WO2010097262A1 - Bauteilbeschichtung - Google Patents

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Werner Stamm
Ulrich Wörz
Jaap Van Kampen
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    • F05D2300/603—Composites; e.g. fibre-reinforced

Definitions

  • the invention relates to a component coating, a component with the component coating, methods for producing the component coating and the use of the component coating as an abrasion and wear protection layer.
  • Components that are exposed to high loads are often provided with protective layers to protect them against wear in particular.
  • Such components are used for example in turbines, where they are exposed in a chemically aggressive atmosphere at high temperatures strong mechanical stresses.
  • wear protection layers or systems based on titanium nitride or titanium carbide are applied to the components.
  • Such wear protection systems are described for example in WO 2005/031038 Al. However, it also comes with these systems by fretting wear with superimposed vibrations or by a high temperature load to damage.
  • Other known wear protection layers based on tungsten carbide chromium or chromium carbide nickel chromium also do not have the necessary temperature resistance.
  • abrasion layers which serve as inlet layers. They will be on the
  • the known abrasion layers do not have the necessary capacity.
  • the cubic boron nitride wear layers used in many cases oxidize very rapidly under the influence of hot gas, which adversely affects their functionality and service life.
  • the object of the invention was therefore to provide a component coating, the thermal, chemical and mechanical stresses, such as occur in turbines, resists.
  • component coatings containing rhenium diboride meet these requirements.
  • component coatings that consist of either rhenium diboride or rhenium diboride particles have a high temperature resistance and, moreover, are chemically and mechanically highly resistant. This is partly due to the very high hardness of rhenium diboride.
  • the component coating contains rhenium diboride particles, these may be embedded in a ductile matrix, wherein the ductile matrix may in particular consist of MCrAlY.
  • the ductile matrix may in particular consist of MCrAlY.
  • the proportion of rhenium diboride particles in the component coating can be from 1 to 70, preferably from 2 to 40, more preferably from 4 to 25, and especially preferably from 6 to 10,% by weight.
  • the component coating may be 10 to 500, preferably 50 to 400 and particularly preferably 100 to 300 ⁇ m thick.
  • the component coating when it is rhenium diboride, it may be 0.1 to 600 ⁇ m thick.
  • Another aspect of the invention relates to a component having the component coating.
  • the component may preferably be a turbine component, for example a spring clip.
  • the invention also provides a process for producing a component coating in which rhenium diboride particles are embedded in a ductile matrix of MCrAlY.
  • a mixture of MCrAlY and rhenium diboride is sprayed onto a component.
  • the mixture can be sprayed onto the component by means of HVOF or cold spray.
  • the invention also encompasses a process for producing a component coating consisting of rhenium diboride.
  • a layer of rhenium and a layer of boron which preferably each have a thickness in the range from 0.1 to 400 .mu.m, are first applied to a component in any order one above the other. Subsequently, the layers of rhenium and boron are heated in vacuo at a temperature> 1000 0 C until a layer of rhenium diboride has formed from the layers.
  • rhenium diboride from rhenium and boron is generally described in Hsiu-Ying Chung et al. , Science April 20, 2007, Vol. 316, no. 5823, pp. 436-439.
  • the layer of rhenium and / or the layer of boron can be vapor-deposited or sprayed onto the component. In particular, this can be done with the aid of HVOF and / or cold spray.
  • the component coating as an abrasion or wear protection layer on a component.
  • the component may in particular be a turbine component.
  • the invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment with reference to the drawing.
  • the sole figure of the drawing shows schematically in section a spring clip of a turbine blade.
  • the spring clip 1 is provided with a component coating 2 according to the invention as a wear protection layer.
  • the component coating 2 consists of rhenium diboride.
  • the Spring Clip 1 serves the transition of Basket and
  • a layer of rhenium is first deposited on the Spring Clip 1 by means of HVOF. Then a layer of boron is applied to the layer of rhenium. This can again be done by HVOF. Alternatively, the order of the layers on the spring clip 1 can also be reversed, i. First, the boron layer and then on this rhenium layer can be applied.
  • the Spring Clip 1 with the rhenium and the boron layer is then heated in vacuo at a temperature> 1000 0 C until a layer of rhenium diboride has formed from the two layers.
  • Temperature and duration of the heat treatment depend, inter alia, on the thicknesses of the rhenium and the boron layer and, in this specific case, can easily be determined experimentally by a person skilled in the art with the aid of a few experiments.
  • the component coating 2 of rhenium diboride thus obtained has a high temperature resistance and is above it also chemically resistant. Above all, it is due to their high hardness mechanically extremely strong.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bauteilbeschichtung (2), die Rheniumdiborid enthält, ein Bauteil (1) mit der Bauteilbeschichtung (2), Verfahren zur Herstellung der Bauteilbeschichtung (2) und die Verwendung der Bauteilbeschichtung (2) als Abrieb- und Verschleißschutzschicht.

