WO2013037391A1 - Schichtsystem mit zweilagiger mcralx metallischer schicht - Google Patents

Schichtsystem mit zweilagiger mcralx metallischer schicht Download PDF

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Georg Bostanjoglo
Axel Kaiser
Werner Stamm
Jan Steinbach
Dimitrios Thomaidis
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y10T428/12861—Group VIII or IB metal-base component
    • Y10T428/12944—Ni-base component

Definitions

  • the invention relates to a protective layer for protecting a component against corrosion and / or oxidation, in particular at high temperatures, according to claim 1.
  • M stands for at least one of the elements from the group consisting of iron, cobalt and nickel and wei ⁇ tere essential components are chromium, aluminum and yttrium.
  • a protective layer In addition to the sufficient chemical resistance of a protective layer under the attacks that are expected of flue gases at temperatures in the order of 1000 ° C, a protective layer must also have sufficient mechanical properties, not least in view of the mechanical interaction between the protective layer and the base material , to have. In particular, the protective layer must be sufficiently ductile in order to be able to follow any deformations of the base material and not to break, since in this way points of attack for oxidation and corrosion would be created.
  • an object of the present invention to provide an alloy and a protective layer which has good high-temperature resistance in corrosion and oxidation, has good long-term stability and, in addition, a mechanical stress to be expected particularly in a gas turbine at a high temperature well adjusted.
  • the second layer comprises an MCrAlX alloy ent ⁇ neither with tantalum (Ta) and / or iron (Fe)
  • X is optional and at least one of the elements from the group comprising scandium, rhenium and the elements of the rare earths,
  • Y yttrium
  • the lower layer alloy (7) contains 24% - 26% cobalt (Co);
  • the lower layer (7) contains 15% - 16% chromium (Cr);
  • the lower layer (7) contains 12% - 14% chromium (Cr);
  • the lower layer (7) contains 0.3% - 0.5% yttrium (Y);
  • the lower layer alloy consists of cobalt (Co), chromium (Cr), aluminum (AI), yttrium (Y) and nickel (Ni);
  • the content of tantalum (Ta) in the alloy of the upper layer is between 0.1% by weight to 7.0% by weight, in particular> 1% by weight; the proportion of tantalum (Ta) in the alloy of the upper layer is at least 2.0% by weight,
  • tantalum (Ta) in the alloy of the upper layer is between 3.0% by weight and 6.0% by weight; the proportion of tantalum (Ta) in the alloy of the upper layer is between 4% by weight and 8% by weight,
  • the content of cobalt (Co) in the upper layer alloy is at least 1 wt%; the alloy of the upper layer has at least 1% by weight of chromium (Cr); the alloy of the upper layer (10) comprises 15% by weight to 16% by weight of chromium (Cr), in particular 15.5% by weight of Cr; the lower layer alloy has no rhenium (Re); the content of aluminum (Al) in the alloy of the upper layer is between 5% by weight and 15% by weight,
  • the content of aluminum (Al) in the alloy of the upper layer (10) is between 10.5 wt .-% - 12 wt .-%, in particular 11.5 wt .-%; the alloy of the upper layer has no rhenium (Re); for alloys of metallic layers:
  • gallium (Ga) not containing gallium (Ga) and / or
  • the alloy of the lower layer and / or the upper layer contains no silicon (Si); the upper layer alloy is between 22% and 26% by weight
  • the alloy of the upper layer (10) has at least 1% by weight of chromium (Cr); the alloy of the upper layer is nickel-based; the alloy of the lower layer is nickel-based; the upper layer has the ⁇ -phase, the ⁇ '-phase and optionally the ⁇ -phase,
  • the alloy of the upper layer comprises at least 1% by weight of aluminum (AI); the alloy of the upper layer (10) has at least 0.1% by weight of yttrium (Y),
  • the content of cobalt (Co) in the alloy of the upper layer is between 15% by weight and 30% by weight
  • the content of chromium (Cr) in the alloy of the upper layer is between 12% by weight and 22% by weight
  • the upper layer contains the ⁇ -phase
  • the upper layer comprises an alloy of nickel (Ni), cobalt (Co), aluminum (Al), chromium (Cr), tantalum (Ta) and optionally yttrium (Y),
