeben ist. Darüber hinaus kann eine besonders gleichmäßige Ausbildung der Schichtdicke der Schutzschicht auch an wenig zugänglichen Stellen durch einfache Aufbringungsverfahren erreicht werden.Due to a negative influence on the mechanical properties the possibility of the base material Resistance to scaling by changing the alloy composition of the base material through elements reduced in scale such as chrome, aluminum and / or silicon in an increased concentration out. With the invention, however, which is a thin has an aluminum-enriched zone of the base material, will already increase the resistance to oxidation of the base material by up to an order of magnitude. Furthermore, steam turbine components which have been machined in this way can can be easily protected by using a receive such an oxidation coating. Because of the low The thickness of the protective layer also has no negative influence of the base material in its mechanical properties instead of. The protective layer is too big Part, possibly completely through the diffusion of aluminum in the base material or vice versa. A corresponding Diffusion of the aluminum into the base material into and from elements of the base material in an aluminum layer inside, as part of a heat treatment below the tempering temperature of the base material take place, so that no new heat treatment of the steam turbine component is required. If necessary, such a diffusion also when using the component with those who are there Temperatures take place. As a result of the metallic bond between the aluminum and the alloying elements of the base material high adhesive strength is achieved. moreover the protective layer has a high hardness, so that also a high abrasion resistance is given. Furthermore can form a particularly uniform layer thickness the protective layer even in inaccessible places simple application processes can be achieved.
Die Dicke der Schutzschicht liegt hierbei vorzugsweise unter 10 µm. Sie kann vorzugsweise zwischen 5 bis 10 µm betragen.The thickness of the protective layer is preferably below 10 µm. It can preferably be between 5 and 10 μm.
Die Schutzschicht weist vorzugsweise neben Aluminium auch Eisen und Chrom auf, diese können beispielsweise aus einem Grundwerkstoff in die Schutzschicht eindiffundiert sein oder mit einer aluminiumhaltigen Schicht auf den Grundwerkstoff aufgebracht worden sein. Weiterhin kann die Schutzschicht neben Aluminium auch Silizium, insbesondere bis zu 20 Gew.% aufweisen. Durch eine entsprechende Zumischung von Silizium können die Härte der Schutzschicht sowie andere mechanische Eigenschaften gezielt eingestellt werden.In addition to aluminum, the protective layer preferably also has Iron and chrome on, these can for example be from one Base material diffused into the protective layer or with an aluminum-containing layer on the base material have been applied. Furthermore, the protective layer in addition to aluminum, silicon, in particular up to 20% by weight exhibit. By adding silicon accordingly can be the hardness of the protective layer as well as other mechanical Properties can be set specifically.
Der Grundwerkstoff des Dampfturbinenbauteils ist vorzugsweise ein Chromstahl. Dieser kann zwischen 0,5 Gew.% bis 2,5 Gew.% Chrom sowie auch zwischen 8 Gew.% bis 12 Gew.% Chrom, insbesondere zwischen 9 Gew.% und etwa 10 Gew.% Chrom aufweisen. Neben Chrom kann ein solcher Chromstahl, Mangan zwischen 0,1 bis 1,0 vorzugsweise 0,45 Gew.%, aufweisen. Er kann ebenfalls Kohlenstoff zwischen 0,05 und 0,25 Gew.%, Silizium kleiner 0,6, vorzugsweise etwa 0,1 Gew.%; Molybdän zwischen 0,5 bis 2 Gew.%, vorzugsweise etwa 1 Gew.%; Nickel bis 1,5 Gew.%, vorzugsweise 0,74 Gew.%; Vanadium zwischen 0,1 und 0,5 Gew.%, vorzugsweise etwa 0,18 Gew.%; Wolfram zwischen 0,5 bis 2 Gew.%, vorzugsweise 0,8 Gew.%; Niob bis 0,5 Gew.%, vorzugsweise etwa 0,045 Gew.%; Stickstoff kleiner 0,1 Gew.%, vorzugsweise etwa 0,05 Gew.% sowie gegebenenfalls einen Zusatz von Bor kleiner 0,1 Gew.%, vorzugsweise etwa 0,05 Gew.% aufweisen. The base material of the steam turbine component is preferred a chrome steel. This can be between 0.5% and 2.5% by weight. Chromium and also between 8% and 12% by weight of chromium, in particular have between 9 wt% and about 10 wt% chromium. In addition to chrome, such a chrome steel, manganese between 0.1 to 1.0, preferably 0.45% by weight. He can too Carbon between 0.05 and 0.25% by weight, silicon smaller 0.6, preferably about 0.1% by weight; Molybdenum between 0.5 to 2 % By weight, preferably about 1% by weight; Nickel up to 1.5% by weight, preferably 0.74% by weight; Vanadium between 0.1 and 0.5% by weight, preferably about 0.18% by weight; Tungsten between 0.5 to 2 % By weight, preferably 0.8% by weight; Niobium up to 0.5% by weight, preferably about 0.045% by weight; Nitrogen less than 0.1% by weight, preferably about 0.05% by weight and optionally an additive of boron less than 0.1% by weight, preferably about 0.05% by weight.