Description

Bauteilbeschichtung
Die Erfindung betrifft eine Bauteilbeschichtung, ein Bauteil mit der Bauteilbeschichtung, Verfahren zur Herstellung der Bauteilbeschichtung und die Verwendung der Bauteilbeschichtung als Abrieb- und Verschleißschutzschicht.
Bauteile, die hohen Belastungen ausgesetzt sind, werden häu- fig mit Schutzschichten versehen, um sie insbesondere vor Verschleiß schützen sollen. Derartige Bauteile kommen beispielsweise in Turbinen zum Einsatz, wo sie in einer chemisch aggressiven Atmosphäre bei hohen Temperaturen starken mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind.
Insbesondere dann, wenn zwei solche Bauteile eine Relativbewegung zueinander ausführen, kann reibender und hämmernder Verschleiß auftreten. Darüber hinaus kann es zu dem so genannten „Fretting" kommen, worunter man die gleichzeitige Ab- nutzung und Korrosion von Bauteilen versteht.
Um solche Beschädigungen zu vermeiden, werden bisher spezielle Verschleißschutzschichten bzw. -Systeme auf Basis von Titannitrid oder Titancarbid auf die Bauteile aufgebracht. Derartige Verschleißschutzsysteme sind beispielsweise in der WO 2005/031038 Al beschrieben. Allerdings kommt es auch bei diesen Systemen durch Reibverschleiß mit überlagerten Schwingungen oder durch eine hohe Temperaturbelastung zu Beschädigungen. Andere bekannte Verschleißschutzschichten auf Basis von Wolframcarbid-Chrom oder Chromcarbid-Nickel-Chrom weisen ebenfalls nicht die notwendige Temperaturbeständigkeit auf.
Eine weitere Gruppe von Bauteilbeschichtungen, die insbesondere beim Turbinenbau von Bedeutung haben, sind Abriebschich- ten, die als Einlaufschichten dienen. Sie werden auf die
Oberfläche eines ruhenden Bauteils aufgebracht, um als Dichtung zwischen dem ruhenden und einem sich relativ zu diesem bewegenden Bauteil zu dienen, nachdem sich das bewegende Bau- teil während des Betriebes der Turbine in Abriebschicht eingeschliffen hat. Derartige Abriebschichten sind beispielsweise in der EP 1 253 294 A2 beschrieben.
Die bekannten Abriebschichten weisen jedoch nicht die notwendige Belastbarkeit auf. So oxidieren die in vielen Fällen zum Einsatz kommenden Abriebschichten aus kubischem Bornitrid sehr schnell unter Heißgaseinfluss, was ihre Funktionalität und Lebensdauer negative beeinflusst.
Aufgabe der Erfindung war es daher, eine Bauteilbeschichtung bereit zu stellen, die thermischen, chemischen und mechanischen Belastungen, wie sie etwa in Turbinen auftreten, widersteht.
Überraschender Weise wurde gefunden, das Bauteilbeschichtun- gen, die Rheniumdiborid enthalten, diesen Anforderungen genügen. So weisen Bauteilbeschichtungen, die entweder aus Rheniumdiborid bestehen oder Rheniumdiboridpartikel enthalten eine hohe Temperaturbeständigkeit auf und sind darüber hinaus chemisch wie mechanisch hoch widerstandsfähig. Dies ist unter anderem durch die sehr große Härte des Rheniumdiborids bedingt .
Wenn die Bauteilbeschichtung Rheniumdiboridpartikel enthält, können diese in einer duktilen Matrix eingebettet sein, wobei die duktile Matrix insbesondere aus MCrAlY bestehen kann. Beispielsweise kann als MCrAlY SC 2464 verwendet werden. Vorteilhafterweise kann der Anteil der Rheniumdiboridpartikel in der Bauteilbeschichtung kann 1 bis 70, bevorzugt 2 bis 40, besonders bevorzugt 4 bis 25 und insbesondere bevorzugt 6 bis 10 Gew.-% betragen. Die Bauteilbeschichtung kann 10 bis 500, bevorzugt 50 bis 400 und besonders bevorzugt 100 bis 300 μm dick sein.