  • the upper layer comprises an alloy of nickel (Ni), cobalt (Co), aluminum (Al), chromium (Cr), tantalum (Ta), iron (Fe) and optionally yttrium (Y),
  • the upper layer comprises an alloy of nickel (Ni), cobalt (Co), aluminum (Al), chromium (Cr), tantalum (Ta) and yttrium (Y),
  • the upper layer comprises an alloy of nickel (Ni), cobalt (Co), aluminum (Al), chromium (Cr), tantalum (Ta), iron (Fe) and yttrium (Y),
  • Layer is between 12% by weight and 16% by weight
  • the proportion of aluminum (AI) in the alloy of the upper layer is between 7% by weight and 8% by weight
  • the proportion of rhenium (Re) in the alloy of the upper layer is 0.1% by weight - 2% by weight; the content of tantalum (Ta) in the upper-layer alloy is between 5% by weight and 6.8% by weight; the alloy of metallic layers contains no platinum (Pt); the content of cobalt (Co) in the upper layer alloy is between 11% by weight and 14.5% by weight; the content of chromium (Cr) in the upper layer alloy is between 14% by weight - 16% by weight; the content of aluminum (Al) in the alloy of the upper layer is between 9 wt .-% - 13 wt .-%; the content of yttrium (Y) in the upper layer alloy is between 0.1% by weight - 0.7% by weight; the alloy of the upper layer has (Ta) Zvi ⁇ rule 4 wt .-% and 7.5 wt .-% tantalum,
  • the content of tantalum (Ta) in the alloy of the upper layer is between 3.5% by weight and 5.5% by weight, in particular 4.5% by weight; the content of cobalt (Co) in the alloy of the upper layer is between 21% by weight and 25% by weight,
  • the content of chromium (Cr) in the upper layer alloy is between 18% by weight and 22% by weight;
  • the upper layer does not contain yttrium (Y), the content of aluminum (Al) in the alloy of the upper layer is between 8% by weight and 12% by weight; the content of yttrium (Y) in the upper layer alloy is between 0.1% by weight - 0.7% by weight;
  • the content of yttrium in the upper layer is 0.2% by weight - 0.6% by weight of yttrium (Y),
  • FIG. 1 shows a layer system with a protective layer
  • FIG. 2 shows compositions of superalloys
  • FIG. 3 shows a gas turbine
  • Figure 4 shows a turbine blade
  • Figure 5 is a combustion chamber.
  • the layer system 1, 120, 130, 155 (FIG. 1) for protecting a component with a substrate 4 against corrosion and oxidation at a high temperature has the following:
  • Y yttrium
  • the second layer 10 comprising an MCrAl alloy with either tantalum (Ta) and / or iron (Fe) or with the ⁇ and ⁇ 'phases and optionally the ⁇ phase.
  • the protective layer 13 with good corrosion resistance, has a particularly good resistance to oxidation and is also distinguished by particularly good ductility properties, so that it is particularly qualified for use in a gas turbine 100 (FIG. 3) with a further increase in the inlet temperature ,
  • the protective layer 13 comprises a lower MCrAlX layer 7 and an outer layer 10 comprising an MCrAlX alloy with tantalum (Ta) and / or iron (Fe).
  • X is optional and preferably scandium, rare earth group, in particular yttrium and / or rhenium.
  • the lower layer 7 is preferably a pure NiCoCrAl layer, ie without additions of tantalum and / or iron, wherein the outer layer 10 has additives such as tantalum and / or iron for setting phases, phase transition for good oxidation protection.
  • the lower layer 7 is in its composition preferential ⁇ as relatively narrow set and alloys of nickel or cobalt super, in particular in accordance with Figure 2 adapted or the same expansion and good adhesion. Their ductility is significantly higher, at least 10%, in particular 20%, more pronounced than that of the outer metallic layer 10. Therefore, the outer layer 10 can be made extremely variable, much more independent of the composition of the substrate (4) and without compromise, depending on the application be: high temperature use (with fast oxide growth) or medium temperatures and long oxidation protection:
  • the outer layer 10 has an excellent oxidation protection on the other hand, the lower layer has a very high Zähig ⁇ resistance and so protects the substrate 4, which may then be for a new use ⁇ error-free re-used.
  • the powders are applied, for example, by plasma spraying (APS, LPPS, VPS, etc.). Other methods are also conceivable (PVD, CVD, cold gas spraying, ).
