EP1996795A2 - Quasikristalline verbindung und deren verwendung als wärmedämmschicht - Google Patents

Quasikristalline verbindung und deren verwendung als wärmedämmschicht

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EP1996795A2
EP1996795A2 EP07727208A EP07727208A EP1996795A2 EP 1996795 A2 EP1996795 A2 EP 1996795A2 EP 07727208 A EP07727208 A EP 07727208A EP 07727208 A EP07727208 A EP 07727208A EP 1996795 A2 EP1996795 A2 EP 1996795A2
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layer
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layer system
metallic
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    • Y10T428/31678—Of metal

Definitions

  • the present invention relates to a compound of nomi ⁇ dimensional atomic composition Al w Co x M y, wherein M is at least one element selected from the group Ni, Cr, and are present at least 30 percent by mass of the compound as quasikristal ⁇ line structure or as Approximat, a coating consisting of the compound or it contains a layer system having the coating, and a metallic layer, and the use of the compound as a heat insulating layer for ⁇ a component that high temperatures be ⁇ is set.
  • zirconium oxide are used for such thermal barrier coatings that are larra example, yttrium stabilized ⁇ .
  • Such ceramic thermal barrier coatings may be applied to a metallic substrate using techniques such as plasma spraying. However, since the ceramic layers do not sufficiently adhere to the metallic substrate, it is necessary to first apply a primer MCrAlY to the device, where M is at least one of iron, cobalt, nickel and Y is an active element and yttrium and or silicon and / or a rare earth element or hafnium.
  • Quasicrystals in the strict sense of the word are phases that exhibit a 5, 10 or 12-fold rotational symmetry, which are incompatible with the symmetry of the translation lattice of classical crystal phases.
  • quasi ⁇ sikristallen one designates translational periodic interme ⁇ metallic compounds which have diffraction patterns with 5, 8, 10 or 12-fold Absordesymmetrie.
  • Quasicrystalline alloys are described for example in US Pat. No. 5,432,011.
  • the alloys mentioned here are u. a. used for coatings, which in turn are used as thermal barrier coatings.
  • the patent discloses a variety of possible alloys that can contain a wide variety of elements in a wide variety of compositions.
  • the quasicrystalline alloys described contain rare metals and, above all, also expensive metals such as ruthenium,
  • connection be ⁇ , the maximum metal of three or four elements, all of which are relatively inexpensive to acquire and is contained in the aluminum as a main component in a range of 70-76 atomic percent.
  • M Ni, 10 ⁇ x ⁇ 15 and 10 ⁇ y ⁇ 20. This compound consists of only three elements and, in addition, has very good heat resistance.
  • the compound can be applied as a coating to a substrate. It can also be included as one of several constituents in a coating.
  • a layer system with the aid of the coating according to the invention.
  • a metallic layer is arranged under the coating of the compound according to the invention.
  • the metallic layer ⁇ contains nickel and aluminum, and this preferably in an atomic ratio of 95: 5.
  • the metallic layer may also be formed as a thin bonding layer, which improves the adhesion of the coating.
  • the layer system consisting of coating and metallic layer is applied several times one above the other, a multilayer system is obtained which has particularly good corrosion resistance and low thermal conductivity.
  • Be exposed to the compound of the invention can also serve as thermal insulation layer for a component 333, 357 (Fig. 1), the high tempera tures ⁇ used.
  • Parts of turbines in particular a steam turbine 300, 303 like turbine blades 357 (FIG. 1).
  • a steam turbine 300, ent an axis of rotation 306 extending turbine shaft 309 shown 303 with a ⁇ is long.
  • the steam turbine has a high-pressure turbine 300 and an intermediate pressure turbine 303, each with a réellege ⁇ housing 312 and an outer casing 315 enclosing.
  • the high-pressure turbine part 300 is designed, for example, in Topfbauart.
  • the medium-pressure turbine part 303 is designed, for example, double-flow. It is also mög ⁇ Lich that the medium-pressure turbine 303 performs single flow out ⁇ is.
  • a bearing 318 is arranged between the high-pressure turbine section 300 and the medium-pressure turbine section 303, the turbine shaft 309 having a bearing region 321 in the bearing 318.
  • the turbine shaft 309 is supported on another bearing 324 adjacent to the high pressure turbine sub 300.
  • the high-pressure turbine part 300 has a shaft seal 345.