Der Grundwerkstoff ist vorzugsweise martensitisch, ferritisch-martensitisch oder ferritisch.The base material is preferably martensitic, ferritic-martensitic or ferritic.
Das die dünne Schutzschicht aufweisende Dampfturbinenbauteil ist vorzugsweise eine Komponente einer Dampfturbine oder eine Komponente eines Dampferzeugers, insbesondere ein Dampferzeugerrohr. Das Dampfturbinenbauteil kann ein Schmiedeteil oder ein Gussteil sein. Das Dampfturbinenbauteil kann hierbei eine Turbinenschaufel, ein Ventil, eine Turbinenwelle, eine Radscheibe einer Turbinenwelle, ein Verbindungselement wie eine Schraube, ein Bolzen, eine Mutter etc., eine Gehäusekomponente (Innengehäuse, Leitschaufelträger, Außengehäuse), eine Rohrleitung oder ähnliches sein.The steam turbine component with the thin protective layer is preferably a component of a steam turbine or a Component of a steam generator, in particular a steam generator tube. The steam turbine component can be a forged part or be a casting. The steam turbine component can be a Turbine blade, a valve, a turbine shaft, a wheel disc a turbine shaft, a connecting element like one Screw, a bolt, a nut etc., a housing component (Inner housing, guide vane carrier, outer housing), one Pipeline or the like.
Die auf ein Verfahren zur Herstellung einer Schutzbeschichtung zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit auf einem Bauteil, welches heißem Dampf aussetzbar ist, gerichtete Aufgabe wird dadurch gelöst, dass auf einen metallischen Grundkörper, der einen Grundwerkstoff aufweist, eine unter 20 µm dicke aluminiumhaltige Schicht aufgebracht wird und das Dampfturbinenbauteil auf einer Temperatur, die unterhalb der Anlasstemperatur des Grundwerkstoffes liegt, gehalten wird, so dass eine Reaktion des Aluminiums mit dem Grundwerkstoff zur Ausbildung einer aluminiumenthaltenden Schutzschicht stattfindet, wobei in der Schutzschicht eine dem Grundkörper zugewandte, mit Aluminium angereicherte Form einer intermetallischen Verbindung zwischen Aluminium und dem Grundwerkstoff gebildet wird, wobei der Anteil von Aluminium in der Schutzschicht über 50 Gew.% beträgt.The on a process of making a protective coating to increase the oxidation resistance on a component, what hot steam can be exposed to, directed task is solved in that on a metallic base body, which has a base material, one less than 20 µm thick aluminum-containing layer is applied and the steam turbine component at a temperature that is below the tempering temperature of the base material is held, so that a reaction of the aluminum with the base material for formation an aluminum-containing protective layer takes place, wherein in the protective layer facing the base body form of an intermetallic enriched with aluminum Connection between aluminum and the base material is formed, the proportion of aluminum in the protective layer is over 50% by weight.
