EP2714957A1 - Method for applying a protective layer, component coated with a protective layer, and gas turbine comprising such a component - Google Patents

Method for applying a protective layer, component coated with a protective layer, and gas turbine comprising such a component

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Publication number
EP2714957A1
EP2714957A1 EP12725000.9A EP12725000A EP2714957A1 EP 2714957 A1 EP2714957 A1 EP 2714957A1 EP 12725000 A EP12725000 A EP 12725000A EP 2714957 A1 EP2714957 A1 EP 2714957A1
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EP
European Patent Office
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layer
diffusion layer
component
diffusion
protective layer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12725000.9A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Norbert Czech
Sharad Chandra
Roland Herzog
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MAN Energy Solutions SE
Original Assignee
MAN Diesel and Turbo SE
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Filing date
Publication date
Application filed by MAN Diesel and Turbo SE filed Critical MAN Diesel and Turbo SE
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y10T428/12535—Composite; i.e., plural, adjacent, spatially distinct metal components [e.g., layers, joint, etc.] with additional, spatially distinct nonmetal component
    • Y10T428/12611—Oxide-containing component

Definitions

  • the invention relates to a method for applying a protective layer on a base metal detail with the features of the preamble of claim 1 and a coated with such a protective layer component for use in a
  • a method of the type mentioned in the introduction is e.g. from EP 1 637 622 A1.
  • Thermal barrier coatings serve to lower the material temperature of cooled components. As a result, their life can be extended, cooling air saved or the gas turbine can be operated with higher inlet temperatures.
  • Thermal barrier coating systems always consist of a metallic adhesive layer connected by diffusion to the base metal ⁇ base metal) and an overlying ceramic layer with poor thermal conductivity, which represents the actual barrier against heat flow and protects the base metal detail against high temperature corrosion and high temperature erosion.
  • Ceramic material for the thermal barrier coating has zirconia
  • thermal insulation layers are classified according to the respective application method into two main classes.
  • a first class are thermal barrier coatings by physical
  • thermal barrier coating is chemically bonded by formation of an Al, Zr mixed oxide on a pure alumina (TGO) film formed by the bond coat during application and then in service.
  • TGO pure alumina
  • thermal barrier coatings which are sprayed thermally (usually with atmospheric plasma, APS).
  • Thermal barrier coatings depending on the desired layer thickness and stress distribution, a porosity between about 10 and 25 vol .-% set. Since the bonding of the ceramic layer to the adhesive layer should take place here by mechanical clamping, the adhesive layer is sprayed in a targeted rough manner in order to maximize the interface and thus the adhesion forces. A certain amount of chemical bonding due to TGO formation only occurs during long-term operation. This application process is relatively simple, resulting in relatively cheap coating costs.
  • the invention has the object of developing a method according to the preamble of claim 1 so that it achieves a good thermal fatigue resistance of the protective layer, but nevertheless can be carried out in a simple manner. This is achieved with the features in the characterizing part of claim 1 reached
  • the invention is also based on the object, one with a against
  • Protective layer on the component can be produced in a simple manner and has a good thermal fatigue resistance. This is achieved with a component according to claim 7 or with a gas turbine according to claim 8.
  • M Ni, Co
  • MCrAlY layers contain the intermetallic ß phase NiCoAl as an aluminum supply, but this also has a
  • the MCrAlY layers are overly aluminized with an Al diffusion layer. Because of the risk of embrittlement, this is largely due to aluminum arms (AI ⁇ 8%)
  • the structure of an aluminized MCrAlY layer consists of an inner, largely unchanged y, ß mixed phase, ie a diffusion zone in which the Al content increases to about 20%, and an outer ß-NiAl phase with a proportion of about 30% AI.
  • This outer ß-NiAi phase represents a certain weak point of the layer system in terms of brittleness and crack sensitivity. It therefore becomes subjected the overaligned layer to an abrasive treatment so that the outer ⁇ -NiAl phase is removed down to the diffusion zone.
  • the aluminum activity is favorably influenced, so that the ability to TGO formation is favored.
  • a good bonding of the ceramic layer can be achieved without the need for a rough adhesion layer, which makes it possible, inter alia, for the MC rAI Y layer by means of low-pressure plasma spraying (LPPS) or by thermal spraying, for example high-speed flame spraying (HVOF ) or vacuum plasma spraying.
  • LPPS low-pressure plasma spraying
  • HVOF high-speed flame spraying
  • vacuum plasma spraying for example high-speed flame spraying (HVOF ) or vacuum plasma spraying.
  • High-speed fluid injection is less expensive and tends to produce smoother surfaces.
  • a method of applying a high temperature corrosion and high temperature erosion resistant protective layer to a base metal wherein an MCrAlY based adhesive layer is applied to the base metal, the adhesive layer
  • Overalumination is coated with an Al diffusion layer, the Al diffusion layer is subjected to an abrasive treatment, so that an outer build-up layer of the Al diffusion layer is removed, and on the remaining Al diffusion layer, a ceramic thermal barrier layer of yttria partially stabilized zirconia is applied.
  • the method is characterized in that the ceramic thermal barrier coating is applied to the remaining AL diffusion layer by atmospheric plasma spraying.
  • the applied adhesive layer is subjected to a smoothing treatment prior to its over-alkalization.