  • the Turbi ⁇ nenwelle 309 is sealed relative to the outer housing 315 of the central ⁇ pressure turbine section 303 by two further shaft seals 345.
  • the high-pressure rotor blading 357 which preferably Inventive ⁇ proper connection as a coating.
  • This high-pressure bladed runner 357 together with the associated blades, not shown, represents a first blading region 360.
  • the intermediate-pressure turbine 303 has a central steam ⁇ inflow region 333 which preferably has a fiction, modern ⁇ compound as a coating.
  • the turbine shaft 309 has a radially symmetrical shaft shield 363, a cover plate, on the one hand for dividing the steam flow into the two flows of the medium-pressure turbine section 303 and for preventing a direct contact of the hot steam with the turbine shaft 309 on.
  • the turbine shaft 309 has in the medium-pressure part ⁇ turbine 303 a second blading region 366 with the medium-pressure blades 354 on.
  • the hot steam flowing through the second blading region 366 flows from the medium-pressure turbine section 303 out of a bleed pipe 369 to a low-pressure turbine part, not shown, downstream of the fluid.
  • the turbine shaft 309 is, for example, of two Operaturbi ⁇ nenwellen 309a and 309b assembled, which are fixedly connected together in the region of the bearing 318th
  • Each Operaturbi ⁇ nenwelle 309a, 309b has a central bore 372 as long ⁇ ent of the rotation axis 306 formed cooling pipe 372nd
  • the cooling line 372 is connected to the steam outlet region 351 through a radial bore having Zuströmlei 375a ⁇ tung 375 connected.
  • the coolant line 372 is connected to a cavity not shown below the shaft shield.
  • About can supply power lines 375 are constructed as a radial bore 375, thus "cold" steam from the high pressure turbine section 300 into the central bore 372a flow in.
  • a radially directed bore 375 formed from ⁇ ström threaten 372
  • the steam passes through the Storage area 321 into the medium-pressure turbine section 303 and there to the mantle surface 330 of the turbine shaft 309 in Dampfeinström- area 333.
  • the flowing through the cooling line steam has a much lower temperature than the steam flowing into the Dampfeinström Suite 333 inter-superheated steam, so that an effective cooling the first blade rows 342 of the medium-pressure turbine section 303 and the mantle surface 330 in the region of these blade rows 342 is ensured.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbindung der nominalen atomaren Zusammensetzung: AlwCoxMy wobei M wenigstens eines der Elemente ausgewählt aus der Gruppe Ni, Cr ist und wenigstens 30 Massenprozent der Verbindung als quasikristalline Struktur oder als Approximat vorliegen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass 70 ≤ w ≤ 76 und w + x + y = 100 ist.

Description

Quasikristalline Verbindung und deren Verwendung als
Wärmedämmschicht
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbindung der nomi¬ nalen atomaren Zusammensetzung AlwCoxMy, wobei M wenigstens eines der Elemente ausgewählt aus der Gruppe Ni, Cr ist und wenigstens 30 Massenprozent der Verbindung als quasikristal¬ line Struktur oder als Approximat vorliegen, eine Beschich- tung die aus der Verbindung besteht oder sie enthält, ein Schichtsystem das die Beschichtung und eine metallische Schicht aufweist und die Verwendung der Verbindung als Wärme¬ dämmschicht für ein Bauteil, das hohen Temperaturen ausge¬ setzt ist.
Wenn Bauteile bei hohen Temperaturen und unter korrosiven Bedingungen verwendet werden, ist es in vielen Fällen nötig, sie mit Schutzschichten zu versehen. So kann durch den Einsatz von Wärmedämmschichten nicht nur die Lebensdauer der Bauteile erhöht werden, sondern teilweise auch die Betriebs¬ temperatur angehoben werden, was zu einer Effizienzsteuerung führt. Dies trifft besonders auf Bauteile zu, die in Gas¬ oder Dampfturbinen verwendet werden.
Normalerweise werden für derartige Wärmedämmschichten Zirkon- oxide verwendet, die beispielsweise durch Yttriumoxide stabi¬ lisiert sind. Derartige keramische Wärmedämmschichten können unter Verwendung von Verfahren wie dem Plasmaspritzen auf ein metallisches Substrat aufgebracht werden. Da die keramischen Schichten jedoch nicht ausreichend gut auf dem metallischen Substrat haften, ist es nötig, zuerst einen Haftgrund MCrAlY auf das Bauteil aufzubringen, wobei M wenigstens eines der Elemente aus der Gruppe Eisen, Kobalt, Nickel und Y ein Aktivelement ist und für Yttrium und/oder Silizium und/oder ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium steht.
