EP2331723A1 - Turbinenschaufel einer gasturbine und verfahren zum beschichten einer turbinenschaufel einer gasturbine - Google Patents

Turbinenschaufel einer gasturbine und verfahren zum beschichten einer turbinenschaufel einer gasturbine

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EP2331723A1
EP2331723A1 EP09776056A EP09776056A EP2331723A1 EP 2331723 A1 EP2331723 A1 EP 2331723A1 EP 09776056 A EP09776056 A EP 09776056A EP 09776056 A EP09776056 A EP 09776056A EP 2331723 A1 EP2331723 A1 EP 2331723A1
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turbine blade
blade
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chromium
particles
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MTU Aero Engines GmbH
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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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    • C23C10/28—Solid state diffusion of only metal elements or silicon into metallic material surfaces using solids, e.g. powders, pastes
    • C23C10/30—Solid state diffusion of only metal elements or silicon into metallic material surfaces using solids, e.g. powders, pastes using a layer of powder or paste on the surface
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Definitions

  • the invention relates to a turbine blade of a gas turbine according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for coating a turbine blade of a gas turbine according to the preamble of patent claim 9.
  • a turbine blade of a gas turbine and a method for coating a turbine blade of a gas turbine is known, the turbine blade having an airfoil, a blade root and a platform positioned between the airfoil and the blade root.
  • a wear protection coating namely a corrosion-resistant protective coating, the wear protection coating being an MCrAlY coating.
  • Coating coating is. This coating coating has a chromium content of between 10% and 40% by weight.
  • the present invention is based on the problem of creating a novel turbine blade of a gas turbine and a novel method for coating a turbine blade.
  • the anticorrosive coating is a diffusion coating having a chromium content in the surface area of more than 30% by weight.
  • the inventive method for coating a turbine blade comprises at least the following steps: a) provision of a turbine blade; b) projecting at least one lacquer layer onto at least one region of the turbine blade, the lacquer comprising chromium particles and / or chromium alloy particles, halides and binders; c) drying the applied paint at a temperature between 5O 0 C and 600 ° C with decomposition of the binder; d) subsequent reaction bonding at a temperature between 900 0 C and 1160 0 C.
  • the life of turbine blades can be increased and an effective protection against hot gas corrosion or sulfidation can be realized, wherein this protection against the base material of the turbine blade is increased by a factor of 6. Even with a complex contouring of the underside of the platform and the transition region between the underside of the platform and the blade root, a good coating can be ensured.
  • Fig. 1 is a schematic view of a turbine blade of a gas turbine.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a turbine blade 10 of a gas turbine designed as a rotor blade, wherein the turbine blade 10 comprises an airfoil 11, a blade root 12 and a platform 13 positioned between the airfoil 11 and the blade root 12.
  • the turbine blade 10 is coated on an underside 14 of the platform and / or on a transition region 15 between the underside 14 of the platform 13 and the blade root 12 with a corrosion protection coating.
  • the anticorrosive coating is a diffusion coating having a chromium content in the surface area of more than 30% by weight.
  • the anticorrosive coating is formed as a graded, ductile Inchromier Anlagen whose chromium content in the surface region is preferably between 40 wt .-% and 95 wt .-%.
  • An ⁇ -chromium phase fraction having a chromium content of more than 30% by weight of the corrosion protection coating is between 5% by weight and 50% by weight.
  • the remainder of the chromium content of the corrosion protection coating is formed by other chromium phases and by chromium dissolved in the mixed crystal of the base material.
  • the ⁇ -chromium phase content of the chromium content of the anticorrosive coating has a Vickers hardness of less than 800.
  • the total layer thickness of the anticorrosive coating is between 5 ⁇ m and 120 ⁇ m, preferably between 15 ⁇ m and 50 ⁇ m.
  • At least one coating layer is applied to the underside 14 of the platform 13 and / or the transition region 15 between the underside 14 of the platform 13 and the blade root 12, wherein the paint chromium particles and / or chromium alloy particles, halides and binder.
  • the particle size of the chromium particles and / or chromium alloy particles is in particular up to 20 microns.
  • the halides of the paint are preferably metal chloride particles, in particular CrCb particles and / or CrCb particles.