  • a smoothing treatment Preferably, in the smoothing treatment, a surface roughness of Ra ⁇ 2 ⁇ m is generated on the adhesive layer.
  • the adhesive layer is applied to the base metal by means of thermal spraying, for example high-speed flame spraying (HVOF) or vacuum plasma spraying of high-velocity flame spraying or vapor phase deposition.
  • HVOF high-speed flame spraying
  • vapor phase deposition for example high-speed flame spraying (HVOF) or vacuum plasma spraying of high-velocity flame spraying or vapor phase deposition.
  • the AL diffusion layer is subjected to a smoothing treatment, such that a smoothing treatment takes place on the remaining AL diffusion layer
  • the outer build-up layer of the AL diffusion layer is removed so far that the content of Al in a surface of the remaining Al diffusion layer exceeds 18 wt%. and less than 30% by weight.
  • a component for use in a hot gas region of a gas turbine having a surface which is at least partially applied in any conceivable combination by a method according to one, several or all of the previously described embodiments of the invention
  • High temperature corrosion and high temperature erosion resistant protective coating is provided.
  • a gas turbine having a hot gas area and a component arranged therein according to the second aspect of the invention.
  • the protective layer has a good thermal endurance, but can nevertheless be produced in a simple manner.
  • the invention provides a thermal barrier coating concept that combines the low cost of the APS process with the advantages of chemical bonding between the adhesive and ceramic layers.
  • the TCF behavior compared to the classic APS layers can be improved.
  • thermal barrier coatings with improved thermal endurance can be produced more easily and thus at lower cost than with EB-PVD processes.
  • FIG. 1 shows in a sectional view a region provided with a protective layer of a component of a component arranged in a hot gas region Gas turbine according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a region of a component 10, which is provided in a hot gas region, provided with a protective layer 12-14
  • Gas turbine 1 according to an embodiment of the invention.
  • the component 10 ' which for example can be designed as a turbine blade or as another hot gas to come into contact component of the gas turbine 1 "has a base metal 11 (base material) having a surface on" the protection against high-temperature corrosion and high-temperature erosion completely or partially with a
  • resistant ceramic thermal barrier coating 13 is provided.
  • the ceramic thermal barrier coating 13 consists of
  • Zirconia partially stabilized with about 7% by weight of yttria International Abbreviation: "YPSZ" by Ytfria Partially Stabiiised Zirconia.
  • the adhesive layer 12 is made of a MCrAlY based special alloy (e.g., LCO 22).
  • LPPS Low-pressure plasma spraying
  • High speed flame spraying HVOF
  • the applied adhesive layer 12 is subjected to a smoothing treatment (e.g., fine flattening), to which an adhesive layer 12 is applied
  • the overbalancing can be realized by a treatment in which a reactive Al-containing gas, which may be an Al halide (AIX2), at higher temperature
  • the outer make coat 14.2 is subjected to abrasive treatment such as abrasion treatment.
  • abrasive treatment such as abrasion treatment.
  • Hard particle blasting e.g., corundum, silicon carbide, reduced metal wires, etc.
  • machining with other known grinding or grinding techniques
  • polishing down to the inner diffusion zone 14.1 of the Al diffusion layer 14 removed.
  • the abrasive treatment is driven so far that the surface of the remaining Al diffusion layer 14 (diffusion zone 14.1) has an Al content of more than about 18% by weight and less than about 30% by weight.
  • the AL diffusion layer 14 is subjected to a smoothing treatment (e.g., fine flattening), so that a surface roughness of .mu.m is applied to the remaining AL diffusion layer 14 (diffusion zone 14.1)
  • a smoothing treatment e.g., fine flattening
  • the ceramic thermal barrier coating (YPSZ ceramic layer) 13 is then applied to the thus prepared surface of the remaining aluminum diffusion layer 14 by atmospheric plasma spraying (APS), wherein the same parameters can be used for the APS process as in the conventional one Adhesive layers.
  • APS atmospheric plasma spraying

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Abstract

The invention relates to a method for applying a protective layer, to a component that is coated with a protective layer, and to a gas turbine comprising such a component. According to the method, a MCrAlY-based adhesive layer (12) is applied onto a base metal (11). The adhesive layer (12) is coated with an Al diffusion layer (14) by means of aluminization. The Al diffusion layer (14) undergoes an abrasive treatment such that an outer buildup layer (14.2) of the Al diffusion layer (14) is removed, and a ceramic heat-insulating layer (13) made of zirconium oxide that is partially stabilized with yttrium oxide is applied onto the remaining Al diffusion layer (14) such that a protective layer against high-temperature corrosion and high-temperature erosion is produced. According to the invention, the method should achieve a good thermal fatigue resistance of the protective layer but can be carried out in a simple manner. This is achieved, inter alia, in that the ceramic heat-insulating layer (13) is applied onto the remaining Al diffusion layer (14) by means of an atmospheric plasma spraying process.

