EP1999298A2 - Matrix und schichtsystem mit unstöchiometrischen teilchen - Google Patents

Matrix und schichtsystem mit unstöchiometrischen teilchen

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Publication number
EP1999298A2
EP1999298A2 EP07726565A EP07726565A EP1999298A2 EP 1999298 A2 EP1999298 A2 EP 1999298A2 EP 07726565 A EP07726565 A EP 07726565A EP 07726565 A EP07726565 A EP 07726565A EP 1999298 A2 EP1999298 A2 EP 1999298A2
Authority
EP
European Patent Office
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layer
matrix
particle
matrix according
layer system
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07726565A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Steinbach
Werner Stamm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP07726565A priority Critical patent/EP1999298A2/de
Publication of EP1999298A2 publication Critical patent/EP1999298A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/115—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by spraying molten metal, i.e. spray sintering, spray casting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • Y10T428/31652—Of asbestos
    • Y10T428/31663—As siloxane, silicone or silane

Definitions

  • the invention relates to a matrix according to claim 1 and a layer system according to claim 22.
  • Components for high temperature applications such as turbine blades and combustor walls of gas turbines, have protective coatings against oxidation and corrosion.
  • Such layers consist for example of an alloy of the
  • Type MCrAlX with a protective aluminum oxide layer forming on this MCrAlX layer.
  • the aluminum of the MCrAlX alloy diffuses to the surface of the MCrAlX layer so that the MCrAlX alloy on the element depletes aluminum.
  • compressor blades which are provided with protective layers against corrosion and erosion.
  • These have in the production of an inorganic binder with a metal, wherein the metal serves as a sacrificial galvanic element and is therefore electrically conductively connected to the substrate of the component.
  • a suitable composition of such a protective layer is known from EP 0 142 418 B1. Again, the problem is that the metal is consumed over time, so that the protective function is no longer met.
  • Sheathed powder particles consisting of Al are known from US Pat. No. 6,635,362.
  • EP 0 933 448 B1 discloses oxide particles in a layer consisting of an aluminide.
  • WO 2002/066706 A2 shows a matrix with coated particles consisting of stoichiometric alloys.
  • the object is achieved by a matrix according to claim 1 and a layer system according to claim 22.
  • FIG. 4 shows a gas turbine
  • FIG. 5 shows a perspective view of a turbine blade
  • FIG. 6 shows a perspective view of a combustion chamber.
  • a compound consists of at least two or more chemical elements and has a certain stoichiometry.
  • An alloy metallic compound consists of at least two metallic elements.
  • the particle 1 (FIGS. 1, 2, 3) consists of a compound which has at least one metal Me of a matrix of a layer 16 (FIG. 1, 2) or a substrate 13 (FIG. 3) in an unstoichiometric ratio ,
  • the at least one further chemical element Z, which forms the compound with the metal Me may be a constituent of the matrix material or represent a chemical element that is not contained in the matrix material.
  • the compound, that is to say the material of the particle 1, is in particular a compound of the metal Me with a non-metal, ie represents a ceramic (non-oxide or oxide ceramic, an oxynitride, nitride, boride or carbide) and is preferred. example, an oxide, preferably alumina and / or chromium oxide.
  • the particle 1 also preferably comprises a nitride.
  • the particle 1 consists of a metal oxide and / or metal nitride.
  • the particle 1 can also have several types of compounds: oxides, oxynitrides, nitrides, borides or carbides.
  • Me a Z b _ y (y> 0)
  • the compound for the particle 1 may consist of an alloy which is an unstoichiometric composition of the alloy.
  • NiAl instead of NiAl, an alloy Nii y Al (y> 0) or NiAli + x (x> 0) is used.
  • the particle 1 has only one metal element Me.
  • the particle 1 has two metal elements Me.
  • the metal element Me in the compound, in the alloy or in the silicon chains is in particular aluminum (Al).
  • the metal element may be chromium (Cr).
  • a chromium-aluminum alloy (Al-Cr) can be used to prepare a compound for the particle 1.
  • the R-Me-CR material is made of a polysiloxane resin.
  • the material is thermally crosslinked, with inorganic constituents (Si-O-Si chains) and organic side chains consisting predominantly of R side by side.
  • the precursors are ceramized by a temperature treatment in Ar, N 2 , air or vacuum atmosphere at temperatures between 600 ° C and 1200 ° C.
  • precursors of the type polysilane (Si-Si), polycarbosilane (Si-C), polysilazane (Si-N) or polybarosilazane (Si-BCN) with metal elements Me may also be used.
  • the metal element Me does not have to be present in an unstoichiometric ratio. It suffices the ability of the compound that the metal element Me can easily be released from the connection.
  • the particle 1 may be a sintered powder particle or a powder grain.
  • the diameter of the particle 1 can be in the micro, submicrometer ( ⁇ 1 ⁇ m) or nanoscale range ( ⁇ 500 nm). As a diameter, the largest transverse length of a polyhedron can be understood.
