RU2574559C2

RU2574559C2 - Alloy, protective layer and structural part

Info

Publication number: RU2574559C2
Application number: RU2014114490/02A
Authority: RU
Inventors: Вернер ШТАММ
Original assignee: Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date: 2011-09-12
Filing date: 2012-08-03
Publication date: 2016-02-10

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: alloy on nickel base for protective coating of structural part, in particular part of gas turbine, intended for part protection against corrosion and/or oxidation at high temperatures, contains the following elements, wt %: cobalt from 22 to below 24, chromium 15-16, aluminium 10.5-12, 0.2-0.6 for at least one element of group including scandium (Sc) and/or rare-earth elements, except yttrium, if necessary, tantalum (Ta) from 0.3 to 1.5 , nickel (Ni) - rest.

EFFECT: protective coating has high resistance to high-temperature corrosion, and is suitable for mechanical loads.

14 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к сплаву согласно Пункту 1 патентной формулы, защитному покрытию для защиты конструкционной детали от коррозии и/или окисления, в частности, при высоких температурах, согласно Пункту 13 патентной формулы, и конструкционной детали согласно Пункту 15 патентной формулы.The invention relates to an alloy according to Claim 1 of the patent claims, a protective coating for protecting the structural part from corrosion and / or oxidation, in particular at high temperatures, according to Clause 13 of the patent claims, and a structural part according to Clause 15 of the patent claims.

Защитные покрытия для металлических конструкционных деталей, которые должны повышать их коррозионную стойкость и/или устойчивость к окислению, известны в большом числе прототипных примеров. Большинство этих защитных покрытий известно под групповым наименованием MCrAlY, причем М означает по меньшей мере один элемент из группы, включающей железо, кобальт и никель, и прочие существенные компоненты представляют собой хром, алюминий и иттрий.Protective coatings for metal structural parts, which should increase their corrosion resistance and / or oxidation resistance, are known in a large number of prototype examples. Most of these protective coatings are known under the group name MCrAlY, where M means at least one element from the group consisting of iron, cobalt and nickel, and other essential components are chromium, aluminum and yttrium.

Типичные покрытия этого типа известны из Патентов США 4,005,989 и 4,034,142.Typical coatings of this type are known from US Patents 4,005,989 and 4,034,142.

Стремление повысить температуры на входе как стационарных газовых турбин, так и авиационных двигателей, имеет большое значение для отрасли газовых турбин, поскольку температуры на входе представляют собой важные параметры для достигаемых газовыми турбинами термодинамических коэффициентов полезного действия. При применении специально разработанных сплавов в качестве основного материала для термически высоконагруженных конструкционных деталей, таких как направляющие и рабочие лопатки, в частности, с использованием монокристаллических жаропрочных сплавов, вполне возможны температуры на входе свыше 1000°С. Между тем, прототипные решения позволяют применять температуры на входе на уровне 950°С и более для стационарных газовых турбин, а также 1100°С и более в газовых турбинах авиационных силовых установок.The desire to increase the inlet temperatures of both stationary gas turbines and aircraft engines is of great importance for the gas turbine industry, since the inlet temperatures are important parameters for the thermodynamic efficiency achieved by gas turbines. When using specially developed alloys as the main material for thermally highly loaded structural parts, such as guides and working blades, in particular, using single-crystal heat-resistant alloys, inlet temperatures above 1000 ° C are quite possible. Meanwhile, prototype solutions allow the use of inlet temperatures of 950 ° C or more for stationary gas turbines, as well as 1100 ° C or more in gas turbines of aircraft power plants.

Примеры конструкции турбинной лопатки с монокристаллической корпусной частью, которая, в свою очередь, может иметь сложное строение, следуют из патентного документа WO 91/01433 А1.Examples of the design of a turbine blade with a single-crystal casing, which, in turn, may have a complex structure, follow from patent document WO 91/01433 A1.

В то время как физическая допустимая нагрузка разработанных теперь основных материалов для высоконагруженных конструкционных деталей в отношении еще возможных дополнительных повышений температур на входе проблем почти не составляет, для достижения достаточной устойчивости к окислению и коррозии необходимо прибегать к защитным покрытиям. Наряду с достаточной химической устойчивостью защитного покрытия при воздействиях, которых следует ожидать от топочных газов при температурах с величиной порядка 1000°С, защитное покрытие должно также иметь достаточно хорошие механические свойства, не в последнюю очередь в отношении механического взаимодействия между защитным покрытием и основным материалом. В частности, защитное покрытие должно быть достаточно пластичным, чтобы иметь возможность следовать возможным деформациям основного материала и не растрескиваться, так как в этой ситуации могли бы создаваться места для окислительного и коррозионного воздействия. При этом обычно возникает та проблема, что повышение содержания таких элементов, как алюминий и хром, которые могут улучшать устойчивость защитного покрытия к окислению и коррозии, ведет к ухудшению пластичности защитного покрытия, так что необходимо принимать в расчет механический выход из строя, в частности, образование трещин, при механической нагрузке, обычно имеющей место в газовой турбине.While the physical allowable load of the basic materials developed now for highly loaded structural parts with regard to still possible additional temperature increases at the inlet is almost no problem, in order to achieve sufficient resistance to oxidation and corrosion, it is necessary to resort to protective coatings. Along with sufficient chemical resistance of the protective coating under the effects that should be expected from flue gases at temperatures of about 1000 ° C, the protective coating should also have good mechanical properties, not least in relation to the mechanical interaction between the protective coating and the base material. In particular, the protective coating must be plastic enough to be able to follow possible deformations of the base material and not crack, since in this situation places could be created for oxidative and corrosive effects. In this case, the problem usually arises that an increase in the content of elements such as aluminum and chromium, which can improve the resistance of the protective coating to oxidation and corrosion, leads to a decrease in the ductility of the protective coating, so it is necessary to take into account the mechanical failure, in particular, cracking due to mechanical stress usually occurring in a gas turbine.

