WO2009109199A1 - Legierung, schutzschicht gegen hochtemperaturkorrosion und schichtsystem - Google Patents

Legierung, schutzschicht gegen hochtemperaturkorrosion und schichtsystem Download PDF

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WO2009109199A1
WO2009109199A1 PCT/EP2008/001722 EP2008001722W WO2009109199A1 WO 2009109199 A1 WO2009109199 A1 WO 2009109199A1 EP 2008001722 W EP2008001722 W EP 2008001722W WO 2009109199 A1 WO2009109199 A1 WO 2009109199A1
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alloy
layer
nickel
chromium
yttrium
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PCT/EP2008/001722
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English (en)
French (fr)
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Friedhelm Schmitz
Werner Stamm
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • C22C19/058—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium without Mo and W

Definitions

  • the invention relates to an alloy, a layer and a layer system with a protective effect against high-temperature corrosion.
  • a corrosive gas i. H. a gas that has corrosive components.
  • alkalis and sulfur from the fuel and / or air. These alkalis and the sulfur combine during the combustion process to alkali sulfates, which in turn in the hot gas channel to decomposition reactions of the protective metal oxides of the protective layer or the
  • Base material can lead. This shortens the life of the components.
  • HTKl HTK 2
  • HTK 2 HTK 2
  • HTK 2 HTK 2
  • the HTK2 low-temperature corrosion is based on the fact that under specific boundary conditions (higher sulfur dioxide partial pressures) low-melting
  • the object is achieved by an alloy according to claim 1, a layer according to claim 16 and a layer system according to claim 18.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a gas turbine
  • FIG. 4 shows in perspective a turbine blade
  • Figure 6 is a list of superalloys.
  • the alloy is a nickel-based alloy and has chrome contents of 20wt% to 45wt% to form an effective chromium oxide protective layer.
  • Optional chrome restrictions are 20wt% - 28wt%, 28wt% - 36wt% and 36wt% - 45wt% depending on the point of use and protection against oxidation.
  • silicon (Si) is present in a proportion of 0, lwt% to 3wt%.
  • silicon 0.1wt% - lwt%, lwt% - 3wt%, 2wt% - 3wt% depending on the oxidation protection requirement.
  • the alloy consists of nickel (Ni), chromium (Cr) and silicon (Si).
  • At least one refractory element such as yttrium (Y), hafnium (Hf), cerium (Ce) or scandium (Sc) is contained at levels of 0.3wt% to 0.8wt%.
  • the alloy consists of nickel (Ni), chromium (Cr), silicon (Si) and yttrium (Y).
  • the refractory elements have the added effect of sulfur scavenging. Sulfur occurs especially in fuels containing heavy oil, so that this layer 7 is preferably used for such fuels and a gas turbine 100 is operated therewith.
  • the alloy is nickel (Ni), chromium (Cr) and yttrium (Y).
  • no cobalt (Co) is present in the alloy so that no Ni-Co mixed phase is formed.
  • Such an alloy can be applied to components 120, 130, 155 (FIGS. 3, 4, 5) by known methods such as LPPS, VPS, APS, HVOF, flame spraying, cold gas spraying or EBPVD methods.
  • the layer thickness of the layer 7 may preferably be 200 .mu.m to 500 .mu.m.
  • Such a protective layer 7 can be used as an overlay.
  • a ceramic thermal barrier coating 10 Fig.
  • the component 1 has a substrate 4 made of a superalloy according to FIG.
  • the protective layer 7 is the outermost layer.
  • a ceramic thermal barrier coating 10 is present on the protective layer 7.
  • the ceramic layer 10 is the outermost layer.
  • FIG. 3 shows by way of example a gas turbine 100 in one embodiment
  • the gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103 with a shaft 101, which is also referred to as a turbine runner.
  • a compressor 105 for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example.
  • annular annular hot gas channel 111 for example.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings. In the flow direction of a working medium As can be seen in the hot gas duct 111 of a guide blade row 115, a row 125 formed of rotor blades 120 follows.
  • the guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example.
  • air 105 is sucked in and compressed by the compressor 105 through the intake housing 104.
  • the compressed air provided at the turbine-side end of the compressor 105 is fed to the burners 107 where it is mixed with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110.
  • the working medium 113 flows along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the rotor blades 120.
  • the working medium 113 expands on the rotor blades 120 in a pulse-transmitting manner, so that the rotor blades 120 drive the rotor 103 and drive the machine coupled to it ,
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the flow direction of the working medium 113, are subjected to the highest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110.
  • substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • the components in particular for the turbine blade 120, 130 and components of the combustion chamber 110 are For example, iron-, nickel- or cobalt-based superalloys used.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949.
  • the blades 120, 130 may be anti-corrosion coatings (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • a thermal barrier coating On the MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , that is, it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Suitable coating processes such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • EB-PVD electron beam evaporation
  • the guide blade 130 has a guide blade root facing the inner housing 138 of the turbine 108 (not shown here) and a guide blade foot opposite
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
  • FIG. 4 shows a perspective view of a moving blade 120 or guide blade 130 of a turbomachine that extends along a longitudinal axis 121.
  • the turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for power generation, a steam turbine or a compressor.
  • the blade 120, 130 has along the longitudinal axis 121 consecutively a fastening region 400, a blade platform 403 adjacent thereto and an airfoil 406 and a blade tip 415.
  • the blade 130 may have at its blade tip 415 another platform (not shown).
  • a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
  • the blade root 183 is designed, for example, as a hammer head. Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has a leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949.
  • the blade 120, 130 can be made by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
  • Structures are also called directionally solidified structures.
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which relate to.
  • the chemical composition of the alloy should be part of this disclosure.
  • the density is preferably 95% of the theoretical density.
  • the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8Al-0,6Y-0,7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y.
  • nickel-based protective layers such as Ni-IOCr-12Al-0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-IIAl-O, 4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1 are also preferably used , 5RE.
  • a thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer. Suitable coating processes, such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • EB-PVD electron beam evaporation
  • the heat-insulating layer may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • the thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.
  • Refurbishment means that components 120, 130 may need to be stripped of protective layers after use (e.g., by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. This is followed by a re-stratification of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and may still film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.
  • FIG. 5 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine.
  • the combustion chamber 110 is designed, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a multiplicity of burners 107 arranged in the circumferential direction around a rotation axis 102 open into a common combustion chamber space 154, which generate flames 156.
  • the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around.
  • the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 ° C. to 1600 ° C.
  • the combustion chamber wall 153 is provided on its side facing the working medium M with an inner lining formed of heat shield elements 155.
  • Each heat shield element 155 made of an alloy is equipped on the working fluid side with a particularly heat-resistant protective layer (MCrAlX layer and / or ceramic coating) or is made of high-temperature-resistant material (solid ceramic blocks).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf).
  • MCrAlX means: M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • a ceramic thermal barrier coating may be present and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcite oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • thermal barrier coating may have porous, micro- or macrocracked grains for better thermal shock resistance.
  • Refurbishment means that heat shield elements 155 may need to be deprotected after use (e.g., by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. If necessary, cracks in the heat shield element 155 are also repaired. This is followed by a recoating of the heat shield elements 155 and a renewed use of the heat shield elements 155.
  • the heat shield elements 155 Due to the high temperatures inside the combustion chamber 110 may also be provided for the heat shield elements 155 and for their holding elements, a cooling system.
  • the heat shield elements 155 are then hollow, for example, and may still have cooling holes (not shown) which open into the combustion chamber 154.

