WO2008110607A1

WO2008110607A1 - Turbinenbauteil mit wärmedämmschicht

Info

Publication number: WO2008110607A1
Application number: PCT/EP2008/053021
Authority: WO
Inventors: Jochen Barnikel; Friedhelm Schmitz
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2008-03-13
Publication date: 2008-09-18
Also published as: EP2132350A1; CN101631888A; JP2010522823A; EP1970461A1

Abstract

Die Erfindung betrifft die Anwendung von Wärmedämmschichten (7) auf Dampfkraftwerkskomponenten und weist im Wesentlichen eine Haftschicht und/oder eine Erosionsschutzschicht (13) auf, die im Vergleich zu einem Grundwerkstoff (4) oder der keramischen Wärmedämmschicht (7) ähnliche oder gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten hat und im Wesentlichen einen Chromanteil von 15 Gew.-% bis 30 Gew.-% Cr aufweist, wobei zur Reduzierung der Versprödung dem Werkstoff ein Aluminiumgehalt von 1,5 Gew.-% bis 5 Gew.-% Aluminium hinzulegiert wird. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer eisenbasierten Schicht, wobei die Schicht durch thermisches Spritzen aufgebracht und ein eisenbasiertes Pulver verwendet wird, das 25 Gew.-% bis 35 Gew.-% Cr aufweist.

Description

Beschreibung

Turbinenbauteil mit Wärmedämmschicht

Die Erfindung betrifft eine eisenbasierte Legierung nach Anspruch 1, eine Schutzschicht nach Anspruch 10, ein Schichtsystem nach Anspruch 11 und ein Verfahren zur Herstellung der eisenbasierten Schicht gemäß Anspruch 16.

Schutzschichten für metallische Bauteile, die deren Korrosionsbeständigkeit und/oder Oxidationsbeständigkeit erhöhen sollen, sind im Stand der Technik in großer Anzahl bekannt. Die meisten dieser Schutzschichten sind unter dem Sammelnamen MCrAlY bekannt, wobei M für mindestens einer der Elemente aus der Gruppe umfassend Eisen, Kobalt und Nickel steht und weitere Bestandteile Chrom, Aluminium und Yttrium.

Wärmedämmschichten, die auf Turbinenbauteilen aufgebracht werden, sind beispielsweise in der EP 1 541 810 Al beschrieben. Die Bemühung um die Steigerung der Eintrittstemperaturen des Frischdampfes bei Dampfturbinen hat eine große Bedeutung, denn für die Erzielung eines optimalen thermischen Wirkungsgrades ist die Eintrittstemperatur des Frischdampfes eine wichtige Bestimmungsgröße. Durch den Einsatz speziell entwickelter ferritischer Grundwerkstoffe für thermisch hoch belastete Turbinenbauteile lassen sich derzeit Frischdampftemperaturen von ca. 620⁰C erreichen. Durch den Einsatz von Wärmedämmschichten auf diesen Grundwerkstoffen soll eine Frischdampfeintrittstemperatur gesteigert werden oder bei gleicher Frischdampftemperatur der Einsatz von kostengünstigen Werkstoffen ermöglicht werden.

Zur Erzielung einer hinreichenden Beständigkeit gegen Oxida- tion und Korrosion der ferritischen Grundwerkstoffen muss auf Schutzschichten zurückgegriffen werden. Neben der hinreichenden chemischen Beständigkeit einer Schutzschicht muss eine Schutzschicht auch gegenüber guten mechanischen Eigenschaften, nicht zuletzt im Hinblick auf die mechanische Wechselwirkung zwischen der Schutzschicht und dem Grundwerkstoff, aufweisen. Insbesondere muss die Schutzschicht hinreichend duktil sein, um eventuellen Verformungen des Grundwerkstoffes folgen zu können und nicht zu reißen, da auf diese Weise Angriffspunkte für Oxidation und Korrosion geschaffen würden.

Es ist von Vorteil, bei der Verwendung von Wärmedämmschichten auf Dampfturbinenkomponenten eine Haftschicht zwischen dem

Grundwerkstoff und der Wärmedämmschicht anzuordnen. Die Haftschicht bewirkt zum einen eine gute Haftung der Wärmedämmschicht auf dem Grundwerkstoff und zum anderen einen Schutz des Grundwerkstoffes gegen Oxidation und Korrosion.

Um die Wärmedämmschicht gegen Erosion und Korrosion zu schützen kann eine weitere Schutzschicht auf der Wärmedämmschicht angeordnet, die als Top-Coating bezeichnet wird. Haftschichten und/oder Top-Coatings aus Ni-Cr 80/20 und/oder MCrAlY sind besonders gut für die im

Dampfturbinenbau verwendeten Grundwerkstoffe einsetzbar. Insbesondere eignen sich diese vorgenannten Haftschichten auf Grundwerkstoffen wie beispielsweise Ni-Basis-Legierungen, wobei eine Eignung über 700⁰C möglich erscheint.