Соответственно этому, в основу изобретения положена задача создания сплава и защитного покрытия, которое имеет хорошую устойчивость к высокотемпературным коррозии и окислению, проявляет хорошую долговременную стабильность и, кроме того, особенно хорошо приспособлено к механической нагрузке, которой следует ожидать, в частности, в газовой турбине при высокой температуре.Accordingly, the invention is based on the task of creating an alloy and a protective coating that has good resistance to high-temperature corrosion and oxidation, exhibits good long-term stability and, in addition, is particularly well adapted to the mechanical stress that should be expected, in particular, in a gas turbine at high temperature.

Задача решена с помощью сплава согласно Пункту 1 патентной формулы и защитному покрытию согласно Пункту 14 патентной формулы.The problem is solved with an alloy according to paragraph 1 of the patent claims and a protective coating according to paragraph 14 of the patent claims.

Дополнительная задача изобретения состоит в том, чтобы представить конструкционную деталь, которая имеет повышенную защиту от коррозии и окисления.An additional objective of the invention is to provide a structural part that has enhanced protection against corrosion and oxidation.

Задача также решена с помощью конструкционной детали по Пункту 16 патентной формулы, в частности, конструкционной детали газовой турбины или паровой турбины, которая для защиты от коррозии и окисления при высоких температурах имеет защитное покрытие вышеописанного типа.The problem was also solved with the help of the structural part according to Clause 16 of the patent formula, in particular, the structural part of a gas turbine or steam turbine, which has a protective coating of the above type for protection against corrosion and oxidation at high temperatures.

В зависимых пунктах патентной формулы перечислены дополнительные полезные меры, которые могут быть произвольно скомбинированы друг с другом благоприятным путем.The dependent claims list additional useful measures that can be arbitrarily combined with each other in a favorable way.

Далее изобретение разъясняется более подробно.The invention is further explained in more detail.

Фигуры и описание представлены только в качестве примеров осуществления изобретения.The figures and description are presented only as examples of carrying out the invention.

Как показано:As shown:

Фиг. 1 представляет систему слоев с защитным покрытием,FIG. 1 represents a system of layers with a protective coating,

Фиг. 2 представляет составы жаропрочных сплавов,FIG. 2 represents the compositions of heat resistant alloys,

Фиг. 3 представляет газовую турбину,FIG. 3 represents a gas turbine,

Фиг. 4 представляет турбинную лопатку иFIG. 4 represents a turbine blade and

Фиг. 5 представляет камеру сгорания.FIG. 5 represents a combustion chamber.

Согласно изобретению, защитное покрытие 7 (Фиг. 1) для защиты конструкционной детали от коррозии и окисления при высокой температуре по существу состоит из следующих элементов (данные о содержании в % по весу):According to the invention, the protective coating 7 (Fig. 1) for protecting the structural part from corrosion and oxidation at high temperature essentially consists of the following elements (data on the content in% by weight):

никельnickel

Со: 22%-26%Co: 22% -26%

Cr: 15%-16%Cr: 15% -16%

Al: 10,5%-12%Al: 10.5% -12%

0,2%-0,6% редкоземельного элемента (иттрия,...), и/или скандия (Sc):0.2% -0.6% rare earth element (yttrium, ...), and / or scandium (Sc):

необязательноnot necessary

Та: 0,5%-1,5%.Ta: 0.5% -1.5%.

Список легирующих элементов Ni, Co, Cr, Al, Y, Ta предпочтительно не является окончательным.The list of alloying elements Ni, Co, Cr, Al, Y, Ta is preferably not final.

Никель предпочтительно образует матрицу.Nickel preferably forms a matrix.

Список из Ni, Co, Cr, Al, Y, Ta предпочтительно является окончательным.The list of Ni, Co, Cr, Al, Y, Ta is preferably final.

Уровни содержания легирующих элементов Co, Cr, Al, Y обеспечивает следующие достоинства:The levels of alloying elements Co, Cr, Al, Y provide the following advantages:

Невысокое содержание Co:Low Co Content:

расширение бета/гамма-области, устранение хрупких фаз, например, таких как альфа-фазы, которые сознательно сокращаются, и что обычно рассматривается как положительное для пластичности.the expansion of the beta / gamma region, the elimination of fragile phases, such as alpha phases, which are consciously contracted, and that is usually considered positive for plasticity.

Умеренное содержание Cr:Moderate Cr Content:

в достаточной мере высокое для повышения активности Al в образовании Al₂O₃;high enough to increase the activity of Al in the formation of Al ₂ O ₃ ;

достаточно низкое, чтобы устранить хрупкие фазы (альфа-хром или сигма-фаза).low enough to eliminate brittle phases (alpha chromium or sigma phase).

Невысокое содержание Al:Low Al content:

в достаточной мере высокое для активности Al в образовании стабильного слоя Al₂O₃;sufficiently high for Al activity in the formation of a stable Al ₂ O ₃ layer;

достаточно низкое, чтобы избегать эффекта охрупчивания.low enough to avoid the effect of embrittlement.