Abstract

Erfindungsgemäß wird eine Schutzschicht auf Nickelbasis mit hohem Anteil von Chrom (Cr) und optional Silizium (Si) und/oder Yttrium (Y) vorgeschlagen, die als Schutzschicht gegen die Tieftemperaturkorrosion von nickel- oder kobaltbasierten Legierungen verwendet wird.

Description

Legierung, Schutzschicht gegen Hochtemperaturkorrosion und
SchichtSystem
Die Erfindung betrifft eine Legierung, eine Schicht und ein Schichtsystem mit einer Schutzwirkung gegen Hochtemperaturkorrosion .
Bauteile in Gasturbinen sind einem korrosiven Gas ausgesetzt, d. h. einem Gas, das korrosive Bestandteile aufweist. Dies sind z. B. Alkalien und Schwefel aus dem Brennstoff und/oder der Luft. Diese Alkalien und der Schwefel verbinden sich während des Verbrennungsprozesses zu Alkalisulfaten, die wiederum im Heißgaskanal zu Aufschlussreaktionen der schützenden Metalloxide der Schutzschicht oder des
Grundwerkstoffs führen können. Dadurch wird die Lebensdauer der Komponenten verkürzt.
Man unterscheidet zwei Angriffstypen: die HTKl und die HTK 2, die jeweils in höheren (ca. 8000C bis 9500C) bzw. tieferen (6000C bis 8000C) Temperaturbereichen auftreten können und unterschiedliche Mechanismen und Erscheinungsformen unterliegen.
Die HTK2 (Tieftemperaturkorrosion) basiert darauf, dass unter spezifischen Randbedingungen (höhere Schwefeldioxidpartialdrücke) niedrig schmelzende
Legierungsmetallsulfate des Kobalts und des Nickels entstehen und zur Zerstörung des Werkstoffs führen. Es wird davon ausgegangen, dass zur Bildung von Kobaltsulfaten und höheren Partialdrücke als bei Nickelsulfaten erforderlich sind, was für den Einsatz von Kobaltbasisschutzschichten oder Grundwerkstoffen sprechen würde.
Dementsprechend sind kobaltbasierende Basislegierungen mit einem hohen Chromanteil bekannt.
Jedoch werden für die Komponenten von Gasturbinen oft nickelbasierte Werkstoffe verwendet, so dass eine Diskrepanz zwischen dem Basismaterial von Substrat und Schutzschicht vorhanden ist. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, dieses Problem zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Legierung gemäß Anspruch 1, eine Schicht nach Anspruch 16 und ein Schichtsystem nach Anspruch 18.
In den Unteransprüchen sind jeweils weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die in beliebiger Art und Weise miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigen
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel,
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel, Figur 3 eine Gasturbine,
Figur 4 perspektivisch eine Turbinenschaufel,
Figur 5 perspektivisch eine Brennkammer und
Figur 6 eine Liste von Superlegierungen.
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Die Legierung ist eine nickelbasierte Legierung und weist zur Bildung einer wirksamen Schutzschicht aus Chromoxid Chromanteile von 20wt% bis 45wt% auf. Optionale Einschränkungen für Chrom sind 20wt% - 28wt%, 28wt% - 36wt% sowie 36wt% - 45wt% je nach Einsatzpunkt und Schutzbedarf gegen Oxidation.
Optional ist ebenfalls Silizium (Si) mit einem Anteil von 0,lwt% bis 3wt% vorhanden.
Weitere optionale Einschränkungen für Silizium sind 0.1wt% - lwt%, lwt% - 3wt%, 2wt% - 3wt% je nach Anforderung an den Oxidationsschutz .
Vorzugsweise besteht die Legierung aus Nickel (Ni) , Chrom (Cr) und Silizium (Si) .
Vorzugsweise ist kein Aluminium vorhanden. Zur Verbesserung der Haftung der Oxidschicht ist vorteilhafterweise zumindest ein Refraktärelement wie Yttrium (Y) , Hafnium (Hf) , Cer (Ce) oder Scandium (Sc) mit Gehalten von 0,3wt% bis 0,8wt% enthalten.
Vorzugsweise sind keine anderen Refraktärelemente zu verwenden. Vorzugsweise besteht die Legierung aus Nickel (Ni) , Chrom (Cr) , Silizium (Si) und Yttrium (Y) .
Die Refraktärelemente haben den zusätzlichen Effekt einer Schwefelgetterung. Schwefel kommt insbesondere bei schwerölhaltigen Brennstoffen vor, so dass diese Schicht 7 vorzugsweise für solche Brennstoffe eingesetzt wird und eine Gasturbine 100 damit betrieben wird.
Vorzugsweise wird nur ein Refraktärelement , vorzugsweise Yttrium (Y) verwendet. Vorzugsweise besteht die Legierung aus Nickel (Ni) , Chrom (Cr) und Yttrium (Y) .
Vorzugsweise ist kein Kobalt (Co) in der Legierung vorhanden, so dass keine Ni-Co Mischphase entstehen.
Eine solche Legierung kann mittels bekannter Verfahren wie LPPS, VPS, APS, HVOF, Flammspritzen, Kaltgasspritzen oder EBPVD-Verfahren auf Bauteile 120, 130, 155 (Fig. 3,4, 5) aufgebracht werden.
Die Schichtdicke der Schicht 7 kann dabei vorzugsweise 200μm bis 500μm betragen.
Eine solche Schutzschicht 7 kann als Overlay verwendet werden. Ebenso kann eine keramische Wärmedämmschicht 10 (Fig.
1) auf der Schutzschicht 7 (Fig. 1) aus dieser Legierung vorhanden sein. Ein Anwendungsbeispiel ist wie folgt:
25wt% - 35wt% Chrom (Cr)
0,lwt% - 3wt% Silizium (Si), 0,2wt% - 0,8wt% Yttrium (Y), Cer (Ce), Hafnium (Hf) oder Scandium (Sc) , Rest Nickel (Ni) .
In Figur 1 weist das Bauteil 1 ein Substrat 4 aus einer Superlegierung gemäß Figur 6 auf.
Auf diesem Substrat 4 ist eine Schutzschicht 7 aus oben beschriebener Legierung vorhanden, die vorzugsweise aus dieser Legierung besteht. Vorzugsweise stellt die Schutzschicht 7 die äußerste Schicht dar.
In Figur 2 ist ausgehend von Figur 1 nach eine keramische Wärmedämmschicht 10 auf der Schutzschicht 7 vorhanden.
Vorzugsweise stellt die keramische Schicht 10 die äußerste Schicht dar.
Die Figur 3 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem
Längsteilschnitt .
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotations- achse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Tur- bine 108.
Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 ge- führt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt . Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 ent- spannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unter- liegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch be- lastet.
Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden. Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur) .
Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superle- gierungen verwendet .
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt .
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht darge- stellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden
Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt.
Die Figur 4 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein. Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf. Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt) .
Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) . Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich. Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Berei- chen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet .
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind. Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen. Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korn- grenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen
Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures) .
Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 Al bekannt.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 BeSchichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) ) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl . der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen. Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte. Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) .
Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr- 8Al-0,6Y-0,7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-IOCr- 12Al- 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0, 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 10Al-0,4Y-l,5Re.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teil- weise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht . Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) , LPPS, VPS oder CVD. Die Wärme- dämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschich- ten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidations- schichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine WiederbeSchichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Ein- satz des Bauteils 120, 130.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeutet) auf.
Die Figur 5 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Um- fangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 10000C bis 16000C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermög- liehen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeits- mediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutz- Schicht (MCrAlX- Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt.
Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf ) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al.
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziutnoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt .
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) , LPPS, VPS oder CVD. Die Wärme- dämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör- ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Hitzeschildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrah- len) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Hitzeschildelemente 155.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitze- Schildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkatnmerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.