  • the particles 1 preferably do not have a sheath of another material.
  • FIG. 1 shows a matrix according to the invention of a layer 16.
  • the layer 16 is a part of a component 10 or layer system 10 which consists of a substrate 13 on which the layer 16 is arranged.
  • the substrate 13 is a high temperature component, such as steam or gas turbines 100 (FIG. 5), consisting of a nickel, cobalt, or iron based superalloy.
  • Such coating systems 10 are used with turbine blades 120, 130 (FIGS. 4, 5), heat shield elements 155 (FIG. 6) or housing parts 138 (FIG. 4).
  • the layer 16 has a matrix of a matrix material in which the particles 1 are distributed homogeneously or locally differently (for example with a gradient.)
  • the particle 1 represents a secondary phase in the matrix (layer, substrate)
  • the concentration of the particles 1 starting from the surface 31 of the substrate 13 increases in the direction of a surface 34 of the layer 16.
  • a plurality of layers 16, 19 can also be produced and wherein the particles 1 are present in one or more layers.
  • the matrix of the layer 16 is preferably metal-based.
  • the layer 16 is an alloy of the type MCrAlX and the particles 1 are made of an aluminum compound.
  • the particles 1 may be distributed throughout the layer 16 or locally concentrated near the outer surface 22 of the layer 16 ( Figure 2).
  • the mode of action of the extended protective effect is described by way of example with reference to an MCrAlX layer.
  • the protective function of the MCrAlX alloy results from the fact that the aluminum forms aluminum oxide, although this depletes the aluminum in the matrix material.
  • the aluminum slowly diffuses out of the particles 1 into the matrix of the layer 16 and replenishes in the matrix material the aluminum consumed by the oxidation, so that the original composition of the MCrAlX alloy hardly changes, if at all, until aluminum is no longer in the particle 1. This ensures that the life of the protective layer 16 is considerably extended.
  • the particles 1 dissolve diffusely in the matrix in two different ways. Either they are penetrated by the atoms of the matrix material, in the nickel-based materials these are the atoms of the gamma phase or the non-metallic ceramic-forming binding partner diffuses into the particle inwards and the metallic element dissolves in the matrix.
  • the metallic element preferably aluminum, dissolves in the gamma phase.
  • a stoichiometric core of the corresponding ceramic composition would remain and act through particle hardening to permanently solidify the ⁇ 'phase.
  • these particles 1 can be used to reinforce a superalloy.
  • the size of the particles 1 preferably corresponds to the optimum size of the ⁇ 'phase of a superalloy.
  • the unmelted particles 1 are then preferably already present in the melt and are poured off with it.
  • the particles 1 then have the following functions: improvement of the mechanical properties and achievement of an emergency running property.
  • the stoichiometry may also be selected such that the superstoichiometric fraction slowly dissolves by diffusion in the crystal structure of the matrix material of the layer 16 and possibly forms precipitates in the matrix material and thus diffusion of the material of the particle 1 directly into the material after a certain time the matrix allows, because up to this time the protective function of the MCrAlX layer is still given.
  • the layer 16 (MCrAlX or MCrAlX + outer ceramic layer) may flake off in a region 37 such that a part of a surface 31 of the substrate 13 is exposed (FIG. 3).
  • the particles 1 are preferably arranged in a high concentration (FIG. 2). The further use of the layer system 10 at high temperatures T for a longer time t corrodes the surface
  • the particle 1 aluminum, so that a protective layer 40 of alumina formed by Oxidation of the aluminum of the particle 1 is formed.
  • the particles 1 can be present either only in the layer 16 (MCrAlX) or only in the substrate 13. It is also possible that the particles are arranged both in a layer 16 and in the substrate 13.
  • the layer 16 may constitute a protective layer against corrosion and / or erosion of a compressor blade, wherein the particles 1 in a layer 16, preferably having the chemical composition according to the patent EP 0 142 418 B1, lead to suffice for a significantly longer period of time Sacrificial material is provided to give the desired protective function.
  • an aluminum-containing compound is used for the particle.
  • coatings 16 are particularly suitable which comprise an example phosphate-bonded base matrix with dispersed metal particles such as aluminum particles.
  • the protective effect of such a coating is that the metal particles embedded in the base coating together with the (nobler) metal of the compressor blade and the electrolyte form a galvanic cell in which the metal particles form so-called sacrificial anodes. The oxidation or corrosion then takes place in the sacrificial anodes, ie in the metal particles and not in the metal of the compressor blade.
  • the phosphate-bound basic matrix of the coating has glass-ceramic properties, is thermally stable, also corrosion-resistant and protects against mechanical effects, such as abrasion and erosion.
  • the coating may contain other particles as fillers.
  • dye particles may be mentioned at this point.
  • EP 0 905 279 A1 and EP 0 995 816 A1 describe coatings based on chromate / phosphate.