  • the protective layer 13 also functions as described Haftvermitt ⁇ Lersch layer to a superalloy.
  • the protective layer 7 more layers, in particular ⁇ ceramic thermal barrier coatings 16 can be applied.
  • the protective layer 13 is before ⁇ geous legally applied to a substrate 4 made of a superalloy based on nickel or cobalt base, in particular according to FIG. 2
  • compositions of this type are known as casting alloys under the designations GTD222, IN939, IN6203 and Udimet 500.
  • the thickness of the protective layer 13 on the component 1 is preferably ⁇ sized to a value between about ⁇ and 300 ⁇ .
  • the protective layer 13 is particularly suitable for protecting the component 1, 120, 130, 155 against corrosion and oxidation, while the component at a material temperature of about 950 ° C, in aircraft turbines also about 1100 ° C, with a
  • the protective layer 13 according to the invention is thus particularly qualified for protecting a component of a gas turbine 100, in particular a guide blade 120, blade 130 or a heat shield element 155, which is acted upon with hot gas before or in the turbine of the gas turbine 100 or the steam turbine ⁇ .
  • the protective layer 13 can be used as an overlay (protective layer is the outer layer or as a bondcoat (protective layer is an intermediate layer).
  • FIG. 1 shows a layer system 1 as a component.
  • the layer system 1 has a substrate 4.
  • the substrate 4 may be metallic and / or ceramic. Particularly in turbine components, such as turbine runners 120 (FIG. 4) or guide vanes 130 (FIGS. 3, 4), heat shield elements 155 (FIG. 5) and other housing parts of a steam generator. or gas turbine 100 (FIG. 3), the substrate 4 comprises a nickel-, cobalt-based superalloy, in particular consisting thereof.
  • nickel-based superalloys are used.
  • the protective layer 13 according to the invention is present.
  • this protective layer 13 is applied by plasma spraying (VPS, LPPS, APS1,).
  • a ceramic j ⁇ specific heat-insulating layer 16 is provided on the protective layer. 13
  • An aluminum oxide layer forms during operation on the metallic layer 13 and / or during the application of the ceramic layer 16.
  • the protective layer 13 can be introduced ⁇ newly-manufactured components and remanufactured components from the refurbishment.
  • Reprocessing means that components 1 are separated after their use, if appropriate, of layers (heat insulating layer) and corrosion and oxidation products are removed, for example by a sheurebehand ⁇ averaging (acid stripping). If necessary, cracks still have to be repaired. Thereafter, such a component can be coated again because the substrate 4 is very expensive.
  • FIG. 3 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 100 has a rotatably mounted about a rotational axis 102 ⁇ rotor 103 having a shaft 101, which is also referred to as the turbine rotor.
  • an intake housing 104 a compressor 105, for example a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality Coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • a compressor 105 for example a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality 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 . As seen in the direction of flow of a working medium 113, in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115, a series 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.
  • the working medium 113 expands in a pulse-transmitting manner, so that the blades 120 drive the rotor 103 and this drives 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 greatest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110. To withstand the prevailing temperatures, they can be cooled by means of a coolant.
  • 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, for example, iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are 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 guide vane 130 has an inner housing 138 of the turbine 108 facing guide vane root (not Darge here provides ⁇ ) and a side opposite the guide-blade root vane root.
  • 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 show ⁇ blade 120 or guide vane 130 of a turbomachine, which extends along a longitudinal axis of the 121st
  • 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 to each other, a securing region 400, an adjoining blade or vane platform 403 and a blade 406 and a blade tip 415.
  • the vane 130 may be pointed on its shovel 415 have a further platform (not Darge ⁇ asserted).
  • 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 for a medium which flows past the scene ⁇ felblatt 406 on a leading edge 409 and a trailing edge 412th
  • 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 hereby be produced by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
  • Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
  • Such monocrystalline workpieces takes place e.g. by directed solidification from the melt.
  • These are casting processes in which the liquid metallic alloy is transformed into a monocrystalline structure, i. to the single-crystal workpiece, or directionally solidified.
  • dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, in common parlance, referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, ie the whole workpiece be ⁇ is made of a single crystal.
  • a columnar grain structure columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, in common parlance, referred to as directionally solidified
  • a monocrystalline structure ie the whole workpiece be ⁇ is made of a single crystal.