Nachteilig bei der Verwendung dieser Haftschichten und/oder Top-Coatings ist, dass deren Wärmeausdehnungskoeffizient im Vergleich zu den Grundwerkstoffen bzw. Wärmedämmschichten vergleichsweise hoch ist, was dazu führt, dass Spannungen und/oder Dehnungen zu einer unerwünschten Rissbildung führen kann .

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein geeignetes Material für die Haftschicht und/oder Top-Coatings anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung gemäß Anspruch 1, einer Schutzschicht gemäß Anspruch 13 und einem Schichtsystem gemäß Anspruch 14. Die Aufgabe wird ebenso gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Schicht gemäß Anspruch 16 und/oder 19.

Die in den Unteransprüchen aufgelisteten Maßnahmen können in vorteilhafter Art und Weise beliebig miteinander kombiniert werden .

Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zu Grunde, dass der Anteil des Chromgehaltes auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Haftschicht und/oder des Top- Coatings wesentlich vom Chromgehalt abhängt, wobei auch der Aluminium-Gehalt eine wesentliche Rolle spielt. Durch die in den Ansprüchen beschriebenen Lösungen werden demnach Haft- schichttypen und/oder Top-Coatings angegeben, die aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung sowohl die geforderten Eigenschaften hinsichtlich Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit erfüllen, als auch einen geeigneten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.

Im Wesentlichen zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass für das thermische Spritzen ein Spritz-Pulver verwendet wird mit einem Chromgehalt von 25 Gew.-% bis 35 Gew.-% Chrom, wodurch ein Chromgehalt von 15 Gew.-% - 30 Gew.-% in der eisenbasierten Schicht nach dem Herstellungsverfahren erzielt wird. Durch Versuche wurde festgestellt, dass der Chromgehalt des Spritz-Pulvers um bis zu 10 Gew.-% während des Herstellungsverfahrens abfällt.

Damit die Neigung dieser eisenbasierten Legierung gegenüber Versprödung durch Sigma-Phasenbildung reduziert wird, kann dem Spritz-Pulver ein Aluminium-Gehalt von 1 Gew.-% - 5 Gew.- % Aluminium zulegiert werden. Zur weiteren Verminderung von Sigma-Phasenbildung wird ein möglichst geringer Silizium- Gehalt < 0,2 Gew.-% angesetzt.

Zur Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit können beispielsweise die Elemente Ce, Y und/oder Hf verwendet werden. Die Erfindung wird im Folgenden näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1, 2, 3, 4 Anordnungsmöglichkeiten einer Wärmdämmschicht eines Bauteils.

Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Bauteils 1.

Das Bauteil 1 könnte beispielsweise ein Einströmbereich einer Turbine, insbesondere einer Dampfturbine sein und weist einen Grundwerkstoff 4 auf und einer darauf aufgebrachten Wärmedämmschicht 7. Die Wärmedämmschicht 7 kann aus einem keramischen Material ausgebildet sein. So kann beispielsweise die Wärmedämmschicht 7 als keramische Wärmedämmschicht aus Zir- konoxid ausgebildet sein, wobei das Zirkonoxid unstabilisiert, teilstabilisiert oder vollstabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Magnesiumoxid ist. In einer alternativen Ausführungsform kann die keramische Wärmedämmschicht aus Titanoxid bestehen, wobei die Dicke zwischen 0,1 mm und 2 mm liegt .

Zur Herstellung der keramischen Wärmedämmschicht 7 können verschiedene Beschichtungsverfahren angewendet werden. Beispielsweise kann die keramische Wärmedämmschicht 7 durch thermisches Spritzen wie atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) sowie durch chemische oder physikalische

Beschichtungsmethoden wie z. B. CVD oder PVD verwendet werden .

Die Figur 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungs- gemäß ausgebildeten Bauteils 1. Der Unterschied zwischen der Figur 1 und der Figur 2 ist der, dass zwischen dem Grundwerkstoff 4 und der Wärmedämmschicht 7 zumindest eine Haftschicht 10, umfassend eine eisenbasierte Legierung ausgebildet ist. Die Haftschicht 10 dient zum einen zum Schutz vor Korrosion und/oder Oxidation des Grundwerkstoffes und zum anderen zur besseren Anbindung der keramischen Wärmedämmschicht 7 an den Grundwerkstoff 4. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die keramische Wärmedämmschicht und der Grundwerkstoff aus einem Metall bestehen. Die eisenbasierte Haftschicht umfasst hierbei 15 Gew.-% bis 30 Gew.-% Chrom. Des Weiteren umfasst die eisenbasierte Legierung 1,5 Gew.-% bis 2,5 Gew.-% Aluminium und weniger als 0,2 Gew.-% Silizium. Des Weiteren kann die eisenbasierte Haftschicht das Element Y das Element Hafnium und das ElementCer mit folgenden Gewichtsanteilen : 0,1 Gew.-% bis 0,7 Gew.-% Y 0,1 Gew.-% bis 0,5 Gew.-% Cer 0,1 Gew.-% bis 0,5 Gew.-% Hafnium aufweisen.