Wenn die Bauteilbeschichtung aus Rheniumdiborid besteht, kann sie insbesondere 0,1 bis 600 μm dick sein. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil, das die Bauteilbeschichtung aufweist. Bei dem Bauteil kann es sich bevorzugt um ein Turbinenbauteil, beispielsweise um eine Spring Clip handeln.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer Bauteilbeschichtung, bei der Rheniumdiboridparti- kel in einer duktilen Matrix aus MCrAlY eingebettet sind. Zur Herstellung einer solchen Bauteilbeschichtung wird eine Mi- schung aus MCrAlY und Rheniumdiborid auf ein Bauteil aufgesprüht. Vorzugsweise kann die Mischung mittels HVOF oder Coldspray auf das Bauteil aufgesprüht werden.
Von der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer Bauteilbeschichtung, die aus Rheniumdiborid besteht, umfasst. Bei diesem Verfahren werden zunächst auf ein Bauteil in beliebiger Reihenfolge übereinander eine Schicht aus Rhenium und eine Schicht aus Bor aufgebracht, die vorzugsweise jeweils eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 400μm aufweisen. Anschließend werden die Schichten aus Rhenium und Bor im Vakuum bei einer Temperatur > 10000C solange erhitzt, bis sich aus den Schichten eine Schicht aus Rheniumdiborid gebildet hat.
Die Herstellung von Rheniumdiborid aus Rhenium und Bor ist beispielsweise allgemein in Hsiu-Ying Chung et al . , Science 20. April 2007, Vol. 316, no . 5823, pp . 436-439 beschrieben.
Vorzugsweise kann die Schicht aus Rhenium und/oder die Schicht aus Bor auf das Bauteil aufgedampft oder aufgespritzt werden. Insbesondere kann dies mit Hilfe von HVOF und/oder Coldspray erfolgen.
Weitere Gegenstände der Erfindung sind schließlich die Ver- wendung der Bauteilbeschichtung als Abrieb- oder als Verschleißschutzschicht auf einem Bauteil. Bei dem Bauteil kann es sich insbesondere um ein Turbinenbauteil handeln. Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt schematisch im Schnitt eine Spring Clip einer Turbinenschaufel.
Die Spring Clip 1 ist mit einer erfindungsgemäßen Bauteilbe- schichtung 2 als Verschleißschutzschicht versehen. Die Bau- teilbeschichtung 2 besteht aus Rheniumdiborid.
Die Spring Clip 1 dient dazu den Übergang von Basket und
Transition der Turbinenschaufel mit möglichst wenig Leckage zu realisieren. Sie gewährleistet auch den nötigen axialen Freiheitsgrad, um dem Brenner der Turbine eine thermische Dehnung zu erlauben. Daher bewegt sie sich ständig relativ zum Transition und benötigt an der mit der Bauteilbeschich- tung versehenen Kontaktfläche eine hohe Verschleißfestigkeit. Funktion und Aufbau einer Spring Clip sind beispielsweise in der US 2007/0012043 Al beschrieben.
Um die Bauteilbeschichtung 2 auf der Spring Clip 1 aufzubringen, wird zunächst eine Schicht aus Rhenium auf der Spring Clip 1 mittels HVOF abgeschieden. Dann wird auf der Schicht aus Rhenium eine Schicht aus Bor aufgebracht. Dies kann wiederum durch HVOF erfolgen. Alternativ kann die Reihenfolge der Schichten auf der Spring Clip 1 auch vertauscht werden, d.h. zunächst kann die Borschicht und dann auf dieser die Rheniumschicht aufgebracht werden.
Die Spring Clip 1 mit der Rhenium- und der Borschicht wird dann im Vakuum bei einer Temperatur > 10000C solange erhitzt, bis sich aus den beiden Schichten eine Schicht aus Rheniumdiborid gebildet hat. Temperatur und Dauer der Wärmebehandlung hängen unter anderem von den Dicken der Rhenium- und der Borschicht ab und können im konkreten Fall leicht vom Fachmann experimentell mit Hilfe weniger Versuche ermittelt werden.
Die so erhaltene Bauteilbeschichtung 2 aus Rheniumdiborid weist eine hohe Temperaturbeständigkeit auf und ist darüber hinaus chemisch widerstandsfähig. Vor allem ist sie auf Grund ihrer hohen Härte mechanisch extrem belastbar.