  • directionally solidified microstructures which means both single crystals that have no grain boundaries or at most small angle grain boundaries, and stem crystal structures that have probably longitudinal grain boundaries but no transverse grain boundaries. These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures.
  • the blades 120, 130 may have protection layers 7 according to the invention against corrosion or oxidation.
  • the density is preferably 95% of the theoretical
  • thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of ZrC> 2, Y203-ZrC> 2, ie it is not, partially ⁇ or fully stabilized by yttrium oxide
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the heat insulation layer may have ⁇ porous, micro- or macro-cracked compatible grains for better thermal shock resistance.
  • the Thermal insulation layer is therefore preferably more porous than the
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and also has, if necessary, film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.
  • the combustion chamber 110 is configured, for example, as so-called an annular combustion chamber, in which a plurality of in the circumferential direction about an axis of rotation 102 arranged burners 107 open into a common combustion chamber space 154, the flames 156 generate.
  • 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 facing side with a formed from heat shield elements 155. liner.
  • the heat shield elements 155 are then, for example, hollow and possibly still have cooling holes (not shown) which open into the combustion chamber space 154.
  • Each heat shield element 155 made of an alloy is on the working medium side with a particularly heat-resistant protective layer (MCrAlX layer and / or ceramic coating). equipped or is made of high temperature resistant material (solid ceramic stones).
  • These protective layers 7 may be similar to the turbine blades.
  • a ceramic Wär ⁇ medämm harsh be present and consists for example of ZrC> 2, Y203-ZrC> 2, ie it is not, partially or fully ⁇ dig stabilized by yttrium and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the heat insulating layer can comprise porous, micro- or macro-cracked compatible grains for better thermal shock resistance.
  • Reprocessing means that turbines ⁇ blades 120, 130, heat shield elements 155, after entry set may need to have protective layers (for example by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products.
  • cracks in the turbine blade 120, 130 or the heat shield element 155 are also repaired. This is followed by a re-coating of the turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 and a renewed use of the turbine blades 120, 130 or the heat shield elements 155.

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Abstract

Bekannte Schutzschichten mit hohem Cr-Gehalt und zusätzlich Silizium bilden Sprödphasen aus, die unter dem Einfluss von Kohlenstoff während des Einsatzes zusätzlich verspröden. Die erfindungsgemäße Schutzschicht weist eine zweiteilige metallische Schicht auf, die nur außen tantalhaltig ist.

Description

SCHICHTSYSTEM MIT ZWEILAGIGER MCRALX METALLISCHER SCHICHT
Die Erfindung betrifft eine Schutzschicht zum Schutz eines Bauteils gegen Korrosion und/oder Oxidation insbesondere bei hohen Temperaturen gemäß Anspruch 1.
Schutzschichten für metallische Bauteile, die deren Korrosi¬ onsbeständigkeit und/oder Oxidationsbeständigkeit erhöhen sollen, sind im Stand der Technik in großer Zahl bekannt.
Die meisten dieser Schutzschichten sind unter dem Sammelnamen MCrAlX bekannt, wobei M für mindestens eines der Elemente aus der Gruppe umfassend Eisen, Kobalt und Nickel steht und wei¬ tere wesentliche Bestandteile Chrom, Aluminium und Yttrium sind.
Typische Beschichtungen dieser Art sind aus den US-Patenten 4,005,989 und 4,034,142 bekannt.
Bekannt ist auch die Zugabe von Rhenium (Re) zu NiCoCrAlY- Legierungen.
Die Bemühung um die Steigerung der Eintrittstemperaturen sowohl bei stationären Gasturbinen als auch bei Flugtriebwerken hat auf dem Fachgebiet der Gasturbinen eine große Bedeutung, da die Eintrittstemperaturen wichtige Bestimmungsgrößen für die mit Gasturbinen erzielbaren thermodyna- mischen Wirkungsgrade sind. Durch den Einsatz speziell ent¬ wickelter Legierungen als Grundwerkstoffe für thermisch hoch zu belastende Bauteile wie Leit- und Laufschaufeln, insbesondere durch den Einsatz einkristalliner Superlegie- rungen, sind Eintrittstemperaturen von deutlich über 1000°C möglich. Inzwischen erlaubt der Stand der Technik Eintrittstemperaturen von 950°C und mehr bei stationären Gasturbinen sowie 1100°C und mehr in Gasturbinen von Flug- triebwerken.
