EP2584067A1 - Component with graphene and method for producing components with graphene - Google Patents
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- EP2584067A1 EP2584067A1 EP11185872.6A EP11185872A EP2584067A1 EP 2584067 A1 EP2584067 A1 EP 2584067A1 EP 11185872 A EP11185872 A EP 11185872A EP 2584067 A1 EP2584067 A1 EP 2584067A1
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- 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
- F01D5/12—Blades
- F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
- F01D5/288—Protective coatings for blades
Definitions
- the invention relates to components with graphene, which serve for the oxidation and / or corrosion protection and mechanical stability of components which are used in particular at high temperatures, as well as a method for the production of components with graphene.
- Materials for high-temperature applications must have good mechanical strength at high temperatures and generally also good oxidation properties.
- protective layers are applied to substrates that serve to protect against oxidation.
- substrates that serve to protect against oxidation.
- protective layers are e.g. Aluminide, platinum aluminide or MCrAl layers on nickel- or cobalt-based substrates.
- the object is achieved by a layer system with graphene according to claim 1 and a method according to claim 9.
- Graphene 7 ', 7 ", 7"', 7 IV , 7 V represents a two-dimensional honeycomb structure ( Fig. 11 ). Each node contains one carbon atom.
- Graphene 7 'can preferably be applied directly to a substrate 4 according to FIG. 1 be applied or be present.
- the substrate 4 may be metallic or ceramic.
- this is preferably a nickel-based or cobalt-based superalloy, especially a nickel-based superalloy, most preferably an alloy according to FIG FIG. 15 ,
- the graph 7 ' may already be cast in, i. it is already present in a casting during casting or is introduced into the melt there.
- a protective layer 10, in particular a metallic protective layer 10, can preferably be applied over the graphene 7 'on the substrate 4 ( Fig. 3 ).
- the graphene 7 ' may be in direct contact with the protective layer 10 or may be disposed within the substrate 4.
- graphene 7 " may be applied to a protective layer 10, in particular to a metallic protective layer 10, which has already been applied on the substrate 4 in advance ( Fig. 2 ), with no further layer on the graph 7 ".
- FIG. 4 shows a further embodiment.
- FIG. 5 shows another embodiment in which graphene 7 '''represents the outermost layer on a ceramic layer 13.
- Graphene 7 ''' is applied to a ceramic layer 13. At least one metallic protective layer can be applied under this ceramic layer 13 (also in accordance with FIG Fig. 7 ; not shown in detail).
- the graphene 7 ', 7 IV , 7 V can be arranged within the metallic protective layer 10, and / or the ceramic layer 13 ( Fig. 6 . 7, 8, 9 ).
- graphene 7 '', 7 ''' may be present on the metallic protective layer 10 and the outer ceramic layer 13 ( Fig. 10 ), wherein preferably the graphene also still within the layers (according to Fig. 6 . 8th ) may be arranged (not shown).
- graphs 7 ', 7 ",... Simply or multiply in a layer system 1, 120, 130, 155 on or in the metallic layer 10 or the ceramic layer 13 and / or on or in the ceramic layer 13, whereby the Exposure of oxidation and corrosion to the substrate 4, the metallic protective layer 10 is reduced, so that the oxidation and / or corrosion rates are significantly reduced (especially in the FIGS. 1, 2, 4, 5 . 7, 8, 9, 10 ) and the life of the layer 10, 13 is extended.
- an oxide in particular aluminum oxide, can form or has formed on the substrate 4 or on the protective layer 10.
- the graphene 7 ', 7'',7''', 7 IV , 7 V can be introduced into the warm and therefore soft layers 10 or is annealed or fixed by a laser treatment of the substrate 4 or the layer 10, 13.
- graphene 7 ', 7'',7''', 7 IV , 7 V is grown directly on the substrate 4 or layers 10, 13.
- FIG. 12 shows a perspective view of a blade 120 or guide vane 130 of a turbomachine, which 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 consecutively a fastening region 400, a blade platform 403 adjacent thereto and an airfoil 406 and a blade tip 415.
- the blade 130 may have at its blade tip 415 another platform (not shown).
- a blade root 183 is formed which serves to secure the blades 120 and vanes 130 to a shaft or 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 leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.