Es ist aufwendig, zwei Schichten auf das zu schützende Bau¬ teil aufzubringen, und deshalb sind Anstrengungen unternommen worden, alternative Materialien zu den keramischen Verbindungen zu finden. Dabei haben sich quasikristalline Materialien als geeignet erwiesen, da sie eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidation und Korrosion, eine geringe thermische Ausdehnung, eine gute Verarbeitbarkeit zu Beschichtungen und vor allem eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Quasikristalle im engeren Sinne des Wortes sind Phasen, die eine 5, 10 oder 12-zählige Rotationssymmetrie aufweisen, wel- che mit der Symmetrie des Translationsgitters von klassischen Kristallphasen nicht vereinbar sind. Als Approximate von Qua¬ sikristallen bezeichnet man translationsperiodische interme¬ tallische Verbindungen, welche Difraktionsmuster mit 5, 8, 10 oder 12-facher Absordesymmetrie aufweisen.
Quasikristalline Legierungen sind etwa in der US 5,432,011 beschrieben. Die hier genannten Legierungen werden u. a. für Beschichtungen verwendet, wobei diese wiederum als Wärmedämmschichten eingesetzt werden. Allerdings wird in dem Patent eine Vielzahl von möglichen Legierungen offenbart, die verschiedenste Elemente in unterschiedlichsten Zusammensetzungen enthalten können.
Auch in der DE 103 58 813 Al werden quasikristalline Legie- rungen und deren Verwendung als Beschichtung genannt. Hier ist der Stand der Technik zu quasikristallinen Legierungen umfassend referiert.
Die beschriebenen quasikristallinen Legierungen enthalten seltene und vor allem auch teure Metalle wie Ruthenium,
Platin oder Palladium. Für die Herstellung der Legierungen ist es weiterhin problematisch, dass teilweise mehr als sechs verschiedene Metalle enthalten sind, was die genaue Einwaage der Komponenten erschwert und insgesamt den Aufwand erhöht. Nicht in allen Fällen liegt außerdem ein ausreichend großer Anteil der Legierung in quasikristalliner Form oder als Approximat vor, und auch die Wärmeleitfähigkeit ist teilweise für eine Verwendung als Wärmedämmschicht noch zu hoch. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbindung bereitzustellen, die aus wenigen günstigen metallischen Bestandteilen besteht und zu mindestens 30 Massenprozent als quasikristalline Struktur oder als Approximat vorliegt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Beschichtung oder ein Schichtsystem unter Verwendung der Verbindung zu entwickeln und die Verbindung als Wärmedämmschicht für ein Bauteil einzusetzen .
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Bereitstellung einer Verbindung der nominalen atomaren Zusammensetzung AlwCoxMy, bei der 70 ≤ w ≤ 76 und w + x + y = 100 ist und M ein oder zwei Metalle darstellt, gelöst.
Grundgedanke der Erfindung ist es also, eine Verbindung be¬ reitzustellen, die maximal aus drei oder vier metallischen Elementen besteht, welche alle relativ kostengünstig zu erwerben sind und in der Aluminium als Hauptbestandteil in einem Bereich zwischen 70 und 76 Atomprozent enthalten ist.
Drei metallische Elemente
In einer Ausbildung der Erfindung ist M = Ni, 10 < x ≤ 15 und 10 < y ≤ 20. Diese Verbindung besteht nur aus drei Elementen und weist zusätzlich eine sehr gute Wärmebeständigkeit auf.
Versuche haben außerdem gezeigt, dass eine Verbindung mit be¬ sonders niedriger Wärmeleitfähigkeit erhalten wird, wenn M = Cr und 70 ≤ w ≤ 75, 10 ≤ x ≤ 15 und 10 ≤ y ≤ 20 ist.
Vier metallische Elemente
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht eine Verbindung neben Aluminium und Kobalt noch sowohl aus Chrom als auch aus Nickel (M = Ni, Cr), wobei 70 ≤ w < 75 ist. Beschichtung und Schichtsysteme
Die Verbindung kann als Beschichtung auf ein Substrat aufgetragen werden. Sie kann auch als einer von mehreren Bestand- teilen in einer Beschichtung enthalten sein.
Außerdem ist es möglich, mit Hilfe der erfindungsgemäßen Beschichtung ein Schichtsystem auszubilden. Vorzugsweise ist unter der Beschichtung aus der erfindungsgemäßen Verbindung eine metallische Schicht angeordnet.