Beispiele zum Aufbau einer Turbinenschaufel mit einem einkri¬ stallinen Substrat, die seinerseits komplex aufgebaut sein kann, gehen hervor aus der WO 91/01433 AI. Während die physikalische Belastbarkeit der inzwischen entwi¬ ckelten Grundwerkstoffe für die hoch belasteten Bauteile im Hinblick auf mögliche weitere Steigerungen der Eintrittstemperaturen weitgehend unproblematisch ist, muss zur Erzielung einer hinreichenden Beständigkeit gegen Oxidation und Korrosion auf Schutzschichten zurückgegriffen werden. Neben der hinreichenden chemischen Beständigkeit einer Schutzschicht unter den Angriffen, die von Rauchgasen bei Temperaturen in der Größenordnung von 1000°C zu erwarten sind, muss eine Schutzschicht auch genügend gute mechanische Eigenschaften, nicht zuletzt im Hinblick auf die mechanische Wechselwirkung zwischen der Schutzschicht und dem Grundwerkstoff, haben. 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.
Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Legierung und eine Schutzschicht anzugeben, die eine gute Hochtemperaturbeständigkeit in Korrosion und Oxidation aufweist, eine gute Langzeitstabilität aufweist und die außerdem einer mechanischen Beanspruchung, die insbesondere in einer Gasturbine bei einer hohen Temperatur zu erwarten ist, besonders gut angepasst ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schichtsystem,
das zumindest aufweist:
ein Substrat,
eine zumindest zweischichtige metallische Schicht
aus zumindest einer ersten unteren und
zweiten oberen Schicht auf der unteren Schicht,
wobei die untere Schicht
eine MCrAlX-Legierung aufweist
ohne Tantal (Ta) und ohne Silizium (Si) und ohne Eisen (Fe), insbesondere zumindest die folgende Elemente enthält, ganz insbesondere daraus besteht:
(Angaben in Gew.-%) :
22% - 26% Kobalt (Co) , 12% - 16% Chrom (Cr) ,
10% - 12% Aluminium (AI),
0, 2% - 0, 6%,
Nickel,
insbesondere Rest Nickel,
wobei die zweite Schicht eine MCrAlX-Legierung aufweist ent¬ weder mit Tantal (Ta) und/oder Eisen (Fe)
oder mit der γ und der γ' Phase und optional der ß-Phase, X ist optional und zumindest eines der Element aus der Gruppe umfassend Scandium, Rhenium und die Elemente der Seltenen Erden,
insbesondere Yttrium (Y) .
Weitere Vorteile werden erzielt durch:
• die Legierung der unteren Schicht (7) enthält 24% - 26% Kobalt (Co) ;
• die Legierung der unteren Schicht (7) weist 22% bis
23,5% Kobalt auf;
• die untere Schicht (7) enthält 15% - 16% Chrom (Cr);
• die untere Schicht (7) enthält 12% - 14% Chrom (Cr);
• die untere Schicht (7) enthält 0,3% - 0,5% Yttrium (Y) ; die Legierung der unteren Schicht besteht aus Kobalt (Co), Chrom (Cr), Aluminium (AI), Yttrium (Y) und Nickel (Ni) ;
• der Gehalt an Tantal (Ta) in der Legierung der oberen Schicht beträgt zwischen 0,1 Gew.-% to 7,0 Gew.-%, insbesondere > 1 Gew.-% ; der Anteil an Tantal (Ta) in der Legierung der oberen Schicht beträgt mindestens 2,0 Gew.-%,
insbesondere zwischen 3.0 Gew.-% und 6.0 Gew.-% beträgt; der Anteil an Tantal (Ta) in der Legierung der oberen Schicht beträgt zwischen 4 Gew.-% und 8 Gew.-%,
insbesondere 5 Gew.-% - 7 Gew.-%