  • EP 1 096 040 A2 describes a phosphate / borate-based coating 16 and
  • EP 0 933 446 B1 describes a phosphate / permanganate-based coating.
  • These layers can also have a matrix according to the invention.
  • the particles 1 can be applied together with almost any coating method, ie by means of thermal plasma spraying (APS, VPS, LPPS), cold gas spraying, HVOF or an electrolytic coating method.
  • FIG. 2 shows a further example of application of the layer 16 according to the invention.
  • the layer system 10 consists of a substrate 13, a layer 16 according to the invention with a further layer 19 on the matrix of the layer 16.
  • the layer 19 then constitutes a ceramic thermal barrier coating, with the protective aluminum oxide layer (TGO) forming between the layer 16 and the layer 19.
  • TGO protective aluminum oxide layer
  • the particles 1 according to the invention are concentrated near the interface between the layers 16 and 19.
  • FIG. 4 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103 with a shaft 101, which is also referred to as a turbine runner.
  • 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.
  • 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. In the flow direction of a working medium As can be seen in the hot gas duct 111 of a guide blade row 115, a row 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.
  • air 105 is sucked in and compressed by the compressor 105 through the intake housing 104.
  • the compressed air provided at the turbine-side end of the compressor 105 is fed 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.
  • 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 highest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110.
  • substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • the components in particular for the turbine blade 120, 130 and components of the combustion chamber 110 are For example, iron-, nickel- or cobalt-based superalloys used.
  • 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 guide blade 130 has a guide blade root facing the inner housing 138 of the turbine 108 (not shown here) and a guide blade foot opposite
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
  • FIG. 5 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, a fastening area 400, an adjacent blade platform 403 and an airfoil 406 and a blade tip 415.
  • the blade 130 may have another platform at its blade tip 415 (not shown).
  • 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 designed, for example, as a hammer head. Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has a flow-on edge 409 and a downstream edge 412 for a medium that flows past the blade 406.
  • blades 120, 130 for example, solid metallic materials, in particular superalloys, are used in all regions 400, 403, 406 of the blade 120, 130.
  • 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 produced by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
  • Single-crystalline structures or structures are used as components for machines that are subject 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 solidifies to a monocrystalline structure, ie to a single-crystalline workpiece, or directionally.
  • dendritic crystals are aligned along the warm flow and form either a prismatic crystalline grain structure (columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, ie the whole
  • the work consists of a single crystal.
  • directionally solidified structures generally refers to single crystals that have no grain boundaries or at most small angle grain boundaries, as well as stem crystal structures that have grain boundaries running in the longitudinal direction but no transverse grain boundaries. These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures.
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. B. (MCrAlX; 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 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which should be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy.
  • 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).
  • thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of ZrÜ2, Y2Ü3 Zr ⁇ 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.
  • EB-PVD electron beam evaporation
  • the heat- insulating layer may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • the thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and may still film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.
  • FIG. 6 shows a combustion chamber 110 of the gas turbine 100.
  • the combustion chamber 110 is configured, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a multiplicity of windings are arranged around an axis of rotation 102 in the circumferential direction
  • Burners 107 open into a common combustion chamber space 154, the flames 156 produce.
  • 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 working medium M with an inner lining formed of heat shield elements 155.
  • the 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 cooling holes (not shown) which open into the combustion chamber space 154.
  • Each heat shield element 155 made of an alloy is on the working medium side with a particularly heat-resistant protective Layer (MCrAlX layer and / or ceramic coating) equipped or is made of high temperature resistant material (solid ceramic stones).
  • MrAlX layer and / or ceramic coating particularly heat-resistant protective Layer equipped or is made of high temperature resistant material (solid ceramic stones).
  • 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).
  • 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 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which should be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy.
  • ceramic heat can medämm harsh be present and consists for example of ZrC> 2, Y2 ⁇ 3-ZrC> 2, DH is not partially full text or ⁇ dig stabilized by yttrium oxide and / or calcium and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • Refurbishment means that turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 may need to be deprotected (e.g., by sandblasting) after use. 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. Thereafter, a re-coating of the turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 and a renewed use of
  • Turbine blades 120, 130 or the heat shield elements 155 are Turbine blades 120, 130 or the heat shield elements 155.

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Abstract

Schutzschichten nach dem Stand der Technik erreichen ihre Schutzfunktion dadurch, dass sie an einem bestimmten Element verarmen, das eine schützende Oxidschicht bildet oder als Opfermaterial verbraucht wird. Wenn dieses Material verbraucht ist, kann die Schutzfunktion nicht mehr aufrechterhalten werden. Erfindungsgemäß werden Teilchen (1) verwendet, die ein Depot an dem sich verbrauchenden Material enthalten, das verzögert abgegeben wird. Dies wird dadurch erreicht, dass dieses Material überstöchiometrisch vorhanden ist.

