EP1931811A1 - Dry composition, use of its layer system and coating process - Google Patents

Dry composition, use of its layer system and coating process

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EP1931811A1
EP1931811A1 EP06806827A EP06806827A EP1931811A1 EP 1931811 A1 EP1931811 A1 EP 1931811A1 EP 06806827 A EP06806827 A EP 06806827A EP 06806827 A EP06806827 A EP 06806827A EP 1931811 A1 EP1931811 A1 EP 1931811A1
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EP
European Patent Office
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dry composition
carbon
protective layer
layer
substrate
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06806827A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Roman Karmazin
Steffen Walter
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP06806827A priority Critical patent/EP1931811A1/en
Publication of EP1931811A1 publication Critical patent/EP1931811A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C23CCOATING 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
    • C23C10/00Solid state diffusion of only metal elements or silicon into metallic material surfaces
    • C23C10/04Diffusion into selected surface areas, e.g. using masks
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/10Metallic powder containing lubricating or binding agents; Metallic powder containing organic material
    • B22F1/107Metallic powder containing lubricating or binding agents; Metallic powder containing organic material containing organic material comprising solvents, e.g. for slip casting
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • Y10T428/31678Of metal

Definitions

  • the invention relates to a dry composition, a use thereof, a layer system and a method for coating.
  • the object is achieved by a dry composition according to claim 1 and by a use of those according to claim 5.
  • the object is achieved by a layer system according to ⁇ demanding. 6
  • the object is achieved by a method according to claim 11.
  • FIG. 3 4 schematically a component with local masking and a method for coating
  • FIG. 5, 6 further exemplary embodiments of the invention
  • FIG. 7 a perspective view of a gas turbine
  • FIG. 8 a perspective view of a combustion chamber
  • Figure 9 is a perspective view of a turbine blade.
  • Figure 1 shows a component 1, be a substrate 4 ⁇ is, is applied to the protective layer. 7
  • the component 1 can be a turbine blade 120, 130 (FIG. 9), a housing 138 (FIG. 7) or a combustion chamber element 155 (FIG. 8) of a steam or gas turbine 100 (FIG be any component which is coated by a known coating method.
  • the substrate 4 has an outer surface 10 and an inner surface 13, wherein the outer surface 10 is not to be coated in a coating process, so that the outer surface 10 is the non-coating area 11. Therefore, the protective layer 7 is applied on the entire surface 11.
  • the protective layer 7 comprises a dry composition according to the invention consisting of carbon (C) and nickel (Ni) powder.
  • the carbon may be in chemically bonded form with other chemical elements, especially as an organic binder, which converts to carbon upon heat treatment (curing).
  • the carbon of the dry composition may be present at least partially, in particular completely in chemically bound form.
  • the carbon of the dry composition may be at least partially or completely of a det ⁇ carbon powder, such as graphite powder or carbon black gebil-.
  • the carbon of the dry composition ⁇ reduction of carbon in powder form and a binder which is converted to a heat treatment process in carbon.
  • the dry composition can be applied to the surface 11 of a component 1, 120, 130, 138, 155 in the form of a paste or a slurry.
  • the protective layer 7 can be applied to each surface 10 or 13 of the component 1, 120, 130 and is preferably applied as a slurry over a large area, but also locally limited to the component 1, 120, 130, 138, 155.
  • the binder is either so soft (viscous) that it can be applied as a paste or a solvent (for example water, alcohol) is added to the dry composition which lowers the viscosity sufficiently.
  • a solvent for example water, alcohol
  • the binder is mixed with novolac.
  • Base resin Novolak is a polymer product of phenol and / or cresol and formaldehyde, which is formed by polycondensation reaction.
  • the number of chain segments n is about 1000 to 2000.
  • Novolac is a very brittle material, its softening point is about 100 0 C.
  • Another non-carbonaceous binder or other carbonaceous binder can be added to the dry composition, paste, or slurry.
  • the binder and / or the carrier can be expelled and preferably the nickel carbon ⁇ powder be sintered.
  • the protective layer 7 is preferably suitable for gas-phase coating processes such as.
  • a gas-phase coating process such as.
  • a masking is formed by the protective layer 7, which acts as a diffusion barrier by the nickel reacts with the gaseous coating material.
  • the nickel reacts to nickel aluminum (eg Al 3 Ni), whereby the protective effect of the protective layer 7 continues to increase.
  • the coating material can not layer by this protection ⁇ penetrate 7th
  • the resulting protective layer 7 is often very brittle and can by a simple decoating method such. B. dry ice blasting are removed.
  • Such a protective layer 7 can be used in a chromation.
  • the Ni / C composition is used in nickel-based materials, as here a diffusion of nickel of the substrate 4 in the masking or a reaction of
  • Nickel of the substrate 4 with the nickel-containing protective layer 7 is reduced or even prevented, since a concentration ⁇ gradient is present, which counteracts.
  • the particular higher nickel content in the protective layer 7 during the coating process forms a nickel concentration gradient. This prevents the Dif ⁇ fusion of nickel from the base material in the devis perennialna ⁇ hen layers.