Die Haftschicht 10 zum Schutz des Grundwerkstoffes 4 gegen Oxidation und Korrosion und Erosion bei einer hohen Temperatur besteht beispielsweise im Wesentlichen aus folgenden Elementen:

Ausführungsform I:

15 Gew.-% bis 30 Gew.-% Chrom.

Ausführungsform II:

13 Gew.-% bis 15 Gew.-% und 1,5 Gew.-% bis 5 Gew.-% Aluminium.

Ausführungsform III: 15 Gew.-% bis 30 Gew.-% Chrom und 1,5 Gew.-% bis 3 Gew.-% Aluminium und Silizium mit weniger als 0,2 Gew.-%.

Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Grundwerkstoffes 4 und der Haftschicht 10 sind dadurch sehr gut aneinander an- geglichen oder sie sind sogar gleich, so dass es zu keinen oder nur geringen thermischen Spannungen zwischen dem Grundwerkstoff 4 und der Haftschicht 10 kommt, der ein Abplatzen und/oder eine Rissbildung der Haftschicht 10 oder der Wärmedämmschicht verursachen könnte. Dies ist besonders wichtig, da bei ferritischen Werkstoffen oft keine Wärmebehandlung zur Diffusionsanbindung durchgeführt wird, sondern die Wärmedämmschicht 7 größtenteils oder nur durch Adhäsion auf dem Grundwerkstoff haftet. Der Grundwerkstoff 4 kann eine ferritische Basislegierung, ein Stahl, insbesondere ein 1% CrMoV-Stahl oder ein 9% - 13%iger Chromstahl sein. Weitere vorteilhafte ferritische Substrate 4 des Bauteils 1 bestehen aus einem 1% - 2% Chromstahl für Wellen: wie z. B. 30CrMoNiV5-ll oder 23CrMoNiWV8-8, 1% - 2% Chromstahl für Gehäuse: G17CrMoV5-10 oder G17CrMo9-10, 10% Chromstahl für Wellen: Xl2CrMoWVvNbNl 0-1-1 , 10% Cr-Stahl für Gehäuse:

GX12CrMoWVNbN10-l-l oder GX12CrMoVNbN9-l .

Das Bauteil 1 wird insbesondere durch thermisches Spritzen gefertigt, wobei eisenbasiertes Pulver verwendet wird, das 25 Gew.-% bis 35 Gew.-% Chrom aufweist. Bei solch einem Herstellungsverfahren kommt es durch Sauerstoffaufnähme beim Spritzvorgang zu einer mehr oder minder deutlichen Cr- Oxidbildung, die wiederum eine starke örtliche Cr- Abreicherung bis zum Teil unter 12% zur Folge hat. Durch das erfindungsgemäße Verwenden des eisenbasierten Pulvers wird sichergestellt, dass die eisenbasierte Legierung nach dem Herstellungsverfahren einen Anteil von 15 Gew.-% bis 30 Gew.- % Chrom aufweist.

Das Herstellungsverfahren wird dahingehend verbessert, in dem Aluminium dem Pulver zugefügt wird mit 1 Gew.-% bis 5 Gew.-% Aluminium. Nach dem thermischen Spritzen bleibt ein Aluminiumgehalt von 1,5 Gew.-% bis 3 Gew.-% Aluminium in der eisenbasierten Legierung zurück.

In einer alternativen Ausführungsform wird bei dem Herstellungsverfahren ein Pulver umfassend 28 Gew.-% bis 30 Gew.-% Chrom verwendet, wobei dem Pulver Aluminium zulegiert wird mit 2,5 Gew.-% bis 3,5 Gew.-% Aluminium. Das Pulver weist hierbei weniger als 0,2 Gew.-% Silizium auf.

Das Verfahren zur Herstellung der eisenbasierten Schicht, wobei thermisches Spritzen verwendet wird, kann dahingehend verbessert werden, dass das eisenbasierte Pulver aus 25 Gew.-% bis 35 Gew.-% Chrom besteht.

Alternativ dazu kann das Pulver aus 25 Gew.-% bis 35 Gew.-% Chrom und 1 Gew.-% bis 5 Gew.-% Aluminium bestehen.

Alternativ dazu kann das eisenbasierte Pulver aus 28 Gew.-% bis 30 Gew.-%, 2,5 Gew.-% bis 3,5 Gew.-% Aluminium und Silizium mit weniger als 0,2 Gew.-% bestehen.