Низкое содержание Y:Low Y content:

высокое в достаточной мере, чтобы при незначительной загрязненности кислородом образовывать еще достаточное количество алюмината иттрия для формирования Y-содержащих «штифтов»;sufficiently high so that, with slight oxygen contamination, an even sufficient amount of yttrium aluminate is formed to form Y-containing “pins”;

достаточно низкое, чтобы оказывать негативное влияние на ускорение роста такого оксидного слоя, как Al₂O₃-слой.low enough to adversely affect the growth acceleration of such an oxide layer as the Al ₂ O ₃ layer.

Тантал оказывает позитивное влияние на фазовую стабильность γ'-фазы и, соответственно, смещает переход к более высоким температурам и замедляет тем самым деградацию фазы вследствие израсходования алюминия в слое.Tantalum has a positive effect on the phase stability of the γ'-phase and, accordingly, shifts the transition to higher temperatures and thereby slows down the phase degradation due to the consumption of aluminum in the layer.

Следует констатировать, что уровни содержания отдельных элементов в особенности согласованы в отношении их действий, которые, в частности, должны проявляться в связи с элементом кремнием. Когда уровни содержания рассчитаны так, что не образуются никакие кремниевые осаждения, то во время применения защитного покрытия предпочтительно не возникают никакие хрупкие фазы, так что улучшаются характеристики долговечности и продлевается ресурс.It should be noted that the levels of the individual elements are particularly consistent with respect to their actions, which, in particular, should be manifested in connection with the silicon element. When the content levels are designed such that no silicon deposition is formed, preferably no brittle phases occur during the application of the protective coating, so that the durability characteristics are improved and the life is extended.

Это происходит не только вследствие низкого содержания хрома, но также, с учетом влияния алюминия на формирование фаз, благодаря точному расчету содержания алюминия.This occurs not only due to the low chromium content, but also, taking into account the influence of aluminum on the formation of phases, due to the accurate calculation of the aluminum content.

Во взаимодействии с сокращением хрупких фаз, которые особенно негативное влияние оказывают при повышенных механических нагрузках, механические свойства улучшаются в результате снижения механических напряжений благодаря выбранному содержанию никеля.In conjunction with the reduction of brittle phases, which have a particularly negative effect with increased mechanical loads, the mechanical properties are improved as a result of a reduction in mechanical stress due to the selected nickel content.

Защитное покрытие, при хорошей коррозионной стойкости, имеет особенно хорошую устойчивость против окисления, и отличается также особенно хорошими характеристиками пластичности, так что оно особенно рекомендуется для применения в газовой турбине 100 (Фиг. 3) при дополнительном повышении температуры на входе. Во время работы это едва ли приводит к охрупчиванию, так как покрытие вряд ли имеет хромо-кремниевые осаждения, которые становятся хрупкими в ходе эксплуатации.The protective coating, with good corrosion resistance, has particularly good oxidation resistance, and is also characterized by particularly good ductility characteristics, so that it is especially recommended for use in a gas turbine 100 (Fig. 3) with an additional increase in inlet temperature. During operation, this hardly leads to embrittlement, since the coating is unlikely to have chromium-silicon deposition, which becomes brittle during operation.

Порошки наносятся, например, путем плазменного напыления (способами APS (атмосферное плазменное напыление), LPPS (плазменное напыление при низком давлении), VPS (вакуумное плазменное напыление),...), чтобы сформировать защитное покрытие. Также возможны другие способы (PVD (физическое осаждение из газовой фазы), CVD (химическое осаждение из газовой фазы), SPPS (плазменное напыление из раствора прекурсора),...).Powders are applied, for example, by plasma spraying (using APS (atmospheric plasma spraying), LPPS (low pressure plasma spraying), VPS (vacuum plasma spraying), ...) to form a protective coating. Other methods are also possible (PVD (physical vapor deposition), CVD (chemical vapor deposition), SPPS (plasma spraying from a precursor solution), ...).

Описываемое защитное покрытие 7 также действует как усиливающий сцепление слой для жаропрочного сплава.The described protective coating 7 also acts as an adhesion-enhancing layer for a heat-resistant alloy.

На это защитное покрытие 7 могут быть нанесены дополнительные слои, в частности, керамические термобарьерные слои 10.Additional layers can be applied to this protective coating 7, in particular, ceramic thermal barrier layers 10.

В отношении конструкционной детали 1 защитное покрытие 7 предпочтительно наносится на подложку 4 из жаропрочного сплава на основе никеля или кобальта (Фиг. 2).In relation to the structural part 1, the protective coating 7 is preferably applied to the substrate 4 of a heat-resistant alloy based on nickel or cobalt (Fig. 2).

Составы этого типа известны как литейные сплавы с обозначениями GTD222, IN939, IN6203 и Udimet 500.Compounds of this type are known as cast alloys with the designations GTD222, IN939, IN6203 and Udimet 500.

Дополнительные альтернативные варианты для подложки 4 (Фиг. 2) конструкционной детали 1, 120, 130, 155 перечислены в Фиг. 2.Additional alternatives for the substrate 4 (FIG. 2) of the structural part 1, 120, 130, 155 are listed in FIG. 2.

Толщина защитного покрытия 7 на конструкционной детали 1 предпочтительно рассчитывается из значения между примерно 100 мкм и 300 мкм.The thickness of the protective coating 7 on the structural part 1 is preferably calculated from a value between about 100 microns and 300 microns.