  • the higher nickel concentration in the protective layer 7 on the surface 11 of the substrate 4 counteracts the nickel diffusion in the substrate 4 and prevents its segregation.
  • FIG. 2 shows a further protective layer 7 'according to the invention.
  • the protective layer 7 ' is constructed in two layers, wherein the protective layer 7 has ben as in Figure 1 beschrie ⁇ the composition. However, below the protective layer 7 there is a further layer 8, which in particular rests directly on the substrate 4.
  • the protective layer 8 is a carbons ⁇ -containing layer, which either only of carbon or Kohlenstoffprecursormaterialien such. B. organic materials.
  • the layer 8 consists of carbon powder and a binder, which in turn advantageously novolak is used.
  • This carbon-containing layer allows the lighter Ent ⁇ fernung the protective layer 7, after the component 1, 120, 130, 155 was coated, as the carbon layer 8 does not react with the substrate 4 and not material comes with the coating in contact.
  • this two-ply layer system 7 ' is used in an alitization.
  • Figure 3 schematically shows a process sequence of OF INVENTION ⁇ to the invention coating process.
  • the substrate 4 is not to be coated in a region 11, so that locally a paste or a slip on the
  • FIG. 3 shows a comparable and schematic process sequence as in FIG. 3, with the difference that no layer 16 is formed on the surface 10 here, but rather that the coating material, here likewise, for example, aluminum, locally penetrates into the substrate 4, so that local regions are formed 19 with an increased aluminum content ausbil ⁇ the.
  • Figure 5 shows a further embodiment of the method according OF INVENTION ⁇ dung and a further use of the protective layer. 7
  • the component 1, 120, 130, 155 has a cavity 22 which is to be coated entirely or locally alone. This is the game as if the outer surface of the sub ⁇ strats 4 already an MCrAlX layer and optionally bearing a ceramic layer at ⁇ the case, but the cavity 22 is also aluminized onstik disrupt to corrosion or is to be chromed.
  • a paste or slurry for forming a protective layer 7 is applied to the outer surface 10 of the substrate 4 or an outer coating on the substrate 4 so that no coating material can reach the outer surface 11 and only one coating takes place in the cavity 22 ,
  • FIG. 7 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 100 has an axis by a rotational ⁇ 102 rotatably mounted rotor 103 having a shaft 101, which is also referred to as the turbine rotor.
  • 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
  • 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
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example.
  • An annular annular hot gas channel 111 for example.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings .
  • a series 125 formed of rotor blades 120 follows.
  • 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).
  • air 135 is sucked by the compressor 105 through the intake housing and ver ⁇ seals.
  • the loading 105 compressed air provided at the turbine end of the compressor to the burners leads 107 ge ⁇ where it is mixed with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110.
  • 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 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. To withstand the prevailing temperatures, they can be cooled by means of a coolant.
  • substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • Iron, nickel or cobalt-based superalloys are used as material for the components, in particular for the turbine blades 120, 130 and components of the combustion chamber 110.
  • 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.
  • the blades 120, 130 may be anti-corrosion coatings (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths or hafnium).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths or hafnium).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which are to be part of this disclosure with regard to the chemical composition.
  • MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Suitable coating processes such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • 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.
  • the combustion chamber 110 is designed for example as so-called an annular combustion chamber, in the circumferential direction in which a plurality of an axis of rotation 102 of burners 107 arranged in a common combustion chamber space 154, the flames 156 generate.
  • the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around.
  • the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 ° C. to 1600 ° C.
  • the combustion chamber wall 153 is provided on its side facing the medium M, Anlagenme- facing side with a formed from heat shield elements 155. liner.
  • 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).
  • 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
  • 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 Al, which should be part of this disclosure with respect to the chemical composition of the alloy.
  • a ceramic thermal insulation layer may be present and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 4 -ZrO 2 , ie it is not, partially or fully ⁇ dig stabilized by yttrium and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • Reprocessing means that heat shield elements must be freed 155 after use, where appropriate, protective layers (for example by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. If necessary, cracks in the heat shield element 155 are also repaired. This is followed by a recoating of the heat shield elements 155 and a renewed use of the heat shield elements 155.
  • the heat shield elements 155 are then, for example, hollow and possibly still have film cooling holes (not shown) which open into the combustion chamber space 154.
  • FIG. 9 shows a perspective view of a moving blade 120 or guide blade 130 of a turbomachine that extends along a longitudinal axis 121.
  • 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 an airfoil 406.
  • the vane 130 may have tip at its vane 415 a further platform (not Darge ⁇ asserted).
  • 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Structures are also known as directionally rigidified structures
  • Refurbishment means that components 120, 130 may need to be deprotected after use (e.g., by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. This is followed by a re-coating of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120 is to be cooled 130, it is hollow and, if necessary, has film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.

Abstract

Coating processes are often only intended to be applied locally. At the same time, local coating processes cannot always be used, so that frequently masking has to be used. The protective layer (7) according to the invention contains a binder and titanium oxide and can be used according to the invention as a diffusion barrier, so that, in a coating process, the coating material is only applied locally. The binder is converted into carbon before the coating.