- Such superalloys are for example from EP 1 204 776 B1 .
- EP 1 306 454 .
- the blade 120, 130 can be made by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
- Workpieces with a single-crystal structure or structures are used as components for machines that are in operation high mechanical, thermal and / or chemical stresses are exposed.
- Such monocrystalline workpieces takes place e.g. by directed solidification from the melt.
- These are casting processes in which the liquid metallic alloy is transformed into a monocrystalline structure, i. to the single-crystal workpiece, or directionally solidified.
- dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, i.e., grains that run the full length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, i. the whole workpiece consists of a single crystal.
- a columnar grain structure columnar, i.e., grains that run the full length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified
- a monocrystalline structure i. the whole workpiece consists of a single crystal.
- directionally solidified microstructures which means both single crystals that have no grain boundaries or at most small angle grain boundaries, and stem crystal structures that have probably longitudinal grain boundaries but no transverse grain boundaries. These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures. Such methods are known from U.S. Patent 6,024,792 and the EP 0 892 090 A1 known.
- the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. 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 ones Earth, or hafnium (Hf)).
- 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 ones Earth, or hafnium (Hf)).
- Such alloys are known from the EP 0 486 489 B1 .
- EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1 are known from the EP 0 486 489 B1 .
- the density is preferably 95% of the theoretical density.
- the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8A1-0.6Y-0.7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Y.
- nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-11Al-0.4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1 are also preferably used , 5RE.
- thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
- the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
- suitable coating methods e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
- the thermal barrier coating 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.
- Refurbishment means that components 120, 130 may have to be freed of protective layers after use (eg by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. This is followed by a re-coating of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.
- 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.
- the FIG. 13 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine.
- the combustion chamber 110 is configured, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a plurality of burners 107 arranged around a rotation axis 102 in the circumferential direction open into a common combustion chamber space 154, which generate flames.
- 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 side with an inner lining formed from heat shield elements 155.
- Each heat shield element 155 made of an alloy is equipped on the working medium side with a particularly heat-resistant protective layer (MCrAIX layer and / or ceramic coating) 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 the EP 0 486 489 B1 .
- EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1 are known from the EP 0 486 489 B1 .
- EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1 is known from the EP 0 486 489 B1 .
- a ceramic thermal barrier coating may be present and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide 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 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. If necessary, cracks in the heat shield element 155 are also repaired. This is followed by a recoating of the heat shield elements 155 and a renewed use of the heat shield elements 155.
- 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.
- FIG. 14 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.
- a compressor 105 for example, a torus-like
- 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. As seen in the direction of flow of a working medium 113, in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115, a series 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 supplied 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 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 seen in the direction of flow of the working medium 113 become, in addition to the annular combustion chamber 110 lining heat shield elements most thermally stressed.
- substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
- iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used as the material for the components, in particular for the turbine blade 120, 130 and components of the combustion chamber 110.
- Such superalloys are for example from EP 1 204 776 B1 .
- EP 1 306 454 .
- the blades 120, 130 may be anti-corrosion coatings (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium).
- M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
- X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium).
- Such alloys are known from the EP 0 486 489 B1 .
- EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1 are known from the EP 0 486 489 B1 .
- MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , that is, it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
- Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
- the vane 130 has a guide vane foot (not shown here) facing the inner housing 138 of the turbine 108 and a vane head opposite the vane foot.
- the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Bauteile mit Graphen, die zum Oxidations- und/oder Korrosionsschutz und mechanischen Stabilität von Bauteilen dienen, die insbesondere bei hohen Temperaturen eingesetzt werden, sowie ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit Graphen.The invention relates to components with graphene, which serve for the oxidation and / or corrosion protection and mechanical stability of components which are used in particular at high temperatures, as well as a method for the production of components with graphene.
Materialien für Hochtemperaturanwendungen müssen gute mechanische Festigkeiten bei hohen Temperaturen und in der Regel auch gute Oxidationseigenschaften aufweisen.Materials for high-temperature applications must have good mechanical strength at high temperatures and generally also good oxidation properties.