Description

Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht, mit einer Schutzschicht beschichtetes Bauteil und Gasturbine mit einem solchen Bauteil  Method for applying a protective layer, with a protective layer coated component and gas turbine with such a component
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht auf ein Basismetail mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 sowie ein mit einer solchen Schutzschicht beschichtetes Bauteil zum Einsatz in einem The invention relates to a method for applying a protective layer on a base metal detail with the features of the preamble of claim 1 and a coated with such a protective layer component for use in a
Heißgasbereich einer Gasturbine und eine Gasturbine mit einem solchen Bauteil, Hot gas region of a gas turbine and a gas turbine with such a component,
Ein Verfahren der eingangsgenannten Art ist z.B. aus EP 1 637 622 A1 bekannt. A method of the type mentioned in the introduction is e.g. from EP 1 637 622 A1.
In modernen Gasturbinen werden die Oberflächen im Heißgasbereich fast vollständig mit Beschichtungen versehen. Ausnahmen können in manchen Fällen noch die Schaufeln hinterer Turbinenreihen bilden. Die dabei eingesetzten In modern gas turbines, the surfaces in the hot gas area are almost completely provided with coatings. Exceptions can in some cases still form the blades of rear turbine rows. The used
Wärmedämmschichten (WDS) dienen zur Absenkung der Materialtemperatur gekühlter Bauteile. Hierdurch kann deren Lebensdauer verlängert, Kühlluft eingespart oder die Gasturbine mit höheren Eintrittstemperaturen betrieben werden. Thermal barrier coatings (WDS) serve to lower the material temperature of cooled components. As a result, their life can be extended, cooling air saved or the gas turbine can be operated with higher inlet temperatures.
Wärmedämmschichtsysteme bestehen immer aus einer mit dem Grundwerkstoff {Basismetall) durch Diffusion verbundenen metallischen Haftschicht und einer darüber liegenden Keramikschicht mit schlechter Wärmeleitfähigkeit, die die eigentliche Barriere gegen den Wärmestrom darstellt und das Basismetail gegen Hochtemperaturkorrosion und Hochtemperaturerosion schützt. Als Thermal barrier coating systems always consist of a metallic adhesive layer connected by diffusion to the base metal {base metal) and an overlying ceramic layer with poor thermal conductivity, which represents the actual barrier against heat flow and protects the base metal detail against high temperature corrosion and high temperature erosion. When
Keramikwerkstoff für die Wärmedämmschicht hat sich Zirkoniumoxid Ceramic material for the thermal barrier coating has zirconia
durchgesetzt, das mit etwa 7 Gew.-% Yttriumoxid teilstabilisiert ist (Internationale Kurzbezeichnung:„YPSZ" von Yttria Partially Stabiiised Zirconia). Die Wärmedämm schichten werden nach dem jeweiligen Aufbringungsverfahren in zwei wesentliche Klassen eingeteilt. enforced with about 7 wt .-% yttria partially stabilized (International abbreviation: "YPSZ" Yttria Partially Stabiiised zirconia). The thermal insulation layers are classified according to the respective application method into two main classes.
Eine erste Klasse sind Wärmedämmschichten, die durch physikalische A first class are thermal barrier coatings by physical
Dampfabscheidungsprozesse mittels Elektronenstrahl (EB-PVD-Verfahren) aufgedampft sind. Diese Wärmedämmschichten weisen bei Einhaltung bestimmter Abscheidebedingungen eine säulenförmige (koiumnare), dehnungstolerante Struktur auf und bieten dadurch eine besonders günstige Beständigkeit gegen Thermoermüdung (Thermal Cycle Fatigue, TCF). Bei dem zugehörigen Verfahren zum Aufbringen der Wärmedämmschicht wird die Wärmedämmschicht chemisch durch Bildung eines AI, Zr-Mischoxides auf einer von der Haftschicht während der Aufbringung und anschließend im Betrieb gebildeten reinen Aluminiumoxidschicht (Thermally Grown Oxide, TGO) gebunden. Dieses Verfahren stellt einerseits besondere Anforderungen an das Oxidwachstum auf der Haftschicht, Steam deposition processes by electron beam (EB-PVD method) are vapor-deposited. These heat-insulating layers have a columnar (koiumnare), strain-tolerant structure in compliance with certain deposition conditions, thereby offering a particularly favorable resistance to thermal fatigue (TCF). In the associated method of applying the thermal barrier coating, the thermal barrier coating is chemically bonded by formation of an Al, Zr mixed oxide on a pure alumina (TGO) film formed by the bond coat during application and then in service. On the one hand, this process places special demands on the oxide growth on the adhesive layer,
gewährleistet aber andererseits eine besonders feste Bindung. but on the other hand ensures a particularly strong bond.
