Legierung, Schutzschicht zum Schutz eines Bauteils gegen Korrosion und/oder Oxidation bei hohen Temperaturen und Alloy, protective layer for protecting a component against corrosion and / or oxidation at high temperatures and
Bauteilcomponent
Die Erfindung betrifft eine Legierung gemäß Anspruch 1, eine Schutzschicht zum Schutz eines Bauteils gegen Korrosion und/oder Oxidation bei hohen Temperaturen gemäß Anspruch 14 und ein Bauteil gemäß Anspruch 15.The invention relates to an alloy according to claim 1, a protective layer for protecting a component against corrosion and / or oxidation at high temperatures according to claim 14 and a component according to claim 15.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Schutz¬ schicht für ein Bauteil, das aus einer Superlegierung auf Nickel- oder Kobaltbasis besteht.The invention relates in particular to a protective layer for ¬ a component made of a superalloy based on nickel or cobalt base.
Schutzschichten für metallische Bauteile, die deren Korrosi¬ onsbeständigkeit und/oder Oxidationsbeständigkeit erhöhen sollen, sind im Stand der Technik in großer Zahl bekannt. Die meisten dieser Schutzschichten sind unter dem Sammelnamen MCrAlX bekannt, wobei M für mindestens eines der Elemente aus der Gruppe umfassend Eisen, Kobalt und Nickel steht und wei¬ tere wesentliche Bestandteile Chrom, Aluminium und X = Ytt¬ rium, wobei letzteres auch ganz oder teilweise durch ein die¬ sem äquivalentes Element aus der Gruppe umfassend Scandium und die Elemente der seltenen Erden ersetzt sein kann, sind.Protective coatings for metallic components to increase their corrosion- ¬ onsbeständigkeit and / or oxidation resistance are known in the art in great number. Most of these protective layers are known under the collective name MCrAlX, where M stands for at least one of the elements from the group consisting of iron, cobalt and nickel and wei ¬ tere essential components chromium, aluminum and X = Ytt ¬ rium, the latter also wholly or partially can be replaced by an equivalent element which ¬ sem from the group comprising scandium and the rare earth elements are.
Typische Beschichtungen dieser Art sind aus den US-Patenten 4,005,989 und 4,034,142 bekannt.Typical coatings of this type are known from U.S. Patents 4,005,989 and 4,034,142.
Die US 6,280,857 Bl offenbart eine Schutzschicht, die die Elemente Kobalt, Chrom und Aluminium auf Nickelbasis, die optionale Zugabe von Rhenium sowie zwingende Beimengungen von Yttrium und Silizium offenbart.US Pat. No. 6,280,857 B1 discloses a protective layer which discloses the elements cobalt, chromium and aluminum based on nickel, the optional addition of rhenium as well as compelling admixtures of yttrium and silicon.
Die EP 1 439 245 Al offenbart eine rheniumhaltige Schicht auf Kobaltbasis.
Die Bemühung um die Steigerung der Eintrittstemperaturen sowohl bei stationären Gasturbinen als auch bei Flugtriebwerken hat auf dem Fachgebiet der Gasturbinen eine große Bedeutung, da die Eintrittstemperaturen wichtige Bestim- mungsgrößen für die mit Gasturbinen erzielbaren thermodyna- mischen Wirkungsgrade sind. Durch den Einsatz speziell ent¬ wickelter Legierungen als Grundwerkstoffe für thermisch hoch zu belastende Bauteile wie Leit- und Laufschaufeln, insbesondere durch den Einsatz einkristalliner Superlegie- rungen, sind Eintrittstemperaturen von deutlich über 10000C möglich. Inzwischen erlaubt der Stand der Technik Eintrittstemperaturen von 95O0C und mehr bei stationären Gasturbinen sowie HOO0C und mehr in Gasturbinen von Flugtriebwerken .EP 1 439 245 A1 discloses a rhenium-containing cobalt-based layer. The effort to increase the inlet temperatures both in stationary gas turbines and in aircraft engines has in the field of gas turbines of great importance, since the inlet temperatures are important determinants of the achievable with gas turbines thermodynamic efficiencies. Especially through the use ent ¬ Wrapped alloys as base materials for thermally highly onerous to components such as vanes and blades, stakes single crystal superalloy particularly through the use, inlet temperatures are possible significantly higher than 1000 0 C. Meanwhile, the prior art allows inlet temperatures of 95O 0 C and more in stationary gas turbines and HOO 0 C and more in gas turbines of aircraft engines.
