WO2005113858A1 - Verfahren zur aufbringung von heissgas-korrosionsschutzschichten - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for applying hot gas corrosion protection layers to a material with a Ni or Co base material according to the preamble of claim 1.
- the components which consist of a Ni base material (in special cases also a Co base material), are coated with a noble metal from the platinum group, preferably Pt itself.
- the respective component is then diffusion annealed at a temperature of approx. 1000 ° C.
- the resulting composite material is then calibrated using a thermochemical process.
- the alitation produces a PtAI gradient material, which generates Al 2 O 3 on the surface during operation, which represents a protective layer against corrosive gases (eg nitrogen oxides, sulfur oxides).
- This protective layer is initially consumed as a result of the corrosive / erosive attack.
- new Al 2 0 3 is continuously simulated and a corresponding protective effect is thus maintained. If the AI contained in the material is used up due to the constant edge diffusion, a corresponding component (shovel, guide segment) must be re-calibrated for reuse.
- the object of the invention is to provide a correspondingly economical method by means of which hot gas corrosion protection layers can be applied to a Ni or Co base material.
- metallic precursors are introduced into a directional high-temperature high enthalpy jet to represent the hot gas corrosion protection layers, a metal vapor is generated from the metallic precursors and this is deposited on a component to form a gradient layer.
- the base material of the hot gas components which e.g. Blades, guide segments and are usually made of high-temperature Ni alloys (but also Co alloys), first a material-identical or at least material-related adhesive layer is applied.
- this is also carried out by means of a coating process characterized by a directional, highly enthalpic and high-temperature flow.
- a plasma flow of predominantly thermal nature thermodynamic equilibrium plasma flow, characterized by either full or local thermodynamic equilibrium - VTG; LTG
- Corresponding plasma flows can be represented by expanding high-current arc discharges (working range of the arc voltages preferably above 100 V, working range of the arc currents preferably above 500 A) using argon / hydrogen primary gases.
- highly enthalpic flows of the required power range can be represented by high-frequency-induced plasmas (e.g. by inductive coupling of electromagnetic radiation in the frequency range 0.8 MHz - 10 MHz).
- a powdery material of the Ni or Co base material can be used to produce an adhesion-promoting layer. fes or a similar material evaporated or fragmented on a nanoscale. The subsequent expansion of the carrier gas-bound metal vapor leads to a directed free jet and to the deposition of a fine crystalline layer. The entire relevant component is coated.
- gaseous precursors for example sublimed halides from the corresponding salt-form compounds
- practical examples are NiCI2, AI2CI6, CoCI2, PtCI4, PdCI2 or direct precursor gases (eg AI (CH) 3, Ni (CO) 4) as well as liquid precursors (eg H2PtCI6) are introduced into the flows and reduced to metal atoms or metallic nanoparticles (metal clusters) by means of proportional hydrogen in the process gas.
- the result of this process variant is also a carrier gas-bound metal vapor from the metal powders in accordance with the previous variant.
- the actual hot gas corrosion protection layer is then applied in gradient form with different concentrations of the necessary components using identical processes.
- a specific embodiment is shown in Fig.1. The one with the element composition of this special hot gas corrosion protection layer.
- the mixing ratios or gradient profiles that can be implemented in virtually any manner can be adapted to the specific corrosion conditions. These depend on the respective temperature on the component and the specific pressure, the proportion of corrosive gases resulting from the fuel composition and the individual combustion chamber parameters (mean and local flame temperatures, mean and local oxygen levels). It is also advantageous that the desired layer composition can be set in a one-stage process by means of the method according to the invention.
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbringung von HeißgasKorrosionsschutzschichten auf hochwarmfesten Legierungen, entweder Nickeloder Kobalt-Basislegierungen, in Form einer Gradientenschicht bestehend aus einem oder mehrerer Elemente der Platingruppe in Verbindung mit Aluminium. Die Komponenten werden in einem gerichteten Hochtemperatur-HochenthalpieFreistrahl aus festen, flüssigen oder gasförmigen Precursoren in solchen Mischungsverhältnissen eingebracht, dass sich definierte Konzentrationsgradienten in der Schicht einstellen lassen.