Eine zweite Klasse sind Wärmedämmschichten, die thermisch (meist mit atmosphärischem Plasma, APS) aufgespritzt werden. Bei diesen A second class is thermal barrier coatings, which are sprayed thermally (usually with atmospheric plasma, APS). In these
Wärmedämmschichten wird abhängig von der gewünschten Schichtdicke und Spannungsverteilung eine Porosität zwischen etwa 10 und 25 Vol.-% eingestellt. Da hier die Bindung der Keramikschicht an der Haftschicht durch mechanische Verklammerung erfolgen soll, wird die Haftschicht gezielt rau gespritzt, um die Grenzfläche und damit die Adhäsionskräfte zu maximieren. Ein gewisser chemischer Bindungsanteil durch TGO-Bitdung entsteht erst im langzeitigen Betriebseinsatz. Dieses Aufbringungsverfahren ist relativ einfach, woraus relativ günstige Beschichtungskosten resultieren. Thermal barrier coatings, depending on the desired layer thickness and stress distribution, a porosity between about 10 and 25 vol .-% set. Since the bonding of the ceramic layer to the adhesive layer should take place here by mechanical clamping, the adhesive layer is sprayed in a targeted rough manner in order to maximize the interface and thus the adhesion forces. A certain amount of chemical bonding due to TGO formation only occurs during long-term operation. This application process is relatively simple, resulting in relatively cheap coating costs.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, dass es eine gute Thermoermüdungsbestän- digkeit der Schutzschicht erzielt, aber dennoch auf einfache Weise durchführbar ist. Dies wird mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht The invention has the object of developing a method according to the preamble of claim 1 so that it achieves a good thermal fatigue resistance of the protective layer, but nevertheless can be carried out in a simple manner. This is achieved with the features in the characterizing part of claim 1 reached
Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, ein mit einer gegen The invention is also based on the object, one with a against
Hochtemperaturkorrosion und Hochtemperaturerosion beständigen Schutzschicht beschichtetes Bauteil zum Einsatz in einem Heißgasbereich einer Gasturbine sowie eine Gasturbine mit einem solchen Bauteil bereitzustellen, wobei die To provide high temperature corrosion and high temperature erosion resistant protective layer coated component for use in a hot gas region of a gas turbine and a gas turbine with such a component, wherein the
Schutzschicht an dem Bauteil auf einfache Weise herstellbar ist und eine gute Thermoermüdungsbeständigkeit aufweist. Dies wird mit einem Bauteil gemäß Anspruch 7 bzw. mit einer Gasturbine gemäß Anspruch 8 erreicht. Protective layer on the component can be produced in a simple manner and has a good thermal fatigue resistance. This is achieved with a component according to claim 7 or with a gas turbine according to claim 8.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert. Further developments of the invention are defined in the respective dependent claims.
Auf Seiten der Haftschicht werden - bevorzugt in stationären Gasturbinen - thermisch gespritzte Auflageschichten auf MCrAI Y-Basis (M = Ni, Co) eingesetzt. MCrAlY-Schichten enthalten in einer NiCoCr („Y")- atrix die intermetallische ß- Phase NiCoAl als Aluminium-Vorrat. Diese hat allerdings auch einen On the side of the adhesive layer - preferably in stationary gas turbines - thermally sprayed overlays MCrAI Y-based (M = Ni, Co) are used. In a NiCoCr ("Y") atrix, MCrAlY layers contain the intermetallic ß phase NiCoAl as an aluminum supply, but this also has a
versprödenden Einfluss, so dass der praktisch realisierbare AI-Gehalt in der MCrAlY-Schicht bei < 12 Gew.-% liegt. embrittling influence, so that the practically realizable Al content in the MCrAlY layer is <12 wt .-%.
Zur weiteren Steigerung der Oxidationsbeständigkeit werden die MCrAlY- Schichten per Überalitierung mit einer Al-Diffusionsschicht überzogen. Wegen der Versprödungsgefahr wird dies weitgehend auf aluminiumarme (AI < 8 %) To further increase the oxidation resistance, the MCrAlY layers are overly aluminized with an Al diffusion layer. Because of the risk of embrittlement, this is largely due to aluminum arms (AI <8%)
Ausgangsschichten beschränkt Limited initial layers
Die Struktur einer alitierten MCrAlY-Schicht besteht aus einer inneren, weitgehend unveränderten y, ß-Mischphase, d.h. einer Diffusionszone, in der der AI-Gehalt auf etwa 20 % ansteigt, und einer äußeren ß-NiAI-Phase mit einem Anteil von ca. 30 % AI. Diese äußere ß-NiAi-Phase stellt eine gewisse Schwachstelle des Schichtsystems hinsichtlich Sprödigkeit und Rissempfindlichkeit dar. Es wird daher die überalitierte Schicht einer Abrasivbehandlung unterzogen, so dass die äußere ß-NiAI-Phase bis herab zur Diffusionszone entfernt wird. Hierdurch wird auch die Aluminium-Aktivität günstig beeinflusst, so dass die Fähigkeit zur TGO-Bildung begünstigt wird. The structure of an aluminized MCrAlY layer consists of an inner, largely unchanged y, ß mixed phase, ie a diffusion zone in which the Al content increases to about 20%, and an outer ß-NiAl phase with a proportion of about 30% AI. This outer ß-NiAi phase represents a certain weak point of the layer system in terms of brittleness and crack sensitivity. It therefore becomes subjected the overaligned layer to an abrasive treatment so that the outer β-NiAl phase is removed down to the diffusion zone. As a result, the aluminum activity is favorably influenced, so that the ability to TGO formation is favored.