ganz insbesondere 6 Gew.-%; der Gehalt an Kobalt (Co) in der Legierung der oberen Schicht beträgt mindestens 1 Gew.-%; die Legierung der oberen Schicht weist mindestens 1 Gew.-% Chrom (Cr) auf; die Legierung der oberen Schicht (10) weist 15 Gew.% - 16 Gew.-% Chrom (Cr), insbesondere 15.5 Gew.-% Cr auf; die Legierung der unteren Schicht aufweist kein Rhenium (Re) ; der Gehalt an Aluminium (AI) in der Legierung der oberen Schicht beträgt zwischen 5 Gew.-% - 15 Gew.-%,
insbesondere zwischen 8 Gew.-% - 12 Gew.-%; der Gehalt an Aluminium (AI) in der Legierung der oberen Schicht (10) beträgt zwischen 10.5 Gew.-% - 12 Gew.-%, insbesondere 11.5 Gew.-%; die Legierung der oberen Schicht weist kein Rhenium (Re) auf; für die Legierungen der metallische Schichten gilt:
nicht enthaltend Zirkon (Zr) und/oder
nicht enthaltend Titan (Ti) und/oder
nicht enthaltend Gallium (Ga) und/oder
nicht enthaltend Germanium (Ge) ; die Legierung der unteren Schicht und/oder der oberen Schicht enthält kein Silizium (Si); der Legierung der oberen Schicht zwischen 22 Gew.-% und 26 Gew.-% liegt,
insbesondere zwischen 24 Gew.-% und 26 Gew.-%; die Legierung der oberen Schicht (10) weist mindestens 1 Gew.-% Chrom (Cr) auf; die Legierung der oberen Schicht ist nickelbasiert; die Legierung der unteren Schicht ist nickelbasiert; die obere Schicht weist die γ-Phase, die γ' -Phase und optional die ß-Phase auf,
insbesondere auch die ß-Phase; die Legierung der oberen Schicht weist mindestens 1 Gew.-% Aluminium (AI) auf; die Legierung der oberen Schicht (10) weist mindestens 0.1 Gew.-% Yttrium (Y) auf,
insbesondere 0.3 Gew.-% beträgt,
ganz insbesondere zwischen 0.1 Gew.-% und 0.7 Gew.-%; der Gehalt an Kobalt (Co) in der Legierung der oberen Schicht beträgt zwischen 15 Gew.-% - 30 Gew.-%,
insbesondere 18 Gew.-% - 27 Gew.-%,
ganz insbesondere zwischen 21 Gew.-% - 24 Gew.-%; der Gehalt an Chrom (Cr) in der Legierung der oberen Schicht beträgt zwischen 12 Gew.-% - 22 Gew.-%,
insbesondere zwischen 15 Gew.-% - 19 Gew.-%; die oberen Schicht enthält die ß-Phase,
insbesondere mindestens 5vol%; • die obere Schicht weist eine Legierung aus Nickel (Ni), Kobalt (Co), Aluminium (AI), Chrom (Cr) , Tantal (Ta) und optional Yttrium (Y) auf,
insbesondere besteht daraus;
• die obere Schicht weist eine Legierung aus Nickel (Ni), Kobalt (Co), Aluminium (AI), Chrom (Cr), Tantal (Ta) , Eisen (Fe) und optional Yttrium (Y) auf,
insbesondere besteht daraus;
• die obere Schicht weist eine Legierung aus Nickel (Ni), Kobalt (Co), Aluminium (AI), Chrom (Cr), Tantal (Ta) und Yttrium (Y) auf,
insbesondere besteht daraus;
• die obere Schicht weist eine Legierung aus Nickel (Ni), Kobalt (Co), Aluminium (AI), Chrom (Cr), Tantal (Ta) , Eisen (Fe) und Yttrium (Y) auf,
insbesondere besteht daraus;
• die Legierung der Schichten (7, 10) weist kein Eisen
(Fe) auf;
• der Anteil an Eisen (Fe) in der Legierung der oberen
Schicht zwischen 0.5 Gew.-% - 5.0 Gew.-%,
insbesondere beträgt zwischen 1.0 Gew.-% - 4.0 Gew.-% und ganz insbesondere 2.7 Gew.-%;
• der Gehalt an Chrom (Cr) in der Legierung der oberen
Schicht beträgt zwischen 12 Gew.-% - 16 Gew.-%,
insbesondere 14.4 Gew.-%; der Anteil an Aluminium (AI) in der Legierung der oberen Schicht beträgt zwischen 7 Gew.-% - 8 Gew.-%,