Claims

Patentansprüche
1. Bauteilbeschichtung (2),
dadurch gekennzeichnet, dass
sie Rheniumdiborid enthält.
2. Bauteilbeschichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
sie Rheniumdiboridpartikel enthält.
3. Bauteilbeschichtung (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Rheniumdiboridpartikel in einer duktilen Matrix eingebettet sind.
4. Bauteilbeschichtung (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die duktile Matrix aus MCrAlY besteht.
5. Bauteilbeschichtung (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
sie 1 bis 70, bevorzugt 2 bis 40, besonders bevorzugt 4 bis 25 und insbesondere bevorzugt 6 bis 10 Gew.-% Rheniumdibo- ridpartikel enthält.
6. Bauteilbeschichtung (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
sie 10 bis 500, bevorzugt 50 bis 400 und besonders bevorzugt 100 bis 300 μm dick ist.
7. Bauteilbeschichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
sie aus Rheniumdiborid besteht.
8. Bauteilbeschichtung (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
sie 0,1 bis 600 μm dick ist.
9. Bauteil (1), insbesondere Turbinenbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass
es eine Bauteilbeschichtung (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
10. Bauteil (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
es eine Spring Clip einer Turbine ist
11. Verfahren zur Herstellung einer Bauteilbeschichtung (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Mischung aus MCrAlY und Rheniumdiborid auf ein Bauteil (1) aufgesprüht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass
die Mischung mittels HVOF oder Coldspray auf das Bauteil (1) aufgesprüht wird.
13. Verfahren zur Herstellung einer Bauteilbeschichtung (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
auf ein Bauteil (1) in beliebiger Reihenfolge übereinander eine Schicht aus Rhenium und eine Schicht aus Bor aufgebracht und im Vakuum bei einer Temperatur > 10000C erhitzt werden, bis sich aus den Schichten aus Rhenium und Bor eine Schicht aus Rheniumdiborid gebildet hat.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Schicht aus Rhenium und/oder die Schicht aus Bor aufgedampft oder aufgespritzt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schicht aus Rhenium und/oder die Schicht aus Bor mittels HVOF und/oder Coldspray aufgespritzt werden.
16. Verwendung einer Bauteilbeschichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Abriebschicht auf einem Bauteil (1) insbesondere auf einem Turbinenbauteil.
17. Verwendung einer Bauteilbeschichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Verschleißschutzschicht auf einem Bauteil (1) insbesondere auf einem Turbinenbauteil.
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