Hierbei kann eine gute Anbindung der Keramikschicht erreicht werden, ohne dass eine raue Haftschicht notwendig ist, wodurch es unter anderem möglich ist, die MC rAI Y-Schicht mittels Niederdruck-Plasmaspritzens (LPPS) oder mittels thermischen Spritzens, zum Beispiel Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens (HVOF) oder Vakuum-Plasmaspritzen , aufzubringen. Das Hochgeschwindigkeits- Fiammspritzen ist kostengünstiger und erzeugt tendenziell glattere Oberflächen. In this case, a good bonding of the ceramic layer can be achieved without the need for a rough adhesion layer, which makes it possible, inter alia, for the MC rAI Y layer by means of low-pressure plasma spraying (LPPS) or by thermal spraying, for example high-speed flame spraying (HVOF ) or vacuum plasma spraying. High-speed fluid injection is less expensive and tends to produce smoother surfaces.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird bereitgestellt ein Verfahren zum Aufbringen einer gegen Hochtemperaturkorrosion und Hochtemperaturerosion beständigen Schutzschicht auf ein Basismetall, wobei auf das Basismetall eine Haftschicht auf MCrAI Y-Basis aufgebracht wird, die Haftschicht durch According to a first aspect of the invention, there is provided a method of applying a high temperature corrosion and high temperature erosion resistant protective layer to a base metal, wherein an MCrAlY based adhesive layer is applied to the base metal, the adhesive layer
Überalitierung mit einer Al-Diffusionschicht überzogen wird, die AI- Diffusionsschicht einer Abrasivbehandlung unterzogen wird, so dass eine äußere Aufbauschicht der Al-Diffusionschicht entfernt wird, und auf die verbleibende AL- Diffusionschicht eine keramische Wärmedämmschicht aus durch Yttriumoxid teilstabilisiertem Zirkoniumoxid aufgebracht wird. Das erfindungsgemäße Overalumination is coated with an Al diffusion layer, the Al diffusion layer is subjected to an abrasive treatment, so that an outer build-up layer of the Al diffusion layer is removed, and on the remaining Al diffusion layer, a ceramic thermal barrier layer of yttria partially stabilized zirconia is applied. The invention
Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die keramische Wärmedämmschicht durch atmosphärisches Plasmaspritzen auf die verbleibende AL-Diffusionschicht aufgebracht wird. The method is characterized in that the ceramic thermal barrier coating is applied to the remaining AL diffusion layer by atmospheric plasma spraying.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die aufgebrachte Haftschicht vor deren Überalitierung einer Glättungsbehandlung unterzogen. Bevorzugt wird bei der Glättungsbehandlung an der Haftschicht eine Oberflächenrauigkeit von Ra < 2pm erzeugt. Gemäß noch einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Haftschicht mittels thermischen Spritzens, zum Beispiel Hochgeschwindigkeits- Flammspritzens (HVOF) oder Vakuum-Plasmaspritzen Hochgeschwindigkeits- Flammspritzens oder Abscheidung aus der Dampfphase, auf das Basismetall aufgebracht. According to one embodiment of the method according to the invention, the applied adhesive layer is subjected to a smoothing treatment prior to its over-alkalization. Preferably, in the smoothing treatment, a surface roughness of Ra <2 μm is generated on the adhesive layer. According to yet another embodiment of the method according to the invention, the adhesive layer is applied to the base metal by means of thermal spraying, for example high-speed flame spraying (HVOF) or vacuum plasma spraying of high-velocity flame spraying or vapor phase deposition.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die AL-Diffusionsschicht nach der Abrasivbehandlung einer Glättungsbehandlung unterzogen, so dass an der verbleibenden AL-Diffusionsschicht eine In accordance with a further embodiment of the method according to the invention, after the abrasive treatment, the AL diffusion layer is subjected to a smoothing treatment, such that a smoothing treatment takes place on the remaining AL diffusion layer
Oberflächenrauigkeit von Ra £ 2pm erzeugt wird. Surface roughness of Ra £ 2pm is generated.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach der Überalitierung der Haftschicht und vor der Abrasivbehandlung der AL-Diffusionsschicht eine Wärmebehandlung zur Beeinflussung der According to yet another embodiment of the method according to the invention, after the over-alkalization of the adhesive layer and before the abrasive treatment of the AL diffusion layer, a heat treatment for influencing the
mechanischen Eigenschaften des Basismetalls durchgeführt. performed mechanical properties of the base metal.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bei der Überalitierung in der AL-Diffusionsschicht eine innere According to yet a further embodiment of the method according to the invention, in the over-alkalization in the AL diffusion layer, an inner
Diffusionszone mit einem AI-Gehalt von etwa 20 Gew.-% und auf der Diffusion zone with an Al content of about 20 wt .-% and on the
Diffusionszone die äußere Aufbauschicht mit einem AI-Gehalt von etwa 30% erzeugt, wobei bei der Abrasivbehandlung die äußere Aufbauschicht der AL- Diffusionsschicht so weit entfernt wird, dass der Gehalt an AI in einer Oberfläche der verbleibenden Al-Diffusionsschicht über 18 Gew.-% und unter 30 Gew.-% beträgt. In the abrasive treatment, the outer build-up layer of the AL diffusion layer is removed so far that the content of Al in a surface of the remaining Al diffusion layer exceeds 18 wt%. and less than 30% by weight.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird bereitgestellt ein Bauteil zum Einsatz in einem Heißgasbereich einer Gasturbine, wobei das Bauteil eine Oberfläche aufweist, die zumindest teilweise mit einer nach einem Verfahren gemäß einer, mehreren oder allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in jeder denkbaren Kombination aufgebrachten gegen Hochtemperaturkorrosion und Hochtemperaturerosion beständigen Schutzschicht versehen ist. According to a second aspect of the invention, there is provided a component for use in a hot gas region of a gas turbine, the component having a surface which is at least partially applied in any conceivable combination by a method according to one, several or all of the previously described embodiments of the invention High temperature corrosion and high temperature erosion resistant protective coating is provided.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird bereitgestellt eine Gasturbine mit einem Heißgasbereich und einem darin angeordneten Bauteil gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. According to a third aspect of the invention, there is provided a gas turbine having a hot gas area and a component arranged therein according to the second aspect of the invention.
Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen der Schutzschicht auf dem Bauteil weist die Schutzschicht eine gute Thermoermü- dungsbeständigkeit auf, ist aber dennoch auf einfache Weise herstellbar. By applying the method according to the invention for producing the protective layer on the component, the protective layer has a good thermal endurance, but can nevertheless be produced in a simple manner.
Im Fazit wird durch die Erfindung ein Wärmedämmschichtkonzept bereitgestellt, das die günstigen Kosten des APS-Verfahrens mit den Vorteilen der chemischen Bindung zwischen der Haft- und der Keramikschicht kombiniert. Hierdurch kann das TCF-Verhalten gegenüber den klassischen APS-Schichten verbessert werden. Somit können Wärmedämmschichten mit verbesserter Thermoermü- dungsbeständigkeit einfacher und damit zu niedrigeren Kosten als mit EB-PVD- Verfahren hergestellt werden. In conclusion, the invention provides a thermal barrier coating concept that combines the low cost of the APS process with the advantages of chemical bonding between the adhesive and ceramic layers. As a result, the TCF behavior compared to the classic APS layers can be improved. Thus, thermal barrier coatings with improved thermal endurance can be produced more easily and thus at lower cost than with EB-PVD processes.
Die Erfindung erstreckt sich ausdrücklich auch auf solche Ausführungsformen, welche nicht durch Merkmalskombinationen aus expliziten Rückbezügen der Ansprüche gegeben sind, womit die offenbarten Merkmale der Erfindung - soweit dies technisch sinnvoll ist - beliebig miteinander kombiniert sein können. The invention expressly extends to such embodiments, which are not given by combinations of features of explicit back references of the claims, whereby the disclosed features of the invention - as far as is technically feasible - can be combined with each other.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur beschrieben. In the following the invention will be described with reference to a preferred embodiment and with reference to the accompanying figure.
Fig.1 zeigt in einer Schnittansicht einen mit einer Schutzschicht versehenen Bereich eines in einem Heißgasbereich angeordneten Bauteils einer Gasturbine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 1 shows in a sectional view a region provided with a protective layer of a component of a component arranged in a hot gas region Gas turbine according to an embodiment of the invention.
Fig.1 zeigt in einer Schnittansicht einen mit einer Schutzschicht 12-14 versehenen Bereich eines in einem Heißgasbereich angeordneten Bauteils 10 einer 1 shows a sectional view of a region of a component 10, which is provided in a hot gas region, provided with a protective layer 12-14
Gasturbine 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Gas turbine 1 according to an embodiment of the invention.
Das Bauteil 10» welches z.B. als Turbinenschaufel oder auch als ein anderes mit Heißgas in Berührung kommendes Bauteil der Gasturbine 1 ausgebildet sein kann» weist ein Basismetall 11 (Grundwerkstoff) mit einer Oberfläche auf» die zum Schutz gegen Hochtemperaturkorrosion und Hochtemperaturerosion komplett oder teilweise mit einer dagegen beständigen keramischen Wärmedämmschicht 13 versehen ist. Die keramische Wärmedämmschicht 13 besteht aus The component 10 'which for example can be designed as a turbine blade or as another hot gas to come into contact component of the gas turbine 1 "has a base metal 11 (base material) having a surface on" the protection against high-temperature corrosion and high-temperature erosion completely or partially with a In contrast, resistant ceramic thermal barrier coating 13 is provided. The ceramic thermal barrier coating 13 consists of
Zirkoniumoxid, das mit etwa 7 Gew.-% Yttriumoxid teilstabilisiert ist (Internationale Kurzbezeichnung:„YPSZ" von Ytfria Partially Stabiiised Zirconia). Zirconia partially stabilized with about 7% by weight of yttria (International Abbreviation: "YPSZ" by Ytfria Partially Stabiiised Zirconia).
Zur Verbesserung der Haftung der Wärmedämmschicht 13 auf dem Basismetall 1 1 wird auf dieses (auf dessen Oberfläche) zunächst eine Auflageschicht bzw. Haftschicht 12 aufgebracht. Die Haftschicht 12 besteht aus einer Sonderlegierung auf MCrAlY-Basis (z.B. LCO 22). Der Buchstabe M steht hier für Ni oder Co oder eine Kombination davon. Das Aufbringen der Haftschicht 12 erfolgt durch To improve the adhesion of the thermal barrier coating 13 on the base metal 1 1 is first applied to this (on the surface) a support layer or adhesive layer 12. The adhesive layer 12 is made of a MCrAlY based special alloy (e.g., LCO 22). The letter M here stands for Ni or Co or a combination thereof. The application of the adhesive layer 12 is carried out by
Niederdruckplasmaspritzen (LPPS) oder wie hier bevorzugt durch Low-pressure plasma spraying (LPPS) or as preferred here by
Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF). High speed flame spraying (HVOF).