Die aluminiumenthaltende Schicht wird hierbei vorzugsweise zur Durchführung der Diffusion auf einer Temperatur im Bereich der Schmelztemperatur von Aluminium, insbesondere zwischen 650°C und 720°C gehalten. Die Temperatur kann auch niedriger liegen. Es kann gegebenenfalls auch die Diffusion während des Einsatzes des Bauteils in einer Dampfanlage bei der dann dort herrschenden Einsatztemperatur erfolgen. The aluminum-containing layer is preferred here to carry out the diffusion at a temperature in the range the melting temperature of aluminum, especially between Kept at 650 ° C and 720 ° C. The temperature can also lie lower. Diffusion may also be used during the use of the component in a steam system the operating temperature then prevailing there.
Das Bauteil wird der entsprechenden Temperatur zur Durchführung der Reaktion mindestens 5 Min., vorzugsweise über 15 Min., gegebenenfalls auch einige Stunden lang ausgesetzt.The component will carry out the appropriate temperature the reaction for at least 5 minutes, preferably over 15 Min., If necessary also exposed for a few hours.
Die das Aluminium enthaltende Schicht wird vorzugsweise mit einer Dicke, insbesondere mittleren Dicke, zwischen 5 µm und 30 µm, insbesondere zwischen 10 µm und 20 µm aufgebracht. Das Aufbringen der dünnen aluminiumpigmenthaltigen oder aluminiumhaltigen Schicht erfolgt beispielsweise durch einen anorganischen Hochtemperaturlack. Die Schicht kann mittels Aufsprühen aufgebracht werden, wodurch auch an wenig zugänglichen Stellen eine entsprechende Schutzbeschichtung des Bauteils erreichbar ist. Eine Wärmebehandlung des Bauteils zur Durchführung der Reaktion zwischen Grundwerkstoff und Beschichtung kann beispielsweise im Ofen oder auch durch andere geeignete Wärmequellen erfolgen. Nach Durchführung der Wärmebehandlung der aufgebrachten aluminiumpigmenthaltigen Schicht kann eine im wesentlichen geschlossene, ca. 5 bis 10 µm dicke Fe-Al-Cr-haltigen Schutzschicht entstehen, also in Form einer intermetallischen Verbindung zwischen Aluminium und dem Grundwerkstoff. Durch Aufbringen der Schicht auf einen Chromstahl wird eine wesentliche Verbesserung des Zunderverhaltens des Grundwerkstoffes erreicht. Aufgrund eines hohen Aluminiumgehaltes, insbesondere von über 50 Gew.%, in der durch Reaktion der Aluminiumpigmente mit dem Grundwerkstoff entstandenen Schutzschicht, insbesondere eine Diffusionsschicht, ist die Oxidationsbeständigkeit des Bauteils deutlich erhöht. Die so entstandene Schutzschicht weist eine hohe Härte (Vickers-Härte HV) von beispielsweise etwa 1200 auf.The layer containing the aluminum is preferably with a thickness, in particular average thickness, between 5 microns and 30 microns, especially between 10 microns and 20 microns applied. The application of the thin aluminum-containing or aluminum-containing For example, an inorganic layer is used High temperature paint. The layer can be sprayed on be applied, which means that even in inaccessible Provide an appropriate protective coating on the component is achievable. A heat treatment of the component for Carrying out the reaction between base material and coating can, for example, in the oven or by others suitable sources of heat. After heat treatment the applied aluminum pigment-containing layer can be a substantially closed, about 5 to 10 microns thick Fe-Al-Cr-containing protective layer, i.e. in the form of a intermetallic connection between aluminum and the Base metal. By applying the layer on a chrome steel becomes a significant improvement in scaling behavior of the base material. Due to a high aluminum content, especially of over 50 wt.%, in the by reaction of the aluminum pigments with the base material Protective layer, in particular a diffusion layer the oxidation resistance of the component is significantly increased. The the resulting protective layer is extremely hard (Vickers hardness HV) of about 1200, for example.
