EP2331723B1 - Verfahren zum beschichten einer turbinenschaufel einer gasturbine - Google Patents

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EP2331723B1
EP2331723B1 EP09776056A EP09776056A EP2331723B1 EP 2331723 B1 EP2331723 B1 EP 2331723B1 EP 09776056 A EP09776056 A EP 09776056A EP 09776056 A EP09776056 A EP 09776056A EP 2331723 B1 EP2331723 B1 EP 2331723B1
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lacquer
vane
coating
turbine
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Heinrich Walter
Horst Pillhöfer
Michael Strasser
Karl-Heinz Manier
Max Morant
Richard Lange
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MTU Aero Engines AG
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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
    • C23C10/00—Solid state diffusion of only metal elements or silicon into metallic material surfaces
    • 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
    • C23C10/32—Chromising
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D5/3007—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/611—Coating

Definitions

  • the invention relates to a method for coating a turbine blade of a gas turbine according to the preamble of patent claim 1.
  • a turbine blade of a gas turbine engine and a method of coating a turbine blade of a gas turbine engine wherein the turbine blade has 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.
  • This coating coating has a chromium content of between 10% and 40% by weight.
  • a turbine blade whose outer surface is coated with aluminum.
  • An inner surface, in particular cooling holes, has a chromium coating with a chromium concentration of between 30 and 60% by weight.
  • GB2424 032 A is a turbine blade is known, the blade root is erhieten with Chromium. Then one is applied directly to the chromium coating aluminum or MCrAlY coating.
  • the present invention based on the problem to provide a novel method for coating a turbine blade.
  • the method according to the invention for coating a turbine blade is defined in claim 1.
  • the method according to the invention comprises at least the following steps: a) provision of a turbine blade; b) projecting at least one lacquer layer on at least a portion of the Matbinenschaufel, wherein the paint chromium particles and / or chromium alloy particles, halides and binders; c) drying the applied paint at a temperature between 50 ° C and 600 ° C with decomposition of the binder; d) subsequent reaction bonding at a temperature of between 900 ° C and 1160 ° C.
  • the life of turbine blades can be increased and effective protection against hot gas corrosion or sulfidation can be realized, this protection being increased by a factor of 6 compared with the base material of the turbine blade. 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 1 shows a schematic representation of a turbine blade 10 of a gas turbine designed as a rotor blade, the turbine blade 10 comprising 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 region of more than 30 wt .-%.
  • the anticorrosive coating is formed as a graded, ductile Inchromiertik 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 anticorrosive 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 CrCl 2 particles and / or CrCl 3 particles.
  • the binder of the paint is preferably acrylic or glycol based or polyvinyl based.
  • 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 may 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 platform 13 and blade root 12, preferably several lacquer layers are applied to these regions of the turbine blade, each lacquer layer having a 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.
  • the chromium particles and / or chromium alloy particles are reacted with molten chromium chloride particles at a temperature between 900 ° C. and 1160 ° C., the reaction being carried out for a period of time between 15 min and 15 h.
  • Subsequent to the reaction bonding is preferably a diffusion annealing of the formed pure chromium layer at a temperature between 950 ° C and 1200 ° C for the diffusion of chromium into 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, ie in about 1000 mbar, and 0.01 mbar.
  • the diffusion annealing preferably takes place in a halide atmosphere, the hydrogen atmosphere or the inert gas partial pressure atmosphere then having 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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Description