  • the binder of the paint is preferably an acrylic or glycol based or polyvinyl base.
  • the paint preferably has the following composition:
  • binder 25 to 95% by weight of binder; 0, 1 to 10% by weight CrC12 particles and / or CrC13 particles;
  • an acrylic acid ester or methacrylic acid ester, a methyl cellulose compound, a polysaccharide, a polyvinyl alcohol, a polyvinyl ether, a polyvinyl acetate, a polyvinylpyrrolidone or a colloidal silica mixture can be used to provide an aqueous dispersion. It is also possible to provide a nonaqueous dispersion as a lacquer.
  • At least one lacquer layer of this lacquer is applied to the underside 14 of the platform 13 and / or the transition region 15 between the platform 13 and the shower foot 12, preferably several lacquer layers are applied to these regions of the turbine blade, each lacquer layer having one Layer thickness between 2 microns and 50 microns is applied. It is preferably applied between one and ten layers of paint, in particular between three and six layers of paint.
  • a reaction connecting the chromium particles and / or chromium alloy particles with molten chrome chloride particles takes place at a temperature between 900 0 C and 1160 0 C, the reaction bonding for a period between 15 minutes and is carried out for 15 hours.
  • Subsequent to the reaction bonding is preferably a diffusion annealing of the formed pure chromium layer at a temperature between 95O 0 C and 1200 0 C for diffusing the chromium in the surface of the previously coated with the paint areas of the turbine blade, in which case preferably Cl compounds be withdrawn.
  • the diffusion annealing takes place for a time between 30 minutes and 12 hours.
  • the diffusion annealing is preferably carried out in a hydrogen atmosphere or in an inert gas partial pressure atmosphere with a pressure between ambient pressure, that is about 1000 mbar, and 0.01 mbar.
  • the diffusion annealing is preferably carried out in a halide atmosphere, in which case the hydrogen atmosphere or the inert gas partial pressure atmosphere comprises a gaseous addition of metal chloride particles, in particular a gaseous addition of CrCl 2 particles and / or CrCl 3 particles.
  • Argon is preferably used as the inert gas.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel einer Gasturbine, mit einem Schaufelblatt (11), einem Schaufelfuß (12) und einer zwischen Schaufelblatt und Schaufelfuß positionierten Plattform (13), wobei die Turbinenschaufel zumindest bereichsweise, insbesondere an einer Unterseite (14) der Plattform und/oder im Übergangsbereich (15) zwischen der Unterseite der Plattform und dem Schaufelfuß, mit einer Korrosionsschutzbeschichtung versehen ist. Erfindungsgemäß ist die Korrosionsschutzbeschichtung eine Diffusionsbeschichtung mit einen Chromgehalt im Oberflächenbereich von mehr als 30 Gew.-%.

Description

Turbinenschaufel einer Gasturbine und Verfahren zum Beschichten einer Turbinenschaufel einer Gasturbine
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel einer Gasturbine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Beschichten einer Turbinenschaufel einer Gasturbine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
Aus der EP 1 111 192 Bl ist eine Turbinenschaufel einer Gasturbine und ein Verfahren zum Beschichten einer Turbinenschaufel einer Gasturbine bekannt, wobei die Turbinen- schaufei ein Schaufelblatt, einen Schaufelfuß und eine zwischen dem Schaufelblatt und dem Schaufelfuß positionierte Plattform aufweist. In diesem Stand der Technik wird vorgeschlagen, die Turbinenschaufel an einer Unterseite der Plattform und an einem Übergangsbereich zwischen der Unterseite der Plattform und dem Schaufelfuß mit einer Ver- schleißschutzbeschichtung, nämlich einer korrosionsbeständigen Schutzbeschichtung, zu beschichten, wobei die Verschleißschutzbeschichtung eine MCrAlY-
Überzugsbeschichtung ist. Diese Überzugsbeschichtung weist einen Chromgehalt zwischen 10 Gew.-% und 40 Gew.-% auf.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuarti- ge Turbinenschaufel einer Gasturbine und ein neuartiges Verfahren zum Beschichten einer Turbinenschaufel zu schaffen.
Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass die eingangs genannte Turbinenschaufel einer Gasturbine durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weiter- gebildet ist. Erfϊndungsgemäß ist die Korrosionsschutzbeschichtung eine Diffusionsbe- schichtung mit einen Chromgehalt im Oberflächenbereich von mehr als 30 Gew.-%.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Beschichten einer Turbinenschaufel ist in Patentanspruch 9 definiert. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Turbinenschaufel; b) Aufragen mindestens einer Lackschicht auf zumindest einen Bereich der Turbinenschaufel, wobei der Lack Chrom-Partikel und/oder Chromlegierungs-Partikel, Halogenide und Bindemittel umfasst; c) Trocken des aufgetragenen Lacks bei einer Temperatur zwischen 5O0C und 600°C unter Zersetzen des Bindemittels; d) anschließendes Reaktionsverbinden bei einer Temperatur zwischen 9000C und 11600C.
Mit der hier vorliegenden Erfindung kann die Lebensdauer von Turbinenschaufeln erhöht und ein effektiver Schutz gegen Heißgaskorrosion bzw. Sulfidation realisiert werden, wobei dieser Schutz gegenüber dem Grundwerkstoff der Turbinenschaufel um den Faktor 6 vergrößert ist. Auch bei einer komplexen Konturierung der Unterseite der Plattform sowie des Übergangsbereichs zwischen der Unterseite der Plattform und den Schaufelfuß kann eine gute Beschichtung gewährleistet werden.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematisierte Ansicht einer Turbinenschaufel einer Gasturbine.
Fig. 1 zeigt eine schematisierte Darstellung einer als Laufschaufel ausgebildeten Turbinen- schaufei 10 einer Gasturbine, wobei die Turbinenschaufel 10 ein Schaufelblatt 11, einen Schaufelfuß 12 und eine zwischen dem Schaufelblatt 11 und dem Schaufelfuß 12 positionierte Plattform 13 umfasst. Die Turbinenschaufel 10 ist an einer Unterseite 14 der Plattform und/oder an einem Übergangsbereich 15 zwischen der Unterseite 14 der Plattform 13 und dem Schaufelfuß 12 mit einer Korrosionsschutzbeschichtung beschichtet.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist die Korrosionsschutzbeschichtung eine Diffu- sionsbeschichtung mit einen Chromgehalt im Oberflächenbereich von mehr als 30 Gew.- %. Die Korrosionsschutzbeschichtung ist dabei als gradierte, duktile Inchromierschicht ausgebildet, deren Chromgehalt im Oberflächenbereich vorzugsweise zwischen 40 Gew.-% und 95 Gew.-% beträgt. Ein α-Chrom-Phasenanteil mit einem Chromgehalt von mehr als 30 Gew.-% der Korrosi- onsschutzbeschichtung beträgt dabei zwischen 5 Gew.-% und 50 Gew.-%. Der Rest des Chromgehalts der Korrosionsschutzbeschichtung ist durch andere Chrom-Phasen und durch im Mischkristall des Grundwerkstoff gelöstes Chrom gebildet.
Der α-Chrom-Phasenanteil des Chromgehalts der Korrosionsschutzbeschichtung weist eine Vickershärte von weniger als 800 auf.
Die Gesamtschichtdicke der Korrosionsschutzbeschichtung beträgt zwischen 5 μm und 120 μm, vorzugsweise zwischen 15 μm und 50 μm.
Beim Beschichten einer Turbinenschaufel einer Gasturbine im Bereich der Unterseite 14 der Plattform 13 und/oder im Übergangsbereich 15 zwischen der Unterseite 14 der Plattform 13 und dem Schaufelfuß 12 wird so vorgegangen, dass zuerst eine Turbinenschaufel bereitgestellt wird.
Anschließend an das Bereitstellen der Turbinenschaufel wird mindestens eine Lackschicht auf die Unterseite 14 der Plattform 13 und/oder den Übergangsbereich 15 zwischen der Unterseite 14 der Plattform 13 und dem Schaufelfuß 12 aufgetragen, wobei der Lack Chrom-Partikel und/oder Chromlegierungs-Partikel, Halogenide und Bindemittel umfasst.
