WO2007054265A2 - Wärmedämmende schutzschicht für ein bauteil innerhalb des heissgasbereiches einer gasturbine - Google Patents

Wärmedämmende schutzschicht für ein bauteil innerhalb des heissgasbereiches einer gasturbine Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a thermal insulation for a component within the hot gas region of a gas turbine having the features of the preamble of claim 1.
  • the surfaces in the hot gas area are almost completely provided with coatings in modern gas turbines. Exceptions are in some cases still the blades of rear turbine rows.
  • the thermal insulation layers serve to lower the
  • Zirconium oxide which is generally partially stabilized with about 7% by weight of yttrium oxide (International abbreviation: "YPSZ” by Yttria Partially Sitabilized Zircoma), has become established as the ceramic material for the thermal insulation layer m are divided into two main classes: - Thermally sprayed layers (usually with atmospheric pissma, APS), in which, depending on the desired layer thickness and stress distribution, a porosity between approximately 10 and 25% by volume m of the ceramic layer is set to ( ⁇ Au ⁇ resp ⁇ L: th * ⁇ haftscnj.cht done by rpecnar .. see Ver'zlamm réelle - lij-creLs ⁇ lektronenstrahl deposited £ 3. Sc ⁇ icfiten
  • the DBX compliance with certain deposition conditions comprise a columnar or ko] umnare ⁇ ehnungstolerante structure.
  • the layer is chemically bound by formation of an Al / Zr mixed oxide on a pure aluminum oxide layer (TGO) formed by the adhesion layer during the deposition and then in operation, which places particular demands on the oxide growth on the adhesion layer.
  • TGO pure aluminum oxide layer
  • MCrAlY Schichcen contained m a NiCoCr (,, ⁇ ") matrix, the intermetallic ß-r ⁇ ase MiCoAl as aluminum stock The ß-phase MiCoAI ha.
  • MCrAlY Schichcen contained m a NiCoCr (,, ⁇ ") matrix, the intermetallic ß-r ⁇ ase MiCoAl as aluminum stock The ß-phase MiCoAI ha.
  • the praktiscn realizable Al content aass
  • the structure of an aluminized MCrAlY layer consists of the inner, largely unchanged ⁇ , ß mixed phase, a diffusion zone in which the Al content increases to ⁇ 20% and an outer ß-NiAl phase in a proportion of about 30% Al ,
  • the NiAl phase is the weak point of the coating system in terms of resistance and crack sensitivity.
  • the (inter-) diffusion phenomena between the base material and the MCrAlY layer - in the special case also between the MCrAlY layer and the alitization - become lifetime-determining with increasing application temperature.
  • the diffusion-induced loss of the oxidation-active aluminum in the MCrAlY layer may exceed the oxide-induced loss.
  • the invention is based on the object of avoiding the disadvantages described above and of slowing down the diffusion in a generic protective layer without the oxidation properties of the aluminized layer as well as the bu ) ' LiIir ⁇ r and jstems.-i? ga ⁇ r öeei nfiusst ground ⁇ es SC ic'i c?.
  • the diffusion is slowed down by the addition of preferably Re, but also by W, Si, Hf and / or Ta m of the specified concentration by the modification of the particularly composed NiCoCrAlY adhesive layer.
  • the service life of the thermal insulation layer, especially the layer applied by EB-PVD is considerably prolonged by the diffusion resistance to the base material and the overbalancing hm. In case of premature failure of the thermal barrier coating, e.g. B. by Fremdkorperem Kunststoff or erosion, a longer "emergency operation" is possible.
  • the production of the thermal barrier layer takes place in the following manner.
  • an adhesive layer for. B. by thermal spraying applied.
  • a prealloyed ⁇ nd dusted powder is used, which has the following chemical composition: Co 15 to 30 wt.%, Cr 15 to 25 wt.%, Al 6 to 13 wt.%, Y 0.2 Dis 0.7 wt.% , Rest Ni.
  • the powder contains one or more of the elements Re up to 5 wt.%, ⁇ up to 5 wt.%, Si up to 3 wt.%, Hf Dis 3 wt.%, Ta to 5%.
  • the powder used following chemical Zusammer.se " ⁇ ur> g ⁇ Co 25 Ge / 7%, Cr has 21 wt.%, Al 8 wt.%, Y 0.5 wt.% Re 1.5 wt. %, Remainder Ni
  • the adhesive layer has the chemical composition of the powder used.
  • the overlapping is carried out by means of overalignment, that is to say by a treatment in which a reactive Al-containing gas, as a rule, is added to the surface of the aliquot of Al-Diffusior-Sschj cnt is an Ai-halo ⁇ emd (AlX 2 ), is at a higher temperature Eimvarcs ⁇ iffusion of Al, combined with a Ausvarts ⁇ iffusion of Ni, causes:.
  • an inner diffusion zone is formed on the largely unchanged adhesive layer within the diffusion layer, and above this an outer structure of a brittle ⁇ -NiAl phase.
  • the outer building layer is removed by blasting with hard particles, such as corundum, silicon carbide, metal wires or other known grinding or polishing down to the inner diffusion zone of the diffusion layer.
  • the abrasive treatment is driven so far that the surface of the remaining diffusion layer has an Al content of more than 18% and less than 30%.
  • the ceramic layer of zirconia partially stabilized by yttrium oxide is applied by one of the methods mentioned at the outset.