Description

Matrix und Schichtsystem mit unstöchiometrischen Teilchen
Die Erfindung betrifft eine Matrix gemäß Anspruch 1 und ein Schichtsystem gemäß Anspruch 22.
Bauteile für Hochtemperaturanwendungen, beispielsweise Turbinenschaufeln und Brennkammerwände von Gasturbinen, weisen Schutzschichten gegen Oxidation und Korrosion auf. Solche Schichten bestehen beispielsweise aus einer Legierung des
Typs MCrAlX, wobei sich auf dieser MCrAlX-Schicht eine schützende Aluminiumoxid-Schicht bildet. Dabei diffundiert das Aluminium der MCrAlX-Legierung an die Oberfläche der MCrAlX- Schicht, sodass die MCrAlX-Legierung an dem Element Aluminium verarmt.
Ein vorbeugend überhöhter Anteil an Aluminium in der MCrAlX- Legierung von Anfang an, um der Verarmung entgegenzuwirken, führt aber zu schlechteren mechanischen Eigenschaften der MCrAlX-Schicht.
Außerdem sind Kompressorschaufeln bekannt, die mit Schutzschichten gegen Korrosion und Erosion versehen sind. Diese weisen bei der Herstellung einen anorganischen Binder mit einem Metall auf, wobei das Metall als galvanisches Opferelement dient und daher elektrisch leitend mit dem Substrat des Bauteils verbunden ist. Eine geeignete Zusammensetzung einer solchen Schutzschicht ist aus der EP 0 142 418 Bl bekannt . Auch hier besteht das Problem darin, dass sich das Metall mit der Zeit verbraucht, sodass die Schutzfunktion nicht mehr erfüllt wird.
Ummantelte Pulverteilchen, die aus Al bestehen, sind aus der US 6, 635,362 bekannt.
Die EP 0 933 448 Bl offenbart Oxidteilchen in einer Schicht bestehend aus einem Aluminid. Die WO 2002/066706 A2 zeigt eine Matrix mit ummantelten Teilchen, die aus stöchiometrischen Legierungen bestehen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Matrix und ein Schichtsystem aufzuzeigen, die eine längere Schutzwirkung aufweisen .
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Matrix gemäß Anspruch 1 und ein Schichtsystem gemäß Anspruch 22.
In den jeweiligen Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander in vorteilhafter Art und Weise miteinander kombiniert werden können.
Es zeigen
Figur 1, 2, 3 erfindungsgemäße Schichten bzw. ein Substrat,
Figur 4 eine Gasturbine,
Figur 5 perspektivisch eine Turbinenschaufel, Figur 6 perspektivisch eine Brennkammer.
Eine Verbindung besteht aus zumindest zwei oder aus mehreren chemischen Elementen und weist eine bestimmte Stöchiometrie auf. Eine Legierung (metallische Verbindung) besteht aus zumindest zwei metallischen Elementen.
Das Teilchen 1 (Fig. 1, 2, 3) besteht aus einer Verbindung, die zumindest ein Metall Me einer Matrix einer Schicht 16 (Fig. 1, 2) oder eines Substrats 13 (Fig. 3) in einem unstö- chiometrischen Verhältnis aufweist. Das zumindest eine weitere chemische Element Z, das mit dem Metall Me die Verbindung bildet, kann ein Bestandteil des Matrixmaterials sein oder ein chemisches Element darstellen, das in dem Matrixmaterial nicht enthalten ist. Die Verbindung, also das Material des Teilchens 1, ist insbesondere eine Verbindung des Metalls Me mit einem Nichtmetall, stellt also eine Keramik (Nichtoxid- oder Oxidkeramik, ein Oxynitrid, Nitrid, Borid oder Karbid) dar und ist Vorzugs- weise ein Oxid, vorzugsweise Aluminiumoxid und/oder Chromoxid. Das Teilchen 1 weist auch vorzugsweise ein Nitrid auf. Vorzugsweise besteht das Teilchen 1 aus einem Metalloxid und/oder Metallnitrid.
Das Teilchen 1 kann auch mehrere Arten von Verbindungen aufweisen: Oxide, Oxynitride, Nitride, Boride oder Karbide.
Vorzugsweise wird eine überstöchiometrische Verbindung MeaZb_y (y>0), Mea+χZb (x>0) oder Mea+χZb_y (x>0, y>0) genutzt anstatt MeaZb, also beispielsweise (Z = Stickstoff N) AlNi_y (y>0), Ali+X N (x>o) oder Ali+xNi_y (x>0,Y>0) anstatt AlN.
Ebenso kann die Verbindung für das Teilchen 1 aus einer Legierung bestehen, die eine unstöchiometrische Zusammensetzung der Legierung darstellt.
So wird beispielsweise anstatt von NiAl eine Legierung Nii-yAl (y>0) oder NiAli+x (x>0) verwendet.