Beispiele zum Aufbau einer Turbinenschaufel mit einem einkri¬ stallinen Substrat, die seinerseits komplex aufgebaut sein kann, gehen hervor aus der WO 91/01433 Al.Examples of the construction of a turbine blade with a einkri ¬ stable substrate, which in turn can be complex, are apparent from WO 91/01433 Al.
Während die physikalische Belastbarkeit der inzwischen entwi¬ ckelten Grundwerkstoffe für die hoch belasteten Bauteile im Hinblick auf mögliche weitere Steigerungen der Eintrittstemperaturen weitgehend unproblematisch ist, muss zur Erzielung einer hinreichenden Beständigkeit gegen Oxidation und Korro- sion auf Schutzschichten zurückgegriffen werden. Neben der hinreichenden chemischen Beständigkeit einer Schutzschicht unter den Angriffen, die von Rauchgasen bei Temperaturen in der Größenordnung von 10000C zu erwarten sind, muss eine Schutzschicht auch genügend gute mechanische Eigenschaften, nicht zuletzt im Hinblick auf die mechanische Wechselwirkung zwischen der Schutzschicht und dem Grundwerkstoff, haben. Insbesondere muss die Schutzschicht hinreichend duktil sein, um eventuellen Verformungen des Grundwerkstoffes folgen zu können und nicht zu reißen, da auf diese Weise Angriffspunkte für Oxidation und Korrosion geschaffen würden. Hierbei kommt typischerweise das Problem auf, dass eine Erhöhung der An¬ teile von Elementen wie Aluminium und Chrom, die die Beständigkeit einer Schutzschicht gegen Oxidation und Korrosion
verbessern können, zu einer Verschlechterung der Duktilität der Schutzschicht führt, so dass mit einem mechanischen Ver¬ sagen, insbesondere der Bildung von Rissen, bei einer in einer Gasturbine üblicherweise auftretenden mechanischen Be- lastung zu rechnen ist.While the physical capacity of the now escape ¬ oped basic materials is largely unproblematic for highly stressed components with a view to possible further increases in the inlet temperatures to resort to protective layers need to achieve sufficient resistance to oxidation and corrosion. In addition to the sufficient chemical resistance of a protective layer under the attacks that are expected of flue gases at temperatures in the order of 1000 0 C, a protective layer must also have sufficient mechanical properties, not least in view of the mechanical interaction between the protective layer and the base material , to have. In particular, the protective layer must be sufficiently ductile in order to be able to follow any deformations of the base material and not to break, since in this way points of attack for oxidation and corrosion would be created. Here, the typical problem is that an increase in the An ¬ parts of elements such as aluminum and chromium, the resistance of a protective layer against oxidation and corrosion can lead to a deterioration of the ductility of the protective layer, so that mechanical deformation , in particular the formation of cracks, is to be expected in the case of a mechanical load normally occurring in a gas turbine.
Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Legierung und eine Schutzschicht anzugeben, die eine gute Hochtemperaturbeständigkeit in Korrosion und Oxidation aufweist, eine gute Langzeitstabilität aufweist und die außerdem einer mechanischen Beanspruchung, die insbesondere in einer Gasturbine bei einer hohen Temperatur zu erwarten ist, besonders gut angepasst ist.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an alloy and a protective layer which has good high-temperature resistance in corrosion and oxidation, has good long-term stability and, in addition, a mechanical stress to be expected particularly in a gas turbine at a high temperature well adjusted.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung gemäß Anspruch 1 und eine Schutzschicht gemäß Anspruch 14.The object is achieved by an alloy according to claim 1 and a protective layer according to claim 14.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Bauteil aufzuzeigen, das einen erhöhten Schutz gegen Korrosion und Oxidation aufweist.Another object of the invention is to provide a component which has increased protection against corrosion and oxidation.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Bauteil gemäß Anspruch 15, insbesondere ein Bauteil einer Gasturbine oder Dampfturbine, das zum Schutz gegen Korrosion und Oxidation bei hohen Temperaturen einer Schutzschicht der vorbeschriebenen Art aufweist .The object is achieved by a component according to claim 15, in particular a component of a gas turbine or steam turbine, which has a protective layer of the type described above for protection against corrosion and oxidation at high temperatures.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet.In the subclaims further advantageous measures are listed.
