EP3090074A1 - Beschichtungsverfahren und bauteil - Google Patents

Beschichtungsverfahren und bauteil

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EP3090074A1
EP3090074A1 EP15708487.2A EP15708487A EP3090074A1 EP 3090074 A1 EP3090074 A1 EP 3090074A1 EP 15708487 A EP15708487 A EP 15708487A EP 3090074 A1 EP3090074 A1 EP 3090074A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
base material
solder
coating method
cover layer
layer
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Withdrawn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
EP15708487.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ingo Reinkensmeier
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
Publication of EP3090074A1 publication Critical patent/EP3090074A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to a coating method for applying a cover layer to a base material as well as a component for a steam turbine.
  • US 2006099435 A1 discloses a process for case-hardening an article made of titanium or a titanium-based alloy or of zirconium or a zirconium alloy.
  • the article is heat treated at one or more temperatures in the range of 850 ° C to 900 ° C and at a pressure in the range of atmospheric pressure in an oxygen diffusion atmosphere comprising (a) a carrier gas which is not chemically associated with the article in said temperature range and (b) molecular oxygen, wherein the concentration of oxygen in the oxygen diffusion atmosphere is in the range of 10 parts per million to 400 parts per million by volume.
  • US 2010252146 A1 shows a process for producing a titanium-aluminum intermetallic alloy with improved hardness and wear resistance.
  • the method comprises incorporating an oxygen diffusion layer acting as a wear resistant work surface on the surface of the titanium-aluminum intermetallic alloy.
  • the oxygen diffusion layer has the effect of increasing the surface hardness, reducing the friction coefficient and a reduction in the wear rate or an increase in the wear resistance of the intermetallic alloy in comparison with the intermetallic alloy without an oxygen diffusion layer.
  • the present invention has for its object to provide an improved coating method and a component with improved wear resistance. This object is achieved with a coating method according to claim 1 and a component according to claim 8. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims and described in the description. In the coating method according to the invention is the
  • a cover layer to a base material a solder positioned on a surface of the base material for joining the solder to the base material in a heat treatment until it is molten.
  • oxygen is diffused into the molten solder to form a diffusion layer in the cover layer.
  • a soldering method is combined with an oxygen diffusion method.
  • the cover layer simultaneously receives a diffusion layer for the soldering process, which increases the wear resistance of the cover layer, in particular against abrasive wear.
  • the diffusion time in which the diffusion layer is formed can thereby be lower than in conventional diffusion methods. In particular, a diffusion time of 30 minutes compared to conventional diffusion times of several hours is sufficient.
  • the diffusion layer, in which the oxygen is embedded in atomic form can be significantly increased.
  • penetration depths and thus thicknesses of the diffusion layer of 40 ⁇ to 80 ⁇ achieved whereas the coating method of the invention allows a thickness of the diffusion layer up to 2 mm. The wear resistance can be further increased.
  • the coating method according to the invention one is provided which, in addition to a first coating, is also suitable for repairing an already existing, damaged covering layer.
  • components of gas turbines can be provided with the coating method according to the invention with a cover layer, or its cover layer can be repaired with the coating method according to the invention.
  • the base material used is a titanium alloy, in particular TiA16V4.
  • a titanium-based solder is used as solder, in particular Ti-bronze.
  • the coating method according to the invention is particularly suitable for titanium alloys since, in addition to high strengths and simultaneously low density, titanium alloys have a high notch sensitivity and a low critical crack length.
  • the notch sensitivity and the critical crack length can be significantly improved with the present method.
  • the solder is mixed with a base material which consists of the same material as the base material. It has proven to be advantageous that the base material in the solder has a mass fraction of 30% to 70%. This positively influences the properties of the cover layer to be produced.
  • the solder is used in powder form.
  • a tape is used in which the powdered solder is applied to a carrier layer.
  • the band ensures even distribution and a consistently thick layer of the solder.
  • the component according to the invention for a steam turbine comprises a base material and a cover layer fastened on a surface of the base material.
  • the cover layer has a diffusion layer in which atomic oxygen is incorporated in a metal lattice of the cover layer.
  • the component is in particular a blade. The component thus has improved wear properties or an improved
  • the diffusion layer as the surface of the component in particular, withstands a drop impact longer than the untreated covering layer.
  • FIG. 1 shows a diagram of the coating method according to the invention and the component according to the invention.
