EP2589681A1 - Kombination von kolumnaren und globularen Strukturen - Google Patents

Kombination von kolumnaren und globularen Strukturen Download PDF

Info

Publication number
EP2589681A1
EP2589681A1 EP11188030.8A EP11188030A EP2589681A1 EP 2589681 A1 EP2589681 A1 EP 2589681A1 EP 11188030 A EP11188030 A EP 11188030A EP 2589681 A1 EP2589681 A1 EP 2589681A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
sprayed
plasma
layer system
columnar structure
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Withdrawn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
EP11188030.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Dorn
Francis-Jurjen Ladru
Dietmar Reiermann
Michael Rindler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP11188030.8A priority Critical patent/EP2589681A1/de
Publication of EP2589681A1 publication Critical patent/EP2589681A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/32—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer
    • C23C28/321—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer with at least one metal alloy layer
    • C23C28/3215—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer with at least one metal alloy layer at least one MCrAlX layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
    • C23C28/345—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer
    • C23C28/3455—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer with a refractory ceramic layer, e.g. refractory metal oxide, ZrO2, rare earth oxides or a thermal barrier system comprising at least one refractory oxide layer
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/605—Crystalline
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/606—Directionally-solidified crystalline structures

Definitions

  • the invention relates to a layer of a component in which both a plasma-sprayed coating and a columnar structures are applied.
  • High-temperature components such as gas turbine blades are designed as a layer system, wherein a ceramic outer layer contributes to the thermal insulation.
  • the US 2009/0252985 A1 discloses a two-ply layer of a dense ceramic layer having vertical cracks and an outer columnar structure thereon.
  • the US Pat. No. 7,412,771 B1 discloses a coating method for applying different materials to different surfaces of a turbine blade.
  • thermo-mechanical loads It is therefore an object of the invention to provide a layer that is suitable for the different thermo-mechanical loads.
  • the object is achieved by a layer system according to claim 1.
  • FIG. 1 a cross-section through a layer system 1, 120, 130 according to the invention is shown.
  • the layer system 1 is determined by means of a turbine blade 120, 130 (FIG. Fig. 3 ) explained by way of example only.
  • the layer system 1 comprises a substrate 7, in particular of a nickel- or cobalt-based superalloy, in particular of an alloy according to FIG FIG. 4 on.
  • a metallic adhesive layer and / or oxidized or thermally grown oxide layer (TGO) (both not shown here) is present.
  • a ceramic layer 19 is present as the outer, in particular as the outermost layer.
  • the ceramic layer 19 is formed locally differently.
  • a very strain-tolerant structure in particular a columnar structure, is produced, in particular by a PVD or EB-PVD process.
  • a thermally sprayed in particular a plasma sprayed (APS, VPS, LPPS, LVPS, HVOF) layer, in particular an APS Layer available.
  • APS plasma sprayed
  • the plasma-sprayed layer 10 is characterized by a globular structure with flat grains.
  • both a columnar structure 13 as a lower ceramic layer and as an outer APS layer is preferably present.
  • the thickness of the columnar layer 13 preferably decreases in the direction of the globular layer, and that of the sprayed layer 10 (globular) also decreases.
  • the columnar structure 13 may be present on the plasma-sprayed layer 10.
  • the porosities for the layers are preferably for the plasma-sprayed layer 10 at 7% - 25%, in particular 12 - 25% and for the columnar structure 13 at 1% to 10%.
  • the thickness of the layer 10 is preferably at least 10%, in particular at least 20% thicker than the thickness of the columnar structure 13.
  • FIG. 2 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103 with a shaft 101, which is also referred to as a turbine runner.
  • an intake housing 104 a compressor 105, for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • a compressor 105 for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example.
  • annular annular hot gas channel 111 for example.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings. 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, viewed in the flow direction of the working medium 113, are subjected to the greatest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110.
  • substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • 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.
  • FIG. 3 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 for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
  • the blade root 183 is designed, for example, as a hammer head. Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has a 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.
  • 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-8Al-0.6Y-0.7Si or Co-28Ni-24Cr-10A1-0.6Y.
  • nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-11Al-0.4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10A1-0,4Y-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 MCrAIX layer.
  • suitable coating methods e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • EB-PVD Electron beam evaporation
  • 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 MCrAIX 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.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Abstract