Description

Trockene Zusammensetzung, Verwendung derer, Schichtsystem undDry composition, use of those, layer system and
Verfahren zur BeschichtungMethod of coating
Die Erfindung betrifft eine trockene Zusammensetzung, eine Verwendung derer, ein Schichtsystem und ein Verfahren zur Beschichtung.The invention relates to a dry composition, a use thereof, a layer system and a method for coating.
In vielen Beschichtungsverfahren ist oft nur eine lokale Be- Schichtung erforderlich. Dies kann bei allen gängigen Beschichtungsverfahren der Fall sein, wie z. B. beim Plasmaspritzen (atmosphärisches Plasmaspritzen APS, Niedrigdruckplasmaspritzen LPPS, VPS ...) oder bei PVD- sowie CVD- Verfahren. Auch bei dem so genannten Packverfahren, bei dem das zu beschichtende Bauteil in ein Pulverbett eingebracht wird, wird manchmal verlangt, dass nur eine lokale Beschichtung erfolgen soll.In many coating processes, often only a local coating is required. This can be the case with all common coating methods, such. For example, in plasma spraying (atmospheric plasma spraying APS, LPPS low-pressure plasma spraying, VPS ...) or PVD and CVD method. Even with the so-called packing method in which the component to be coated is introduced into a powder bed, it is sometimes required that only a local coating should take place.
Ebenso wird manchmal eine Maskierung gefordert, wenn ein Be¬ schichtungsverfahren, das eine lokale Beschichtung ohne wei- tere Hilfsmittel erlaubt, benutzt wird. Dies ist z. B. beiSimilarly, a mask is sometimes required if a Be ¬ coating process that allows a local coating without any further aids, is used. This is z. B. at
Schlickerverfahren der Fall, wobei der Schlicker lokal aufgebracht und durch Erwärmung des Schlickers das Beschichtungs- material nur lokal ein- oder aufgebracht wird, aber eine Dampfwolke des Beschichtungsmaterials sich auf anderen Berei- chen des Bauteils niederschlagen kann.Schlickerverfahren the case, wherein the slurry is applied locally and by heating the slurry, the coating material only locally applied or applied, but a cloud of steam of the coating material can be reflected on other areas of the component.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Zusammensetzung für eine Schutzschicht als Maskierung aufzuzeigen, die einfach verwendet werden kann.It is therefore an object of the invention to show a composition for a protective layer as a mask, which can be easily used.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine trockene Zusammensetzung gemäß Anspruch 1 und durch eine Verwendung derer gemäß Anspruch 5. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung ein Schichtsystem aufzuzeigen, das eine lokale Beschichtung eines Bauteils ermög¬ licht und bei dem eine Schutzschicht als Maskierung leicht entfernt werden kann. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schichtsystem gemäß An¬ spruch 6.The object is achieved by a dry composition according to claim 1 and by a use of those according to claim 5. In addition, it is an object of the invention to provide a layer system that made a topical coating of a component ¬ light and can be easily removed in which a protective layer as a mask. The object is achieved by a layer system according to ¬ demanding. 6
Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung ein Beschichtungsver- fahren aufzuzeigen, bei dem eine lokale Beschichtung eines Bauteils erzeugt werden kann und bei dem die Maskierung leicht entfernt werden kann.In addition, it is an object of the invention to show a coating method in which a local coating of a component can be produced and in which the masking can be easily removed.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 11.The object is achieved by a method according to claim 11.
Die in den Unteransprüchen aufgelisteten Maßnahmen können beliebig in vorteilhafter Art und Weise miteinander kombiniert werden .The measures listed in the dependent claims can be combined with each other in an advantageous manner.
Es zeigen Figur 1, 2 schematisch ein Bauteil mit einer großflächigen Maskierung,1, 2 schematically show a component with a large-area masking,
Figur 3, 4 schematisch ein Bauteil mit lokaler Maskierung und ein Verfahren zur Beschichtung, Figur 5, 6 weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung, Figur 7 eine perspektivische Ansicht einer Gasturbine, Figur 8 eine perspektivische Ansicht einer Brennkammer,3, 4 schematically a component with local masking and a method for coating, FIG. 5, 6 further exemplary embodiments of the invention, FIG. 7 a perspective view of a gas turbine, FIG. 8 a perspective view of a combustion chamber,
Figur 9 eine perspektivische Ansicht einer Turbinenschaufel .Figure 9 is a perspective view of a turbine blade.
Figur 1 zeigt ein Bauteil 1, das aus einem Substrat 4 be¬ steht, auf der eine Schutzschicht 7 aufgebracht ist.Figure 1 shows a component 1, be a substrate 4 ¬ is, is applied to the protective layer. 7
Das Bauteil 1 kann eine Turbinenschaufel 120, 130 (Figur 9) , ein Gehäuse 138 (Figur 7) oder ein Brennkammerelement 155 (Fig. 8) einer Dampf- oder Gasturbine 100 (Fig. 7) sowie jedes beliebige Bauteil sein, das mittels eines bekannten Beschichtungsverfahrens beschichtet wird.The component 1 can be a turbine blade 120, 130 (FIG. 9), a housing 138 (FIG. 7) or a combustion chamber element 155 (FIG. 8) of a steam or gas turbine 100 (FIG be any component which is coated by a known coating method.