Hier hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die metalli¬ sche Schicht Nickel und Aluminium enthält und dies bevorzugt in einem atomaren Verhältnis von 95 : 5.
Die metallische Schicht kann auch als dünne Anbindungsschicht ausgebildet sein, was die Haftung der Beschichtung verbessert .
Wenn das Schichtsystem aus Beschichtung und metallischer Schicht mehrmals übereinander angebracht wird, erhält man ein Vielfachschichtsystem, das besonders gute Korrosionsbeständigkeit und geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Die erfindungsgemäße Verbindung kann auch als Wärmedämm- schicht für ein Bauteil 333, 357 (Fig. 1), das hohen Tempera¬ turen ausgesetzt ist, verwendet werden.
In gleicher Weise kann auch eine Verbindung eingesetzt wer- den, die Aluminium und Mangan enthält, und die zu wenigstens
30 Massenprozent als quasikristalline Struktur oder als
Approximat vorliegt.
Die erfindungsgemäße Verwendung eignet sich insbesondere für
Teile von Turbinen, insbesondere einer Dampfturbine 300 ,303 wie Turbinenschaufeln 357 (Fig. 1). In Figur 1 ist eine Dampfturbine 300, 303 mit einer sich ent¬ lang einer Rotationsachse 306 erstreckenden Turbinenwelle 309 dargestellt .
Die Dampfturbine weist eine Hochdruck-Teilturbine 300 und eine Mitteldruck-Teilturbine 303 mit jeweils einem Innenge¬ häuse 312 und einem dieses umschließende Außengehäuse 315 auf. Die Hochdruck-Teilturbine 300 ist beispielsweise in Topfbauart ausgeführt. Die Mitteldruck-Teilturbine 303 ist beispielsweise zweiflutig ausgeführt. Es ist ebenfalls mög¬ lich, dass die Mitteldruck-Teilturbine 303 einflutig ausge¬ führt ist.
Entlang der Rotationsachse 306 ist zwischen der Hochdruck- Teilturbine 300 und der Mitteldruck-Teilturbine 303 ein Lager 318 angeordnet, wobei die Turbinenwelle 309 in dem Lager 318 einen Lagerbereich 321 aufweist. Die Turbinenwelle 309 ist auf einem weiteren Lager 324 neben der Hochdruck-Teilturbine 300 aufgelagert. Im Bereich dieses Lagers 324 weist die Hoch- druck-Teilturbine 300 eine Wellendichtung 345 auf. Die Turbi¬ nenwelle 309 ist gegenüber dem Außengehäuse 315 der Mittel¬ druck-Teilturbine 303 durch zwei weitere Wellendichtungen 345 abgedichtet. Zwischen einem Hochdruck-Dampfeinströmbereich 348 und einem Dampfaustrittsbereich 351 weist die Turbinen- welle 309 in der Hochdruck-Teilturbine 300 die Hochdruck- Laufbeschaufelung 357 auf, die vorzugsweise die erfindungs¬ gemäße Verbindung als Beschichtung aufweist. Diese Hochdruck- Laufbeschaufelung 357 stellt mit den zugehörigen, nicht näher dargestellten Laufschaufeln einen ersten Beschaufelungsbe- reich 360 dar.
Die Mitteldruck-Teilturbine 303 weist einen zentralen Dampf¬ einströmbereich 333 auf, der vorzugsweise eine erfindungs¬ gemäße Verbindung als Beschichtung aufweist. Dem Dampfein- Strömbereich 333 zugeordnet weist die Turbinenwelle 309 eine radialsymmetrische Wellenabschirmung 363, eine Abdeckplatte, einerseits zur Teilung des Dampfstromes in die beiden Fluten der Mitteldruck-Teilturbine 303 sowie zur Verhinderung eines direkten Kontaktes des heißen Dampfes mit der Turbinenwelle 309 auf. Die Turbinenwelle 309 weist in der Mitteldruck-Teil¬ turbine 303 einen zweiten Beschaufelungsbereich 366 mit den Mitteldruck-Laufschaufeln 354 auf. Der durch den zweiten Be- schaufelungsbereich 366 strömende heiße Dampf strömt aus der Mitteldruck-Teilturbine 303 aus einem Abströmstutzen 369 zu einer strömungstechnisch nachgeschalteten, nicht dargestellten Niederdruck-Teilturbine.