  • FIG. 1 shows a diagram of the coating method 10 according to the invention.
  • a base material 16 is shown therein in various stages a), b), c) and d).
  • the base material 16 is in particular part of a low-pressure blade of a steam turbine.
  • the base material 16 is in operation and is subject to operational influences, such as drop impact or Abrasi wear exposed. Illustrated here are water drops 19, which hit the base material 16. By a material breakdown while mechanical notches can arise.
  • stage b) the base material 16 is eroded due to the operational influences.
  • a drop impact erosion 20 represents a special form of serration in low-pressure blades of steam turbines.
  • mist pots form in the vapor stream, which are captured by vanes, accumulate there and tear off at the outlet edges as drops of water 19.
  • these water droplets 19 lead to surface disruption due to drop impact erosion 20.
  • the eroded base material 16 is provided with a cover layer 17.
  • the eroded material is filled thereby.
  • the filling of the material can be carried out for example by means of order soldering. This method is known in the art.
  • Stage d) shows the base material 16 after a repair according to the coating method 10 according to the invention and an exemplary embodiment of the component 21 according to the invention.
  • the base material 16 is coated with a cover layer 17.
  • the cover layer fills the eroded areas.
  • the cover layer 17 comprises a diffusion layer 18.
  • atomic oxygen is incorporated in the metal grid of the cover layer.
  • the diffusion layer 18 forms the surface of the component 21.
  • the base material 16 is in particular TiA16V4.
  • the cover layer 17 is formed, for example, from Ti braze.
  • the diffusion layer has a layer thickness of more than 80 ⁇ m, in particular between 0.5 mm and 2 mm.
  • the component 21 is a steam turbine part and in particular a low pressure blade.
  • the coating method 10 is illustrated in a flowchart in an exemplary embodiment variant in FIG. 2 from a start 11 to an end 15.
  • the coating method 10 according to the invention represents a combination of a soldering method and an oxygen diffusion method.
  • the cover layer 17 is produced on a surface of the base material 16 from a solder.
  • a base material 16 is in particular a titanium alloy, such as TiA16V4, and as Lot a Titanbasislot, for example
  • Ti-Braze used. It is possible to mix the solder with a base material consisting of the same material as the base material 16. The mixing ratio is between 30 percent by mass and 70 percent by mass.
  • solder is used in particular in powder form.
  • the solder powder can be applied to a carrier layer.
  • the carrier layer and the solder powder together form a band.
  • the tape is glued in particular to the surface of the base material 16.
  • the solder positioned on the surface of the base material 16 is subjected to a heat treatment 12.
  • the heat treatment takes place, for example, in an oven.
  • the solder is heated by heating 13 to its melting temperature.
  • oxygen is introduced into the molten solder by diffusing 14.
  • Diffusing 14 takes in particular 0.5 hours. During the Diffusing 14 produces an atmosphere, temperature and pressure that cause oxygen to diffuse into the solder.
  • the solder forms the cover layer 17 fixedly connected to the base material 16.
  • the region of the solder into which the oxygen has diffused forms the diffusion layer 17.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren (10) zum Aufbringen einer Deckschicht (17) auf einen Grundwerkstoff (16). Ein auf einer Oberfläche des Grundwerkstoffs (16) positioniertes Lot wird dabei zum Fügen des Lots an den Grundwerkstoff (16) in einer Wärmebehandlung (12) erwärmt (13) bis es schmelzflüssig ist. Erfindungsgemäß wird dann zur Ausbildung einer Diffusionsschicht (18) in der Deckschicht (17) Sauerstoff in das schmelzflüssige Lot diffundiert (14). Zudem wird ein Bauteil (21) für eine Dampfturbine beansprucht.

Description

Beschichtungsverfahren und Bauteil
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren zum Aufbringen einer Deckschicht auf einen Grundwerkstoff so- wie ein Bauteil für eine Dampfturbine.
Im Stand der Technik sind verschiedene Techniken zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit insbesondere von Schaufeln einer Dampfturbine bekannt. Eine von ihnen ist das Aufbringen einer verschleißbeständigen Schicht mit Hartstoffen auf den Grundwerkstoff. Beispielsweise kann dies durch thermisches Spritzen geschehen.
Daneben ist es bekannt zur Randschichthärtung von Titan und Titanlegierungen Sauerstoff in die Oberfläche diffundieren zu lassen .