Die in den Unteransprüchen aufgelisteten Maßnahmen können in vorteilhafter Art und Weise beliebig miteinander kombiniert werden .The measures listed in the dependent claims can be combined in any advantageous manner with each other.
Der Erfindung liegt u. a. die Erkenntnis zugrunde, dass dieThe invention is u. a. the realization that the
Schutzschicht in der Schicht und in dem Übergangsbereich zwischen Schutzschicht und Grundwerkstoff spröde Ausscheidungen zeigt. Diese mit der Zeit und Temperatur im Einsatz sich ver-
stärkt ausbildenden Sprödphasen führen im Betrieb zu stark ausgeprägten Längsrissen in der Schicht als auch im Interface Schicht-Grundwerkstoff mit anschließender Ablösung der Schicht. Durch die Wechselwirkung mit Kohlenstoff, der aus dem Grundwerkstoff in die Schicht hinein diffundieren kann oder während einer Wärmebehandlung im Ofen durch die Oberfläche in die Schicht hinein diffundiert, erhöht sich zusätzlich die Sprödigkeit der Ausscheidungen. Durch eine Oxidation der spröden Ausscheidungen wird die Triebkraft zur Rissbildung noch verstärkt.Protective layer in the layer and in the transition region between protective layer and base material brittle precipitates shows. These are used with time and temperature in use. Strengthens forming brittle phases lead in operation to pronounced longitudinal cracks in the layer as well as in the interface layer-base material with subsequent detachment of the layer. In addition, the brittleness of the precipitates increases as a result of the interaction with carbon which can diffuse from the base material into the layer or diffuses through the surface into the layer during a heat treatment in the furnace. By oxidation of the brittle precipitations, the driving force for cracking is further enhanced.
Wichtig ist dabei auch der Einfluss von Nickel, die thermi¬ schen und mechanischen Eigenschaften bestimmt.It is important the influence of nickel, which thermi ¬ rule and determines mechanical properties.
Die Erfindung wird im Folgenden näher erläutert.The invention will be explained in more detail below.
Es zeigenShow it
Figur 1 ein Schichtsystem mit einer Schutzschicht, Figur 2 Zusammensetzungen von Superlegierungen, Figur 3 eine Gasturbine,1 shows a layer system with a protective layer, FIG. 2 shows compositions of superalloys, FIG. 3 shows a gas turbine,
Figur 5 eine perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel und Figur 4 eine perspektivische Ansicht einer Brennkammer.Figure 5 is a perspective view of a turbine blade and Figure 4 is a perspective view of a combustion chamber.
Erfindungsgemäß umfaßt eine Schutzschicht 7 (Fig. 1) zum Schutz eines Bauteils gegen Korrosion und Oxidation bei einer hohen Temperatur folgende Elemente (Angabe der Anteile in wt%) : 2 277%% bbiiss 31% NickelAccording to the invention, a protective layer 7 (FIG. 1) for protecting a component against corrosion and oxidation at a high temperature comprises the following elements (indication of the parts in wt%): 2 277 %% bbiiss 31% nickel
23 % bi s 29% Chrom23% to 29% chromium
7 % bi s 11% Aluminium7% to 11% aluminum
0,5% bis 0,7% Yttrium und/oder zumindest ein Metall aus der Gruppe umfassend Scandium und die Elemente der Seltenen Erden, optional 0,6% bis 0,8% Silizium und/oder optional 0,5% bis 0,7% Zirkon, Rest Kobalt (CoNiCrAlY).
Vorzugsweise wird entweder nur Silizium oder Zirkon hinzu gegeben .0.5% to 0.7% yttrium and / or at least one metal from the group comprising scandium and the elements of the rare earths, optionally 0.6% to 0.8% silicon and / or optionally 0.5% to 0, 7% zirconium, balance cobalt (CoNiCrAlY). Preferably, either only silicon or zirconium is added.
Besondere Ausführungsbeispiele sind:Particular embodiments are:
1) Co - 30Ni - 28Cr - 8Al - 0.6Y1) Co - 30Ni - 28Cr - 8Al - 0.6Y
2) Co - 30Ni - 28Cr - 8Al - 0.6Y - 0.7Si2) Co - 30Ni - 28Cr - 8Al - 0.6Y - 0.7Si
3) Co - 28Ni - 24Cr - 10A1 - 0.6Y - 0.6Zr.3) Co - 28Ni - 24Cr - 10A1 - 0.6Y - 0.6Zr.