Die Partikelgröße der Chrom-Partikel und/oder Chromlegierungs-Partikel beträgt dabei insbesondere bis zu 20 μm. Bei den Halogeniden des Lacks handelt es sich vorzugsweise um Metallchlorid-Partikel, insbesondere um CrCb-Partikel und/oder um CrCb-Partikel. Das Bindemittel des Lacks ist vorzugsweise auf Acrylbasis oder Glycolbasis oder Polyvi- nylbasis ausgebildet.
Der Lack weist vorzugsweise folgende Zusammensetzung auf:
- 25 bis 95 Gew.-% Bindemittel; - 0, 1 bis 10 Gew.-% CrC12-Partikel und/oder um CrC13 -Partikel;
- im Rest Chrom-Partikel und/oder Chromlegierungs-Partikel. Als Bindemittel für den Lack kann zur Bereitstellung einer wässrigen Dispersion ein Ac- rylsäureester oder Methacrylsäureester, eine Methyl-Cellulose- Verbindung, ein Polysach- arid, ein Polyvinylalkohol, ein Polyvinylether, ein Polyvinylacetat, ein Polyvinylpyrrolidon oder eine kolloidale Kieselsäure-Mischung verwendet werden. Es kann auch eine nicht- wässrige Dispersion als Lack bereitgestellt werden.
Wie bereits erwähnt, wird mindestens eine Lackschicht aus diesem Lack auf die Unterseite 14 der Plattform 13 und/oder den Übergangsbereich 15 zwischen Plattform 13 und Schau- feifuß 12 aufgetragen, vorzugsweise werden mehrere Lackschichten auf diese Bereiche der Turbinenschaufel aufgetragen, wobei jede Lackschicht mit einer Schichtdicke zwischen 2 μm und 50 μm aufgetragen wird. Es werden vorzugsweise zwischen ein und zehn Lackschichten, insbesondere zwischen drei und sechs Lackschichten, aufgetragen.
Anschließend an das Auftragen der oder jeder Lackschicht auf die entsprechenden Bereiche der Turbinenschaufel erfolgt ein Trocknen des aufgetragenen Lacks bei einer Temperatur zwischen 500C und 600°C unter Zersetzen des Bindemittels. Dieses Trocknen erfolgt dabei für eine Zeitspanne zwischen 5 min und 240 min.
Anschließend an das Trocknen des Lacks erfolgt ein Reaktionsverbinden der Chrom- Partikel und/oder Chromlegierungs-Partikel mit schmelzflüssigen Chromchlorid-Partikeln bei einer Temperatur zwischen 9000C und 11600C, wobei das Reaktionsverbinden für eine Zeitspanne zwischen 15 min und 15 h erfolgt.
Anschließend an das Reaktionsverbinden erfolgt vorzugsweise ein Diffusionsglühen der sich ausgebildeten Rein-Chrom-Schicht bei einer Temperatur zwischen 95O0C und 12000C zur Eindiffusion des Chroms in die Oberfläche der zuvor mit dem Lack beschichteten Bereiche der Turbinenschaufel, wobei hierbei vorzugsweise Cl- Verbindungen entzogen werden. Das Diffusionsglühen erfolgt für eine Zeitspanne zwischen 30 min und 12 h. Das Diffusionsglühen wird vorzugsweise in einer Wasserstoffatmosphäre oder in einer Inertgas- Partialdruckatmosphäre mit einem Druck zwischen Umgebungsdruck, also in etwa 1000 mbar, und 0,01 mbar durchgeführt.
Das Diffusionsglühen erfolgt vorzugsweise in einer Halogenidatmosphäre, wobei dann die Wasserstoffatmosphäre oder die Inertgas-Partialdruckatmosphäre einen gasförmigen Zusatz von Metallchlorid-Partikeln, insbesondere einen gasförmigen Zusatz von CrCl2- Partikeln und/oder CrCl3-Partikeln aufweist. Als Inertgas findet vorzugsweise Argon Ver- wendung.

Claims

Patentansprüche
1. Turbinenschaufel einer Gasturbine, mit einem Schaufelblatt, einem Schaufelfuß und einer zwischen Schaufelblatt und Schaufelfuß positionierten Plattform, wobei die Turbinenschaufel zumindest bereichsweise, insbesondere an einer Unterseite der
Plattform und/oder im Übergangsbereich zwischen der Unterseite der Plattform und dem Schaufelfuß, mit einer Korrosionsschutzbeschichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzbeschichtung eine Diffusionsbeschichtung mit einen Chromgehalt im Oberflächenbereich von mehr als 30 Gew.-% ist.