Claims

Patentansprüche
1. Legierung, aufweisend (in wt%)
20% - 45% Chrom (Cr) , Rest Nickel (Ni) , optional
0,1% - 3% Silizium (Si) und 0,2% - 0,8% eines der Refraktärelemente :
Yttrium (Y) , Hafnium (Hf) , Cer (Ce) oder Scandium (Sc) , insbesondere 0,3% bis 0,8%.
2. Legierung nach Anspruch 1, die 20wt% bis 28wt% Chrom (Cr) aufweist.
3. Legierung nach Anspruch 1 , die 28wt% bis 36wt% Chrom (Cr) aufweist.
4. Legierung nach Anspruch 1, die 36wt% bis 45wt% Chrom (Cr) aufweist.
5. Legierung nach Anspruch 1 , die 30wt% bis 35wt% Chrom (Cr) aufweist.
6. Legierung nach Anspruch 1 , 2 , 3 , 4 oder 5 , die von den Refraktärelementen zumindest Yttrium (Y) aufweist .
7. Legierung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, die von den Refraktärelementen nur Yttrium (Y) aufweist
8. Legierung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, die mindestens Silizium aufweist, insbesondere mindestens 0,1%.
9. Legierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 5, die aus Nickel (Ni) und Chrom (Cr) besteht.
10. Legierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 5 oder 8, die aus Nickel (Ni), Chrom (Cr) und Silizium (Si) besteht.
11. Legierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 7 , die aus Nickel (Ni), Chrom (Cr) und Yttrium (Y) besteht.
12. Legierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 8, die aus Nickel (Ni) , Chrom (Cr) , Silizium (Si) und Yttrium (Y) besteht.
13. Legierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 8, die aus Nickel (Ni) , Chrom (Cr) , Silizium (Si) und einem Element aus der Gruppe Yttrium (Y) , Hafnium (Hf ), Cer (Ce) oder Scandium (Sc) besteht.
14. Legierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 7, die aus Nickel (Ni) , Chrom (Cr) und einem Element aus der Gruppe Yttrium (Y) , Hafnium (Hf) , Cer (Ce) oder Scandium (Sc) besteht.
15. Legierung nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche , die nur ein einziges Refraktärelement enthält.
16. Schicht, aufweisend eine Legierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 15.
17. Schicht nach Anspruch 16, die aus einer Legierung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 13 besteht.
18. Schichtsystem, aufweisend ein Substrat (4) und eine Schicht (7) nach Anspruch 15 oder 16.
19. Schichtsystem nach Anspruch 18, die eine äußere keramische Schicht (10) auf der Schicht (7) aufweist.
20. Schichtsystem nach Anspruch 18, bei der die Schicht (7) die äußerste Schicht im Schichtsystem darstellt.
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