Die US 2006099435 AI offenbart ein Verfahren zum Einsatzhärten eines Gegenstands aus Titan oder einer Titanbasislegie- rung oder aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung. Dabei wird der Gegenstand wärmebehandelt bei einer oder mehreren Temperaturen im Bereich von 850 °C bis 900 °C und bei einem Druck im Bereich des atmosphärischen Drucks in einer Sauerstoffdiffusionsatmosphäre , umfassend (a) ein Trägergas, das nicht chemisch mit dem Gegenstand in dem genannten Temperaturbereich reagiert, und (b) molekularem Sauerstoff , wobei die Konzentration von Sauerstoff in der Sauerstoffdiffusions- atmosphäre in dem Bereich von 10 Volumenteilen pro Million bis 400 Volumenteilen pro Million liegt.
Die US 2010252146 AI zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer intermetallischen Titan-Aluminium-Legierung mit einer verbesserten Härte und Verschleißbeständigkeit. Das Verfahren umfasst die Einbringung einer Sauerstoff-Diffusionsschicht , die als verschleißfeste Arbeitsfläche wirkt, auf der Oberfläche der intermetallischen Titan-Aluminium-Legierung. Die Sauerstoff-Diffusionsschicht hat den Effekt einer Erhöhung der Oberflächenhärte, einer Verringerung des Reibungskoeffizien- ten, und einer Verringerung der Verschleißrate beziehungsweise einer Erhöhung der Verschleißfestigkeit der intermetallischen Legierung im Vergleich zu der intermetallischen Legierung ohne eine Sauerstoff-Diffusionsschicht .
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Beschichtungsverfahren und eine Bauteil mit verbesserter Verschleißfestigkeit bereitzustellen. Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Beschichtungsverfahren nach Anspruch 1 und einem Bauteil nach Anspruch 8. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben. Bei dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren wird zum
Aufbringen einer Deckschicht auf einen Grundwerkstoff ein auf einer Oberfläche des Grundwerkstoffs positioniertes Lot zum Fügen des Lots an den Grundwerkstoff in einer Wärmebehandlung ererwärmt bis es schmelzflüssig ist. Erfindungsgemäß wird zur Ausbildung einer Diffusionsschicht in der Deckschicht Sauerstoff in das schmelzflüssige Lot diffundiert.
Damit wird erfindungsgemäß ein Lötverfahren mit einem Sauerstoff-Diffusionsverfahren kombiniert. Die Deckschicht erhält gleichzeitig zum Lötverfahren eine Diffusionsschicht, die die Verschleißfestigkeit der Deckschicht, insbesondere gegen abrasiven Verschleiß, erhöht.
Durch die Anwendung des Diffusionsprozesses während sich das Lot in einer Flüssigphase befindet, wird die Diffusion von Sauerstoff in das Lot deutlich vereinfacht. Die Diffusionszeit, in der die Diffusionsschicht ausgebildet wird, kann dadurch geringer sein als bei herkömmlichen Diffusionsverfahren. Insbesondere genügt eine Diffusionszeit von 30 Minuten gegenüber herkömmlichen Diffusionszeiten von mehreren Stunden . Zudem kann die Diffusionsschicht, in die sich der Sauerstoff in atomarer Form eingelagt, deutlich vergrößert werden. So werden mit herkömmlichen Verfahren Eindringtiefen und somit Dicken der Diffusionsschicht von 40 μπι bis 80 μπι erreicht, wohingegen das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren eine Dicke der Diffusionsschicht bis zu 2 mm ermöglicht. Die Verschleißfestigkeit kann dadurch weiter gesteigert werden.
Des Weiteren ist mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungsver- fahren eines bereitgestellt, welches neben einer Erstbe- schichtung auch für eine Reparatur einer bereits vorhandenen, beschädigten Deckschicht geeignet ist. Insbesondere Bauteile von Gasturbinen können mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren mit einer Deckschicht versehen werden, oder dessen Deckschicht kann mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren repariert werden.
In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird als Grundwerkstoff eine Titanle- gierung verwendet, insbesondere TiA16V4. Dazu wird als Lot dann insbesondere ein Titanbasislot eingesetzt, insbesondere Ti -Braze .
Besonders für Titanlegierungen eignet sich das erfindungsge- mäße Beschichtungsverfahren, da Titanlegierungen neben hohen Festigkeiten bei gleichzeitig niedriger Dichte eine hohe Kerbempfindlichekeit und eine geringe kritische Risslänge aufweisen. Die Kerbempfindlichekeit und die kritische Risslänge können mit dem vorliegenden Verfahren wesentlich ver- bessert werden.