Anschließend wird die aufgebrachte Haftschicht 12 einer Glättungsbehandlung (z.B. Feinglätten) unterzogen, wobei an der Haftschicht 12 eine Thereafter, the applied adhesive layer 12 is subjected to a smoothing treatment (e.g., fine flattening), to which an adhesive layer 12 is applied
Oberflächenrauigkeit von Ra < 2 μιτι erzeugt wird. Surface roughness of Ra <2 μιτι is generated.
Danach wird zur Erhöhung des AI-Gehaltes in der Haftschicht 12 diese per Überalitieren mit einer AI-Diffusionsschicht 14 überzogen. Das Überalitieren kann realisiert werden durch eine Behandlung, bei der ein reaktives Al-haltiges Gas, das ein Al-Halogenid (AIX2) sein kann, bei höherer Temperatur eine Thereafter, to increase the Al content in the adhesion layer 12, it is overcoated with an Al diffusion layer 14. The overbalancing can be realized by a treatment in which a reactive Al-containing gas, which may be an Al halide (AIX2), at higher temperature
Einwärtsdiffusion von AI verbunden mit einer Auswärtsdiffusion von Ni bewirkt, wie z.B. ein chemisches Aufdampfen (Chemical Vapour Deposition, CVD). Inward diffusion of Al associated with outward diffusion of Ni, as e.g. Chemical Vapor Deposition (CVD).
Durch das Überalitieren entstehen auf der weitgehend unveränderten Haftschicht 12 innerhalb der Al-Diffusionsschicht 14 eine innere Diffusionszone 14.1 mit einem AI-Gehalt von etwa 20 Gew.-% und darauf eine äußere Aufbauschicht 4.2 aus einer spröden ß-NiAI-Phase mit einem AI-Gehalt von etwa 30 Gew.-%. By overbalancing arise on the largely unchanged adhesion layer 12 within the Al diffusion layer 14, an inner diffusion zone 14.1 with an Al content of about 20 wt .-% and then an outer build-up layer 4.2 from a brittle ß-NiAl phase with an AI Content of about 30 wt .-%.
Nach der Überalitierung der Haftschicht 12 kann eine Wärmebehandlung zur Beeinflussung bzw. Einstellung der mechanischen Eigenschaften des After the over-alkalization of the adhesive layer 12, a heat treatment for influencing or adjusting the mechanical properties of the
Basismetalls 1 1 durchgeführt, werden. Base metal 1 1 performed.
Anschließend wird die äußere Aufbauschicht 14.2 per Abrasivbehandlung, wie z.B. Strahlen mit harten Partikeln (z.B. Korund, Siliziumkarbid, verkleinerte Metalldrähte usw.) oder Bearbeiten mit anderen bekannten Schleif- oder Subsequently, the outer make coat 14.2 is subjected to abrasive treatment such as abrasion treatment. Hard particle blasting (e.g., corundum, silicon carbide, reduced metal wires, etc.) or machining with other known grinding or grinding techniques
Poliermitteln, bis herab auf die innere Diffusionszone 14.1 der Al-Diffusionsschicht 14 entfernt. Die Abrasivbehandlung wird so weit getrieben, dass die Oberfläche der verbliebenen Al-Diffusionsschicht 14 (Diffusionszone 14.1 ) einen AI-Gehalt von über ca. 18 Gew.-% und unter ca. 30 Gew.-% aufweist. Polishing, down to the inner diffusion zone 14.1 of the Al diffusion layer 14 removed. The abrasive treatment is driven so far that the surface of the remaining Al diffusion layer 14 (diffusion zone 14.1) has an Al content of more than about 18% by weight and less than about 30% by weight.
Nach der Abrasivbehandlung wird die AL-Diffusionsschicht 14 einer Glättungs- behandlung (z.B. Feinglätten) unterzogen, so dass an der verbleibenden AL- Diffusionsschicht 14 (Diffusionszone 14.1 ) eine Oberflächenrauigkeit von After the abrasive treatment, the AL diffusion layer 14 is subjected to a smoothing treatment (e.g., fine flattening), so that a surface roughness of .mu.m is applied to the remaining AL diffusion layer 14 (diffusion zone 14.1)
Ra < 2 pm erzeugt wird. Ra <2 pm is generated.
