EP2754733A1 - Schutzschicht gegen Korrosion und Erosion - Google Patents

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EP2754733A1
EP2754733A1 EP13151157.8A EP13151157A EP2754733A1 EP 2754733 A1 EP2754733 A1 EP 2754733A1 EP 13151157 A EP13151157 A EP 13151157A EP 2754733 A1 EP2754733 A1 EP 2754733A1
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EP
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layer
chromium
protective layer
substrate
nitride
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Withdrawn
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EP13151157.8A
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English (en)
French (fr)
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Michael Annen
Jochen Barnikel
Arturo Flores Renteria
Andrei Ghicov
Torsten Neddemeyer
Friedhelm Schmitz
Dirk Wistuba
Bernd Van Den Toorn
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Definitions

  • the invention relates to a protective layer against corrosion and erosion of components, which are flowed around by a fluid.
  • compressor blades of gas turbines are known which are to be protected against erosion and corrosion.
  • FIG. 1 an inventive layer system 1 is shown schematically.
  • the layer system 1 in particular for a compressor blade, in particular for a gas turbine 100 (FIG. Fig. 2 ), has a substrate 4.
  • an at least two-layer 13 is present, which is in particular only two layers.
  • the substrate 4 preferably has a 6% to 18% chromium-containing steel, in particular 12% to 16% chromium steel.
  • the underlying layer 7, preferably directly on the substrate 4, serves for corrosion protection, with the outermost layer 10, preferably directly on the underlying layer 7, serving for erosion protection.
  • the cathodic corrosion protection is carried out by elemental aluminum (Al), zinc (Zn), magnesium (Mg) and / or alloys (Al-Zn, Al-Mg, Zn-Mg, Al-Zn-Mg) thereof.
  • the outermost layer 10 is a hard layer, in particular a metal nitride layer, very particularly CrN, CrAlN (chromium nitride or chromium aluminum nitride layer), TiN and / or TiAlN.
  • a metal nitride layer very particularly CrN, CrAlN (chromium nitride or chromium aluminum nitride layer), TiN and / or TiAlN.
  • both the lower layer 7 and the outer erosion layer 13 are applied in a coating process, preferably by PVD or sputtering, very particularly by PVD.
  • PVD coating is that the roughness of these layers is known to be very good, which provides further advantages from an aerodynamic point of view.
  • the layer 13 has a layer thickness of 10 .mu.m to 50 .mu.m.
  • the underlying layer 7 preferably has a thickness of 1 ⁇ m-25 ⁇ m, the outer layer 10 has a thickness of 1 ⁇ m-25 ⁇ m.
  • the soft bottom layer 7 absorbs the impact energy of the particles, whereby the erosion resistance of the cover layer becomes even higher, and the hard cover layer 10 has increased erosion resistance.
  • 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 represents yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earths or hafnium).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and represents yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earths or hafnium.
  • Such alloys are known from the EP 0 486 489 B1 . EP 0 786 017 B1 . EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1 ,
  • MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, 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.
  • the vane 130 has a guide vane foot (not shown here) facing the inner casing 138 of the turbine 108 and a vane head opposite the vane root.
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.