Festzustellen ist, dass die Anteile der einzelnen Elemente besonders abgestimmt sind im Hinblick auf ihre Wirkungen. Die Auswahl von 27wt% bis 31wt% Nickel verbessert überra¬ schend deutlich und überproportional die thermischen und mechanischen Eigenschaften der Schutzschicht 7. In Wechselwirkung mit der Reduzierung der Sprödphasen, die sich besonders unter höheren mechanischen Eigenschaften negativ auswirken, werden durch die Verringerung der mechanischen Spannungen durch den ausgewählten Nickel-Gehalt die mechanischen Eigenschaften verbessert.It should be noted that the proportions of the individual elements are specially tuned with regard to their effects. The selection of 27wt% to 31wt% nickel improves überra ¬ dominant clearly and proportional the thermal and mechanical properties of the protective layer 7. In conjunction with the reduction of the brittle phases, which have a negative effect particularly under higher mechanical properties are represented by the reduction of the mechanical stresses improved by the selected nickel content, the mechanical properties.
Die Schutzschicht weist bei guter Korrosionsbeständigkeit eine besonders gute Beständigkeit gegen Oxidation auf und zeichnet sich auch durch besonders gute Duktilitätseigen- schaften aus, so dass sie besonders qualifiziert ist für die Anwendung in einer Gasturbine bei einer weiteren Steigerung der Eintrittstemperatur. Während des Betriebs kommt es kaum zu einer Versprödung.The protective layer, with good corrosion resistance, has a particularly good resistance to oxidation and is also distinguished by particularly good ductility properties, so that it is particularly qualified for use in a gas turbine with a further increase in the inlet temperature. During operation, embrittlement hardly occurs.
Eine ebenso wichtige Rolle spielen die Spurenelemente im zu verspritzenden Pulver, die Ausscheidungen bilden und damit Versprödungen darstellen.An equally important role is played by the trace elements in the powder to be sprayed, which form precipitates and thus embrittle them.
Die Pulver werden beispielsweise durch Plasmaspritzen aufgebracht (APS, LPPS, VPS, ...) . Andere Verfahren sind ebenso denkbar (PVD, CVD, Kaltgasspritzen) .The powders are applied for example by plasma spraying (APS, LPPS, VPS, ...). Other methods are also conceivable (PVD, CVD, cold gas spraying).
Die beschriebene Schutzschicht 7 wirkt auch als Haftvermitt¬ lerschicht zu einer Superlegierung.The protective layer 7 described also acts as Haftvermitt ¬ Lersch layer to a superalloy.
Auf diese Schutzschicht 7 können weitere Schichten, insbeson¬ dere keramische Wärmedämmschichten 10 aufgebracht werden.
Bei diesem Bauteil ist die Schutzschicht 7 vorteilhafter¬ weise aufgetragen auf ein Substrat 4 aus einer Superlegie- rung auf Nickel- oder Kobaltbasis. Als Substrat kommt insbesondere folgende Zusammensetzung in Frage (Angaben in wt%) :In this protective layer 7 may further layers insbeson ¬ particular ceramic thermal barrier layers are deposited 10th In this device, the protective layer 7 is advantageous ¬ as applied to a substrate 4 made of a superalloy tion on nickel or cobalt base. In particular the following composition is suitable as substrate (data in wt%):
0,1% bis 0,15% Kohlenstoff0.1% to 0.15% carbon
18% bis 22% Chrom18% to 22% chrome
1188%% bbiiss 1199%% Kobalt1188 %% bbiiss 1199 %% cobalt
0% bis 2% Wolfram0% to 2% tungsten
0% bis 4% Molybdän0% to 4% molybdenum
0% bis 1,5% Tantal0% to 1.5% tantalum
0% bis 1% Niob0% to 1% niobium
11%% bbiiss 33%% Aluminium11 %% bbiiss 33 %% aluminum
2% bis 4% Titan2% to 4% titanium
0% bis 0,75 Hafnium wahlweise geringe Anteile von Bor und/oder Zirkon, Rest Nickel . Zusammensetzungen dieser Art sind als Gusslegierungen unter den Bezeichnungen GTD222, IN939, IN6203 und Udimet 500 be¬ kannt .0% to 0.75 hafnium optionally small amounts of boron and / or zirconium, balance nickel. Compositions of this type are known as casting alloys under the names GTD222, IN939, IN6203 and Udimet known 500 be ¬.