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Abstract

Eine wärmedämmende Schutzschicht für ein Bauteil innerhalb des Heißgasbereiches einer Gasturbine besteht aus einer Haftschicht, einer Diffusionsschicht und einer Keramikschicht, die auf das gegen hohe Temperatur beständige Basismetall des Bauteils aufgebracht ist. Die Haftschicht besteht aus einer Ni, Co, Cr, Al, Y enthaltenden Metalllegierung [MCrAlY (M = Ni, Co)], die Diffusionsschicht ist durch Alitieren der Haftschicht erzeugt, und die Keramikschicht besteht aus ZrO2, das durch Yttriumoxid, teilstabilisiert ist. Dem Werkstoff der Haftschicht sind ein oder mehrere chemische Metallelemente mit einem großen Atomdurchmesser aus der Gruppe Re, W, Si, Hf und/oder Ta zulegiert. Die Haftschicht weist nach dem Auftragen folgende chemische Zusammensetzung auf : Co 15 bis 30%, Cr 15 bis 25%, Al 6 bis 13%, Y 0,2 bis 0,7%, Re bis 5%, W bis 5%, Si bis 3%, Hf bis 3%, Ta bis 5%, Rest Ni.

Description

Beschreibung
Rarmedammende Schutzschicht: für ein Bauteil mreriaio des Heißgasbereiches einer Gasturüme
Die Erfindung betrifft eine warmedammende Schutzschicnt für ein Bauteil innerhalb des Heißgasbereiches einer Gasturbine mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
Die Oberflachen im Heißgasbereich werden m modernen Gasturbinen fast vollständig mit Beschichtungen versehen. Ausnahmen bilden in manchen Fallen noch die Schaufeln hinterer Turbinenreihen. Die Warmedammschichten dienen zur Absenkung der
Mateπalteiαperatur der gekühlten Bauteile. Hierdurch kann deren Lebensdauer verlängert, Kuhlluft verringert oder die Gasturbine mit höheren Eintrittstemperaturen betrieben werden. Warmedammschichtsysteme m Gasturbinen bestehen immer aus einer mit dem Grundwerkstoff durch Diffusion verbundenen metallischen Haftschicht und einer darüber liegenden Keramikschicht mit schlechter Wärmeleitfähigkeit, die die eigentliche Barriere gegen den Warrαestrom darstellt und das Basismetall des Bauteils gegen Hochtemperaturkorrosion und Hochtemperaturerosion schützt.
Als Keramikwerkstoff für die Warmedammschicht hat sich Zirkoniumoxid (ZrO2) durchgesetzt, das m aller Regel mit etwa 7 Gew.-% Yttriumoxid teilstabilisiert ist (Internationale Kurzbezeichnung: „YPSZ" von Yttria Partially Sitabilised Zircoma) . Die Warmedammschichten werden nach dem [jeweiligen Aufbringungsverfahren m zwei wesentliche Klassen eingeteilt: - Thermisch (meist mit atmosphärischem Pissma, APS) gespritzte Schichten, bei denen abhängig von der gewünschten Schichtdicϊ-e und Spannungsverteilung eine Porosität zwiscnen ca. 10 und 25 Vol.-% m der Keramikschicht eingestellt wird. Die Bindung zur (~au ςrespπ L: ten *■ haftscnj.cht erfolgt durch rpecnar.. sehe Ver'zlammerung. - lij-creLs Ξlektronenstrahl aufgedampfte £3-
Figure imgf000003_0001
Scαicfiten
(Electronic Beam- Plasma Vapor Diffusion-) , die DBX Einhaltung bestimmter Abscheidebedingungen eine säulenförmige oder ko]umnare αehnungstolerante Struktur aufweisen . Die Schicht ist chemisch durch Bildung eines Al/Zr-Mischoxides auf einer reinen, von der Haftschicht wahrend der Auformgung und anschließend im Betrieb gebildeten Aluminiumoxidschicht (Thermally Grown Oxide, TGO) gebunden, was besondere Anforderungen an das Oxidwachstum auf der Haftschicht stellt.
Als Haftschichten können prinzipiell sowohl Diffusionsschichten als auch Auflageschichten zum Einsatz kommen.
Das Anforderungsprofil an die Haftschichten ist komplex und hat folgendes zu berücksichtigen:
Geringe statische und zyklische Oxidationsraten, Bildung einer möglichst reinen Aluminiumoxidschicht als TGO (bei EB- PVD) - Hinreichende Beständigkeit gegen Hochtemperaturkorrosion,
- Niedrige Sprod-, Duktil- und Ubergangstemperatur, Hohe Kriechfestigkeit,
- Physikalische Eigenschaften ähnlich dem Grundwerkstoff, gute chemische Kompatibilität,
Gute Haftung,
- Minimale Langzeit-Interdiffusion mit dem Grundwerkstoff, Wirtschaftliche Aufbnngbarkeit in reproduzierbarer Qualität
Für die besonderen Anforderungen m stationären Gasturbinen Dieten Haft- oder Auflageschichten auf MCrAlY-Basis (M = Ni, Co) die besten Möglichkeiten zur Erfüllung der chemischen und mechanischen Vcrausseczunσan. MCrAlY-Schichcen enthalten m einer NiCoCr ( ,,γ" ) -Matrix die intermetallische ß-r'^ase MiCoAl als Aluminium-Vorrat . Die ß-Phase MiCoAI ha; allerdings auch einen versprodenden Einfluß, so aass der praktiscn realisierbare Al- Gehalt bei ≤ 12 Gew.-% lieσt. Zur weiteren Steigerung der Oxidationsbestanαiσkeit ist es moglicn, die MCrAlY-Schicnten nur einer Al-Diffusionsschicht zu überziehen. Wegen der Versprodungsgefahr beschrankt man dies weitgehend auf aluminiumarme (Al < 8 %) Ausgangsschichten.