In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird das Lot mit einem Grundwerkstoff- material vermischt, das aus dem gleichen Material wie der Grundwerkstoff besteht. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass das Grundwerkstoffmaterial im Lot einen Massenanteil von 30 % bis 70 % aufweist. Damit werden die Eigenschaften der zu erzeugenden Deckschicht positiv beeinflusst.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsge- mäßen Beschichtungsverfahrens wird das Lot pulverförmig verwendet. Insbesondere wird ein Band verwendet, bei dem das pulverförmige Lot auf einer Trägerschicht aufgebracht ist.
Damit lässt sich das Lot einfacher und passgenauer auf den Grundwerkstoff positionieren. Das Band sorgt für eine gleichmäßige Verteilung und eine konstant dicke Schicht des Lots.
Das erfindungsgemäße Bauteil für eine Dampfturbine umfasst einen Grundwerkstoff und eine auf einer Oberfläche des Grund- Werkstoffs befestigte Deckschicht. Die Deckschicht weist erfindungsgemäß eine Diffusionsschicht auf, in der atomarer Sauerstoff in ein Metallgitter der Deckschicht eingelagert ist. Das Bauteil ist insbesondere eine Schaufel. Das Bauteil verfügt damit über verbesserte Verschleißeigenschaften beziehungsweise über ein verbessertes
Abrasivverhalten . Die Diffusionsschicht als Oberfläche des Bauteils hält insbesondere einem Tropfenschlag länger stand als die unbehandelte Deckschicht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert . Es zeigen : Figur 1 ein Schaubild zum erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren und dem erfindungsgemäßen Bauteil; und
Figur 2 das Beschichtungsverfahren in einem Flussdiagramm. In der Figur 1 ist ein Schaubild zum erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren 10 gezeigt. Ein Grundwerkstoff 16 ist darin in verschiedenen Stadien a) , b) , c) und d) dargestellt. Der Grundwerkstoff 16 ist insbesondere Teil einer Niederdruckschaufel einer Dampfturbine.
Im Stadium a) befindet sich der Grundwerkstoff 16 im Betrieb und ist Betriebseinflüssen, wie beispielsweise Tropfenschlag beziehungsweise Abrasi verschleiß, ausgesetzt. Veranschaulicht sind hier Wassertropfen 19, die auf den Grundwerkstoff 16 treffen. Durch eine Materialzerrüttung können dabei mechanische Kerben entstehen.
Im Stadium b) ist der Grundwerkstoff 16 aufgrund der Betriebseinflüsse erodiert. Abgebildet ist beispielhaft eine Tropfenschlagerosion 20, die bei Niederdruckschaufeln von Dampfturbinen eine spezielle Form der Kerbbildung darstellt. Bei Dampfturbinen bilden sich im Dampfstrom Nebeltröpfen, die von Leitschaufeln eingefangen werden, dort akkumulieren und an deren Austrittskanten als Wassertropfen 19 abreißen. Diese Wassertropfen 19 führen infolge hoher Umfanggeschwindigkeiten und herrschender Strömungen an den Laufschaufeln zu Oberflä- chenzerrüttung durch Tropfenschlagerosion 20.
Im Stadium c) ist der erodierte Grundwerkstoff 16 mit einer Deckschicht 17 versehen. Das erodierte Material ist dadurch aufgefüllt. Das Auffüllen des Materials kann beispielsweise mittels Auftragslöten ausgeführt sein. Diese Methode ist im Stand der Technik bekannt .
Stadium d) zeigt den Grundwerkstoff 16 nach einer Reparatur gemäß dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren 10 und ei- ne beispielhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauteils 21.
Der Grundwerkstoff 16 ist mit einer Deckschicht 17 überzogen. Die Deckschicht füllt die erodierten Bereiche aus. Zusätzlich umfasst die Deckschicht 17 eine Diffusionsschicht 18. In der Diffusionsschicht 18 ist atomarer Sauerstoff in dem Metallgitter der Deckschicht eingelagert. Die Diffusionsschicht 18 bildet die Oberfläche des Bauteils 21. Der Grundwerkstoff 16 ist insbesondere TiA16V4. Die Deckschicht 17 ist beispielsweise aus Ti-Braze gebildet. Die Diffusionsschicht weist insbesondere eine Schichtdicke von über 80 μπι auf, insbesondere zwischen 0,5 mm und 2 mm. Das Bauteil 21 ist ein Dampfturbi- nenteil und insbesondere eine Niederdruckschaufel.