Auch unterstöchiometrische Verbindungen können von Vorteil sein .
Vorzugsweise weist das Teilchen 1 nur ein Metallelement Me auf . Vorzugsweise weist das Teilchen 1 zwei Metallelemente Me auf. Das Metallelement Me in der Verbindung, in der Legierung oder in den Siliziumketten ist insbesondere Aluminium (Al) . Ebenso kann das Metallelement Chrom (Cr) sein. Weiterhin kann eine Chrom-Aluminium-Legierung (Al-Cr) verwen- det werden, um eine Verbindung für das Teilchen 1 herzustellen .
Ebenso kann ein organisches Material R-Me-C-R wie beispielsweise ein Si-Me-O-C Material (Siliziumketten) für das Teil- chen 1 verwendet werden (Me = Al) C = Kohlenstoff, R = Kohlenstoffkette .
Das R-Me-C-R Material ist insbesondere aus einem Polysiloxan- Harz hergestellt. Polysiloxan-Harze sind polymer-keramische Vorstufen der Strukturformel R-SiOi, 5 mit zumindest einem Metallelement, wobei R = -CH3, -CH, -CH2, -C6H3 etc. sein kann. Das Material wird thermisch vernetzt, wobei anorganische Bestandteile (Si-O-Si-Ketten) und organische Seitenket- ten überwiegend aus R nebeneinander vorliegen. Anschließend werden die Vorstufen über eine Temperaturbehandlung in Ar, N2, Luft- oder Vakuum-Atmosphäre bei Temperaturen zwischen 600°C und 1200°C keramisiert. Dabei wird das polymere Netzwerk zersetzt und über thermische Zwischenstufen von amorphen bis kristalline Phasen neu strukturiert, wobei ausgehend von Polysiloxan-Vorstufen ein Si-Al (=Me) -O-C-Netzwerk entsteht. Ebenso können auch von Vorstufen des Typs Polysilan (Si-Si), Polycarbosilan (Si-C) , Polysilazan (Si-N) oder Polybarosila- zan (Si-B-C-N) mit Metallelementen Me verwendet werden. Hier muss das Metallelement Me nicht im unstöchiometrischen Verhältnis vorhanden sein. Es genügt die Fähigkeit der Verbindung, dass das Metallelement Me sich leicht aus der Verbindung lösen kann.
Das Teilchen 1 kann ein gesintertes Pulverteilchen oder ein Pulverkorn sein.
Der Durchmesser des Teilchens 1 kann im Mikro, Submikro (<lμm) - oder Nanobereich (≤ 500nm) liegen. Als Durchmesser kann auch die größte Querlänge eines Polyeders verstanden werden.
Die Teilchen 1 weisen vorzugsweise keine Ummantelung aus einem anderen Material auf.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Matrix einer Schicht 16. Die Schicht 16 ist ein Teil eines Bauteils 10 oder Schichtsystems 10, das aus einem Substrat 13 besteht, auf dem die Schicht 16 angeordnet ist. Das Substrat 13 ist beispielsweise ein Bauteil für hohe Temperaturen, wie zum Beispiel bei Dampf- oder Gasturbinen 100 (Fig. 5), bestehend aus einer nickel-, kobalt- oder eisenbasierten Superlegierung. Anwendung finden solche Schichtsysteme 10 bei Turbinenschaufeln 120, 130 (Fig. 4, 5), Hitzeschildelementen 155 (Fig. 6) oder Gehäuseteilen 138 (Fig. 4).
Die Schicht 16 weist eine Matrix aus einem Matrixmaterial auf, in der die Teilchen 1 homogen oder lokal unterschiedlich (beispielsweise mit einem Gradienten verteilt sind. Das Teilchen 1 stellt also eine Sekundärphase in der Matrix (Schicht, Substrat) dar. Dabei kann ein örtlicher Konzentrationsgradient der Teilchen 1 innerhalb der Schicht 16 oder auch des Substrats 13 vorhanden sein. So nimmt beispielsweise die Konzentration der Teilchen 1 ausgehend von der Oberfläche 31 des Substrats 13 in Richtung einer Oberfläche 34 der Schicht 16 zu. Dabei können auch mehrere Schichten 16, 19 hergestellt und verwendet werden, wobei die Teilchen 1 in einer oder mehreren Schichten vorhanden sind.
Die Matrix der Schicht 16 ist vorzugsweise metallbasiert. Beispielsweise ist die Schicht 16 eine Legierung des Typs MCrAlX und die Teilchen 1 bestehen aus einer Aluminiumverbindung. Die Teilchen 1 können in der ganzen Schicht 16 verteilt oder lokal konzentriert nahe der äußeren Oberfläche 22 der Schicht 16 (Fig. 2) angeordnet sein.