Das Substrat 4 hat eine äußere Oberfläche 10 und eine innere Oberfläche 13, wobei die äußere Oberfläche 10 nicht in einem Beschichtungsverfahren beschichtet werden soll, so dass die äußere Oberfläche 10 den nicht zu beschichtenden Bereich 11 darstellt. Daher wird die Schutzschicht 7 auf der gesamten Oberfläche 11 aufgebracht.The substrate 4 has an outer surface 10 and an inner surface 13, wherein the outer surface 10 is not to be coated in a coating process, so that the outer surface 10 is the non-coating area 11. Therefore, the protective layer 7 is applied on the entire surface 11.
Die Schutzschicht 7 umfasst eine erfindungsgemäße trockene Zusammensetzung bestehend aus Kohlenstoff (C) und Nickel (Ni) -Pulver . Der Kohlenstoff kann in chemisch gebundener Form mit anderen chemischen Elementen, insbesondere als organischer Binder vorliegen, der sich bei einer Wärmebehandlung (Aushärten) in Kohlenstoff umwandelt.The protective layer 7 comprises a dry composition according to the invention consisting of carbon (C) and nickel (Ni) powder. The carbon may be in chemically bonded form with other chemical elements, especially as an organic binder, which converts to carbon upon heat treatment (curing).
Der Kohlenstoff der trockenen Zusammensetzung kann zumindest teilweise, insbesondere vollständig in chemisch gebundener Form vorliegen.The carbon of the dry composition may be present at least partially, in particular completely in chemically bound form.
Ebenso kann der Kohlenstoff der trocknen Zusammensetzung zumindest teilweise oder vollständig aus einem Kohlenstoff¬ pulver, beispielsweise aus Graphitpulver oder aus Ruß gebil- det sein.Also, the carbon of the dry composition may be at least partially or completely of a det ¬ carbon powder, such as graphite powder or carbon black gebil-.
Vorzugsweise besteht der Kohlenstoff der trockenen Zusammen¬ setzung aus Kohlenstoff in Pulverform und einem Binder, der in einem Wärmebehandlungsverfahren in Kohlenstoff umgewandelt wird.Preferably, the carbon of the dry composition ¬ reduction of carbon in powder form and a binder which is converted to a heat treatment process in carbon.
Die trockene Zusammensetzung kann in Form einer Paste oder eines Schlickers auf die Oberfläche 11 eines Bauteils 1, 120, 130, 138, 155 aufgetragen werden. Die Schutzschicht 7 kann auf jede Oberfläche 10 oder 13 des Bauteils 1, 120, 130 aufgebracht werden und wird vorzugsweise als Schlicker großflächig, aber auch lokal begrenzt auf das Bauteil 1, 120, 130, 138 ,155 aufgetragen.The dry composition can be applied to the surface 11 of a component 1, 120, 130, 138, 155 in the form of a paste or a slurry. The protective layer 7 can be applied to each surface 10 or 13 of the component 1, 120, 130 and is preferably applied as a slurry over a large area, but also locally limited to the component 1, 120, 130, 138, 155.
Der Binder ist entweder so weich (viskos), dass er als Paste aufgetragen werden kann oder es wird zu der trockenen Zusammensetzung ein Lösungsmittel (beispielsweise Wasser, Alkohol) hinzu gegeben, das die Viskosität hinreichend erniedrigt. Vorzugsweise wird als Binder mit Novolak vermischt. DasThe binder is either so soft (viscous) that it can be applied as a paste or a solvent (for example water, alcohol) is added to the dry composition which lowers the viscosity sufficiently. Preferably, the binder is mixed with novolac. The
Grundharz Novolak ist ein Polymerprodukt aus Phenol und/oder Kresol und Formaldehyd, das durch Polykondensationsreaktion gebildet wird. Die Anzahl der Kettensegmente n beträgt etwa 1000 bis 2000. Novolak ist ein sehr sprödes Material, sein Erweichungspunkt liegt etwa bei 1000C.Base resin Novolak is a polymer product of phenol and / or cresol and formaldehyde, which is formed by polycondensation reaction. The number of chain segments n is about 1000 to 2000. Novolac is a very brittle material, its softening point is about 100 0 C.
Weiterer nichtkohlenstoffhaltiger Binder oder ein anderer kohlenstoffhaltiger Binder kann zu der trocknen Zusammensetzung, der Paste oder zu dem Schlicker hinzugefügt werden.Another non-carbonaceous binder or other carbonaceous binder can be added to the dry composition, paste, or slurry.
Vor dem Beschichten kann der Binder und/oder das Trägermittel ausgetrieben werden und vorzugsweise das Nickel- Kohlenstoff¬ pulver versintert werden.Before coating, the binder and / or the carrier can be expelled and preferably the nickel carbon ¬ powder be sintered.