Durch die Kombination einer kolumnaren Struktur (13) in einem Übergangsbereich (22) durch eine entsprechende Dicke der plasmagespritzten Schicht (10) können die thermischen und mechanischen Belastungen einer Turbinenschaufel (120, 130) erhöht werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schicht eines Bauteils, bei dem sowohl eine plasmagespritzte Beschichtung und eine kolumnare Strukturen aufgebracht werden.
  • Hochtemperaturbauteile wie Gasturbinenschaufeln werden als Schichtsystem ausgeführt, wobei eine keramische äußere Schicht zur Wärmedämmung beiträgt.
  • Es sind aber die mechanischen und thermischen Belastungen, insbesondere bei einer Gasturbinenschaufel, lokal stark unterschiedlich.
  • Die US 2009/0252985 A1 offenbart eine zweilagige Schicht aus einer dichten keramischen Schicht mit Vertikalrissen und äußerer kolumnarer Struktur darauf.
  • Die US 7,412,771 B1 offenbart eine Beschichtungsmethode um verschiedene Materialien auf verschiedene Flächen einer Turbinenschaufel aufzubringen.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schicht aufzuzeigen, die den unterschiedlichen thermomechanischen Belastungen gerecht wird.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schichtsystem gemäß Anspruch 1.
  • In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen. Es zeigen:
    • Figur 1
    ein erfindungsgemäßes Schichtsystem,
    Figur 2
    eine Gasturbine,
    Figur 3
    eine Turbinenschaufel und
    Figur 4
    eine Liste von Superlegierungen.
  • Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
  • In Figur 1 ist ein Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Schichtsystem 1, 120, 130 gezeigt.
  • Das Schichtsystem 1 wird anhand einer Turbinenschaufel 120, 130 (Fig. 3) nur beispielhaft erläutert.
  • Das Schichtsystem 1 weist ein Substrat 7, insbesondere aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung, ganz insbesondere aus einer Legierung gemäß Figur 4 auf.
  • Auf der äußeren Oberfläche des Substrats 7 ist eine metallische Haftvermittlerschicht und/oder oxidierte oder thermisch gewachsene Oxidschicht (TGO) (beides hier nicht näher dargestellt) vorhanden. Auf dem Substrat 7 ist als äußere, insbesondere als äußerste Schicht eine keramische Schicht 19 vorhanden.
  • Die keramische Schicht 19 ist jedoch lokal unterschiedlich ausgebildet.
  • In einem thermisch hoch behafteten Bereich, insbesondere im Bereich der Anströmkante 409 einer Turbinenschaufel 120, 130, ist eine sehr dehnungstolerante Struktur, insbesondere eine kolumnare Struktur vorhanden, hergestellt insbesondere durch ein PVD oder EB-PVD-Verfahren.
  • In dem anderen Bereich 406, insbesondere auf der Saug- und/oder Druckseite 8, 8' der Turbinenschaufel 120, 130, ist eine thermisch gespritzte, insbesondere eine plasmagespritzte (APS, VPS, LPPS, LVPS, HVOF) Schicht, insbesondere eine APS-Schicht vorhanden.
  • Die plasmagespritzte Schicht 10 zeichnet sich durch eine globulare Struktur mit flachen Körnern aus.
  • In einem Übergangsbereich 22', 22" von den zwei verschiedenen Schichtbereichen 409, 406, 8, 8' ist vorzugsweise sowohl eine kolumnare Struktur 13 als untere keramische Schicht als auch als eine äußere APS-Schicht vorhanden.
  • Die Dicke der kolumnaren Schicht 13 nimmt vorzugsweise in Richtung der globularen Schicht vorzugsweise ab und die der gespritzten Schicht 10 (globular) nimmt ebenfalls ab.
  • Ebenso kann vorzugsweise in dem Übergangsbereich 22', 22" die kolumnare Struktur 13 auf der plasmagespritzten Schicht 10 vorhanden sein.
  • Die Porositäten für die Schichten liegen vorzugsweise für die plasmagespritzte Schicht 10 bei 7% - 25%, insbesondere 12 - 25% und für die kolumnare Struktur 13 bei 1% bis 10%.
  • Die Dicke der Schicht 10 ist vorzugsweise mindestens 10%, insbesondere mindestens 20% dicker als die Dicke der kolumnaren Struktur 13.
  • So kann der Übergang zwischen Schichten 10, 13, die unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, gut angepasst werden
  • Die Figur 2 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt.
  • Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.
  • Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
  • Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.
  • Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
  • Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
  • An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).
  • Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 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.
  • 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.
  • Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.
  • Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur).
  • Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen verwendet.
  • Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
  • 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 EP 0 486 489 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 .
  • 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.
  • Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
  • 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.
  • Die Figur 3 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
  • Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
  • Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.
  • Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt).
  • Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt).
  • Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
  • Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.
  • Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.
  • Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
  • Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
  • Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
  • Die Fertigung von derartigen einkristallinen 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.
  • 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.
  • 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 US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 A1 bekannt.
  • 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 EP 0 486 489 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 .
  • Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.
  • Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer).
  • Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr-8Al-0,6Y-0,7Si oder Co-28Ni-24Cr-10A1-0,6Y 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-10A1-0,4Y-1,5Re.
  • Auf der MCrAIX 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.
  • Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAIX-Schicht. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
  • Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAIX-Schicht.
  • 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.
  • 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.