Die Wirkungsweise der verlängerten Schutzwirkung wird exemplarisch anhand einer MCrAlX-Schicht beschrieben. Wie schon weiter oben beschrieben, ergibt sich die Schutzfunktion der MCrAlX-Legierung dadurch, dass das Aluminium Aluminiumoxid bildet, wobei allerdings dadurch das Aluminium in dem Matrixmaterial verarmt.
Bei hohen Temperaturen diffundiert das Aluminium langsam aus den Teilchen 1 in die Matrix der Schicht 16 und füllt so in dem Matrixmaterial das durch die Oxidation verbrauchte Aluminium wieder auf, sodass sich die ursprüngliche Zusammenset- zung der MCrAlX-Legierung kaum oder gar nicht verändert, bis sich kein Aluminium mehr in dem Teilchen 1 befindet. Damit wird erreicht, dass sich die Lebensdauer der Schutzschicht 16 erheblich verlängert. Die Teilchen 1 lösen sich in der Matrix auf zwei verschiedene Arten diffusiv auf. Entweder sie werden von den Atomen des Matrixmaterials durchdrungen, bei den nickelbasierten Werkstoffen sind dies die Atome der Gamma-Phase, oder es diffun- diert der nicht-metallische keramikbildende Bindungspartner in das Teilchen einwärts und das metallische Element löst sich in der Matrix auf.
Bei nickelbasierten Werkstoffen löst sich das metallische Element, vorzugsweise Aluminium, in der Gamma-Phase auf. Im letzteren Fall würde ein stöchiometrischer Kern der entsprechenden keramischen Zusammensetzung verbleiben und durch Teilchenhärtung dauerhaft verfestigend für die γ' -Phase wirken .
Ebenso können diese Teilchen 1 zur Verstärkung einer Superle- gierung verwendet werden. Die Größe der Teilchen 1 entspricht vorzugsweise der optimalen Größe der γ' -Phase einer Superle- gierung . Die nicht aufgeschmolzenen Teilchen 1 sind dann vorzugsweise bereits in der Schmelze vorhanden und werden mit abgegossen. Bezüglich der Anordnungsweise und Wirkungsweise einer Sekundärphase in einer Superlegierung wird auf den Stand der Technik verwiesen. Die Teilchen 1 haben dann folgende Funktionen: Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und Erzielung einer Notlaufeigenschaft .
Die Stöchiometrie kann auch so gewählt sein, dass sich der überstöchiometrische Anteil durch Diffusion in der Kristall- struktur des Matrixmaterials der Schicht 16 langsam auflöst und gegebenenfalls Ausscheidungen in dem Matrixmaterial bildet und so erst nach einer gewissen Zeit eine Diffusion des Materials des Teilchens 1 direkt in die Matrix ermöglicht, da bis zu diesem Zeitpunkt die Schutzfunktion beispielsweise der MCrAlX-Schicht noch gegeben ist.
Unabhängig davon, ob die Teilchen 1 auch in einer Schicht 16 angeordnet sind, die auf dem Substrat 13 vorhanden sind, er- gibt sich bei dem Vorhandensein der Teilchen 1 in dem Substrat 13 eine weitere Schutzfunktion:
Während des Einsatzes des Schichtsystems 10, kann es passieren, dass die Schicht 16 (MCrAlX oder MCrAlX + äußere Kera- mikschicht) in einem Bereich 37 abplatzt, so dass ein Teil einer Oberfläche 31 des Substrats 13 ungeschützt ist (Fig. 3) . Jedoch sind im oberflächennahen Bereich die Teilchen 1 vorzugsweise in hoher Konzentration (Fig. 2) angeordnet. Durch den weiteren Einsatz des Schichtsystems 10 bei hohen Temperaturen T für längere Zeit t korrodiert die Oberfläche
31 des Substrats 13 im Bereich 37, wodurch die der Teilchen 1 freigesetzt wird. Durch eine Reaktion des Materials des Teilchens 1 ergibt sich eine Schutzfunktion in dem Bereich 37 des Substrats 13. Im Falle von Superlegierungen, die für Gasturbinenschaufeln verwendet werden, weist das Teilchen 1 Aluminium auf, so dass sich eine Schutzschicht 40 aus Aluminiumoxid bildet, die durch Oxidation des Aluminiums des Teilchens 1 entstanden ist.
Die Teilchen 1 können entweder nur in der Schicht 16 (MCrAlX) oder nur in dem Substrat 13 vorhanden sein. Ebenso ist es möglich, dass die Teilchen sowohl in einer Schicht 16 als auch im Substrat 13 angeordnet sind.
Ebenso kann die Schicht 16 eine Schutzschicht gegen Korrosion und/oder Erosion einer Kompressorschaufel darstellen, wobei die Teilchen 1 in einer Schicht 16 vorzugsweise mit der chemischen Zusammensetzung gemäß des Patents EP 0 142 418 Bl dazu führen, dass über einen deutlich längeren Zeitraum genü- gend Opfermaterial zur Verfügung gestellt wird, damit sich die gewünschte Schutzfunktion ergibt.
