EP2198064A1 - Heissgasgeführte komponente einer strömungsmaschine - Google Patents

Heissgasgeführte komponente einer strömungsmaschine

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EP2198064A1
EP2198064A1 EP08839697A EP08839697A EP2198064A1 EP 2198064 A1 EP2198064 A1 EP 2198064A1 EP 08839697 A EP08839697 A EP 08839697A EP 08839697 A EP08839697 A EP 08839697A EP 2198064 A1 EP2198064 A1 EP 2198064A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
hot gas
alloy
turbomachine
component according
guided component
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08839697A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Beukenberg
Sharad Chandra
Norbert Czech
Roland Herzog
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MAN Energy Solutions SE
Original Assignee
MAN Turbo 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 MAN Turbo AG filed Critical MAN Turbo AG
Publication of EP2198064A1 publication Critical patent/EP2198064A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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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    • Y10T428/12979—Containing more than 10% nonferrous elements [e.g., high alloy, stainless]

Definitions

  • the present invention relates to a hot gas-guided component of a turbomachine according to the preamble of claim 1 and a turbomachine with such a component.
  • Hot gas-guided components of turbomachines such as combustion chamber linings, turbine inlet casings, hot gas ducts and turbine blading, must retain their functionality under extreme thermal and mechanical loads. The components are exposed to constant oxidation and corrosion attacks and the. Temperatures often exceed 1000 ° C. At the same time, compressed cooling air is only available to a limited extent.
  • Hot gas guided components which are subject to high thermal stress but not extreme mechanical stress, are conventionally made of mixed crystal cured nickel base wrought alloys, with the exception of turbine blading. Alloys of this type are characterized by a high heat resistance.
  • a disadvantage of nickel-base wrought alloys is their moderate oxidation capability.
  • the hot gas-guided components are usually provided with a hot gas-side ceramic-based coating.
  • such ceramic coatings are expensive to manufacture and apply.
  • the object of the present invention is to provide a hot gas-guided component of a turbomachine with an improved hot-gas-side lining in comparison to known ceramic coatings, and a turbomachine with such a component.
  • This object is achieved by a hot gas-guided component having the features of claim 1 and by a turbomachine having the features of claim 7.
  • a hot gas-guided component of a turbomachine according to the invention has, as a structural material and thus as a supporting construction, a mixed crystal-hardened nickel-base wrought alloy and a hot gas-side lining from the group of the iron-chromium-aluminum-yttrium alloys.
  • Iron-chromium-aluminum-yttrium alloys in short FeCrAlY alloys, have a very good oxidation resistance.
  • the temperature limit from the point of view of the oxidation criterion is about 1200 ° C.
  • the heat resistance of FeCrAlY alloys can be considered moderate.
  • the operating temperature and stability of the hot gas-guided component according to the invention are improved by the fact that the respectively excellent property of the alloys comes into play.
  • the hot gas side liner is made of an alumina-yttrium-hafnium alloy.
  • the active elements yttrium and hafnium the cyclic oxidation resistance of the hot gas side lining can be increased.
  • the FeCrAlY alloy has iron as its base and consists of 16% to 24% chromium, 3% to 9% aluminum, 0.02% to 0.2% yttrium, up to 0.1% hafnium up to 0.1% of zirconium and up to 0.1% of rare earth metals, in particular lanthanides.
  • the application of the hot gas side lining can be done by high temperature brazing, welding, or plating, in particular roll cladding.
  • a turbomachine according to the invention has at least one hot gas-guided component, which has a structure material of a mixed crystal-hardened nickel-base-nickel alloy, which is provided with a hot gas-side lining from the group of iron-chromium-aluminum-yttrium alloys.
  • a hot gas-guided component according to the invention of a turbomachine, in particular a gas turbine is designed as a composite material of a mixed crystal-hardened nickel or Ni-base nickel alloy and an oxidation-resistant ferrite iron-based alloy, in particular a FeCrAlY alloy.
  • the Ni base wrought alloy forms the supporting structure of the component
  • the FeCrAlY alloy is applied to the structural material as a hot gas side lining.
  • hot gas side means that the lining is applied to an inner surface of the component facing the hot gases.
  • “Cooling air side” in the sense of the invention means that a coating is arranged on an outer surface of the component facing the cooling air.
  • An exemplary hot gas guided component of a gas turbine is the so-called “breeze tube", which presents a hot gas guide channel between the combustors and the turbine blading and directs the hot gases from the combustor to the first turbine stage.
  • a preferred material from the group of FeCrAlY alloys is an aluminum-chromium-yttrium-hafnium alloy, short Aluchrom-YHf alloy.
  • yttrium (Y) and hafnium (Hf) can be added to increase the cyclic oxidation resistance of the FeCrAlY alloy further active elements such as zirconium (Zr).
  • an FeCrAlY alloy having iron (Fe) as a base element and chromium (Cr) of 16% to 24%, and aluminum (Al) of 3% to 9%, of 0.02% to 0.2% is preferred % Yttrium (Y), up to 0.1% hafnium (Hf), up to 0.1% zirconium (Zr) and up to 0.1% rare earth metals (SE).
  • Yttrium Y
  • Hf hafnium
  • Zr zirconium
  • SE rare earth metals
  • La rare earth metals
  • the FeCrAlY alloy is applied to the structural material by known high temperature soldering, welding, plating or roll cladding techniques.
  • a diffusion barrier z. B. based on the system Al-O-N are used.
  • the application of the FeCrAlY alloy as a lining is not limited to the hot gas side of the components, but it is also conceivable to sandwich the hot gas-led component.
  • the structural material of a mixed crystal-hardened Ni-base wrought alloy constitutes the supporting structural core which is arranged between a hot gas-side lining and a cooling-air-side coating based on the above-described FeCrAlY alloys.
  • Disclosed is a hot gas-guided component for a turbomachine, with a nickel-base wrought alloy as a structural material and a hot gas side lining from the group of iron-chromium-aluminum-yttrium alloys, and a turbomachine with such a component