Weitere Alternativen für das Substrat des Bauteils sind in Figur 2 aufgelistet.Further alternatives for the substrate of the component are listed in FIG.
Die Dicke der Schutzschicht 7 auf dem Bauteil 1 wird vorzugsweise auf einen Wert zwischen etwa lOOμm und 300μm bemessen .The thickness of the protective layer 7 on the component 1 is preferably dimensioned to a value of between about 100 μm and 300 μm.
Die Schutzschicht 7 eignet sich besonders zum Schutz eines Bauteils gegen Korrosion und Oxidation, während das Bauteil bei einer Materialtemperatur um etwa 95O0C, bei Flugturbinen auch um etwa HOO0C, mit einem Rauchgas beaufschlagt wird.The protective layer 7 is particularly suitable for protecting a component against corrosion and oxidation, while the component is acted upon by a flue gas at a material temperature of about 95O 0 C, in airplanes also by about HOO 0 C.
Die Schutzschicht 7 gemäß der Erfindung ist damit besonders qualifiziert zum Schutz eines Bauteils einer Gasturbine 100, insbesondere einer Leitschaufel 120, Laufschaufel 130 oder
anderen Komponente, die mit heißem Gas vor oder in der Turbine der Gasturbine beaufschlagt wird.The protective layer 7 according to the invention is therefore particularly qualified for protecting a component of a gas turbine 100, in particular a guide blade 120, blade 130 or another component that is exposed to hot gas before or in the turbine of the gas turbine.
Die Schutzschicht 7 kann als overlay (Schutzschicht ist die äußere Schicht oder als Bondcoat (Schutzschicht ist eine Zwischenschicht) verwendet werden.The protective layer 7 can be used as an overlay (protective layer is the outer layer or as a bondcoat (protective layer is an intermediate layer).
Figur 1 zeigt als ein Bauteil ein Schichtsystem 1. Das Schichtsystem 1 besteht aus einem Substrat 4. Das Substrat 4 kann metallisch und/oder keramisch sein. Insbesondere bei Turbinenbauteilen, wie z.B. Turbinenlauf- 120 (Fig. 5) oder -leitschaufeln 130 (Fig. 3, 5), Brennkammerauskleidungen 155 (Fig. 4) sowie anderen Gehäuseteilen einer Dampf- oder Gasturbine 100 (Fig. 3), besteht das Substrat 4 aus einer nickel-, kobalt- oder eisenbasierten Superlegie- rung.FIG. 1 shows a layer system 1 as a component. The layer system 1 consists of a substrate 4. The substrate 4 may be metallic and / or ceramic. In particular with turbine components, such as e.g. Turbine barrel 120 (FIG. 5) or vanes 130 (FIGS. 3, 5), combustor liners 155 (FIG. 4), as well as other housing parts of a steam or gas turbine 100 (FIG. 3), the substrate 4 is made of nickel alloy. , cobalt or iron based superalloy.
Vorzugsweise werden kobaltbasierte oder nickelbasierte Super- legierungen verwendet . Auf dem Substrat 4 ist die erfindungsgemäße Schutzschicht 7 vorhanden.Preferably, cobalt-based or nickel-based superalloys are used. On the substrate 4, the protective layer 7 according to the invention is present.
Vorzugsweise wird diese Schutzschicht 7 durch LPPS (low pres¬ sure plasma spraying) aufgebracht.Preferably, this protective layer is applied by LPPS (low pres sure ¬ plasma spraying). 7
Diese kann als äußere Schicht (nicht dargestellt) oder Zwi¬ schenschicht (Fig. 1) verwendet werden. Im letzteren Fall ist auf der Schutzschicht 7 eine keramische Wärmedämmschicht 10 vorhanden.This can be used as outer layer (not shown) or intermediate layer (FIG. 1). In the latter case, a ceramic thermal barrier coating 10 is present on the protective layer 7.