Dabei wird eine aluminiumhaltige Verbindung für das Teilchen verwendet .
Beim Verdichten von Luft im Verdichter kann Wasser ausfallen, das unter Umständen in Verbindung mit anderen in der Luft enthaltenen Elementen einen Elektrolyten bildet, welches zu Korrosion und Erosion an den Verdichterschaufeln führen kann. Um die Korrosion und/oder Erosion zu verhindern, werden Verdichterschaufeln daher in der Regel mit Beschichtungen versehen. Hierbei kommen insbesondere Beschichtungen 16 in Betracht, die eine beispielsweise phosphatgebundene Grundmatrix mit darin dispersiv verteilten Metallpartikeln wie etwa Aluminiumpartikel umfassen. Die Schutzwirkung einer derartigen Beschichtung besteht darin, dass die in der Grundbeschichtung eingebetteten Metallpartikel zusammen mit dem (edleren) Metall der Verdichterschaufel und dem Elektrolyten eine galva- nische Zelle bilden, in welcher die Metallpartikel sog. Opfer-Anoden bilden. Die Oxidation bzw. die Korrosion findet dann in den Opfer-Anoden statt, d.h. in den Metallpartikeln und nicht im Metall der Verdichterschaufel.
Die phosphatgebundene Grundmatrix der Beschichtung hat glaskeramische Eigenschaften, ist thermisch stabil, ebenfalls korrosionsbeständig und schützt gegen mechanische Einwirkungen, etwa Abrasion und Erosion.
Neben den Metallpartikeln kann die Beschichtung weitere Partikel als Füllstoffe enthalten. Beispielhaft seien an dieser Stelle Farbstoffpartikel genannt.
Neben phosphatgebundenen Beschichtungen kommen weitere Arten von Beschichtungen 16 in Betracht. Die EP 0 142 418 Bl, die
EP 0 905 279 Al und die EP 0 995 816 Al beschreiben Beschichtungen auf Chromat/Phosphat-Basis. Die EP 1 096 040 A2 beschreibt eine Beschichtung 16 auf Phosphat/Borat-Basis und die EP 0 933 446 Bl beschreibt eine Beschichtung auf Phos- phat/Permanganat-Basis .
Auch diese Schichten können eine erfindungsgemäße Matrix aufweisen .
Die Teilchen 1 können mit fast jedem Beschichtungsverfahren zusammen aufgebracht werden, also mittels thermischen Plasmaspritzens (APS, VPS, LPPS) , Kaltgasspritzens, HVOF oder eines elektrolytischen Beschichtungsverfahrens . Figur 2 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schicht 16.
Das Schichtsystem 10 besteht aus einem Substrat 13, einer er- findungsgemäßen Schicht 16 mit einer weiteren Schicht 19 auf der Matrix der Schicht 16.
Dies ist beispielsweise ein Schichtsystem 10 für Hochtemperaturanwendungen, wobei das Substrat 13 wieder eine Superlegie- rung wie oben beschrieben darstellt und die Schicht 16 eine Matrix des Typs MCrAlX aufweist. Dann stellt die Schicht 19 eine keramische Wärmedämmschicht dar, wobei sich zwischen der Schicht 16 und der Schicht 19 die schützende Aluminiumoxid- Schicht (TGO) bildet. Die erfindungsgemäßen Teilchen 1 sind beispielsweise nahe der Grenzfläche zwischen den Schichten 16 und 19 konzentriert.
Ebenso kann man sich ein Bauteil aus einem Material vorstellen, das die Teilchen 1 aufweist, d.h. sie sind nicht in einer Beschichtung vorhanden, sondern in einem massiven Mate- rial.
Die Figur 4 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt . Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.
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.
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 Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
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) .
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte 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 unter- liegen 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 be- lastet.
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 Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superle- gierungen verwendet.
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.
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 .
Die Figur 5 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
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 Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht darge- stellt) .
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 ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich. Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeistromt, eine Anstromkante 409 und eine Ab- stromkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet . 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 Schmiedever- fahren, durch ein Frasverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
Werkstucke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstucken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flussige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstuck, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Warmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stangelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Korner, die über die ganze Lange des Werkstuckes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstuck besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Er- starrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, 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 Rich- tung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures) .
Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 Al bekannt; diese Schriften sind bzgl. des Erstarrungsverfahrens Teil der Offenbarung.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zu- mindest 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, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen. 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) .
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrÜ2, Y2Ü3-Zrθ2, 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 Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.
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 angedeutet) auf.
Die Figur 6 zeigt eine Brennkammer 110 der Gasturbine 100. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer 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.
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 Betriebspa- rametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
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 Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeits- mediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutz- Schicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt.
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/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, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen.
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wär- medämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrC>2, Y2θ3-ZrC>2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollstän¬ dig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
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 Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör- ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 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 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.