Auf die so vorbereitete Oberfläche der verbleibenden AL-Diffusionsschicht 14 wird dann die keramische Wärmedämmschicht (YPSZ-Keramikschicht) 13 durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) aufgebracht, wobei für das APS- Verfahren die gleichen Parameter verwendet werden können wie bei üblichen Haftschichten. The ceramic thermal barrier coating (YPSZ ceramic layer) 13 is then applied to the thus prepared surface of the remaining aluminum diffusion layer 14 by atmospheric plasma spraying (APS), wherein the same parameters can be used for the APS process as in the conventional one Adhesive layers.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Gasturbine 1 gas turbine
10 Bauteil  10 component
1 1 Basismetall  1 1 base metal
12 Haftschicht  12 adhesive layer
13 Wärmedämmschicht 13 thermal barrier coating
14 AI-Diffusionsschicht14 AI diffusion layer
14,1 innere Diffusionszone14.1 inner diffusion zone
14.2 äußere Aufbauschicht 14.2 outer construction layer

Claims

Patentansprüche claims
1 . Verfahren zum Aufbringen einer gegen Hochtemperaturkorrosion und Hochtemperaturerosion beständigen Schutzschicht auf ein Basismetall (1 1 ), wobei auf das Basismetall (11) eine Haftschicht (12) auf MCrAlY-Basis aufgebracht wird, die Haftschicht (12) durch Überalitierung mit einer AI-Diffusionschicht (14) überzogen wird, die AI-Diffusionsschicht (14) einer Abrasivbehandlung unterzogen wird, so dass eine äußere Aufbauschicht (14,2) der AI-Diffusionschicht (14) entfernt wird, und auf die verbleibende AL-Diffusionschicht (14) eine keramische Wärmedämmschicht (13) aus durch Yttriumoxid teilstabilisiertem Zirkoniumoxid aufgebracht wird, 1 . A method for applying a high-temperature-corrosion-resistant and high-temperature-erosion-resistant protective layer to a base metal (11), wherein an MCrAlY-based adhesion layer (12) is applied to the base metal (11), the adhesion layer (12) is over-aliticated with an Al diffusion layer (11). 14), the Al diffusion layer (14) is subjected to an abrasive treatment so that an outer build-up layer (14, 2) of the Al diffusion layer (14) is removed, and to the remaining Al diffusion layer (14) a ceramic thermal barrier coating (13) is applied from yttria partially stabilized zirconia,
dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Wärmedämmschicht (13) durch atmosphärisches Plasmaspritzen auf die verbleibende AL-Diffusionschicht (14) aufgebracht wird.  characterized in that the ceramic thermal barrier coating (13) is applied to the remaining AL diffusion layer (14) by atmospheric plasma spraying.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die aufgebrachte Haftschicht (12) vor deren Überalitierung einer Glättungsbehandlung unterzogen wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the applied adhesive layer (12) is subjected to a smoothing treatment before the overalibration.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Glättungsbehandlung an der Haftschicht (12) eine Oberflächenrauigkeit von Ra < 2 μιτη erzeugt wird. 3. The method according to claim 2, characterized in that in the smoothing treatment on the adhesive layer (12) a surface roughness of Ra <2 μιτη is generated.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (12) mittels thermischen Spritzverfahrens auf das Basismetall (1 1 ) aufgebracht wird. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the adhesive layer (12) by means of thermal spraying on the base metal (1 1) is applied.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die AL-Diffusionsschicht (14) nach der Abrasivbehandlung einer 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the AL diffusion layer (14) after the abrasive treatment of a
Glättungsbehandlung unterzogen wird, so dass an der verbleibenden AL- Diffusionsschicht (14) eine Oberflächenrauigkeit von Ra < 2 μιτι erzeugt wird, Is subjected to smoothing treatment, so that a surface roughness of Ra <2 μιτι is generated at the remaining AL diffusion layer (14),
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Überalitierung der Haftschicht (12) und vor der Abrasivbehandlung der AL-Diffusionsschicht (14) eine Wärmebehandlung zur Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften des Basismetalls (1 1 ) durchgeführt wird. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that after the Überalitierung the adhesive layer (12) and before the abrasive treatment of the AL diffusion layer (14), a heat treatment for influencing the mechanical properties of the base metal (1 1) is performed.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Überalitierung in der AL-Diffusionsschicht (14) eine innere 7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that in the hyperalibration in the AL diffusion layer (14) an inner
Diffusionszone (14.1 ) mit einem AI-Gehalt von etwa 20 Gew.-% und auf der Diffusionszone (14.1 ) die äußere Aufbauschicht (14.2) mit einem AI-Gehalt von etwa 30 Gew.-% erzeugt werden, und dass bei der Abrasivbehandlung die äußere Aufbauschicht (14.2) der AL-Diffusionsschicht (14) so weit entfernt wird, dass der Gehalt an AI in einer Oberfläche der verbleibenden Al-Diffusionsschicht (14) über 18 Gew.-% und unter 30 Gew.-% beträgt. Diffusion zone (14.1) with an Al content of about 20 wt .-% and on the diffusion zone (14.1), the outer make coat (14.2) are produced with an Al content of about 30 wt .-%, and that in the abrasive treatment outer build-up layer (14.2) of the AL diffusion layer (14) is removed so far that the content of Al in a surface of the remaining Al diffusion layer (14) is over 18 wt .-% and below 30 wt .-%.
8. Bauteil (10) zum Einsatz in einem Heißgasbereich einer Gasturbine (1 ), wobei das Bauteil (10) eine Oberfläche aufweist, die zumindest teilweise mit einer nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 aufgebrachten gegen Hochtemperaturkorrosion und Hochtemperaturerosion beständigen Schutzschicht versehen ist. 8. component (10) for use in a hot gas region of a gas turbine (1), wherein the component (10) has a surface which is at least partially provided with a according to a method according to any one of claims 1 to 7 applied against high temperature corrosion and high temperature erosion resistant protective layer is.
9. Gasturbine (1 ) mit einem Heißgasbereich und einem darin angeordneten Bauteil (10) gemäß Anspruch 8. 9. Gas turbine (1) with a hot gas region and a component (10) arranged therein according to claim 8.
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