Die Schutzschicht 7 eignet sich vorzugsweise bei Gasphasenbe- schichtungsverfahren wie z. B. dem PVD- oder CVD-Verfahren, bei dem eine Dampfwolke aus einem Material auf eine Oberflä¬ che abgeschieden wird. Dabei wird durch die Schutzschicht 7 eine Maskierung gebildet, die als Diffusionsbarriere wirkt, indem das Nickel mit dem gasförmigen Beschichtungsmaterial reagiert.The protective layer 7 is preferably suitable for gas-phase coating processes such as. As the PVD or CVD method in which a cloud of vapor is deposited from a material on a Oberflä ¬ che. In this case, a masking is formed by the protective layer 7, which acts as a diffusion barrier by the nickel reacts with the gaseous coating material.
Bei der Aluminisierung eines Bauteils 1 reagiert das Nickel zu Nickelaluminium (bspw. Al3Ni), wodurch sich die Schutzwirkung der Schutzschicht 7 weiterhin verstärkt. Das Beschichtungsmaterial kann nicht durch diese Schutz¬ schicht 7 dringen. Die so entstandene Schutzschicht 7 ist oft sehr spröde und kann dabei durch ein einfaches Entschichtungsverfahren wie z. B. Trockeneisstrahlen entfernt werden.During the aluminization of a component 1, the nickel reacts to nickel aluminum (eg Al 3 Ni), whereby the protective effect of the protective layer 7 continues to increase. The coating material can not layer by this protection ¬ penetrate 7th The resulting protective layer 7 is often very brittle and can by a simple decoating method such. B. dry ice blasting are removed.
Ebenso kann eine solche Schutzschicht 7 bei einer Chromierung verwendet werden.Likewise, such a protective layer 7 can be used in a chromation.
Vorzugsweise wird die Ni/C Zusammensetzung bei nickelbasierten Werkstoffen verwendet, da hier eine Diffusion von Nickel des Substrats 4 in die Maskierung oder eine Reaktion vonPreferably, the Ni / C composition is used in nickel-based materials, as here a diffusion of nickel of the substrate 4 in the masking or a reaction of
Nickel des Substrats 4 mit der nickelhaltigen Schutzschicht 7 verringert oder sogar verhindert wird, da ein Konzentrations¬ gradient vorhanden ist, der dem entgegenwirkt. Durch den insbesonderen höheren Nickelanteil in der Schutz- schicht 7 während des Beschichtungsverfahrens bildet sich ein Nickelkonzentrationsgradient aus. Dieser verhindert die Dif¬ fusion von Nickel aus dem Grundmaterial in die oberflächenna¬ hen Schichten. Die höhere Nickelkonzentration in der Schutzschicht 7 auf der Oberfläche 11 des Substrats 4 wirkt der Nickeldiffusion im Substrat 4 entgegen und unterbindet dessen Entmischung.Nickel of the substrate 4 with the nickel-containing protective layer 7 is reduced or even prevented, since a concentration ¬ gradient is present, which counteracts. The particular higher nickel content in the protective layer 7 during the coating process forms a nickel concentration gradient. This prevents the Dif ¬ fusion of nickel from the base material in the oberflächenna ¬ hen layers. The higher nickel concentration in the protective layer 7 on the surface 11 of the substrate 4 counteracts the nickel diffusion in the substrate 4 and prevents its segregation.
Bei einer Alitierung einer nickelbasierten Legierung mit einer Schutzschicht ohne Nickel entsteht durch Nickeldiffu- sion entsteht tiefer im Substrat eine 40μm breite Entmi¬ schungsschicht an, die chrom- und aluminiumreiche Bereiche aufweist, wobei dann tiefer im Substrat 4 das Substrat 4 im Ausgangszustand vorliegt. Nachdem das Bauteil 1, 120, 130 im Einsatz war, wird auch der Bereich der Entmischungsschicht mit abgetragen. Dies ist na¬ türlich nicht gewollt.In an alitizing a nickel-based alloy with a protective layer without nickel arises sion by Nickeldiffu- is formed deeper in the substrate, a 40 microns wide Entmi ¬ research layer to having chromium and aluminum-rich areas, in which case lower is present in the substrate 4, the substrate 4 in the initial state. After the component 1, 120, 130 was in use, the area of the demixing layer is also removed. This is na ¬ not Türlich wanted.
Durch die Verwendung der trockenen Zusammensetzung mit Nickel und Kohlenstoff ist es möglich sowohl die Diffusion von AIu- minium während eines Beschichtungsverfahrens als auch die Entstehung der Entmischungsschicht zu verhindern. Figur 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Schutzschicht 7'. Die Schutzschicht 7' ist zweilagig aufgebaut, wobei die Schutzschicht 7 die Zusammensetzung wie in Figur 1 beschrie¬ ben aufweist. Jedoch ist unterhalb der Schutzschicht 7 eine weitere Schicht 8 vorhanden, die insbesondere direkt auf dem Substrat 4 aufliegt. Die Schutzschicht 8 ist eine kohlen¬ stoffhaltige Schicht, die entweder nur aus Kohlenstoff oder Kohlenstoffprecursormaterialien, wie z. B. organischen Materialien besteht. Vorzugsweise besteht die Schicht 8 aus Kohlenstoffpulver und einem Binder, für den wiederum vorteilhafterweise Novolak verwendet wird.By using the dry composition with nickel and carbon, it is possible to prevent both the diffusion of aluminum during a coating process and the formation of the demixing layer. FIG. 2 shows a further protective layer 7 'according to the invention. The protective layer 7 'is constructed in two layers, wherein the protective layer 7 has ben as in Figure 1 beschrie ¬ the composition. However, below the protective layer 7 there is a further layer 8, which in particular rests directly on the substrate 4. The protective layer 8 is a carbons ¬-containing layer, which either only of carbon or Kohlenstoffprecursormaterialien such. B. organic materials. Preferably, the layer 8 consists of carbon powder and a binder, which in turn advantageously novolak is used.