Die Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäß ausgebildeten Bauteils 1.

Auf der keramischen Wärmedämmschicht 7 bildet nun eine Erosi- onsschutzschicht 13 die äußere Oberfläche. Die Erosionsschutzschicht 13 kann auch als Top-Coating bezeichnet werden. Sie besteht insbesondere aus einem Metall oder einer Metalllegierung und schützt das Bauteil vor Erosion und/oder Verschleiß, wie es insbesondere bei Dampfturbinen-Kraftwerken, die eine Verzunderung im Heißdampfbereich aufweisen, der Fall ist, wo mittlere Strömungsgeschwindigkeiten von etwa 50 m/sec und Drücke von bis zu 350 bar auftreten.

Die Erosionsschutzschicht 13 kann im Wesentlichen die glei- chen chemischen Elemente wie die Haftschicht 10 aufweisen.

Dadurch erreicht man den Vorteil, dass die thermischen Spannungen zwischen einer Wärmedämmschicht und der Erosionsschutzschicht 13 minimal sind.

Ebenso kann im Vergleich zu einem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 noch eine Haftschicht 10 vorhanden sein.

Claims

Patentansprüche

1. Eisenbasierte Legierung (10), umfassend

15 Gew.-% bis 30 Gew.-% Cr.

2. Eisenbasierte Legierung (10), umfassend 1,5 Gew.-% bis 5 Gew.-% Al.

3. Eisenbasierte Legierung (10) nach Anspruch 1, umfassend Si mit weniger als 0,2 Gew.-% Si.

4. Eisenbasierte Legierung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend das Element Y, insbesondere umfassend 0,1 Gew.-% bis 0,7 Gew.-% Y.

5. Eisenbasierte Legierung (10) einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend das Element Ce, insbesondere umfassend 0,1 Gew.-% bis 0,5 Gew.-% Ce.

6. Eisenbasierte Legierung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend das Element Hf, insbesondere umfassend 0,1 Gew.-% bis 0,5 Gew.-% Hf.

7. Eisenbasierte Legierung (10) nach Anspruch 1 bestehend aus 15 Gew.-% bis 30 Gew.-% Cr

8. Eisenbasierte Legierung (10) nach Anspruch 2 bestehend aus

15 Gew.-% bis 30 Gew.-% Cr und 1,5 Gew.-% bis 5 Gew.-% Al.

9. Eisenbasierte Legierung (10) nach Anspruch 3 bestehend aus 15 Gew.-% bis 30 Gew.-% Cr und

1,5 Gew.-% bis 5 Gew.-% Al und Si mit weniger als 0,2 Gew.-%.

10. Schutzschicht zum Schutz eines Bauteils (1) gegen Korrosion und/oder Oxidation, insbesondere bei hohen Temperaturen, die die Zusammensetzung der Legierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.

11. Schichtsystem, umfassend eine Schutzschicht nach Anspruch 10.

12. Schichtsystem nach Anspruch 11, wobei die Wärmedämmschicht (7) Zirkonoxid (Zrθ2) umfasst.

13. Schichtsystem nach Anspruch 11, wobei die Wärmedämmschicht (7) Titanoxid (Tiθ2) umfasst.

14. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Substrat (4) aus einer eisenbasierten Legierung gebildet ist.

15. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 10 bis 14, für ein Bauteil (1) einer Dampfturbine, zum Schutz gegen Korrosion, Erosion und Oxidation bei hohen Temperaturen.

16. Verfahren zur Herstellung einer eisenbasierten Schicht nach Anspruch 10, wobei die Schicht durch thermisches Spritzen aufgebracht und ein eisenbasiertes Pulver verwendet wird, das 25 Gew.-% bis 35 Gew.-% Cr aufweist.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Pulver 1 Gew.-% bis 5 Gew.- Al aufweist.

18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Pulver 28 Gew.-% bis 30 Gew.-% Cr aufweist.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Pulver

2,5 Gew.-% bis 3,5 Gew.-% Al aufweist.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Pulver weniger als 0,2 Gew.-% Si aufweist.

21. Verfahren zur Herstellung einer eisenbasierten Schicht nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Schicht durch thermisches Spritzen aufgebracht und ein eisenbasiertes Pulver verwendet wird, das aus 25 Gew.-% bis 35 Gew.-% Cr besteht.

22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Pulver aus 25 Gew.-% bis 35 Gew.-% Cr und 1 Gew.-% bis 5 Gew.- Al besteht.

23. Verfahren nach Anspruch 21, wobei ein eisenbasiertes Pulver verwendet wird, das aus 28 Gew.-% bis 30 Gew.-% Cr, 2,5 Gew.-% bis 3,5 Gew.- Al und Si mit weniger als 0,2 Gew.-% besteht.