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Abstract

Offenbart ist eine heißgasgeführte Komponente für eine Strömungsmaschine, mit einer Nickel-Basisknetlegierung als Strukturwerkstoff und einer heißgasseitigen Auskleidung aus der Gruppe der Eisen-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierungen, sowie eine Strömungsmaschine mit einer derartigen Komponente.

Description

Heißgasgeführte Komponente einer Strömungsmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine heißgasgeführte Komponente einer Strömungsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Strömungsmaschine mit einer derartigen Komponente.
Heißgasgeführte Komponenten von Strömungsmaschinen wie zum Beispiel Brennkammerauskleidungen, Turbineneintrittsgehäusen, Heißgaskanäle und Turbinenbeschaufelungen müssen unter extremen thermischen und mechanischen Belastungen ihre Funktionsfähigkeit behalten. Die Komponenten sind ständigen Oxidations- und Korrosionsangriffen ausgesetzt und die . Temperaturen übersteigen oft 10000C. Gleichzeitig steht komprimierte Kühlluft nur begrenzt zur Verfügung.
Heißgasgeführten Komponenten, die einer hohen thermischen Belastung, nicht jedoch einer extremen mechanischen Belastung, ausgesetzt sind, werden mit Ausnahme der Turbinenbeschaufelung herkömmlicherweise aus einer mischkristallge- härteten Nickel-Basisknetlegierungen hergestellt. Legierungen dieser Art zeichnen sich durch eine hohe Warmfestigkeit aus. Nachteilig an Nickel-Basisknetlegierungen ist jedoch ihre mäßige Oxidationsfähigkeit. Zur Verringerung dieses Nachteiles werden die heißgasgeführten Komponenten meist mit einer heißgasseitigen Beschich- tung auf Keramikbasis versehen. Derartige Keramikbeschichtungen sind jedoch auf- wendig in der Herstellung und Aufbringung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine heißgasgeführte Komponente einer Strömungsmaschine mit einer gegenüber bekannten Keramikbeschichtungen verbesserten heißgasseitigen Auskleidung, sowie eine Strömungsmaschine mit einer derartigen Komponente zu schaffen. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine heißgasgeführte Komponente mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
Eine erfindungsgemäße heißgasgeführte Komponente einer Strömungsmaschine weist als Strukturwerkstoff und somit als tragende Konstruktion eine mischkristallgehärtete Nickel-Basisknetlegierung und eine heißgasseitige Auskleidung aus der Gruppe der Eisen-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierungen auf.
Eisen-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierungen, kurz FeCrAlY-Legierungen, haben eine sehr gute Oxidationsbeständigkeit. Die Temperaturgrenze aus Sicht des Oxida- tionskriteriums beträgt etwa 1200°C. Somit kann die Betriebstemperatur und Standfestigkeit der heißgasgeführten Komponenten gesteigert werden, ohne dass die Lebensdauer des Strukturwerkstoffs durch Oxidation unverhältnismäßig verkürzt wird. Die Warmfestigkeit der FeCrAlY-Legierungen kann als mäßig bezeichnet werden. Die mäßigen Materialeigenschaften der beiden Legierungen - Nickel- Basisknetlegierungen, kurz Ni-Basislegierungen, zeigen eine mäßige Oxidationsbeständigkeit und FeCrAlY-Legierungen weisen eine mäßige Warmfestigkeit auf - werden durch den erfindungsgemäße Kombination und durch den erfindungsgemäßen Aufbau der heißgasgeführten Komponente durch die sehr gute Oxidationsbeständigkeit und Warmfestigkeit der jeweils anderen Legierung beseitigt. Mit anderen Worten, die Betriebstemperatur und Standfestigkeit der erfindungsgemäßen heißgasgeführten Komponente werden dadurch verbessert, dass die jeweils ausgezeichnete Eigenschaft der Legierungen zum Tragen kommt.
Bei einem Ausführungsbeispiel besteht die heißgasseitige Auskleidung aus einer Aluchrom-Yttrium-Hafnium-Legierung. Insbesondere mit den Aktivelementen Yttrium und Hafnium lässt sich die zyklische Oxidationsbeständigkeit der heißgasseitigen Auskleidung steigern.