Die Struktur einer alitierten MCrAlY-Schicht besteht aus der inneren, weitgehend unveränderten γ, ß-Mischphase, einer Diffusionszone, in der der Al-Gehalt auf ~ 20 % ansteigt und einer äußeren ß-NiAl-Phase mit einem Anteil von etwa 30 % Al . Die NiAl-Phase stellt die Schwachstelle des Schichtsystems hinsichtlich Sprόdigkeit und Rißempfindlichkeit dar.
Neben den Oxidationseigenschaften und den mechanischen Eigenschaften werden mit steigender Einsatztemperatur die (Inter-) Diffusionserscheinungen zwischen dem Basiswerkstoff und der MCrAlY-Schicht - im speziellen Fall auch zwischen der MCrAlY-Schicht und der Alitierung - lebensdauerbestimmend. Im Extremfall kann der diffusionsbedingte Verlust des oxidationswirksamen Aluminiums in der MCrAlY-Schicht den durch Oxidbildung hervorgerufenen Verlust übertreffen. Durch asymmetrische Diffusion, bei der lokale Verluste großer sind als eine Nachlieferung, kann es zu Fehlstellenbilding und Porenbildung sowie im Extremfall zur Delamination der Schicht kommen .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben beschriebenen Nachteile zu vermeiden unα bei einer gattungsgemaßen warmedammenden Schutzschicht die Diffusion zu verlangsamen, ohne dass die Oxidationseiσenschaften der alitierten Schicht sowie die bu)'LiIirεr und
Figure imgf000005_0001
αes Sc-ic'i c?jstems .-i?ga~r- öeei nfiusst erden.
Da e Λargabe wird öei einer gattur>gsgemaße" warmedammenden Scnutzsch.icht erfmdungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmaie des Anspruches 1 gelost. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 αrd 3.
Es hat sich gezeigt, dass durch die Modifikation der besonders zusammengesetzten NiCoCrAlY-Haftschicht durch Zugabe bevorzugt von Re, aber auch von W, Si, Hf und/oder Ta m der angegebenen Konzentration die Diffusion verlangsamt wird. Die Standzeit der warmedammenden Schutzschicht - insbesondere der durch EB- PVD aufgebrachten Schicht - v/ird durch die Diffusionsbestandigkeit zum Grundwerkstoff und zur Uberalitierung hm erheblich verlängert. Bei frühzeitigem Versagen der warmedammenden Schutzschicht, z. B. durch Fremdkorperemschlag oder Erosion, ist ein längerer „Notbetrieb" möglich.
Die Herstellung der warmedammenden Scnutzschicht erfolgt auf folgende Weise. Auf das Basismetall eines gekühlten Bauteils im Heißgasbereich, beispielsweise einer Schaufel einer Gasturbine, wird eine Haftschicht, z. B. durch thermisches Spritzen, aufgebracht. Dazu wird ein vorlegiertes αnd verdustes Pulver verwendet, das folgende chemische Zusammensetzung aufweist: Co 15 bis 30 Gew.%, Cr 15 bis 25 Gew.%, Al 6 bis 13 Gev.%, Y 0,2 Dis 0,7 Gew.%, Rest Ni. Zusatzlicn enthalt das Pulver noch eines oder menrere der Elemente Re bis zu 5 Gew.%, Ψ bis zu 5 Gew.%, Si bis zu 3 Gew.%, Hf Dis 3 Gew.%, Ta bis 5%. Vorzugsweise hat das verwendete Pulver folgende chemische Zusammer.se" ^ur>g ■ Co 25 Ge/7.%, Cr 21 Gew.%, Al 8 Gew.%, Y 0,5 Gew.%, Re 1,5 Gew.%, Rest Ni. Nach dem Auftragen hat die Haftschicht die chemische Zusammensetzung des verwendeten Pulvers. Nach αem Aufbringen der Haftschic it
Figure imgf000006_0001
αe.en JLl- Gehaltes die Haitsc" ±znz rαic einer Al-Diffusior-sschj cnt überzogen oαer ubera Litiert . Das überkleben erfolgt dürc. Uberalitierung, das heißt durch eine Behandlung, bei der ein reaktives Al-haltiges Gas, das in der Regel ein Ai-haloαemd (AlX2) ist, wird oei höherer Temperatur eine Eimvarcsαiffusion von Al, verbunden mit einer Ausvartsαiffusion von Ni, bewirkt:.
Durch das Uberalitieren entsteht auf der weitgehend unveränderten Haftschicht innerhalb der Diffusionsschicht eine innere Diffusionszone und darüber eine äußere Aufbauscmcht aus einer spröden ß-NiAl-Phase . Gemäß einem m der (noch nicht veröffentlichten) deutschen Patentanmeldung 10 2004 045 049.8 beschriebnen Verfahren wird die äußere Aufbauschicht durch Strahlen mit harten Partikeln, wie Korund, Siliziumkarbid, Metalldrahten oder anderen bekannten Schleif- oder Poliermitteln bis herab auf die innere Diffusionszone der Diffusionsschicht entfernt. Die abrasive Behandlung wird soweit getrieben, dass die Oberflache der verbliebenen Diffusionsschicht einen AI- Gehalt von über 18% und unter 30% aufweist.
Abschließend wird nach einem der eingangs genannten Verfahren die Keramikschicht aus durch Yttriumoxid teilstabilisierten Zirkonoxid aufgetragen.