Die Turbinenwelle 309 ist beispielsweise aus zwei Teilturbi¬ nenwellen 309a und 309b zusammengesetzt, die im Bereich des Lagers 318 fest miteinander verbunden sind. Jede Teilturbi¬ nenwelle 309a, 309b weist eine als zentrale Bohrung 372a ent¬ lang der Rotationsachse 306 ausgebildete Kühlleitung 372 auf. Die Kühlleitung 372 ist mit dem Dampfaustrittsbereich 351 über eine eine radiale Bohrung 375a aufweisende Zuströmlei¬ tung 375 verbunden. In der Mitteldruck-Teilturbine 303 ist die Kühlmittelleitung 372 mit einem nicht näher dargestellten Hohlraum unterhalb der Wellenabschirmung verbunden. Die Zu- Stromleitungen 375 sind als radiale Bohrung 375a ausgeführt, wodurch „kalter" Dampf aus der Hochdruck-Teilturbine 300 in die zentrale Bohrung 372a einströmen kann. Über die insbesondere auch als radial gerichtete Bohrung 375a ausgebildete Ab¬ strömleitung 372 gelangt der Dampf durch den Lagerbereich 321 hindurch in die Mitteldruck-Teilturbine 303 und dort an die Manteloberfläche 330 der Turbinenwelle 309 im Dampfeinström- bereich 333. Der durch die Kühlleitung strömende Dampf hat eine deutlich niedrigere Temperatur als der in den Dampfeinströmbereich 333 einströmende zwischenüberhitzte Dampf, so dass eine wirksame Kühlung der ersten Laufschaufelreihen 342 der Mitteldruck-Teilturbine 303 sowie der Manteloberfläche 330 im Bereich dieser Laufschaufelreihen 342 gewährleistet ist .

Claims

Patentansprüche
1. Verbindung der nominalen atomaren Zusammensetzung:
AlwCoxMy
wobei M wenigstens eines der Elemente ausgewählt aus der Gruppe Ni, Cr ist und wenigstens 30 Massenprozent der Ver- bindung als quasikristalline Struktur oder als Approximat vorliegen,
dadurch gekennzeichnet, dass
70 ≤ w ≤ 76 und w + x + y = 100 ist.
2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
M = Ni und 10 < x ≤ 15 und 10 < y ≤ 20 ist, insbesondere 11 ≤ x ≤ 14 und 12 ≤ y≤ 18.
3. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
M = Cr und 70 ≤ w ≤ 75, 10 ≤ x ≤ 15 und 10 ≤ y ≤ 20 ist, insbesondere 71 ≤ w 74, 11 ≤ x ≤ 14 und 12 ≤ y ≤ 18.
4. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
M = Cr und Ni und 70 ≤ w < 75 ist, insbesondere 71 ≤ w ≤ 74.
5. Beschichtung, die aus einer Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 besteht oder sie enthält.
6. Schichtsystem mit einer Beschichtung nach Anspruch 5.
7. Schichtsystem nach Anspruch 6, mit einer weiteren metallischen Schicht.
8. Schichtsystem nach Anspruch 7, bei dem die metallische Schicht unter der Beschichtung nach Anspruch 5 angeordnet ist.
9. Schichtsystem nach Anspruch 7, bei der die metallische Schicht über der Beschichtung nach Anspruch 5 angeordnet ist.
10. Schichtsystem nach Anspruch 7, 8 oder 9, bei dem die metallische Schicht Ni und Al enthält, bevorzugt in einem atomaren Verhältnis von Ni = 95 und Al 5.
11. Schichtsystem nach Anspruch 7, 8 oder 9, bei dem die metallische Schicht als dünne Anbindungsschicht ausgebildet ist.
12. Vielfachschichtsystem, das aus zwei oder mehr aufeinander angebrachten Schichtsystemen nach einem der Ansprüche 6 bis 11 besteht.
13. Verwendung einer Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als Wärmedämmschicht für ein Bauteil (333, 357), das hohen Temperaturen ausgesetzt ist.
14. Verwendung einer Verbindung, die Al und Mn enthält und von der wenigstens 30 Massen¬ prozent als quasikristalline Struktur oder als Approximat vorliegen als Wärmedämmschicht für ein Bauteil (333, 357), das hohen Temperaturen ausgesetzt ist.
15. Verwendung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil eine Turbinenschaufel (357) insbesondere einer Dampfturbine (300 ,303) ist.
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