Защитное покрытие 7 в особенности пригодно для защиты конструкционной детали 1, 120, 130, 155 от коррозии и окисления, в то время как конструкционная деталь подвергается воздействию топочных газов, имея температуру материала около 950°С, для авиационных турбин также примерно 1100°С.The protective coating 7 is particularly suitable for protecting the structural part 1, 120, 130, 155 from corrosion and oxidation, while the structural part is exposed to flue gases having a material temperature of about 950 ° C, for aircraft turbines also about 1100 ° C.

Защитное покрытие 7 согласно изобретению тем самым особенно рекомендовано для защиты конструкционной детали газовой турбины 100, в частности, направляющей лопатки 120, рабочей лопатки 130 или теплозащитного элемента 155, которая подвергается воздействию горячего газа перед турбиной или в турбине газовой турбины 100 или паровой турбины.The protective coating 7 according to the invention is therefore particularly recommended for protecting the structural part of the gas turbine 100, in particular the guide vane 120, the working blade 130 or the heat shield element 155, which is exposed to hot gas in front of the turbine or in the turbine of the gas turbine 100 or steam turbine.

Защитное покрытие 7 может быть использовано как верхний слой (защитное покрытие представляет собой самый наружный слой) или как связующее покрытие (защитное покрытие представляет собой промежуточный слой).The protective coating 7 can be used as the top layer (the protective coating is the outermost layer) or as a bonding coating (the protective coating is an intermediate layer).

Фиг. 1 показывает в качестве конструкционной детали систему 1 слоев.FIG. 1 shows, as a structural component, a layer system 1.

Система 1 слоев имеет подложку 4.The 1 layer system has a substrate 4.

Подложка 4 может быть металлической и/или керамической. В частности, для турбинных конструкционных деталей, например, таких как турбинные рабочие лопатки 120 (Фиг. 4) или направляющие лопатки 130 (Фиг. 3, 4), теплозащитные элементы 155 (Фиг. 5), а также другие детали корпуса паровой или газовой турбины 100 (Фиг. 3), подложка 4 имеет жаропрочный сплав на основе никеля, кобальта или железа, в частности, она состоит из него.The substrate 4 may be metal and / or ceramic. In particular, for turbine structural parts, for example, such as turbine rotor blades 120 (Fig. 4) or guide vanes 130 (Figs. 3, 4), heat shield elements 155 (Fig. 5), as well as other parts of the steam or gas casing turbine 100 (Fig. 3), the substrate 4 has a heat-resistant alloy based on nickel, cobalt or iron, in particular, it consists of it.

Предпочтительно используются жаропрочные сплавы на основе никеля (Фиг. 2).Preferably, nickel-based heat resistant alloys are used (FIG. 2).

На подложке 4 имеется соответствующее изобретению защитное покрытие 7.On the substrate 4 there is a protective coating 7 according to the invention.

Это защитное покрытие 7 предпочтительно наносится плазменным напылением (способами VPS, LPPS, APS,...).This protective coating 7 is preferably applied by plasma spraying (VPS, LPPS, APS, ...).

Оно может быть использовано в качестве наружного слоя (не показан) или промежуточного слоя (Фиг. 1).It can be used as an outer layer (not shown) or an intermediate layer (Fig. 1).

На защитном покрытии 7 предпочтительно имеется керамический термобарьерный слой 10.The protective coating 7 preferably has a ceramic thermal barrier layer 10.

Система слоев предпочтительно состоит из подложки 4, защитного покрытия 7 и керамического термобарьерного слоя 10, необязательно слоя термически выращенного оксида (TGO) под термобарьерным слоем 10.The layer system preferably consists of a substrate 4, a protective coating 7 and a ceramic thermal barrier layer 10, optionally a layer of thermally grown oxide (TGO) under the thermal barrier layer 10.

Защитное покрытие 7 может быть нанесено на вновь изготовленные конструкционные детали и повторно на обработанные конструкционные детали в ходе восстановления.The protective coating 7 can be applied to newly manufactured structural parts and re-processed structural parts during restoration.

Регенерация (восстановление) означает, что с конструкционных деталей 1 после их использования при необходимости отделяются покрытия (термобарьерный слой), и удаляются продукты коррозии и окисления, например, кислотной обработкой (кислотное стрипперование). При необходимости должны быть также отремонтированы трещины. После этого на такую конструкционную деталь опять наносится покрытие, поскольку подложка 4 является очень дорогостоящей.Regeneration (restoration) means that from structural parts 1 after their use, if necessary, coatings are separated (thermal barrier layer), and the products of corrosion and oxidation are removed, for example, by acid treatment (acid stripping). If necessary, cracks should also be repaired. After that, such a structural part is again coated, since the substrate 4 is very expensive.

Фиг. 3 показывает, в качестве примера, газовую турбину 100 в виде частичного продольного разреза.FIG. 3 shows, by way of example, a gas turbine 100 in the form of a partial longitudinal section.

Внутри газовой турбины 100 имеется ротор 103, который смонтирован вращающимся вокруг оси 102 вращения, с валом 101, также называемый ротором турбины.Inside the gas turbine 100 there is a rotor 103, which is mounted rotating about an axis of rotation 102, with a shaft 101, also called a turbine rotor.