Claims

paiθπzsr.scrjc'"3
1. WarmedaπiTienαe
Figure imgf000007_0001
für ei - Bauteil mnernaib des Heißgasoereiches einer Gasturbine, '-obei die υarmedammende SchLtzscnicnt aus einer Faf tscnicht, einer Dif f αsionsch±.cht αnd einer heram- kschicnt bestent, die auf das gegen hohe Temperatur beständige Basismetall des Bauteils aufgebracht ist, wobei die Haftschicht aus einer Ni, Co, Cr, Al, Y enthaltenden Metalllegierung ι MCrAl Y (M = Ni, Co) ] besteht, die Dif fusionsschicht durch Alitieren der Haftschichc erzeugt ist und die Keramikschicht aus ZrO2 besteht, das durch Yttriumoxid teilstabilisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Werkstoff der Haftschicht ein oder mehrere chemische Metallelemente mit einem großen Atomdurchmesser aus der Gruppe Re, W, Si, Hf und/oder Ta zulegiert sind und dass die Haftschicht nach dem Auftragen folgende chemische Zusammensetzung aufweist: Ni Rest Co 15 bis 30% Cr 15 bis 25% Al 6 bis 13% t 0,2 bis 0,7% Re bis 5% W bis 5% Si bis 3% Hf bis 3% Ta bis 51.
ϊ. Rarmedammende Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeicnnet , αass dem Werkstoff der Hai tschj-cht Pe zulegiert ist und αass die Haftscmcht nach dem Auftragen folgende chemische Zusammensetzung aufweist: Ni Resc Co 25% Cr 2 1 % AJ 6 % Y 0 , 5 %
Warmedammende Schutzschicht; nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die MCrAlY-Schicht uberalitiem auf das Basisrαeüall aufgebracht ist, dass die uberalitierte MCrAlY- Schicht eine Struktur aufweist, die aus einer inneren, im wesentlichen unveränderten γ, ß-Mischphase, einer Diffusionsschicht aus einer inneren Diffusionszone mit einem Al-Gehalt von etwa 20% und einer äußeren Aufbauschicht aus einer ß-NiAl-Phase mit einem Anteil von etwa 30% Al besteht, dass die äußere Aufbauschicht aus der ß-NiAl-Phase durch Abrasivbehandlung im wesentlichen bis auf die innere Diffusionszone der Diffusionsschicht entfernt ist und dass die Oberflache der verbliebenen Diffusionsschicht einen Al- Gehalt von über 18% und unter 30% aufweist.
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