Bevorzugterweise weist die FeCrAlY-Legierung als Basiselement Eisen auf und besteht zu 16% bis 24% aus Chrom, zu 3% bis 9% aus Aluminium, zu 0,02% bis 0,2% Yttrium, bis zu 0,1 % aus Hafnium, bis zu 0,1% aus Zirkonium und bis zu 0,1 % aus Metallen aus der Gruppe der Seltenen Erden, insbesondere Lanthaniden. Die Aufbringung der heißgasseitigen Auskleidung kann durch Hochtemperaturlöten, Schweißen, oder Plattieren, insbesondere Walzplattieren, erfolgen.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Strukturwerkstoff der heißgeführten Komponente sandwichartig zwischen der heißgasseitigen Auskleidung und einer kühlluftsei- tigen Beschichtung angeordnet, die bevorzugterweise aus einer Legierung aus der Gruppe der Nickel-Kobalt-Eisen-Chrom-Aluminium-Yttrium- (= MCrAIY-) Legierungen besteht.
Eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine weist zumindest eine heißgasgeführte Komponente auf, die einen Strukturwerkstoff aus einer mischkristallgehärteten Nickel-Basisknetlegierung aufweist, der mit einer heißgasseitigen Auskleidung aus der Gruppe der Eisen-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierungen versehen ist.
Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläu- tert.
Eine erfindungsgemäße heißgasgeführte Komponente einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine, ist als ein Verbundwerkstoff aus einer mischkristallgehärteten Nickel- bzw. Ni-Basisknetlegierung und einer oxidationsbeständigen ferri- tischen Eisenbasislegierung, insbesondere einer FeCrAlY-Legierung, ausgeführt. Dabei bildet die Ni-Basisknetlegierung die tragende Konstruktion bzw. den Strukturwerkstoff der Komponente und die FeCrAlY-Legierung ist als heißgasseitige Auskleidung auf den Strukturwerkstoff aufgebracht. „Heißgasseitig" im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die Auskleidung auf einer den Heißgasen zugewandten Innenfläche der Komponente aufgebracht ist. Entsprechend bedeutet „kühlluftseitig" im Sinne der Erfindung, dass eine Beschichtung auf einer der Kühlluft zugewandten Außenfläche der Komponente angeordnet ist. Eine beispielhaft genannte heißgasgeführte Komponente einer Gasturbine ist das sogenannte „Hosenrohr", welches einen Heißgasführungskanal zwischen den Brennkammern und der Turbinenbeschaufelung darstellt und die Heißgase von der Brennkammer auf die ersten Turbinenstufe führt. Weitere heißgasgeführte Kompo- nenten sind zum Beispiel Brennkammerauskleidungen und Turbineneintrittsgehäusen.
Ein bevorzugter Werkstoff aus der Gruppe der FeCrAlY-Legierungen ist eine Aluminium-Chrom-Yttrium-Hafnium-Legierung, kurz Aluchrom-YHf-Legierung.
Außer dem Aktivelement Yttrium (Y) und Hafnium (Hf) können zur Steigerung der zyklischen Oxidationsbeständigkeit der die FeCrAlY-Legierung noch weitere Aktivelemente wie zum Beispiel Zirkonium (Zr) beigemischt sein.
Insbesondere wird eine FeCrAlY-Legierung bevorzugt, die als Basiselement Eisen (Fe) aufweist und zu 16% bis 24% aus Chrom (Cr), zu 3% bis 9% aus Aluminium (AI), zu 0,02% bis 0,2% Yttrium (Y), bis zu 0,1 % aus Hafnium (Hf), bis zu 0,1% aus Zirkonium (Zr) und bis zu 0,1% aus Metallen aus der Gruppe der Seltenen Erden (SE) besteht. Aus der Gruppe der Seltenen Erden sind insbesondere die Lanthan- iden bzw. Lanthanoiden (La) zu nennen wie zum Beispiel Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd) und Promethium (Pm).
Das Aufbringen der FeCrAlY-Legierung auf den Strukturwerkstoff erfolgt durch bekannte Hochtemperaturlöt-, Schweiß- oder Plattier- bzw. Walzplattierverfahren. Zur Verhinderung von Interdiffusion zwischen dem Strukturwerkstoff und der Auskleidung kann eine Diffusionsbarriere z. B. basierend auf dem System Al-O-N zum Einsatz kommen.
Die Anwendung der FeCrAlY-Legierung als Auskleidung ist nicht auf die Heißgasseite der Komponenten beschränkt, sondern es ist ebenfalls vorstellbar, die heißgasge- führte Komponente sandwichartig aufzubauen. Hierbei stellt der Strukturwerkstoff aus einer mischkristallgehärteten Ni-Basisknetlegierung den tragenden Strukturkern dar, der zwischen einer heißgasseitige Auskleidung und einer kühlluftseitigen Be- schichtung jeweils auf Basis der vorbeschriebenen FeCrAlY-Legierungen angeordnet ist. Offenbart ist eine heißgasgeführte Komponente für eine Strömungsmaschine, mit einer Nickel-Basisknetlegierung als Strukturwerkstoff und einer heißgasseitigen Auskleidung aus der Gruppe der Eisen-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierungen, sowie eine Strömungsmaschine mit einer derartigen Komponente