Das Aufbringen einer solchen dünnen aluminiumhaltigen Schicht kann alternativ auch durch einen angepassten Tauchaluminierungsprozess erfolgen. Die Änderung des Tauchaluminierungsprozesses wird so durchgeführt, dass entgegen der üblichen aluminiumhaltigen Schichtdicken von zwischen 20 und 400 µm, eine entsprechende Verringerung der Schichtdicke erzielt wird. Durch das Schmelztauchverfahren hergestellte Aluminium-Schmelztauchschichten bilden mit Eisen mehrere Phasen (Eta-Phase/Fe2Al5; Zeta-Phase/FeAl2, Teta-Phase/FeAl3). Bei dem herkömmlichen Schmelztauchen (Feueraluminieren) für einfache Stahlteile werden, entsprechend vorbehandelte, zu beschichtende Bauteile in schmelzflüssigen Aluminium- oder Aluminiumlegierungs-Bädern bei Temperaturen vom 650°C bis 800°C getaucht und nach einer Verweilzeit von 5 bis 60 Sek. wieder herausgezogen. Es bildet sich hierbei eine intermetallische Schutzschicht und eine darauf befindliche Aluminium-Deckschicht. Diese mit herkömmlichem Feueraluminieren hergestellten Beschichtungen weisen allerdings die Gefahr auf, dass durch die aufliegende Aluminiumdeckschicht Aluminium durch Dampfbeaufschlagung in den Wasserdampfkreislauf eingetragen wird, was unerwünschte Begleiterscheinungen wie schwer lösliche Aluminiumsilikat-Ablagerungen hervorrufen könnte.Such a thin aluminum-containing layer can alternatively also be applied by an adapted immersion aluminizing process. The change in the dip aluminizing process is carried out in such a way that, in contrast to the usual aluminum-containing layer thicknesses of between 20 and 400 μm, a corresponding reduction in the layer thickness is achieved. Aluminum hot-dip layers produced by the hot-dip process form several phases with iron (eta phase / Fe 2 Al 5 ; zeta phase / FeAl 2 , teta phase / FeAl 3 ). In conventional hot dipping (fire aluminizing) for simple steel parts, appropriately pretreated components to be coated are immersed in molten aluminum or aluminum alloy baths at temperatures from 650 ° C to 800 ° C and removed again after a dwell time of 5 to 60 seconds. An intermetallic protective layer and an aluminum cover layer are formed on it. However, these coatings, which are produced with conventional fire aluminizing, have the danger that aluminum is introduced into the water vapor circuit through the application of aluminum, which could cause undesirable side effects such as poorly soluble aluminum silicate deposits.
Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele werden das Verfahren sowie das die Schutzschicht aufweisende Bauteil näher erläutert. Es zeigen teilweise schematisch und nicht maßstäblich:
- FIG 1
- eine schematische Darstellung einer Dampfkraftanlage,
- FIG 2
- einen schematischen Schnitt durch eine Dampfturbinenanordnung, und
- FIG 3
- ein Schliffbild durch eine aluminiumhaltige Schutzschicht.
- FIG. 1
- a schematic representation of a steam power plant,
- FIG 2
- a schematic section through a steam turbine assembly, and
- FIG 3
- a micrograph through an aluminum-containing protective layer.
FIG 1 zeigt eine Dampfkraftanlage 1 mit einer Dampfturbinenanlage
1b. Die Dampfturbinenanlage 1b umfasst eine Dampfturbine
20 mit angekoppeltem Generator 22 und in einem der
Dampfturbine 20 zugeordneten Wasser-Dampf-Kreislauf 24 einen
der Dampfturbine 20 nachgeschalteten Kondensator 26 sowie
einen Dampferzeuger 30. Der Dampferzeuger 30 ist als Abhitze-Durchlaufdampferzeuger
ausgeführt und wird mit heißem Abgas
einer Gasturbine 1a beaufschlagt. Der Dampferzeuger 30 kann
alternativ auch als Kohle, Öl, Holz etc. befeuerter Dampferzeuger
ausgeführt sein. Der Dampferzeuger 30 weist eine Vielzahl
von Rohren 27 auf in denen der Dampf für die Dampfturbine
20 erzeugt wird und die eine Schutzschicht 82 (siehe
FIG. 3) zum Oxidationsschutz aufweisen können. Die Dampfturbine
20 besteht aus einer Hochdruckteil-Turbine 20a, einer
Mitteldruckteil-Turbine 20b sowie einer Niederdruckteil-Turbine
20c, die über eine gemeinsame Welle 32 den Generator 22
antreiben.1 shows a steam power plant 1 with a
Die Gasturbine 1a umfasst eine Turbine 2 mit angekoppeltem
Luftverdichter 4 und eine der Turbine 2 vorgeschalteten
Brennkammer 6, die an eine Frischluftleitung 8 des Luftverdichters
4 angeschlossen ist. In die Brennkammer 6 der Turbine
2 mündet eine Brennstoffleitung 10. Die Turbine 2 und
der Luftverdichter 4 sowie ein Generator 12 sitzen auf einer
gemeinsamen Welle 14. Zum Zuführen von in der Gasturbine 2
entspanntem Arbeitsmittel AM oder Rauchgas ist eine Abgasleitung
34 an einen Eingang 30a des Durchlaufdampferzeugers 30
angeschlossen. Das entspannte Arbeitsmittel AM (Heißgas) der
Gasturbine 2 verlässt den Durchlaufdampferzeuger 30 über dessen
Ausgang 30b in Richtung auf einen nicht näher dargestellten
Kamin.The gas turbine 1 a comprises a
Der der Dampfturbine 20 nachgeschaltete Kondensator 26 ist
über eine Kondensatleitung 35, in die eine Kondensatpumpe 36
geschaltet ist, mit einem Speisewasserbehälter 38 verbunden.