Eine Möglichkeit, das erfindungsgemäße Bauteil 21 zu erzeugen ist das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren 10. Das Be- schichtungsverfahren 10 ist in einem Flussdiagramm in einer beispielhaften Ausführungsvariante in der Figur 2 von einem Start 11 bis zu einem Ende 15 dargestellt.
Das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren 10 stellt eine Kombination aus einem Lötverfahren und einem Sauerstoff- Diffusions-Verfahren dar. Aus einem Lot wird dabei die Deckschicht 17 auf einer Oberfläche des Grundwerkstoffs 16 erzeugt .
Als Grundwerkstoff 16 wird insbesondere eine Titanlegierung, wie TiA16V4, und als Lot ein Titanbasislot, beispielsweise
Ti-Braze, verwendet. Es ist möglich, das Lot mit einem Grundwerkstoffmaterial zu vermischen, welches aus dem gleichen Material wie der Grundwerkstoff 16 besteht. Das Mischverhältnis liegt dabei zwischen 30 Massenprozent und 70 Massenprozent.
Das Lot wird insbesondere in Pulverform verwendet. Dazu kann das Lotpulver auf eine Trägerschicht aufgebracht sein. Die Trägerschicht und das Lotpulver bilden zusammen ein Band. Das Band wird insbesondere auf die Oberfläche des Grundwerkstoffs 16 aufgeklebt.
Das auf der Oberfläche des Grundwerkstoffs 16 positionierte Lot wird in einer Wärmebehandlung 12 unterzogen. Die Wärmebehandlung findet beispielsweise in einem Ofen statt. Zunächst wird das Lot durch ein Erwärmen 13 bis auf seine Schmelztemperatur erwärmt. Anschließend wird durch ein Diffundieren 14 Sauerstoff in das schmelzflüssige Lot eingebracht. Das Diffundieren 14 dauert insbesondere 0,5 Stunden. Während des Diffundierens 14 werden eine Atmosphäre, eine Temperatur und ein Druck hergestellt, die verursachen, dass Sauerstoff in das Lot diffundiert. Nach einem Abkühlvorgang bildet das Lot die mit dem Grundwerkstoff 16 fest verbundene Deckschicht 17. Der Bereich des Lots, in den der Sauerstoff diffundiert ist, bildet die Diffusionsschicht 17. Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Beschichtungsverfahren (10) zum Aufbringen einer Deckschicht (17) auf einen Grundwerkstoff (16), bei dem ein auf einer Oberfläche des Grundwerkstoffs (16) positioniertes Lot zum Fügen des Lots an den Grundwerkstoff (16) in einer Wärmebehandlung (12) erwärmt (13) wird bis es schmelzflüssig ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung einer Diffusionsschicht (18) in der Deckschicht (17) Sauerstoff in das schmelzflüssige Lot diffundiert (14) wird.
2. Beschichtungsverfahren (10) nach Anspruch 1,
wobei als Grundwerkstoff (16) eine Titanlegierung verwendet wird .
3. Beschichtungsverfahren (10) nach 2,
wobei als Lot ein Titanbasislot eingesetzt wird.
4. Beschichtungsverfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei das Lot mit einem Grundwerkstoffmaterial vermischt wird, das aus dem gleichen Material wie der Grundwerkstoff (16) besteht.
5. Beschichtungsverfahren (10) nach Anspruch 4,
wobei das Grundwerkstoffmaterial im Lot einen Massenanteil von 30 % bis 70 % aufweist.
6. Beschichtungsverfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei das Lot pulverförmig verwendet wird.
7. Beschichtungsverfahren (10) nach Anspruch 6,
wobei ein Band verwendet wird, bei dem das pulverförmige Lot auf einer Trägerschicht aufgebracht ist.
8. Bauteil (21) für eine Dampfturbine, mit einem Grundwerkstoff (16) einer auf einer Oberfläche des Grundwerkstoffs (16) befestigten Deckschicht (17), dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (17) eine Diffusionsschicht (18) auf- weist, in der atomarer Sauerstoff in ein Metallgitter der Deckschicht (17) eingelagert ist.
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