Вдоль ротора 103 один за другим следуют впускной корпус 104, компрессор 105, например, тороидальная камера 110 сгорания, в частности, кольцевая камера сгорания, с многочисленными коаксиально размещенными форсунками 107, турбина 108 и выпускной корпус 109.Along the rotor 103, an inlet housing 104, a compressor 105, for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular an annular combustion chamber, with numerous nozzles 107, turbine 108 and exhaust housing 109 coaxially placed, follow one after another.

Кольцевая камера 110 сгорания сообщается, например, с кольцеобразным каналом 111 для горячего газа. Там, например, четыре последовательно соединенных ступени 112 турбины образуют турбину 108.The annular combustion chamber 110 communicates, for example, with an annular channel 111 for hot gas. There, for example, four turbine stages 112 connected in series form a turbine 108.

Каждая ступень 112 турбины сформирована, например, из двух лопастных венцов. Если смотреть по направлению течения рабочей среды 113, в канале 111 для горячего газа ряд 125, сформированный из рабочих лопаток 120, следует за рядом 115 направляющих лопаток.Each stage 112 of the turbine is formed, for example, of two blade crowns. If you look in the direction of flow of the working medium 113, in the channel 111 for hot gas row 125, formed from the working blades 120, follows a number of 115 guide vanes.

При этом направляющие лопатки 130 закреплены на внутреннем корпусе 138 статора 143, тогда как рабочие лопатки 120 ряда 125 вставлены в ротор 103, например, с помощью турбинного диска 133.In this case, the guide vanes 130 are mounted on the inner housing 138 of the stator 143, while the rotor blades 120 of the row 125 are inserted into the rotor 103, for example, using a turbine disk 133.

С ротором 103 соединен генератор или рабочая машина (не показаны).A generator or a working machine (not shown) is connected to the rotor 103.

Во время работы газовой турбины 100 компрессор 105 через впускной корпус 104 засасывает воздух 135 и сжимает его. Сжатый воздух, подготовленный на обращенном к турбине конце компрессора 105, поступает к форсункам 107 и там смешивается с топливом. Затем смесь сгорает в камере 110 сгорания с образованием рабочей среды 113. Оттуда рабочая среда 113 протекает вдоль канала 111 для горячего газа на направляющие лопатки 130 и рабочие лопатки 120. На рабочих лопатках 120 рабочая среда 113 расширяется с передачей им импульса силы так, что рабочие лопатки 120 приводят во вращение ротор 103, и он приводит в движение соединенную с ним рабочую машину.During operation of the gas turbine 100, the compressor 105 through the inlet housing 104 draws in air 135 and compresses it. Compressed air prepared at the end of the compressor 105 facing the turbine enters the nozzles 107 and is mixed with fuel there. The mixture then burns in the combustion chamber 110 with the formation of the working medium 113. From there, the working medium 113 flows along the hot gas channel 111 to the guide vanes 130 and the working blades 120. On the working blades 120, the working medium 113 expands with the transmission of a force impulse so that the workers the blades 120 rotate the rotor 103, and it drives a working machine connected to it.

Конструкционные детали, находящиеся в горячей рабочей среде 113 во время работы газовой турбины 100, подвергаются воздействию термических нагрузок. Направляющие лопатки 130 и рабочие лопатки 120 в первой ступени 112 турбины, если смотреть по направлению течения рабочей среды 113, вместе с теплозащитными элементами, облицовывающими кольцеобразную камеру 110 сгорания, испытывают самые высокие термические нагрузки.Structural parts located in the hot working environment 113 during operation of the gas turbine 100 are exposed to thermal loads. The guide vanes 130 and rotor blades 120 in the first stage 112 of the turbine, when viewed in the direction of flow of the working medium 113, experience the highest thermal loads together with the heat-shielding elements facing the annular combustion chamber 110.

Чтобы выдерживать преобладающие там температуры, эти детали могут охлаждаться с помощью охлаждающей среды.To withstand the prevailing temperatures there, these parts can be cooled using a cooling medium.

Подобным образом, подложки конструкционных деталей могут иметь направленную структуру, то есть, они являются монокристаллическими (SX-структура), или включают только продольно направленные зерна (DS-структура). Например, в качестве материала для конструкционных деталей, в частности, для турбинных лопаток 120, 130, и конструкционных деталей камеры 110 сгорания, используются жаропрочные сплавы на основе железа, никеля или кобальта.Similarly, the substrates of structural parts can have a directional structure, that is, they are single crystal (SX-structure), or include only longitudinally directed grains (DS-structure). For example, heat-resistant alloys based on iron, nickel or cobalt are used as a material for structural parts, in particular for turbine blades 120, 130, and structural parts of the combustion chamber 110.

Такие жаропрочные сплавы известны, например, из патентных документов EP 1 204 776 В1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 А1, WO 99/67435 или WO 00/44949.Such heat-resistant alloys are known, for example, from patent documents EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949.

Направляющая лопатка 130 имеет корень направляющей лопатки (здесь не показан), обращенный к внутреннему корпусу 138 турбины 108, и головку направляющей лопатки на противоположной стороне относительно корня направляющей лопатки. Головка направляющей лопатки обращена к ротору 103 и закреплена на крепежном кольце 140 статора 143.The guide vane 130 has a guide vane root (not shown here) facing the inner casing 138 of the turbine 108 and a guide vane head on the opposite side with respect to the root of the guide vane. The head of the guide vanes faces the rotor 103 and is mounted on the mounting ring 140 of the stator 143.