Der Speisewasserbehälter 38 ist ausgangsseitig über eine
Hauptspeisewasserleitung 40, in die eine Speisewasserpumpe 42
geschaltet ist, mit einem im Durchlaufdampferzeuger 30 angeordneten
Economizer oder Hochdruckvorwärmer 44 verbunden. Der
Hochdruckvorwärmer 44 ist ausgangsseitig an einen für einen
Durchlaufbetrieb ausgelegten Verdampfer 46 angeschlossen. Der
Verdampfer 46 ist seinerseits ausgangsseitig über eine Dampfleitung
48, in die ein Wasserabscheider 50 geschaltet ist, an
einen Überhitzer 52 angeschlossen. Mit anderen Worten: Der
Wasserabscheider 50 ist zwischen den Verdampfer 46 und den
Überhitzer 52 geschaltet.The
Der Überhitzer 52 ist ausgangsseitig über eine Dampfleitung
53 mit dem Dampfeinlass 54 des Hochdruckteils 20a der Dampfturbine
20 verbunden. Der Dampfauslass 56 des Hochdruckteils
20a der Dampfturbine 20 ist über einen Zwischenüberhitzer 58
an den Dampfeinlass 60 des Mitteldruckteils 20b der Dampfturbine
20 angeschlossen. Dessen Dampfauslass 62 ist über eine
Überströmleitung 64 mit dem Dampfeinlass 66 des Niederdruckteils
20c der Dampfturbine 20 verbunden. Der Dampfauslass 68
des Niederdruckteils 20c der Dampfturbine 20 ist über eine
Dampfleitung 70 an den Kondensator 26 angeschlossen, so dass
ein geschlossener Wasser-Dampf-Kreislauf 24 entsteht.The
An den zwischen den Verdampfer 46 und den überhitzer 52 geschalteten
Wasserabscheider 50 ist eine Absaugleitung 72 für
abgeschiedenes Wasser W angeschlossen. Zusätzlich ist an den
Wasserabscheider 50 eine mit einem Ventil 73 absperrbare Ablassleitung
74 angeschlossen. Die Absaugleitung 72 ist ausgangsseitig
mit einer Strahlpumpe 75 verbunden, die primärseitig
mit aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf 24 der Dampfturbine
20 entnommenem Medium beaufschlagbar ist. Die Strahlpumpe 75
ist dabei primärseitig ausgangsseitig ebenfalls an den Wasser-Dampf-Kreislauf
24 angeschlossen. Die Strahlpumpe 75 ist
in eine eingangsseitig mit der Dampfleitung 53 und somit mit
dem Austritt des Überhitzers 52 verbundene, über ein Ventil
76 absperrbare Dampfleitung 78 geschaltet. Die Dampfleitung
78 mündet ausgangsseitig in eine den Dampfauslass 56 des
Hochdruckteils 20a der Dampfturbine 20 mit dem Zwischenüberhitzer
58 verbindende Dampfleitung 90. Im Ausführungsbeispiel
gemäß Figur 1 ist die Strahlpumpe 75 somit mit aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf
24 entnommenem Dampf D als Treibmittel
betreibbar. Je nach Anforderung können Komponenten der Dampfkraftanlage
1b mit einer aluminiumhaltigen Schutzschicht mit
einer Dicke kleiner 50 µm versehen sein (s. FIG 3). On the one connected between the evaporator 46 and the
In FIG 2 ist in einem schematischen Längsschnitt ein Ausschnitt
durch eine Dampfturbinenanlage mit einer sich entlang
einer Rotationsachse 102 erstreckenden Turbinenwelle 101 dargestellt.