Claims

Patentansprüche
1. Matrix mit Teilchen (1) für ein Bauteil (10, 120, 130, 138, 155) oder für eine Schicht (16), die ein Matrixmaterial aufweist, das zumindest ein Metallelement (Me) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Teilchen (1) eine Verbindung aus dem Metallelement
(Me) des Matrixmaterials und zumindest einem Nichtmetall, insbesondere Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff, Bor oder
Mischungen daraus, umfasst und dass das Metallelement (Me) in der Verbindung einen unstö- chiometrischen Anteil aufweist, insbesondere besteht das Teilchen (1) aus dieser Verbindung.
2. Matrix nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das zumindest eine Metallelement (Me) in der Verbindung einen überstöchiometrischen Anteil aufweist.
3. Matrix nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
das Teilchen (1) nur ein Metallelement (Me) aufweist.
4. Matrix nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
das Teilchen (1) nur zwei Metallelemente (Me) aufweist
5. Matrix nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass
das Metallelement (Me) Aluminium (Al) ist,
6. Matrix nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass
das Metallelement (Me) Chrom (Cr) ist.
7. Matrix nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass
das Teilchen (1) Aluminium (Al) und Chrom (Cr) aufweist,
8. Matrix nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass
das Teilchen (1) ein Oxid (Me-O) aufweist.
9. Matrix nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass
das Teilchen (1) ein Nitrid (Me-N) aufweist.
10. Matrix nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Teilchen (1) ein Borid (Me-B) aufweist.
11. Matrix nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Teilchen (1) ein Karbid (Me-C) aufweist.
12. Matrix nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
das Teilchen (1) Aluminiumnitrid (Al-N) aufweist.
13. Matrix nach Anspruch 1, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass
das Teilchen (1) Aluminiumoxynitrid (Al-N-O) aufweist.
14. Matrix nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
das Teilchen (1) Aluminiumoxid und/oder Chromoxid aufweist.
15. Matrix nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbindung des Teilchens (1) eine metallorganische Verbindung (R-C-Me-R) aufweist, insbesondere eine Si-O-C-Me-Verbindung.
16. Matrix nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Teilchen (1) kornartig ausgebildet ist.
17. Matrix nach Anspruch 1 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass
der Durchmesser des Teilchens (1) ≤ lμm, insbesondere ≤ 500nm ist.
18. Matrix nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das weitere Element (Z) kein Bestandteil des Matrixmaterial ist .
19. Matrix nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass
das weitere Element (Z) ein Bestandteil des Matrixmaterial ist .
20. Matrix nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbindung eine Legierung aufweist.
21. Matrix nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Teilchen (1) keine Ummantelung aus einem anderen Material aufweist.
22. Schichtsystem, das ein Substrat (13) und/oder zumindest eine Schicht (16, 19), die auf dem Substrat (13) angeordnet ist, eine Matrix gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21 aufweist.
23. Schichtsystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass
auf der Schicht (16) eine weitere Schicht (19) angeordnet ist
24. Schichtsystem nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schicht (16) metallisch ist.
25. Schichtsystem nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schicht (16) eine Legierung des Typs MCrAlX ist.
26. Schichtsystem nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet,
dass die Schicht (16) keramisch oder glaskeramisch ist und dass das Substrat (13) metallisch ist.
27. Schichtsystem nach Anspruch 22, 23, 24, 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass
innerhalb der Schicht (16) und/oder des Substrats (13) ein Gradient in der Konzentration der Teilchen (1) besteht.
28. Schichtsystem nach Anspruch 22, 23, 24, 25, 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass
nur das Substrat (13) eine Matrix gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21 aufweist.
29. Schichtsystem nach Anspruch 22, 23, 24, 25, 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass
nur die Schicht (16) eine Matrix gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21 aufweist.
30. Schichtsystem nach Anspruch 22, 26, 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass
das Substrat (13) nickelbasiert ist.
31. Schichtsystem nach Anspruch 22, 23, 24, 25, 27 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schicht (16) nickelbasiert ist.
32. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Substrat (13) eine kobalt-, nickel- oder eisenbasierte
Superlegierung ist, auf der eine Schicht (16) insbesondere mit einer Matrix aus
MCrAlX aufgebracht ist, auf der insbesondere eine keramische Wärmedämmschicht, insbesondere bestehend aus dem Material Zirkonoxid, vorhanden ist.
33. Schichtsystem nach Anspruch 22 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass
das Schichtsystem (10) für ein Bauteil, insbesondere für eine Turbinenschaufel (120, 130), ein Hitzeschildelement (155) oder ein Gehäuseteil (138) einer Turbine, insbesondere einer Gas- (100) oder Dampfturbine verwendet wird.
34. Schichtsystem nach Anspruch 22 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass
das Schichtsystem (10) für eine Kompressorschaufel, insbesondere einer Gasturbine (100), verwendet wird.
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