Diese kohlenstoffhaltige Schicht erlaubt die leichtere Ent¬ fernung der Schutzschicht 7, nachdem das Bauteil 1, 120, 130, 155 beschichtet wurde, da die KohlenstoffSchicht 8 nicht mit dem Substrat 4 reagiert und auch nicht mit dem Beschichtungs- material in Kontakt kommt.This carbon-containing layer allows the lighter Ent ¬ fernung the protective layer 7, after the component 1, 120, 130, 155 was coated, as the carbon layer 8 does not react with the substrate 4 and not material comes with the coating in contact.
Vorzugsweise wird auch dieses zweilagige Schichtsystem 7' bei einer Alitierung verwendet.Preferably, this two-ply layer system 7 'is used in an alitization.
Figur 3 zeigt schematisch einen Verfahrensablauf eines erfin¬ dungsgemäßen Beschichtungsverfahrens . Das Substrat 4 soll in einem Bereich 11 nicht beschichtet werden, so dass lokal eine Paste oder ein Schlicker auf dieFigure 3 schematically shows a process sequence of OF INVENTION ¬ to the invention coating process. The substrate 4 is not to be coated in a region 11, so that locally a paste or a slip on the
Oberfläche 10 im Bereich der nicht zu beschichtenden Oberflä¬ che 11 aufgebracht wird, um eine Schutzschicht 7 zu bilden. Dann wird das Bauteil 1, 120, 130, 155 dem Beschichtungsver- fahren ausgesetzt, beispielsweise einem Aluminiumdampf, wobei sich dann eine Aluminiumschicht 16 auf der Oberfläche 10 bil¬ det, bis auf den Bereich, in dem die Schutzschicht 7 vorhan¬ den ist .Surface 10 is applied in the region of the not to be coated Oberflä ¬ che 11 to form a protective layer 7. Then, the component 1, 120, 130, 155 driving the coating processes is subjected, for example, an aluminum vapor, then an aluminum layer 16 det bil ¬ on the surface 10, except for the area where the protective layer 7 EXISTING ¬ is.
Nach dem Entfernen der mit Aluminium angereicherten Schutz- schicht 7 oder der Reaktionsprodukte von Schutzschicht 7 und Beschichtungsmaterial, hier Aluminium, ist eine lokale Be- schichtung entstanden (Figur 3 ganz rechts) . Figur 4 zeigt einen vergleichbaren und schematischen Verfahrensablauf wie in Figur 3, mit dem Unterschied, dass sich hier keine Schicht 16 auf der Oberfläche 10 bildet, sondern dass das Beschichtungsmaterial, hier ebenfalls beispielsweise Aluminium, in das Substrat 4 lokal eindringt, sodass sich lokale Bereiche 19 mit einem erhöhten Aluminiumgehalt ausbil¬ den .After removal of the aluminum-enriched protective layer 7 or of the reaction products of protective layer 7 and coating material, in this case aluminum, a local coating has formed (FIG. 3 on the far right). FIG. 4 shows a comparable and schematic process sequence as in FIG. 3, with the difference that no layer 16 is formed on the surface 10 here, but rather that the coating material, here likewise, for example, aluminum, locally penetrates into the substrate 4, so that local regions are formed 19 with an increased aluminum content ausbil ¬ the.
Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens und einer weiteren Verwendung der Schutzschicht 7.Figure 5 shows a further embodiment of the method according OF INVENTION ¬ dung and a further use of the protective layer. 7
Das Bauteil 1, 120, 130, 155 weist einen Hohlraum 22 auf, der allein ganz oder lokal beschichtet werden soll. Dies ist bei¬ spielsweise der Fall, wenn die äußere Oberfläche des Sub¬ strats 4 bereits eine MCrAlX-Schicht und ggf. eine keramische Schicht aufweist, aber der Hohlraum 22 ebenfalls zu Korrosi- onsschutzzwecken aluminisiert oder chromiert werden soll.The component 1, 120, 130, 155 has a cavity 22 which is to be coated entirely or locally alone. This is the game as if the outer surface of the sub ¬ strats 4 already an MCrAlX layer and optionally bearing a ceramic layer at ¬ the case, but the cavity 22 is also aluminized onsschutzzwecken to corrosion or is to be chromed.