Die Turbinenwelle 101 ist aus zwei Teilturbinenwellen
101a und 101b zusammengesetzt, die im Bereich des Lagers
129b fest miteinander verbunden sind. Die Dampfturbinenanlage
weist eine Hochdruck-Teilturbine 123 und eine Mitteldruck-Teilturbine
125 mit jeweils einem Innengehäuse 121 und einem
dieses umschließendes Außengehäuse 122 auf. Die Hochdruck-Teilturbine
123 ist in Topfbauart ausgeführt. Die Mitteldruck-Teilturbine
125 ist zweiflutig ausgeführt. Es ist ebenfalls
möglich, dass die Mitteldruck-Teilturbine 125 einflutig
ausgeführt ist. Entlang der Rotationsachse 102 ist zwischen
der Hochdruck-Teilturbine 123 und der Mitteldruck-Teilturbine
125 ein Lager 129b angeordnet, wobei die Turbinenwelle 101 in
dem Lager 129b einen Lagerbereich 132 aufweist. Die Turbinenwelle
101 ist auf einem weiteren Lager 129a neben der Hochdruck-Teilturbine
123 aufgelagert. Im Bereich dieses Lagers
129a weist die Hochdruck-Teilturbine 123 eine Wellendichtung
124 auf. Die Turbinenwelle 101 ist gegenüber dem Außengehäuse
122 der Mitteldruck-Teilturbine 125 durch zwei weitere Wellendichtungen
124 abgedichtet. Zwischen einem Hochdruck-Dampfeinströmbereich
127 und einem Dampfaustrittsbereich 116
weist die Turbinenwelle 101 in der Hochdruck-Teilturbine 123
Laufschaufeln 113 auf. Axial in Strömungsrichtung des Dampfes
ist jeder Reihe aus Laufschaufeln 113 eine Reihe aus Leitschaufeln
130 vorgeschaltet. Die Mitteldruck-Teilturbine 125
weist einen zentralen Dampfeinströmbereich 115 auf. Dem
Dampfeinströmbereich 115 zugeordnet weist die Turbinenwelle
101 eine radialsymmetrische Wellenabschirmung 109, eine Abdeckplatte
auf, welche einerseits zur Teilung des Dampfstromes
in die beiden Fluten der Mitteldruck-Teilturbine 125 sowie
andererseits zur Verhinderung eines direkten Kontaktes
des heißen Dampfes mit der Turbinenwelle 101 dient. Die Turbinenwelle
101 weist in der Mitteldruck-Teilturbine 125 Mitteldruck-Leitschaufeln
131 und Mitteldruck-Laufschaufeln 114
auf. Der aus der Mitteldruck-Teilturbine 125 aus einem Abströmstutzen
126 ausströmende Dampf gelangt zu einer dieser
strömungstechnisch nachgeschalteten, nicht dargestellten Niederdruck-Teilturbine.In Figure 2 is a section in a schematic longitudinal section
through a steam turbine plant with one along
a
FIG 3 zeigt einen Ausschnitt eines Längsschnitts durch einen
oberflächennahen Bereich eines Dampfturbinenbauteils 80,
einer Komponente einer Dampfturbinenanlage, wie beispielsweise
einem Dampferzeugerrohr 27, einer Turbinenwelle 101,
einem Turbinenaußengehäuse 122, einem Innengehäuse 121 (Leitschaufelträger),
einer Wellenabschirmung 109, einem Ventil
oder ähnlichem. Das Dampfturbinenbauteil 80 weist einen
Grundwerkstoff 81, beispielsweise einen Chromstahl mit 9 bis
12 Gew.% Chrom sowie ggf. weiteren Legierungselementen wie
Molybdän, Vanadium, Kohlenstoff, Silizium, Wolfram, Mangan,
Niob und einem Rest aus Eisen auf. Der Grundwerkstoff 81 geht
in eine Schutzschicht 82 über, die Aluminium bis zu über 50
Gew.% aufweist. Die mittlere Dicke D der Schutzschicht 82 beträgt
etwa 10 µm. Der gezeigte Ausschnitt ist eine tausendfache
mikroskopische Vergrößerung. Der Grundwerkstoff 81
weist hierbei eine Vickers-Härte von etwa 300 und die Schutzschicht
eine Vickers-Härte von etwa 1200 auf. Durch die
Schutzschicht 82 wird die Oxidationsbeständigkeit und somit
die Zunderfestigkeit des Dampfturbinenbauteils 80, auch bei
hohen Dampf temperaturen von bis zu über 650°C, deutlich erhöht,
was die Lebensdauer des Dampfturbinenbauteils 80 beim
Einsatz in einer Dampfturbinenanlage bzw. dem Einsatz bei
Dampfbeaufschlagung mit über 600° C deutlich erhöht. Die