Фиг. 4 показывает перспективный вид рабочей лопатки 120 или направляющей лопатки 130 турбомашины, которая является протяженной вдоль продольной оси 121.FIG. 4 shows a perspective view of a working blade 120 or a guide blade 130 of a turbomachine that is extended along a longitudinal axis 121.

Турбомашина может представлять собой газовую турбину самолета или электростанции для выработки электроэнергии, паровую турбину или компрессор.The turbomachine may be a gas turbine of an airplane or power plant for generating electricity, a steam turbine or a compressor.

Лопатка 120, 130 имеет последовательно протяженные вдоль продольной оси 121 крепежный участок 400 (хвостовик), примыкающую к нему полку 403 лопатки, а также рабочую сторону (перо) 406, и вершину 415 лопатки.The blade 120, 130 has sequentially extended along the longitudinal axis 121 of the mounting section 400 (shank), adjacent to the shelf shelf 403 of the blade, as well as the working side (feather) 406, and the top 415 of the blade.

Будучи в качестве направляющей лопатки 130, лопатка 130 на своей вершине 415 лопатки может иметь дополнительную полку (не показана).As the guide vane 130, the vane 130 at its top 415 of the vane may have an additional shelf (not shown).

В крепежном участке 400 сформирован корень 183 лопатки, который служит для крепления рабочих лопаток 120, 130 к валу или диску (не показан).In the fixing portion 400, a root 183 of the blade is formed, which serves to attach the working blades 120, 130 to a shaft or disk (not shown).

Корень 183 лопатки выполнен, например, в форме головки молотка. Возможны также другие конструкции, такие как елочный хвостовик или «ласточкин хвост».The root 183 of the scapula is made, for example, in the form of a hammer head. Other designs are also possible, such as a Christmas tree shank or a dovetail.

Лопатка 120, 130 имеет входную кромку 409 и выходную кромку 412 для среды, которая обтекает основную часть 406 лопатки.The blade 120, 130 has an input edge 409 and an output edge 412 for the medium, which flows around the main part 406 of the blade.

Для традиционных лопаток 120, 130, в качестве примера, на всех участках 400, 403, 406 лопатки 120, 130 используются сплошные металлические материалы, в частности, жаропрочные сплавы.For traditional blades 120, 130, as an example, solid metal materials, in particular heat resistant alloys, are used in all sections 400, 403, 406 of the blades 120, 130.

При этом лопатка 120, 130 может быть изготовлена способом литья, также с помощью направленного затвердевания, способом ковки, способом фрезерования или их комбинациями.In this case, the blade 120, 130 can be made by casting, also using directional solidification, by forging, milling, or combinations thereof.

Заготовки с монокристаллической структурой или структурами используются в качестве конструкционных деталей для машин, которые во время работы подвергаются воздействию высоких механических, термических и/или химических нагрузок.Billets with a single-crystal structure or structures are used as structural parts for machines that are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical loads during operation.

Изготовление подобных монокристаллических заготовок выполняется, например, направленным затвердеванием из расплава. При этом речь идет о процессах литья, в которых жидкий металлический сплав затвердевает с образованием монокристаллической структуры, то есть, в монокристаллическую заготовку, или затвердевает направленно.The manufacture of such single-crystal preforms is carried out, for example, by directional solidification from the melt. This refers to casting processes in which a liquid metal alloy solidifies with the formation of a single-crystal structure, that is, into a single-crystal billet, or solidifies directionally.

При этом образуются дендритные кристаллы, ориентированные по направлению теплового потока, и формируют либо структуру с зернами в виде столбчатых кристаллов (то есть, с зернами, которые проходят по всей длине заготовки, и здесь, в соответствии со стандартной терминологией, называются направленно затвердевшими), либо монокристаллическую структуру, то есть, вся заготовка состоит из одного монокристалла. В этом процессе должен быть исключен переход к глобулярному (поликристаллическому) затвердеванию, поскольку ненаправленный рост неизбежно ведет к образованию поперечных и продольных границ между зернами, которые сводят на нет хорошие свойства направленно затвердевшей или монокристаллической детали.In this case, dendritic crystals are formed, oriented in the direction of the heat flux, and either form a structure with grains in the form of columnar crystals (that is, with grains that extend along the entire length of the workpiece, and here, in accordance with standard terminology, are called directionally solidified), or a single crystal structure, that is, the entire preform consists of one single crystal. In this process, the transition to globular (polycrystalline) solidification should be excluded, since undirected growth inevitably leads to the formation of transverse and longitudinal boundaries between grains, which negate the good properties of a directionally solidified or single-crystal part.

Если в общем речь идет о направленно затвердевших структурах, то тем самым подразумеваются как монокристаллы, которые не имеют никаких границ между зернами или, в крайнем случае, имеют малоугловые межзеренные границы, так и структуры из столбчатых кристаллов, которые имеют границы между зернами, проходящие в продольном направлении, но не имеют никаких поперечных межзеренных границ. В случае этих указанных вторыми кристаллических структур речь также может идти о направленно затвердевших структурах (направленно отвержденных структурах).If in general we are talking about directionally solidified structures, then we mean both single crystals that have no boundaries between grains or, in extreme cases, have small-grain grain boundaries, and structures from columnar crystals that have boundaries between grains extending into longitudinal direction, but do not have any transverse grain boundaries. In the case of these second-mentioned crystalline structures, we can also talk about directionally solidified structures (directionally solidified structures).

Такие способы известны из патентных документов US-PS 6,024,792 и EP 0 892 090 А1.Such methods are known from patent documents US-PS 6,024,792 and EP 0 892 090 A1.