Description
Verfahren zur Aufbringung von Heißgas-Korrosionsschutzschichten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbringung von Heißgas-Korrosionsschutzschichten auf einen Werkstoff mit einem Ni- oder Co-Basismaterial gemäss dem 0- berbegriff des Patentanspruchs 1.
In Fluggasturbinen ist im Bereich der Hochdruckturbine, insbesondere der Schaufeln und Leitsegmente ein Heißgas-Korrosionsschutz im Hochtemperaturbereich erforderlich. Hierzu werden die Komponenten, welche aus einem Ni- Basismaterial ( in speziellen Fällen auch einem Co- Basismaterial ) bestehen, mit einem Edelmetall aus der Platingruppe, vorzugsweise Pt selbst beschichtet.
Anschließend wird die jeweilige Komponente bei einer Temperatur von ca. 1000° C diffusionsgeglüht. Der dabei entstehende Verbundwerkstoff wird anschließend mittels eines thermochemischen Prozesses alitiert. Durch die Alitierung wird ein PtAI- Gradientenwerkstoff erzeugt, welcher im Betrieb an der Oberfläche Al203 erzeugt, was eine Schutzschicht gegen korrosive Gase (z.B. Stickoxide, Schwefeloxide) darstellt. Diese Schutzschicht wird infolge des korrosiven/erosiven Angriffs zunächst verbraucht. Allerdings wird infolge einer Randdiffusion von im Werkstoff vorhandenem Aluminium in Verbindung mit dem freien Sauerstoff im Turbinenabgas ständig neues Al203 nachgebildet und somit eine entsprechende Schutzwirkung aufrechterhalten. Wenn das im Werkstoff enthaltene AI infolge der ständigen Randdiffusion verbraucht ist, muss ein entsprechendes Bauteil ( Schaufel, Leitsegment ) zur Wiederverwendung erneut alitiert werden.
Herkömmliche Verfahren zur Darstellung von Heißgas-Korrosionsschutzschichten sind z.B. galvanische oder chemische Verfahren. Beide Verfahrensvarianten zeichnen sich dadurch aus, dass die Schichtaufbringung zumindest in einem Primärschritt aus der Flüssigphase erfolgt. Nachteilig an diesen Verfahren ist, dass nicht alle Materialkombinationen dargestellt werden können. Darüber hinaus sind diese Verfahren infolge eines hohen Zeit/Arbeitsaufwandes vergleichsweise kostenintensiv.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein entsprechend wirtschaftliches Verfahren anzugeben, mit dem Heißgas-Korrosionsschutzschichten auf einem Ni- oder Co - Basismaterial aufgebracht werden können.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß werden zur Darstellung der Heißgas-Korrosionsschutzschichten in einen gerichteten Hochtemperatur-Hochenthalpiestrahl metallische Precursoren eingebracht, aus den metallischen Precursoren ein Metalldampf erzeugt und dieser auf einem Bauteil zu einer Gradientenschicht abgeschieden.
Dabei wird vorteilhafterweise auf das Basismaterial der Heißgaskomponenten, welches z.B. Schaufeln, Leitsegmente sind und üblicherweise aus hochwarmfesten Ni- Legierungen (aber auch Co- Legierungen ) besteht, zunächst eine materialidentische oder zumindest materialverwandte Haftvermittlungsschicht aufgebracht. Erfindungsgemäß erfolgt auch dies mittels eines Beschichtungsverfahrens gekennzeichnet durch eine gerichtete, hochenthalpische und Hochtemperatur-Strömung. Vorteilhaft kann dabei eine Plasmaströmung überwiegend thermischer Natur (thermodynami- sche Gleichgewichts-Plasmaströmung, gekennzeichnet durch entweder volles oder lokales thermodynamisches Gleichgewicht - VTG; LTG ) verwendet werden. Entsprechende Plasmaströmungen sind darstellbar durch expandierende Hochstrombogen- entladungen (Arbeitsbereich der Bogenspannungen vorzugsweise oberhalb 100 V, Arbeitsbereich der Bogenströme vorzugsweise oberhalb 500 A) unter Verwendung von Argon/Wasserstoff- Primärgasen.