Dann wird auf die äußere Oberfläche 10 des Substrats 4 oder einer äußeren Beschichtung auf dem Substrat 4 eine Paste oder ein Schlicker zur Erzeugung einer Schutzschicht 7 aufgetragen, sodass kein Beschichtungsmaterial auf die äußere Ober- fläche 11 gelangen kann und nur eine Beschichtung im Hohlraum 22 stattfindet.Then, a paste or slurry for forming a protective layer 7 is applied to the outer surface 10 of the substrate 4 or an outer coating on the substrate 4 so that no coating material can reach the outer surface 11 and only one coating takes place in the cavity 22 ,
Ebenso kann es möglich sein, dass die äußere Oberfläche eines hohlen Bauteils 1, 120, 130 beschichtet werden soll, bei- spielsweise soll eine MCrAlX-Schicht oder ein Substrat 4 zu Korrosionsschutzzwecken aluminisiert oder chromiert werden, wobei aber der Hohlraum 22 nicht beschichtet werden soll. Hier wird ebenfalls eine Paste oder ein Schlicker zur Erzeu¬ gung einer Schutzschicht 7 in den Hohlraum 22 eingebracht, der den Hohlraum 22 vor einer Beschichtung schützt (Figur 6) . Die Figur 7 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt .Likewise, it may be possible for the outer surface of a hollow component 1, 120, 130 to be coated, for example an MCrAlX layer or a substrate 4 should be aluminised or chromed for corrosion protection purposes, but the cavity 22 should not be coated , Here, a paste or a slurry is also for the generation ¬ supply a protective layer 7 in the cavity 22 is introduced, the cavity 22 prior to coating protects (Figure 6). FIG. 7 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 101 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 101, 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 entspannt 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 . Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.During operation of the gas turbine 100 104 air 135 is sucked by the compressor 105 through the intake housing and ver ¬ seals. The loading 105 compressed air provided at the turbine end of the compressor to the burners leads 107 ge ¬ 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. On the rotor blades 120, the working medium 113 expands 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. To withstand the prevailing temperatures, they can be cooled by means of a coolant.
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- schaufei 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superle- gierungen verwendet .Likewise, substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure). Iron, nickel or cobalt-based superalloys are used as material for the components, in particular for the turbine blades 120, 130 and components of the combustion chamber 110.
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.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (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) . 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, die bzgl. der che- mischen Zusammensetzung Teil dieser Offenbarung sein sollen.Also, the blades 120, 130 may be anti-corrosion coatings (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths or hafnium). Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which are to be part of this disclosure with regard to the chemical composition.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Ytt- riumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.On the MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide 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. 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 .Suitable coating processes, such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating. 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 8 zeigt eine Brennkammer 110 einer 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.8 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine 100. The combustion chamber 110 is designed for example as so-called an annular combustion chamber, in the circumferential direction in which a plurality of an axis of rotation 102 of burners 107 arranged in 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 medium M, Arbeitsme- facing side with a formed from heat shield elements 155. liner.
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.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).
Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln 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/oderThese protective layers can be similar to the turbine blades, 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
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, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen.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 Al, which should be part of this disclosure with respect to the chemical composition of the alloy.
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wär- medämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O4-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 4 -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.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dass Hitze¬ schildelemente 155 nach ihrem Einsatz 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 dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Hitzeschildele- mente 155 und ein erneuter Einsatz der Hitzeschildelemente 155.Reprocessing (Refurbishment) means that heat shield elements must be freed 155 after use, where appropriate, protective layers (for example by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. If necessary, cracks in the heat shield element 155 are also repaired. This is followed by a recoating of the heat shield elements 155 and a renewed use of the heat shield elements 155.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Filmkühllöcher (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, for example, hollow and possibly still have film cooling holes (not shown) which open into the combustion chamber space 154.
Figur 9 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.FIG. 9 shows a perspective view of a moving blade 120 or guide blade 130 of a turbomachine that extends along a longitudinal axis 121.
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 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 an airfoil 406. 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) .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).
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.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 Teil der Offenba- rung.0 892 090 Al known; These writings are part of the revelation.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidations- schichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wie- derbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.Refurbishment means that components 120, 130 may need to be deprotected after use (e.g., by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. This is followed by a re-coating of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.
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 is to be cooled 130, it is hollow and, if necessary, has film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.

Claims

Patentansprüche claims
1. Trockene Zusammensetzung, bestehend aus Kohlenstoff (C) und Nickel (Ni) -Pulver.1. Dry composition consisting of carbon (C) and nickel (Ni) powder.
2. Trockene Zusammensetzung nach Anspruch 1, bei der der Kohlenstoff zumindest teilweise, insbesondere vollständig, in chemisch gebundener Form mit anderen chemischen Elemen- ten, insbesondere als organischer Binder, vorliegt, die bzw. der durch eine Wärmebehandlung in Kohlenstoff umwandelbar ist .2. Dry composition according to claim 1, in which the carbon is present at least partially, in particular completely, in chemically bound form with other chemical elements, in particular as organic binder, which is convertible to carbon by a heat treatment.
3. Trockene Zusammensetzung nach Anspruch 1, bei der der Kohlenstoff der trockenen Zusammensetzung zumindest teilweise, insbesondere vollständig, in Pulverform vorliegt .3. Dry composition according to claim 1, wherein the carbon of the dry composition is at least partially, in particular completely, in powder form.