Claims (12)

  1. Schichtsystem,
    das zumindest aufweist:
    ein Substrat (7),
    eine keramische Schicht (19),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die keramische Schicht (19) an verschiedenen Stellen (8, 8', 406, 409) durch zwei verschiedene Beschichtungsverfahren hergestellt wurde,
    insbesondere zwei deutlich verschiedene Mikrostrukturen (10, 13) aufweist.
  2. Schichtsystem nach Anspruch 1,
    bei dem in einem Bereich (406)
    eine kolumnare, keramische Struktur (13) vorhanden ist, insbesondere an thermisch hochbelasteten Bereichen (409), ganz insbesondere auf und um eine Anströmkante (409) einer Turbinenschaufel (120, 130).
  3. Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2,
    bei dem in dem anderen Bereich (406, 8, 8'),
    eine thermisch gespritzte,
    insbesondere plasmagespritzte,
    keramische Schicht (10) vorhanden ist,
    ganz insbesondere auf der Saug- und/oder Druckseite (8, 8') einer Turbinenschaufel (120, 130).
  4. Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 3,
    bei dem die plasmagespritzte Schicht (10) eine APS-, VPS, LPPS, LVPS oder eine HVOF-hergestellte Schicht ist, insbesondere ohne durch die ganze Schicht (10) durchgehende Vertikalrisse.
  5. Schichtsystem nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die kolumnare Struktur durch ein PVD, insbesondere durch ein EB-PVD-Verfahren hergestellt wurde.
  6. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    bei dem die Dicke der plasmagespritzten Schicht (10) mindestens 10%,
    insbesondere mindestens 20% dicker ist als die Dicke der kolumnaren Schicht (13).
  7. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    das in einem Übergangsbereich (22', 22") von der kolumnaren Struktur (13) zu der plasmagespritzten Schicht (10) sich die plasmagespritzte Schicht (10) und die kolumnare Struktur (13) überlappen,
    insbesondere dass die plasmagespritzte Schicht (10) oberhalb auf der kolumnaren Struktur (13) aufgebracht ist.
  8. Schichtsystem nach Anspruch 7,
    bei dem die Schichtdicke der kolumnaren Struktur (13) in dem Übergangsbereich (22', 22") abnimmt und
    die Schichtdicke der plasmagespritzten Schicht (10) abnimmt.
  9. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    deren Porosität für die nicht kolumnare Struktur (10) 7% - 25% beträgt.
  10. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    deren Porosität für die kolumnare Struktur (10) 1% - 10% beträgt.
  11. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    deren absoluten Porositätsunterschiede für die unterschiedlichen Strukturen (10, 13) mindestens 2%, insbesondere 4% beträgt.
  12. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    das für die verschiedenen Strukturen das gleiche Material aufweist,
    insbesondere Zirkonoxid,
    ganz insbesondere teilstabilisiert.
EP11188030.8A 2011-11-07 2011-11-07 Kombination von kolumnaren und globularen Strukturen Withdrawn EP2589681A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP11188030.8A EP2589681A1 (de) 2011-11-07 2011-11-07 Kombination von kolumnaren und globularen Strukturen