Die Schutzschicht 7 kann auf neu hergestellte Bauteile und wieder aufgearbeitete Bauteile aus dem Refurbishment aufge¬ bracht werden. Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 1 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schichten (Wärmedämmschicht) getrennt werden und Korrosions- und Oxidationspro- dukte entfernt werden, beispielsweise durch eine Säurebehand¬ lung (Säurestrippen) . Gegebenenfalls müssen noch Risse repa- riert werden. Danach kann ein solches Bauteil wieder beschichtet werden, da das Substrat 4 sehr teuer ist.
Die Figur 3 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt .The protective layer 7 can be applied to newly manufactured components and remanufactured components are introduced from the refurbishment be ¬. Reprocessing (Refurbishment) means that components 1 are separated after their use, if appropriate, of layers (heat insulating layer) and corrosion and oxidation products are removed, for example by a Säurebehand ¬ averaging (acid stripping). If necessary, cracks must still be repaired. Thereafter, such a component can be coated again because the substrate 4 is very expensive. FIG. 3 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotations¬ achse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 102 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.The gas turbine 100 has an axis by a rotational ¬ 102 rotatably mounted rotor 103 having a shaft 102, which is also referred to as the turbine rotor.
Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.Along the rotor 103 follow one another an intake housing 104, a compressor 105, for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108. Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufel¬ ringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.The annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example. There, for example, four turbine stages 112 connected in series form the turbine 108. Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings . As seen in the direction of flow of a working medium 113, in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115, a series 125 formed of rotor blades 120 follows.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind. An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .The guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example. Coupled to the rotor 103 is a generator or work machine (not shown).
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und ver¬ dichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be¬ reitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 ge- führt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 ent- spannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet .During operation of the gas turbine 100 104 air 135 is sucked by the compressor 105 through the intake housing and ver ¬ seals. The be at the turbine end of the compressor 105 ¬ compressed air provided is supplied to the burners 107, where it is mixed with a fuel. The mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110. From there, the working medium 113 flows along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the rotor blades 120. The working medium 113 expands on the rotor blades 120 in a pulse-transmitting manner, so that the rotor blades 120 drive the rotor 103 and drive the machine coupled to it , The components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100. The guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the flow direction of the working medium 113, are subjected to the greatest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110.
Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden. Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur) . Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinen¬ schaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Super- legierungen verwendet .To withstand the prevailing temperatures, they can be cooled by means of a coolant. Likewise, substrates of the components can have a directional structure, ie they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure). As a material for the components, in particular for the turbine blade ¬ 120, 130 and components of the combustion chamber 110, for example, iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierungen Teil der Offenbarung.Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949; These documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloys.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht darge¬ stellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt .The guide vane 130 has an inner housing 138 of the turbine 108 facing guide vane root (not provide Darge ¬ here) and a side opposite the guide-blade root vane root. The vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
Die Figur 5 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschau¬ fel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.5 shows a perspective view of a rotor blade 120 or guide vane show ¬ 130 of a turbomachine, which extends along a longitudinal axis of the 121st
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 auf¬ einander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf. Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufel¬ spitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht darge¬ stellt) .The turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for power generation, a steam turbine or a compressor. The blade 120, 130 has along the longitudinal axis 121 to each other, a securing region 400, an adjoining blade or vane platform 403 and a blade 406 and a blade tip 415. As a guide vane 130, the vane 130 may have tip at its vane 415 a further platform (not Darge ¬ asserted).
Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) . Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausge¬ staltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich. Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schau¬ felblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Ab¬ strömkante 412 auf.In the mounting region 400, a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown). The blade root 183 is, for example, as a hammerhead staltet out ¬. Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible. The blade 120, 130 has a medium which flows past felblatt 406 at the spectacle ¬ a leading edge 409 and a trailing edge on the 412th
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Berei- chen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise mas¬ sive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet .In conventional blades 120, 130, in all areas 400, 403, 406 of the blade 120, 130, for example, massive metallic materials, in particular superalloys, are used.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil der Offenbarung. Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus ge- fertigt sein.Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949; These documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloy. The blade 120, 130 can hereby be manufactured by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastun- gen ausgesetzt sind.Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige
metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück be¬ steht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbil¬ den, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen. Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korn- grenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinenThe production of such monocrystalline workpieces, for example, by directed solidification from the melt. These are casting processes in which the liquid metallic alloy to monocrystalline structure, ie the single-crystal workpiece, or directionally solidified. Here, dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, in common parlance, referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, ie the whole workpiece be ¬ is made of a single crystal. In these methods, you have to transition to globular (polycrystalline) solidification avoided, since non-directional growth inevitably forms transverse and longitudinal grain boundaries ¬ which the good properties of the directionally solidified or single-crystal component nullify. If the term generally refers to directionally solidified structures, it means both single crystals that have no grain boundaries or at most small-angle grain boundaries, and stem crystal structures that have grain boundaries that are probably longitudinal but no transverse grain boundaries. In these second-mentioned crystalline
Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten GefügenStructures are also known as directionally rigidified structures
(directionally solidified structures) .(directionally solidified structures).
Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EPSuch methods are known from US Pat. No. 6,024,792 and EP
0 892 090 Al bekannt; diese Schriften sind bzgl. des Erstar- rungsverfahrens Teil der Offenbarung.0 892 090 Al known; these writings are part of the disclosure with regard to the solidification process.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 erfindungsgemäße Schutz¬ schichten 7 gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen. Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte. Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) .Likewise, the blades 120, 130 may have protection layers 7 according to the invention against corrosion or oxidation. The density is preferably 95% of the theoretical density. A protective aluminum oxide layer (TGO = thermal grown oxide layer) is formed on the MCrAlX layer (as an intermediate layer or as the outermost layer).
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teil¬ weise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht . Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt. Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärme¬ dämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör¬ ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht .On the MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, which is preferably the outermost layer, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially ¬ or fully stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide. The thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer. Suitable coating processes, such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating. Other coating methods are conceivable, for example atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD. The heat insulating layer can ¬ porous, micro- or macro-cracked compatible grains have for better thermal shock resistance. The thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeu- tet) auf.The blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and may still have film cooling holes 418 (indicated by dashed lines).
Die Figur 4 zeigt eine Brennkammer 110 der Gasturbine 100. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ring- brennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Um- fangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.FIG. 4 shows a combustion chamber 110 of the gas turbine 100. The combustion chamber 110 is designed, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a multiplicity of burners 107 arranged in the circumferential direction about a rotation axis 102 open into a common combustion chamber space 154, the flames 156 generate. For this purpose, the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 10000C bis 16000C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermög¬ lichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsme¬ dium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.To achieve a comparatively high efficiency, the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 ° C. to 1600 ° C. A relatively long service life even with these handy, unfavorable for the materials to operational parameters made ¬, the combustion chamber wall 153 is provided on its side facing the working medium M facing side with a formed from heat shield elements 155. liner.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitze-
Schildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.Due to the high temperatures inside the combustion chamber 110 may also be provided for the heat shield elements 155 and for their holding elements, a cooling system. The heat- Shield elements 155 are then hollow, for example, and possibly still have cooling holes (not shown) which open into the combustion chamber space 154.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeits- mediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt. Diese Schutzschichten 7 können ähnlich der Turbinenschaufeln 120, 130 sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al.Each heat shield element 155 made of an alloy is equipped on the working fluid side with a particularly heat-resistant protective layer (MCrAlX layer and / or ceramic coating) or is made of high-temperature-resistant material (solid ceramic blocks). These protective layers 7 may be similar to the turbine blades 120, 130, so for example MCrAlX means: M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf). Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wär- medämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollstän¬ dig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.On the MCrAlX, for example, a ceramic thermal insulation layer may be present and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or fully ¬ dig stabilized by yttrium and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.By suitable coating methods, e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärme¬ dämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör- ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.Other coating methods are conceivable, for example atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD. The heat insulation layer ¬ can porous, micro- or macro-cracked pERSonal for better thermal shock resistance.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dass Turbinen¬ schaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 nach ihrem Ein¬ satz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in der Turbinenschaufel 120, 130 oder dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach
erfolgt eine Wiederbeschichtung der Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Turbinenschaufeln 120, 130 oder der Hitzeschildelemente 155
Reprocessing (Refurbishment) means that turbines ¬ blades 120, 130, heat shield elements 155 after they set ¬ A may need to be stripped of protective layers (for example by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, cracks in the turbine blade 120, 130 or the heat shield element 155 are also repaired. After that a re-coating of the turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 and a renewed use of the turbine blades 120, 130 or the heat shield elements 155