Лопатки 120, 130 также могут иметь соответствующие изобретению защитные покрытия 7 против коррозии или окисления. Плотность предпочтительно составляет 95% теоретической плотности.The blades 120, 130 may also have protective coatings 7 according to the invention against corrosion or oxidation. The density is preferably 95% of the theoretical density.

На MCrAlX-слое (в качестве промежуточного слоя или в качестве самого наружного слоя) образуется защитный слой из оксида алюминия (TGO = термически выращенный оксидный слой).An alumina protective layer (TGO = thermally grown oxide layer) is formed on the MCrAlX layer (as an intermediate layer or as the outermost layer).

На MCrAlX также может присутствовать еще и термобарьерное покрытие, которое предпочтительно представляет собой самый наружный слой и состоит, например, из ZrO₂, Y₂O₄-ZrO₂, то есть, оно является не стабилизированным, частично или полностью стабилизированным оксидом иттрия, и/или оксидом кальция, и/или оксидом магния.MCrAlX may also have a thermal barrier coating, which is preferably the outermost layer and consists, for example, of ZrO ₂ , Y ₂ O ₄ —ZrO ₂ , that is, it is an unstable, partially or fully stabilized yttrium oxide, and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.

Термобарьерное покрытие полностью покрывает весь MCrAlX-слой. С помощью подходящего способа нанесения покрытий, например, такого как физическое осаждение из паровой фазы с испарением электронным пучком (EB-PVD), в термобарьерном покрытии получаются столбчатые зерна.The thermal barrier coating completely covers the entire MCrAlX layer. Using a suitable coating method, such as, for example, electron beam vapor deposition (EB-PVD), columnar grains are obtained in a thermal barrier coating.

Возможны другие способы нанесения покрытий, например, атмосферное плазменное напыление (APS), LPPS (плазменное напыление при низком давлении), VPS (вакуумное плазменное напыление), или CVD (химическое осаждение из газовой фазы). Для лучшей устойчивости против теплового удара термобарьерное покрытие может иметь пористые зерна, прилипающие к микро- или макротрещинам. Термобарьерное покрытие также предпочтительно является более пористым, чем MCrAlX-слой.Other coating methods are possible, for example, atmospheric plasma spraying (APS), LPPS (low pressure plasma spraying), VPS (vacuum plasma spraying), or CVD (chemical vapor deposition). For better resistance to thermal shock, the thermal barrier coating may have porous grains that adhere to micro- or macrocracks. The thermal barrier coating is also preferably more porous than the MCrAlX layer.

Лопатка 120, 130 может быть выполнена пустотелой или сплошной. Если лопатка 120, 130 должна охлаждаться, то она является пустотелой и также при необходимости может включать отверстия 418 для пленочного охлаждения (обозначены пунктирными линиями).The blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, then it is hollow and, if necessary, may also include openings 418 for film cooling (indicated by dashed lines).

Фиг. 5 показывает камеру 110 сгорания газовой турбины 100. Камера 110 сгорания, например, выполнена в виде так называемой «кольцевой камеры сгорания», в которой размещенные вокруг оси 102 вращения в окружном направлении многочисленные форсунки 107 открыты в общий объем 154 камеры сгорания, которые образуют факелы 156 пламени. Для этой цели вся камера 110 сгорания в целом имеет кольцеобразную конфигурацию, которая позиционирована вокруг оси 102 вращения.FIG. 5 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine 100. The combustion chamber 110, for example, is in the form of a so-called "annular combustion chamber" in which numerous nozzles 107 arranged around the axis of rotation in the circumferential direction are open to the total volume 154 of the combustion chamber, which form flares 156 flames. For this purpose, the entire combustion chamber 110 as a whole has an annular configuration that is positioned around the axis of rotation 102.

Для достижения сравнительно высокого коэффициента полезного действия камера 110 сгорания рассчитана на сравнительно высокую температуру рабочей среды М от около 1000°С до 1600°С. Чтобы и при этих неблагоприятных для материалов эксплуатационных параметрах обеспечивалась возможность относительно длительной продолжительности работы, стенка 153 камеры сгорания на ее стороне, обращенной к рабочей среде М, оснащена внутренней облицовкой, сформированной из теплозащитных элементов 155.To achieve a relatively high efficiency, the combustion chamber 110 is designed for a relatively high temperature of the working medium M from about 1000 ° C to 1600 ° C. In order to ensure the possibility of a relatively long duration of operation even with these operational parameters unfavorable for materials, the wall 153 of the combustion chamber on its side facing the working medium M is equipped with an inner lining formed of heat-protective elements 155.

Кроме того, вследствие высоких температур внутри камеры 110 сгорания может быть предусмотрена система охлаждения теплозащитных элементов 155 или, соответственно, деталей их крепления. В этом случае теплозащитные элементы 155 являются, например, пустотелыми, и при необходимости также могут иметь открытые в объем 154 камеры сгорания отверстия для охлаждения (не показаны).In addition, due to the high temperatures inside the combustion chamber 110, a cooling system for heat-shielding elements 155 or, correspondingly, their mounting parts may be provided. In this case, the heat-shielding elements 155 are, for example, hollow, and, if necessary, may also have cooling openings (not shown) open to the volume 154 of the combustion chamber.