Claims

Ansprüche
1. Heißgasgefϋhrte Komponente einer Strömungsmaschine mit einer mischkristall- gehärteten Nickel-Basisknetlegierung als Strukturwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente eine heißgasseitige Auskleidung aus der Gruppe der Eisen-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierungen aufweist.
2. Heißgasgeführte Komponente nach Anspruch 1 , wobei die heißgasseitige Aus- kleidung eine Aluchrom-Yttrium-Hafnium-Legierung ist.
3. Heißgasgeführte Komponente nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Eisen-Chrom- Aluminium-Yttrium-Legierung als Basiselement Eisen, 16% bis 24% Chrom, 3% bis 9% Aluminium, 0,02% bis 0,2% Yttrium, bis zu 0,1% Hafnium, bis zu 0,1 % Zirkonium und bis zu 0,1% Metalle aus der Gruppe der Seltenen Erden, insbesondere Lanthaniden, aufweist.
4. Heißgasgeführte Komponente nach Anspruch 1 , 2 oder 3, wobei die heißgasseitige Auskleidung durch Hochtemperaturlöten, Schweißen oder Plattieren aufge- bracht ist.
5. Heißgasgeführte Komponente nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen Basiswerkstoff und Auskleidung eine Diffusionsbarriere zum Einsatz kommt.
6. Heißgasgeführte Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf den Strukturwerkstoff eine kühlluftseitige Beschichtung aufgebracht ist.
7. Heißgasgeführte Komponente nach Anspruch 6, wobei die kühlluftseitige Be- Schichtung eine Legierung aus der Gruppe der - -MCrAIY- Legierungen ist.
8. Strömungsmaschine mit einer heißgasgeführten Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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