4. Trockene Zusammensetzung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der der Kohlenstoff der trockenen Zusammensetzung in chemisch gebundener Form und in Pulverform vorliegt . A dry composition according to claim 1, 2 or 3, wherein the carbon of the dry composition is in chemically bonded form and in powder form.
5. Verwendung der trockenen Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4 in Form einer Paste oder eines Schlickers, insbesondere zur Bildung einer Schutzschicht (7, 7 ' ) bei einem Beschichtungsprozess eines Bauteils (1, 120, 130, 138, 155) .5. Use of the dry composition according to claim 1, 2, 3 or 4 in the form of a paste or a slip, in particular for forming a protective layer (7, 7 ') in a coating process of a component (1, 120, 130, 138, 155) ,
6. Schichtsystem umfassend ein Substrat (4) für ein Bauteil (1, 120, 130, 138, 155) und einer Schutzschicht (7, 1'),6. layer system comprising a substrate (4) for a component (1, 120, 130, 138, 155) and a protective layer (7, 1 '),
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die Schutzschicht (7, 7') die eine trockene Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4 enthält.the protective layer (7, 7 ') containing a dry composition according to claim 1, 2, 3 or 4.
7. Schichtsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass7. Layer system according to claim 6, characterized in that
die Schutzschicht (7') zumindest zweilagig aufgebaut ist, wobei auf dem Substrat (4) eine kohlenstoffhaltige Schicht (8) vorhanden ist, auf der eine äußere Schicht (7), enthaltend eine trockene Zusammensetzung gemäß Anspruch 1,the protective layer (7 ') has at least two layers, wherein on the substrate (4) a carbon-containing layer (8) is present, on which an outer layer (7) containing a dry composition according to claim 1,
2, 3 oder 4, vorhanden ist .2, 3 or 4, is present.
8. Schichtsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass8. Layer system according to claim 7, characterized in that
die kohlenstoffhaltige Schicht (8) durch ein Kohlenstoff¬ pulver und/oder chemisch gebundenen Kohlenstoff, insbesondere einen organischen Binder, gebildet ist . is formed, the carbon-containing layer (8) powder through a carbon ¬ and / or chemically bonded carbon, in particular an organic binder.
9. Schichtsystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass9. Layer system according to claim 6 or 7, characterized in that
das Substrat (4) eine nickelbasierte Legierung darstelltthe substrate (4) is a nickel-based alloy
10. Schichtsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass10. Layer system according to claim 9, characterized in that
der Nickelanteil in der Schutzschicht (7', 7) zumindest gleich, insbesondere höher ist als der Nickelanteil im Substrat (4) .the nickel content in the protective layer (7 ', 7) is at least equal, in particular higher, than the nickel content in the substrate (4).
11. Verfahren zur Beschichtung, bei dem zuerst die trockene Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4 als Paste oder als Schlicker auf zumindest einen nicht zu beschichtenden Bereich (11) eines Substrats (4) eines Bauteils (1, 120, 130, 138, 155) aufgebracht wird und in einem weiteren Schritt des Verfahrens das Bauteil (1, 120, 130, 138, 155), das eine Schutzschicht (7,7') aufweist, beschichtet wird.11. A method of coating, wherein first the dry composition according to claim 1, 2, 3 or 4 as a paste or slip on at least one non-coated area (11) of a substrate (4) of a component (1, 120, 130, 138, 155) is applied and in a further step of the method, the component (1, 120, 130, 138, 155) having a protective layer (7,7 ') is coated.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass12. The method according to claim 11, characterized in that
es über eine Gasphase erfolgt.it takes place via a gas phase.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass13. The method according to claim 11 or 12, characterized in that
es eine Aluminisierung darstellt. it represents an aluminization.
14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass14. The method according to claim 11, characterized in that
die Paste oder der Schlicker durch Sprayen oder Aufpinseln auf den nicht zu beschichtenden Bereich (11) aufgetragen wird.the paste or slurry is applied by spraying or brushing onto the non-coated area (11).
15. Verfahren nach Anspruch 11, 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass15. The method according to claim 11, 12, 13 or 14, characterized in that
nach dem Beschichtungsprozess das Reaktionsprodukt aus trockener Zusammensetzung und Beschichtungsmaterial, insbesondere durch Trockeneisstrahlen, entfernt wird.after the coating process, the reaction product of dry composition and coating material, in particular by dry ice blasting, is removed.
16. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass16. The method according to claim 11, characterized in that
als Substrat (4) des Bauteils (1, 120, 130, 138, 155) ein nickelbasiertes Material verwendet wird.as the substrate (4) of the component (1, 120, 130, 138, 155) a nickel-based material is used.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass17. The method according to claim 16, characterized in that
der Nickelanteil in der Schutzschicht (7', 7) aus der tro¬ ckenen Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4 zu- mindest gleich, insbesondere höher, ist als der Nickelanteil im Substrat (4) . the nickel content in the protective layer (7 ', 7) from the tro ¬ ckenen composition according to claim 1, 2, 3 or 4 At the very least equal to, preferably higher, than the nickel content in the substrate (4).
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