Alternativ dazu können hochenthalpische Strömungen des erforderlichen Leistungsbereichs durch hochfrequenzinduzierte Plasmen (z.B. durch induktive Einkopplung von elektromagnetischer Strahlung im Frequenzbereich 0.8 MHz - 10 MHz) dargestellt werden.
In solchen Hochtemperatur-Hochenthalpieströmungen kann zur Herstellung einer Haftvermittlungsschicht ein pulverförmiges Material des Ni- oder Co- Basiswerkstof-
fes oder eines ähnlichen Materials verdampft bzw. nanoskalig fragmentiert werden. Die nachfolgende Expansion des trägergasgebundenen Metalldampfes führt zu einem gerichteten Freistrahl und zur Abscheidung einer feinkristallinen Schicht. Beschichtet wird das gesamte relevante Bauteil.
Eine alternative Methode zur Aufbringung der Haftvermittlungsschicht unter Nutzung der spezifischen Eigenschaften von Hochtemperatur-Hochenthalpieströmungen besteht darin, dass gasförmige Precursoren (z.B. sublimierte Halogenide aus den entsprechenden salzfärmigen Verbindungen, praktische Beispiele dafür sind NiCI2, AI2CI6, CoCI2, PtCI4, PdCI2) oder direkte Precursorgase (z.B. AI(CH)3, Ni(CO)4) sowie flüssige Precusoren (z.B H2PtCI6) in die Strömungen eingebracht und mittels anteiligem Wasserstoff im Prozessgas zu Metallatomen bzw. metallischen Nanoparti- keln (Metallclustern) reduziert werden.
Das Resultat dieser Verfahrensvariante ist entsprechend der vorigen Variante aus den Metallpulvern ebenfalls ein trägergasgebundener Metalldampf.
Daran anschließend wird mittels identischer Verfahren die eigentliche Heißgas- Korrosionsschutzschicht in Gradientenform mit unterschiedlichen Konzentrationen der notwendigen Bestandteile aufgebracht. Ein konkretes Ausführungsbeispiel ist in Fig.1 gezeigt. Die mit der Elementzusammensetzung einer dieser speziellen Heißgas- Korrosionsschutzschicht.
Diese konkrete Schicht stellt ein mögliches Ausführungsbeispiel dar. Andere Gradientenverläufe bzw. andere Komponenten sind nach dem erfindungsgemässen Verfahren in analoger Weise darstellbar.
Vorteilhaft ist, dass die praktisch beliebig realisierbaren Mischungsverhältnisse bzw. Gradientenverläufe an die spezifischen Korrosionsbedingungen angepasst werden können. Diese hängen ab von der jeweiligen Temperatur am Bauteil sowie dem spezifischen Druck, dem Anteil an korrosiven Gasen resultierend aus einmal der Kraftstoffzusammensetzung sowie den individuellen Brennkammerparametern ( mittlere und lokale Flammtemperaturen, mittlere und lokale Sauerstoffgehalte ). Weiterhin vorteilhaft ist, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer einstufigen Verfahrensführung die gewünschte Schichtzusammensetzung eingestellt werden kann.
Claims
1. Verfahren zur Aufbringung von Heißgas-Korrosions-Schutzschichten auf einem Ni-oder Co- Basismaterial dadurch gekennzeichnet, dass in einen gerichteten Hochtemperatur-Hochenthalpiestrahl metallische Precursoren eingebracht werden, aus den metallischen Precursoren ein Metalldampf erzeugt und dieser auf einem Bauteil zu einer Gradientenschicht abgeschieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Precursoren eine Mischung aus festen, flüssigen oder gasförmigen Precursoren mit vorgebbaren Konzentrationsverhältnissen sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schicht Elemente der Platingruppe in Verbindung mit Aluminium enthalten sind.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Gradientenschicht zwischen 30 und 150 μ beträgt.
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