Diese Kombination liegt für ein Material alleine selten vor, so dass Schutzschichten auf Substrate aufgebracht werden, die zum Oxidationsschutz dienen. Dies sind z.B. Aluminid-, Platinaluminid- oder MCrAl-Schichten auf nickel- oder kobaltbasierten Substraten.This combination is rare for a material alone, so that protective layers are applied to substrates that serve to protect against oxidation. These are e.g. Aluminide, platinum aluminide or MCrAl layers on nickel- or cobalt-based substrates.
Diese Schutzschichten verbrauchen sich jedoch und weisen nicht dieselben mechanischen Eigenschaften auf wie das Substrat.However, these protective layers consume and do not have the same mechanical properties as the substrate.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, dieses Problem zu lösen.It is therefore an object of the invention to solve this problem.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schichtsystem mit Graphen gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9.The object is achieved by a layer system with graphene according to
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.In the dependent claims further advantageous measures are listed, which can be combined with each other in order to achieve further advantages.
Es zeigen:
- Figuren 1 - 10
- verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung,
Figur 11- Graphen,
- Figur 12
- eine Turbinenschaufel,
Figur 13- eine Brennkammer,
- Figur 14
- eine Gasturbine,
- Figur 15
- eine Liste von Superlegierungen.
- Figures 1-10
- different embodiments of the invention,
- FIG. 11
- graphs
- FIG. 12
- a turbine blade,
- FIG. 13
- a combustion chamber,
- FIG. 14
- a gas turbine,
- FIG. 15
- a list of superalloys.
Die Beschreibung und die Figuren stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.The description and the figures represent only embodiments of the invention.
Graphen 7', 7" , 7"' , 7IV, 7V stellt eine zweidimensionale Honigwabenstruktur dar (
Graphen 7' kann vorzugsweise direkt auf ein Substrat 4 gemäß
Das Graphen 7' kann schon mit eingegossen sein, d.h. es ist beim Gießen schon in einer Gussform vorhanden oder wird dort in die Schmelze eingebracht.The graph 7 'may already be cast in, i. it is already present in a casting during casting or is introduced into the melt there.
Über dem Graphen 7' auf dem Substrat 4 kann vorzugsweise eine Schutzschicht 10, insbesondere eine metallische Schutzschicht 10 aufgebracht sein (
Das Graphen 7' kann den direkten Kontakt zu der Schutzschicht 10 darstellen oder ist innerhalb des Substrats 4 angeordnet.The graphene 7 'may be in direct contact with the
Ebenso kann Graphen 7" auf einer Schutzschicht 10, insbesondere auf einer metallischen Schutzschicht 10 aufgebracht sein, die auf dem Substrat 4 vorab schon aufgebracht wurde (
Die metallische Schutzschicht 10 ist vorzugsweise eine Aluminid-, Platinaluminid- oder MCrAl-Schicht, wobei die MCrAl-Schicht 10 noch weitere Zusätze, insbesondere wie Yttrium aufweisen kann (M = Ni, Co) (ebenso vorzugsweise für
Dort ist auf dem Graphen 7" noch eine äußere keramische Schicht 13 aufgebracht, entspricht also einem Bauteil 1, 120, 130, 155 gemäß
Graphen 7''' ist auf einer keramischen Schicht 13 aufgebracht. Unter dieser keramischen Schicht 13 kann noch zumindest eine metallische Schutzschicht aufgebracht sein (auch gemäß
Ebenso kann das Graphen 7', 7IV, 7V innerhalb der metallischen Schutzschicht 10, und/oder der keramischen Schicht 13 angeordnet sein (
Ebenso kann Graphen 7'', 7''' auf der metallischen Schutzschicht 10 und der äußeren keramischen Schicht 13 vorhanden sein (
Die Dicke des Graphen 7', 7'' , ... ist in den Figuren nur schematisch dargestellt.The thickness of the graph 7 ', 7 ",... Is shown only schematically in the figures.