metallische Schutzschicht 82 bildet dabei zugleich die äußere
Oberfläche (Deckschicht) des die Schutzschicht 82 aufweisenden
Dampfturbinenbauteils 80. Die äußere Oberfläche der
Schutzschicht 82 ist im Betrieb der Dampfturbinenanlage mit
heißem Dampf beaufschlagt.3 shows a section of a longitudinal section through a
near-surface area of a
Claims (12)
- Steam turbine component (80) having a metallic parent body (81) of a parent material, on which parent body (81) a protective coating (82) for increasing the oxidation resistance of the parent material is integrally bonded, which protective coating (82) has a zone facing the parent body (81) and enriched with aluminium and in the form of an intermetallic compound between aluminium and the parent material and forms the outer surface, to which live steam is admitted during operation of the steam turbine, the protective coating (82) having a thickness (D) of below 20 µm, and the proportion of aluminium in the protective coating (82) being over 50% by weight.
- Steam turbine component (80) according to Claim 1, in which the thickness (D) of the protective coating (82) is below 10 µm.
- Steam turbine component (80) according to Claim 1 or 2, in which the thickness (D) of the protective coating (82) is between 5 µm and 10 µm.
- Steam turbine component (80) according to one of Claims 1 to 3, in which the protective coating (82), in addition to aluminium, also has iron and chromium.
- Steam turbine component (80) according to one of the preceding claims, in which the protective coating (82), in addition to aluminium, also has silicon, in particular up to 20% by weight.
- Steam turbine component (80) according to one of the preceding claims, in which the parent material is a chromium steel.
- Steam turbine component (80) according to Claim 6, in which the chromium steel has between 0.5% by weight and 2.5% by weight of chromium or between 8% by weight and 12% by weight of chromium, in particular between 9% by weight [lacuna].
- Steam turbine component (80) according to Claim 6 or 7, in which the parent material (81) is martensitic, ferritic/martensitic or ferritic.
- Steam turbine component (80) according to one of the preceding claims, which is a forged part or a cast part.
- Steam turbine component (10 [sic]) according to Claim 9, which is a turbine blade (113, 114), a valve (76), a turbine shaft (101, 32), a wheel disc of a turbine shaft, a connecting element such as a screw, a casing component, a pipeline (70, 64) or the like.
- Steam turbine component (80) according to one of the preceding claims, which is a component of a steam generator (30), in particular a steam generator tube (27).
- Method of producing a protective coating for increasing the oxidation resistance on a steam turbine component (80) which can be exposed to live steam, having a metallic parent body (81) which has a parent material, in which casea) a coating (82) containing aluminium and having a thickness of below 20 µm is applied, andb) the steam turbine component (80) is kept at a predetermined temperature which lies below the annealing temperature of the parent material for the reaction of the protective coating (82) containing aluminium with the parent material (81), so that a zone which faces the parent body (81), is enriched with aluminium and is in the form of an intermetallic compound between aluminium and the parent material is formed in the protective coating (82), the proportion of aluminium in the protective coating (82) being over 50% by weight.
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