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP11188030.8A EP2589681A1 (de) 2011-11-07 2011-11-07 Kombination von kolumnaren und globularen Strukturen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2589681A1 true EP2589681A1 (de) 2013-05-08

Family

ID=45418350

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP11188030.8A Withdrawn EP2589681A1 (de) 2011-11-07 2011-11-07 Kombination von kolumnaren und globularen Strukturen

Country Status (1)

Country Link
EP (1) EP2589681A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015073938A1 (en) 2013-11-18 2015-05-21 United Technologies Corporation Article having variable coating

Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0486489B1 (de) 1989-08-10 1994-11-02 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperaturfeste korrosionsschutzbeschichtung, insbesondere für gasturbinenbauteile
EP0412397B1 (de) 1989-08-10 1998-03-25 Siemens Aktiengesellschaft Rheniumhaltige Schutzbeschichtung mit grosser Korrosions- und/oder Oxidationsbeständigkeit
EP0892090A1 (de) 1997-02-24 1999-01-20 Sulzer Innotec Ag Verfahren zum Herstellen von einkristallinen Strukturen
EP0786017B1 (de) 1994-10-14 1999-03-24 Siemens Aktiengesellschaft Schutzschicht zum schutz eines bauteils gegen korrosion, oxidation und thermische überbeanspruchung sowie verfahren zu ihrer herstellung
WO1999067435A1 (en) 1998-06-23 1999-12-29 Siemens Aktiengesellschaft Directionally solidified casting with improved transverse stress rupture strength
US6024792A (en) 1997-02-24 2000-02-15 Sulzer Innotec Ag Method for producing monocrystalline structures
WO2000044949A1 (en) 1999-01-28 2000-08-03 Siemens Aktiengesellschaft Nickel base superalloy with good machinability
EP1306454A1 (de) 2001-10-24 2003-05-02 Siemens Aktiengesellschaft Rhenium enthaltende Schutzschicht zum Schutz eines Bauteils gegen Korrosion und Oxidation bei hohen Temperaturen
EP1313932A2 (de) * 2000-08-31 2003-05-28 Siemens Westinghouse Power Corporation Wärmedämmendes beschichtungssystem für turbinenbauteile
EP1319729A1 (de) 2001-12-13 2003-06-18 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperaturbeständiges Bauteil aus einkristalliner oder polykristalliner Nickel-Basis-Superlegierung
EP1204776B1 (de) 1999-07-29 2004-06-02 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperaturbeständiges bauteil und verfahren zur herstellung des hochtemperaturbeständigen bauteils
EP1803514A2 (de) * 2005-12-30 2007-07-04 Sandvik Intellectual Property AB Schneidewerkzeugeinsatz
US7412771B2 (en) 2005-08-05 2008-08-19 Bradbow, Inc. Pendulum bow sight
US20090252985A1 (en) 2008-04-08 2009-10-08 Bangalore Nagaraj Thermal barrier coating system and coating methods for gas turbine engine shroud