Каждый теплозащитный элемент 155 из сплава на стороне рабочей среды оснащен особенно термостойким защитным покрытием (MCrAlX-слой и/или керамическое покрытие), или изготовлен из устойчивого к высоким температурам материала (сплошные керамические кирпичи).Each heat-protective alloy element 155 on the side of the medium is equipped with a particularly heat-resistant protective coating (MCrAlX layer and / or ceramic coating), or is made of a material resistant to high temperatures (solid ceramic bricks).

Эти защитные слои 7 могут быть подобны лопаткам турбины.These protective layers 7 may be similar to turbine blades.

На MCrAlX также может присутствовать, например, керамическое термобарьерное покрытие, состоящее, например, из ZrO₂, Y₂O₄-ZrO₂, то есть, которое является не стабилизированным, частично или полностью стабилизированным оксидом иттрия, и/или оксидом кальция, и/или оксидом магния.MCrAlX may also contain, for example, a ceramic thermal barrier coating consisting, for example, of ZrO ₂ , Y ₂ O ₄ —ZrO ₂ , that is, which is an unstabilized, partially or fully stabilized yttrium oxide, and / or calcium oxide, and / or magnesium oxide.

Столбчатые зерна в термобарьерном покрытии получаются с помощью подходящих способов нанесения покрытий, например, таких как физическое осаждение из паровой фазы с испарением электронным пучком (EB-PVD).Column grains in a thermal barrier coating are obtained using suitable coating methods, such as, for example, physical vapor deposition with electron beam evaporation (EB-PVD).

Возможны другие способы нанесения покрытий, например атмосферное плазменное напыление (APS), LPPS, VPS, или CVD. Для лучшей устойчивости против теплового удара термобарьерное покрытие может иметь пористые зерна, прилипающие к микро- или макротрещинам.Other coating methods are possible, for example atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS, or CVD. For better resistance to thermal shock, the thermal barrier coating may have porous grains that adhere to micro- or macrocracks.

Регенерация (восстановление) означает, что с турбинных лопаток 120, 130, теплозащитных элементов 155 после их использования при необходимости должны быть удалены защитные покрытия (например, пескоструйной обработкой). После этого выполняется удаление слоев и, соответственно, продуктов коррозии и/или окисления. При необходимости также подлежат ремонту трещины в турбинных лопатках 120, 130, или в теплозащитном элементе 155. После этого следует повторное нанесение покрытия на турбинные лопатки 120, 130, теплозащитные элементы 155 и повторное использование турбинных лопаток 120, 130 или теплозащитных элементов 155.Regeneration (restoration) means that from the turbine blades 120, 130, heat-shielding elements 155 after their use, if necessary, protective coatings should be removed (for example, by sandblasting). After this, the layers and, accordingly, the products of corrosion and / or oxidation are removed. If necessary, cracks in the turbine blades 120, 130, or in the heat-shielding element 155 are also to be repaired. After this, re-coating of the turbine blades 120, 130, heat-shielding elements 155 and the reuse of turbine blades 120, 130 or heat-shielding elements 155 follow.

Claims

1. Nickel-based alloy for the protective coating of a structural part, in particular a gas turbine part, intended to protect the part from corrosion and / or oxidation at high temperatures, containing the following elements, wt.%:
from 22 to less than 24 cobalt (Co),
15-16 chromium (Cr),
10.5-12 aluminum (Al),
0.2-0.6 of at least one element from the group consisting of scandium (Sc) and / or rare earth elements other than yttrium,
optionally 0.3 to 1.5 tantalum (Ta), in particular 0.8 to 1.5 tantalum (Ta), most preferably 0.5-1.0 tantalum (Ta),
nickel (Ni) - the rest.

2. The alloy according to claim 1, characterized in that it further comprises rhenium (Re).

3. The alloy according to claim 1, characterized in that it further comprises silicon (Si).

4. The alloy according to claim 1, characterized in that it contains tantalum (Ta), in particular at least 0.3 wt.%, Most preferably 0.5 wt.%.

5. The alloy according to claim 1, characterized in that it further comprises at least one of the following elements: zirconium (Zr), titanium (Ti), gallium (Ga), germanium (Ge), platinum (Pt), hafnium (Hf), cerium (Ce), iron (Fe), palladium (Pd), boron (B) and carbon (C).

6. The alloy according to claim 1, characterized in that it consists of cobalt, chromium, aluminum, nickel and, if necessary, tantalum.

7. The alloy according to claim 1, characterized in that it consists of cobalt, chromium, aluminum, nickel and tantalum.

8. The alloy according to claim 1, characterized in that nickel (Ni) forms a matrix.

9. The alloy according to claim 1, characterized in that it contains 11.5 wt.% Aluminum (Al).

10. The alloy according to claim 1, characterized in that it contains 1.2-1.5 wt.% Tantalum (Ta).

11. The alloy according to claim 1, characterized in that it contains 15.5 wt.% Chromium (Cr).

12. The protective coating (7) of the structural part, in particular the gas turbine part, intended to protect the part from corrosion and / or oxidation at high temperatures, characterized in that it is made of an alloy according to any one of paragraphs. 1-11.

13. The protective coating (7) according to claim 12, characterized in that it is applied by plasma spraying, in particular, plasma spraying in the atmosphere (APS) or high-speed flame spraying (HVOF).

14. A structural part (120, 130, 155), in particular a part of a gas turbine (100), comprising a substrate (4) made of an alloy based on nickel or cobalt, and a protective coating (7) according to claim 12 or 13 and, if necessary, a ceramic thermal barrier coating (10) is applied to the protective coating.