  • Die Erfindung betrifft eine ein Verfahren zum Beschichten einer Turbinenschaufel einer Gasturbine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Aus der EP 1 111 192 B1 ist eine Turbinenschaufel einer Gasturbine und ein Verfahren zum Beschichten einer Turbinenschaufel einer Gasturbine bekannt, wobei die Turbinenschaufel 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 Verschleißschutzbeschichtung, 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.
  • Aus der WO 2005/106064 A1 ist eine Turbinenschaufel bekannt, deren Außenfläche mit Aluminium beschichtet ist. Eine Innenfläche, insbesondere Kühlbohrungen, weist eine Chrombeschichtung mit einer Chromkonzentration zwischen 30 und 60 Gew.-% auf.
  • Aus GB2424 032 A ist eine Turbinenschaufel bekannt, deren Schaufelfuß mit Chromium beschietet ist. Anschließend wird einer direkt auf die Chromienbeschictung Aluminium oder MCrAlY Beschichtung aufgetragen.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Beschichten einer Turbinenschaufel zu schaffen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Beschichten einer Turbinenschaufel ist in Patentanspruch1 definiert. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Turbinenschaufel; b) Aufragen mindestens einer Lackschicht auf zumindest einen Bereich der Türbinenschaufel, 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 1160°C.
  • 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 Turbinenschaufel 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 Diffusionsbeschichtung 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 Korrosionsschutzbeschichtung 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 Schäufelfuß 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 CrCl2-Partikel und/oder um CrCl3-Partikel. Das Bindemittel des Lacks ist vorzugsweise auf Acrylbasis oder Glycolbasis oder Polyvinylbasis 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 Acrylsäureester oder Methacrylsäureester, eine Methyl-Cellulose-Verbindung, ein Polysacharid, ein Polyvinylalkohol, ein Polyvinylether, ein Polyvinylacetat, ein Polyvinylpyrrolidon oder eine kolloidale Kieselsäure-Mischung verwendet werden. Es kann auch eine nichtwässrige 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 Schaufelfuß 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 50°C 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 900°C und 1160°C, 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 950°C und 1200°C 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 Verwendung.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Beschichten einer Turbinenschaufel (10) einer Gasturbine, wobei die Turbinenschaufel ein Schaufelblatt (11), einen Schaufelfuß (12) und eine zwischen Schaufelblatt und Schaufelfuß positionierte Plattform (13) aufweist, nämlich zum Aufbringen einer Korrosionsschutzbeschichtung auf zumindest einen Bereich der Turbinenschaufel, insbesondere auf eine Unterseite (14) der Plattform und/oder einen Übergangsbereich (15) zwischen der Unterseite der Plattform und dem Schaufelfuß, mit zumindest den folgenden Schritten:
    a) Bereitstellen einer Turbinenschaufel (10);
    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 1160°.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der in Schritt b) aufgetragene Lack als Halogenide Metallchlorid-Partikel.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der in Schritt b) aufgetragene Lack als Metallchlorid-Partikel CrCl2-Partikel und/oder CrCl3-Partikel umfasst.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der in Schritt b) aufgetragene Lack ein Bindemittel auf Acrylbasis oder Glycolbasis oder Polyvinylbasis umfasst.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Trocknen in Schritt c) für eine Zeitspanne zwischen 5 min und 240 min erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Reaktionsverbinden in Schritt d) für eine Zeitspanne zwischen 15 min und 15 h erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass nach dem Reaktionsverbinden ein Diffusionsglühen erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Diffusionsglühen für eine Zeitspanne zwischen 30 min und 12 h bei einer Temperatur zwischen 950°C und 1200°C erfolgt.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Diffusionsglühen in einer Halogenidatmosphäre erfolgt.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Diffusionsglühen in einer Wasserstoff atmosphäre 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.
  11. Verfahren nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Wasserstoffatmosphäre oder Inertgas-Partialdruckatmosphäre einen gasförmigen Zusatz von CrCl2-Partikeln und/oder CrCl3-Partikeln aufweist.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Änsprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass 1 bis 10 Lackschichten mit einer Dicke von 2µm bis 50µm je Lackschicht aufgetragen werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass 3 bis 6 Lackschichten aufgetragen werden.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Chromgehalt im Oberflächenbereich auf einen Wert zwischen 40 Gew.-% und 95 Gew.-% eingestellt wird.
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