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0486489B1 (de) 1989-08-10 1994-11-02 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperaturfeste korrosionsschutzbeschichtung, insbesondere für gasturbinenbauteile
EP0412397B1 (de) 1989-08-10 1998-03-25 Siemens Aktiengesellschaft Rheniumhaltige Schutzbeschichtung mit grosser Korrosions- und/oder Oxidationsbeständigkeit
EP0786017B1 (de) 1994-10-14 1999-03-24 Siemens Aktiengesellschaft Schutzschicht zum schutz eines bauteils gegen korrosion, oxidation und thermische überbeanspruchung sowie verfahren zu ihrer herstellung
EP0892090A1 (de) 1997-02-24 1999-01-20 Sulzer Innotec Ag Verfahren zum Herstellen von einkristallinen Strukturen
US6024792A (en) 1997-02-24 2000-02-15 Sulzer Innotec Ag Method for producing monocrystalline structures
WO1999067435A1 (en) 1998-06-23 1999-12-29 Siemens Aktiengesellschaft Directionally solidified casting with improved transverse stress rupture strength
WO2000044949A1 (en) 1999-01-28 2000-08-03 Siemens Aktiengesellschaft Nickel base superalloy with good machinability
EP1204776B1 (de) 1999-07-29 2004-06-02 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperaturbeständiges bauteil und verfahren zur herstellung des hochtemperaturbeständigen bauteils
EP1313932A2 (de) * 2000-08-31 2003-05-28 Siemens Westinghouse Power Corporation Wärmedämmendes beschichtungssystem für turbinenbauteile
EP1306454A1 (de) 2001-10-24 2003-05-02 Siemens Aktiengesellschaft Rhenium enthaltende Schutzschicht zum Schutz eines Bauteils gegen Korrosion und Oxidation bei hohen Temperaturen
EP1319729A1 (de) 2001-12-13 2003-06-18 Siemens Aktiengesellschaft Hochtemperaturbeständiges Bauteil aus einkristalliner oder polykristalliner Nickel-Basis-Superlegierung
US7412771B2 (en) 2005-08-05 2008-08-19 Bradbow, Inc. Pendulum bow sight
EP1803514A2 (de) * 2005-12-30 2007-07-04 Sandvik Intellectual Property AB Schneidewerkzeugeinsatz
US20090252985A1 (en) 2008-04-08 2009-10-08 Bangalore Nagaraj Thermal barrier coating system and coating methods for gas turbine engine shroud

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015073938A1 (en) 2013-11-18 2015-05-21 United Technologies Corporation Article having variable coating
EP3071727A4 (de) * 2013-11-18 2017-06-21 United Technologies Corporation Artikel mit variabler beschichtung

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2436798B1 (de) Maskierungsmaterial, Maskierungsschicht und Verfahren zum Maskieren eines Substrats
EP2593582B1 (de) Poröses keramisches schichtsystem
EP2450465A1 (de) Poröses Schichtsystem mit poröserer Innenschicht
EP1952931A1 (de) Mechtrode mit Pulverzufuhr und Verfahren zur Benutzung dieser Mechtrode
EP2119805A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer optimierten Haftvermittlerschicht durch teilweise Verdampfung der Haftvermittlerschicht
EP2733310A1 (de) Modifizierte Oberfläche um ein Loch
EP3060759A1 (de) Wärmedämmbeschichtung einer turbinenschaufel
EP2742171B1 (de) Keramische doppelschicht auf zirkonoxidbasis
EP2476776B1 (de) Verfahren zur Einstellung des Kühlmittelverbrauchs innerhalb aktiv gekühlter Bauteile
WO2009087189A2 (de) Belotung von löchern, verfahren zum beschichten und lötgutstäbchen
EP2584067A1 (de) Bauteil mit Graphen und Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit Graphen
EP2365106A1 (de) Keramische Wärmedämmschichtsystem mit modifizierter Anbindungsschicht
EP2733236A1 (de) Zweilagiges keramisches Schichtsystem mit äußerer poröser Schicht und Vertiefungen darin
EP2589681A1 (de) Kombination von kolumnaren und globularen Strukturen
EP2586985A1 (de) Oberfläche mit speziell ausgeformten Vertiefungen und Bauteil
EP2539476B1 (de) Verfahren zur einstellung des kühlmittelverbrauchs innerhalb aktiv gekühlter bauteile
EP2354275A1 (de) Mehrfachschichtsystem aus metallischer Schicht und keramischer Schicht
EP2102379B1 (de) Verfahren zur betreibung einer turbine mit einem oxid auf einer metallischen schicht und eine turbine
EP2322683B1 (de) Beschichtungsverfahren eines bauteils mit teilweise verschlossenen löchern und verfahren zum öffnen der löcher
EP2177643A1 (de) Verfahren zum Reparieren einer Superlegierung mit dem gleichen Superlegierungspulver und Keramik
EP2194163A1 (de) Keramische Wärmedämmschichten mit Aluminiumoxidteilchen und Verfahren zur Charakterisierung einer solchen Wärmedämmschicht
EP2385214A1 (de) Verfahren zur Ermittlung der Lage von verschlossenen Löchern, Vorrichtung und Bearbeitungsvorrichtung
EP2599890A1 (de) Abplatzungssichere keramische Schicht und Schichtsystem
EP2450123A1 (de) Verfahren zur Hestellung eines kernwerkzeuges

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20131109