Abstract

Durch die Verwendung einer weichen Korrosionsschutzschicht in einer äußeren harten Erosionsschutzschicht wird eine verbesserte Korrosion und Erosionsbeständigkeit erreicht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schutzschicht gegen Korrosion und Erosion von Bauteilen, die von einem Fluid umströmt werden.
  • Als ein Anwendungsbeispiel von Schutzschichten gegen Korrosion und Erosion sind Verdichterschaufeln von Gasturbinen bekannt, die gegen Erosionen und Korrosion geschützt werden sollen.
  • Bekannt sind Systeme, bei denen Lacke mit aluminiumhaltigen Partikeln aufgetragen werden, wobei der Lack zum Erosionsschutz beiträgt und die Aluminiumpartikel im Lack zum Korrosionsschutz beitragen, indem sie als Opferanode wirken.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung ein Schutzschichtsystem vorzuschlagen, das verbesserte Eigenschaften gegenüber Korrosion und Erosion aufweist.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Schutzschicht 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.
  • Die Beschreibung und die Figuren stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Schichtsystem 1 schematisch dargestellt.
  • Das Schichtsystem 1, insbesondere für eine Verdichterschaufel, insbesondere für eine Gasturbine 100 (Fig. 2), weist ein Substrat 4 auf.
  • Auf dem Substrat 4 ist eine zumindest zweilagige Schicht 13 vorhanden, die insbesondere nur zweilagig ist.
  • Das Substrat 4 weist vorzugsweise einen 6% bis 18% chromhaltigen Stahl, insbesondere 12% bis 16% Chromstahl auf.
  • Die untenliegende Schicht 7, vorzugsweise direkt auf dem Substrat 4, dient zum Korrosionsschutz, wobei die äußerste Schicht 10, vorzugsweise direkt auf der untenliegenden Schicht 7, zum Erosionsschutz dient.
  • Der kathodische Korrosionsschutz erfolgt durch elementares Aluminium (Al), Zink (Zn), Magnesium (Mg) und/oder Legierungen (Al-Zn, Al-Mg, Zn-Mg, Al-Zn-Mg) daraus.
  • Die äußerste Schicht 10 ist eine Hartschicht, insbesondere eine Metallnitridschicht, ganz insbesondere CrN, CrAlN (Chromnitrid- oder Chromaluminiumnitridschicht), TiN und/oder TiAlN.
  • Vorteilhafterweise werden sowohl die untere Schicht 7 als auch die äußere Erosionsschicht 13 in einem Beschichtungsprozess aufgebracht, vorzugsweise durch PVD oder Sputtering, ganz insbesondere durch PVD.
  • Einen weiteren Vorteil stellt die PVD-Beschichtung dadurch dar, dass die Rauheit dieser Schichten bekannterweise sehr gut ist, was aus aerodynamischer Sicht weitere Vorteile erbringt.
  • Die Schicht 13 weist eine Schichtdicke von 10µm bis 50µm auf. Die untenliegende Schicht 7 weist vorzugsweise eine Dicke von 1µm - 25 µm auf, die äußere Schicht 10 eine Dicke von 1µm -25 µm.
  • Bei einer Gasturbinenverdichterschaufel erfolgt keine Wärmebehandlung der Schicht 13 und sie ist direkt nach dem Aufbringen einsetzbar.
  • Die weiche untere Schicht 7 absorbiert die Aufprallenergie der Partikel, wodurch die Erosionsbeständigkeit der Deckschicht noch höher wird und die harte Deckschicht 10 besitzt eine erhöhte Erosionsbeständigkeit.
  • 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.

Claims (6)

  1. Schichtsystem,
    zumindest aufweisend:
    ein Substrat (4),
    insbesondere aus einem chromhaltigen Stahl,
    ganz insbesondere aus einem 6% bis 18% chromhaltigen Stahl,
    eine kathodisch-wirksame Schutzschicht (7) aus einer Metalllegierung auf dem Substrat (4),
    insbesondere direkt auf dem Substrat (4) und
    eine äußere,
    insbesondere äußerste,
    harte Erosionsschutzschicht (10).
  2. Schutzschicht nach Anspruch 1,
    bei dem die kathodisch-wirksame Korrosionsschutzschicht (7) ein elementares Metall oder
    eine Legierung aus
    Aluminium (Al) und/oder Zink (Zn) und/oder Magnesium (Mg) aufweist,
    insbesondere daraus besteht.
  3. Schutzschicht nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2,
    bei dem die Erosionsschutzschicht (10) eine Hartstoffschicht,
    insbesondere eine Metallnitridverbindung,
    ganz insbesondere Chromnitrid (CrN), Chromaluminiumnitrid (CrAlN), Titannitrid (TiN) und/oder Titanaluminiumnitrid (TiAlN) aufweist,
    insbesondere daraus besteht.
  4. Schutzschicht nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 3,
    bei dem die untere Schicht (7) und die äußere Schicht (10) durch dieselben Beschichtungsverfahren,
    insbesondere PVD oder Sputtering,
    aufgebracht wurden.
  5. Schutzschicht nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
    die mehrlagig (7, 10) ausgebildet ist,
    insbesondere zur zweilagig.
  6. Schutzschicht nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
    wobei die untenliegende Schicht (7) eine Dicke von 1µm - 25µm und
    die äußere Schicht (10) vorzugsweise eine Dicke von 1µm - 25µm aufweist.
EP13151157.8A 2013-01-14 2013-01-14 Schutzschicht gegen Korrosion und Erosion Withdrawn EP2754733A1 (de)

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