2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, der Chromgehalt im Oberflächenbereich zwischen 40 Gew.-% und 95 Gew.-% be- trägt.
3. Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein α-Chrom-Phasenanteil mit einem Chromgehalt von mehr 30 Gew.-% der Korrosionsschutzbeschichtung zwischen 5 % und 50 % der Schichtdicke der Korrosionsschutzbeschichtung bildet.
4. Turbinenschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rest der Korrosionsschutzbeschichtung durch andere Chrom-Phasen und
Chrom gelöst im Mischkristall des Grundwerkstoffs gebildet ist.
5. Turbinenschaufel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der α-Chrom-Phasenanteil des Chroms der Korrosionsschutzbeschichtung eine
Vickershärte von weniger als 800 aufweist.
6. Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzbeschichtung ein Dicke zwischen 5 μm und 120 μm auf- weist.
7. Turbinenschaufel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzbeschichtung ein Dicke zwischen 15 μm und 50 μm auf- weist.
8. Turbinenschaufel einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzbeschichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 22 hergestellt ist.
9. Verfahren zum Beschichten einer Turbinenschaufel einer Gasturbine, wobei die Turbinenschaufel ein Schaufelblatt, einen Schaufelfuß und eine zwischen Schaufelblatt und Schaufelfuß positionierte Plattform aufweist, nämlich zum Aufbringen einer Korrosionsschutzbeschichtung auf zumindest einen Bereich der Turbinenschaufel, insbesondere auf eine Unterseite der Plattform und/oder einen Übergangsbereich zwischen der Unterseite der Plattform und dem Schaufelfuß, mit zumindest den folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer Turbinenschaufel; b) Aufragen mindestens einer Lackschicht auf zumindest einen Bereich der Turbinenschaufel, wobei der Lack Chrom-Partikel und/oder Chromlegierungs-Partikel, Halogenide und Bindemittel umfasst; c) Trocken des aufgetragenen Lacks bei einer Temperatur zwischen 50°C und 600°C unter Zersetzen des Bindemittels; d) anschließendes Reaktionsverbinden bei einer Temperatur zwischen 900°C und
11600C.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der in Schritt b) aufgetragene Lack als Halogenide Metallchlorid-Partikel.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der in Schritt b) aufgetragene Lack als Metallchlorid-Partikel CrCb-Partikel und/oder CrCl3-Partikel umfasst.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der in Schritt b) aufgetragene Lack ein Bindemittel auf Acrylbasis oder Glycol- basis oder Polyvinylbasis umfasst.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknen in Schritt c) für eine Zeitspanne zwischen 5 min und 240 min erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsverbinden in Schritt d) für eine Zeitspanne zwischen 15 min und 15 h erfolgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Reaktionsverbinden ein Diffusionsglühen erfolgt.
16. Verfahren nach Anspruch 15 , dadurch gekennzeichnet, dass das Diffusionsglühen für eine Zeitspanne zwischen 30 min und 12 h bei einer Temperatur zwischen 95O0C und 12000C erfolgt.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Diffusionsglühen in einer Halogenidatmosphäre erfolgt.
18. Verfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Diffusionsglühen in einer Wasserstoffatmosphäre oder einer Inertgas-
Partialdruckatmosphäre mit einem gasförmigen Zusatz von Metallchlorid-Partikeln mit einem Druck zwischen Umgebungsdruck, also in etwa 1000 mbar, und 0,01 mbar erfolgt.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffatmosphäre oder Inertgas-Partialdruckatmosphäre einen gasförmigen Zusatz von CrCl2-Partikeln und/oder CrCl3-Partikeln aufweist.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass 1 bis 10 Lackschichten mit einer Dicke von 2μm bis 50μm je Lackschicht aufgetragen werden.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass 3 bis 6 Lackschichten aufgetragen werden.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Chromgehalt im Oberflächenbereich auf einen Wert zwischen 40 Gew.-% und 95 Gew.-% eingestellt wird.
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