Durch die hohe chemische Beständigkeit und der kaum oder gar nicht vorhandenen Oxidations- und Korrosionsneigung von Graphen kann Graphen 7', 7'' , ... einfach oder mehrfach in ein Schichtsystem 1, 120, 130, 155 auf oder in der metallischen Schicht 10 oder die keramische Schicht 13 und/oder auf oder in der keramischen Schicht 13 eingebracht werden, wodurch die Einwirkung von Oxidation und Korrosion auf das Substrat 4, die metallische Schutzschicht 10 verringert wird, so dass die Oxidations- und/oder Korrosionsraten deutlich verringert werden (besonders in den
Ebenso wird durch das Aufbringen oder Einbringen von Graphen 7', ... die mechanische Festigkeit der Schutzschichten 10, 13 verbessert und die Lebensdauer des Schichtsystems erhöht (
Ebenso gilt für die Ausführungsbeispiele der
Das Graphen 7', 7'' , 7''' , 7IV, 7V kann in die warmen und damit weichen Schichten 10 eingebracht werden oder wird durch eine Laserbehandlung des Substrats 4 oder der Schicht 10, 13 aufgeglüht oder befestigt.The graphene 7 ', 7'',7''', 7 IV , 7 V can be introduced into the warm and therefore
Ebenso ist es möglich, dass Graphen 7', 7'' , 7''' , 7IV, 7V direkt auf dem Substrat 4 oder Schichten 10, 13 aufwachsen gelassen wird.It is also possible that graphene 7 ', 7'',7''', 7 IV , 7 V is grown directly on the
Ebenso ist es möglich, Graphen 7', 7'' , ... auf ein Substrat 4 oder eine metallische Schutzschicht 10 oder keramischen Schicht 13 aufzubringen und dann das Material der Schicht 10, 13 um das Graphen 7', 7'' , ... herum aufzuspritzen oder das Graphen 7', 7'' , ... zu überspritzen, so dass das Graphen 7', 7'' , ... verankert wird.It is likewise possible to apply graphene 7 ', 7 ",... To a
Die
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.The turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for power generation, a steam turbine or a compressor.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.The
Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt).As a
Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120 und Leitschaufeln 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt).In the
Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.The
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.The
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.In
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der
Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.The
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.Workpieces with a single-crystal structure or structures are used as components for machines that are in operation high mechanical, thermal and / or chemical stresses are exposed.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.The production of such monocrystalline workpieces takes place e.g. by directed solidification from the melt. These are casting processes in which the liquid metallic alloy is transformed into a monocrystalline structure, i. to the single-crystal workpiece, or directionally solidified.
Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.Here, dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, i.e., grains that run the full length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, i. the whole workpiece consists of a single crystal. In these processes, it is necessary to avoid the transition to globulitic (polycrystalline) solidification, since non-directional growth necessarily produces transverse and longitudinal grain boundaries which negate the good properties of the directionally solidified or monocrystalline component.
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 Richtung 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
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (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
Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.The density is preferably 95% of the theoretical density.
Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer).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).
Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr-8A1-0,6Y-0,7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0,6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al-0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-11Al-0,4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr-10Al-0,4Y-1,5Re.Preferably, the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8A1-0.6Y-0.7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Y. In addition to these cobalt-based protective coatings, nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-11Al-0.4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1 are also preferably used , 5RE.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.On the MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, which is preferably the outermost layer, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.The thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer. By suitable coating methods, e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.Other coating methods are conceivable, e.g. atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD. The thermal barrier coating 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.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 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 im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.Refurbishment means that
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.The
Die
Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.The
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1000°C bis 1600°C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern 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.To achieve a comparatively high efficiency, the
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAIX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt.Each
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
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.On the MCrAlX, for example, a ceramic thermal barrier coating may be present and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.By suitable coating methods, e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.Other coating methods are conceivable, e.g. atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD. The thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass 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 dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Hitzeschildelemente 155.Refurbishment means that
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.Due to the high temperatures inside the
Die
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.The
Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartigeAlong the
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.The
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.Each
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.The guide vanes 130 are fastened to an
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).Coupled to the
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 geführt 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 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.During operation of the
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen 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 belastet.The components exposed to the hot working
Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.To withstand the prevailing temperatures, they can be cooled by means of a coolant.
Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur).Likewise, substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen verwendet.As the material for the components, in particular for the
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (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, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium). Solche Legierungen sind bekannt aus der
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.On the MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , that is, it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.By suitable coating methods, e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt.The
Claims (12)
insbesondere Hochtemperaturbauteil,
das (1) zumindest aufweist:
in particular high-temperature component,
that (1) has at least:
bei dem das Substrat (4) metallisch ist,
insbesondere eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung aufweist,
ganz insbesondere daraus besteht.Component according to claim 1,
wherein the substrate (4) is metallic,
in particular has a nickel- or cobalt-based superalloy,
in particular, consists of it.
bei dem Graphen (7') auf oder in dem Substrat (4) vorhanden ist,
insbesondere auf dem Substrat (4),
ganz insbesondere direkt auf dem Substrat (4).Component claim 1 or 2,
in the graph (7 ') is present on or in the substrate (4),
in particular on the substrate (4),
in particular directly on the substrate (4).
wobei auf dem Substrat (4) eine Schicht (10),
insbesondere eine metallische Schutzschicht (10),
ganz insbesondere eine MCrAlX-Schicht (10),
vorhanden ist,
auf der (10) oder unter der (10) Graphen (7") vorhanden ist,
insbesondere direkt auf der Schicht (10) vorhanden ist.Component according to one or more of claims 1, 2 or 3,
wherein on the substrate (4) a layer (10),
in particular a metallic protective layer (10),
in particular an MCrAlX layer (10),
is available,
is present on the (10) or under the (10) graphs (7 "),
in particular directly on the layer (10) is present.
bei dem eine keramische Schicht (13) auf Graphen (7'') vorhanden ist,
insbesondere direkt auf Graphen (7'') vorhanden ist.Component according to one or more of claims 1, 2, 3 or 4,
in which a ceramic layer (13) is present on graphene (7 ''),
especially directly on graphene (7 '') is present.
bei dem Graphen (7''') direkt auf einer keramischen Schicht (13),
insbesondere direkt auf einer äußersten keramischen Schicht (13) vorhanden ist.Component according to one or more of claims 1, 2, 3, 4 or 5,
in the graph (7 ''') directly on a ceramic layer (13),
in particular directly on an outermost ceramic layer (13) is present.
bei dem Graphen (7IV, 7V) innerhalb zumindest einer metallischen (10) oder keramischen Schicht (13) vorhanden ist.Component according to one or more of the preceding claims,
in which graphene (7 IV , 7 V ) is present within at least one metallic (10) or ceramic layer (13).
bei dem Graphen (7', 7'' , 7''' , 7IV, 7V) nur lokal in oder auf dem Substrat (4) oder nur lokal in oder auf zumindest einer Schicht (10, 13) vorhanden ist.Component according to one or more of the preceding claims,
in the graph (7 ', 7'',7''', 7 IV , 7 V ) only locally in or on the substrate (4) or only locally in or on at least one layer (10, 13) is present.
bei dem zumindest eine Lage,
insbesondere nur eine Lage von Graphen (7' , 7'' , 7''' , 7IV, 7V) auf oder in das Substrat (4) oder auf eine oder in zumindest eine Schicht (10, 13) auf- oder eingebracht wird.Method of manufacturing a component (1) according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 or 8,
at least one location,
in particular, only one layer of graphene (7 ', 7'',7''', 7 IV , 7 V ) on or in the substrate (4) or on or in at least one layer (10, 13) or introduced becomes.
bei dem Graphen (7', 7'' , 7''' , 7IV, 7V) direkt auf dem Substrat (4) oder auf den oder in den Schichten (7, 13) aufwachsen gelassen wird.Method according to claim 9,
in which graphene (7 ', 7'',7''', 7 IV , 7 V ) is grown directly on the substrate (4) or on or in the layers (7, 13).
bei dem eine Schicht aus Graphen (7', 7IV, 7V) in eine Schicht (10, 13) eingebracht wird und so mechanisch verbunden wird.Method according to one or both of claims 9 or 10,
in which a layer of graphene (7 ', 7 IV , 7 V ) is introduced into a layer (10, 13) and thus mechanically connected.
bei dem eine Schicht aus Graphen (7', 7'' , 7''' , 7IV, 7V) auf eine Schicht (10, 13) oder ein Substrat (4) gebracht wird und überbeschichtet, insbesondere überspritzt wird, so dass es mechanisch mit der Schicht (10, 13) verbunden wird.Method according to one or more of claims 9, 10 or 11,
in which a layer of graphene (7 ', 7'',7''', 7 IV , 7 V ) is placed on a layer (10, 13) or a substrate (4) and overcoated, in particular over-injected, so that it is mechanically connected to the layer (10, 13).
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