insbesondere 7.75 Gew.-%; der Anteil von Rhenium (Re) in der Legierung der oberen Schicht beträgt 0.1 Gew.-% - 2 Gew.-%; der Gehalt an Tantal (Ta) in der Legierung der oberen Schicht beträgt zwischen 5 Gew.-% and 6.8 Gew.-%; die Legierung der metallischen Schichten enthält kein Platin (Pt) ; der Gehalt an Kobalt (Co) in der Legierung der oberen Schicht beträgt zwischen 11 Gew.-% - 14.5 Gew.-%; der Gehalt an Chrom (Cr) in der Legierung der oberen Schicht beträgt zwischen 14 Gew.-% - 16 Gew.-%; der Gehalt an Aluminium (AI) in der Legierung der oberen Schicht beträgt zwischen 9 Gew.-% - 13 Gew.-%; der Gehalt an Yttrium (Y) in der Legierung der oberen Schicht beträgt zwischen 0.1 Gew.-% - 0.7 Gew.-%; die Legierung der oberen Schicht weist Tantal (Ta) zwi¬ schen 4 Gew.-% und 7.5 Gew.-% auf,
insbesondere zwischen 3.0 Gew.-% to 6.0 Gew.-%; der Gehalt an Tantal (Ta) in der Legierung der oberen Schicht beträgt zwischen 3.5 Gew.-% und 5.5 Gew.-%, insbesondere 4.5 Gew.-%; der Gehalt von Kobalt (Co) in der Legierung der oberen Schicht liegt zwischen 21 Gew.-% - 25 Gew.-%,
insbesondere zwischen 22 Gew.-% - 23.5 Gew.-%,
ganz insbesondere 23 Gew.-%; der Gehalt an Chrom (Cr) in der Legierung der oberen Schicht beträgt zwischen 18 Gew.-% - 22 Gew.-%; • die obere Schicht weist kein Yttrium (Y) auf der Gehalt an Aluminium (AI) in der Legierung der oberen Schicht beträgt zwischen 8 Gew.-% - 12 Gew.-%; der Gehalt an Yttrium (Y) in der Legierung der oberen Schicht beträgt zwischen 0.1 Gew.-% - 0.7 Gew.-%;
• der Gehalt an Yttrium in der oberen Schicht beträgt 0.2 Gew.-% - 0.6 Gew.-% Yttrium (Y) ,
insbesondere 0.3 Gew.-% bis 0.5 Gew.-%.
Diese oben aufgelisteten Maßnahmen können beliebig miteinander verknüpft werden, um weitere Vorteile zu erzielen.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig in vorteilhafter Art und Weise mit einander verknüpft werden können. Die Erfindung wird im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 ein Schichtsystem mit einer Schutzschicht,
Figur 2 Zusammensetzungen von Superlegierungen,
Figur 3 eine Gasturbine,
Figur 4 eine Turbinenschaufel und
Figur 5 eine Brennkammer.
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbei- spiele der Erfindung dar.
Erfindungsgemäß weist das Schichtsystem 1, 120, 130, 155 (Fig. 1) zum Schutz eines Bauteils mit einem Substrat 4 gegen Korrosion und Oxidation bei einer hohen Temperatur mit fol- gendes auf:
eine zweischichtige metallische Schicht 7, 10
aus zumindest einer ersten unteren und zweiten oberen 10
Schicht, wobei die untere Schicht 7
eine MCrAl-Legierung aufweist ohne Tantal Ta und ohne Sili¬ zium (Si) und ohne Eisen (Fe),
insbesondere die folgende Elemente enthält
(Angaben in Gew.-%) :
22% - 26% Kobalt (Co) ,
insbesondere 25%,
12% - 16% Chrom (Cr) ,
insbesondere 13%,
10% - 12% Aluminium (AI),
insbesondere 11%,
0, 2% - 0, 6%,
ganz insbesondere 0,3%,
zumindest eines Elements aus der Gruppe umfassend Scandium und die Elemente der Seltenen Erden,
insbesondere Yttrium (Y) ,
Nickel,
insbesondere Rest Nickel,
wobei die zweite Schicht 10 eine MCrAl-Legierung aufweist entweder mit Tantal (Ta) und/oder Eisen (Fe) oder mit der γ- und der γ' -Phase und optional der ß-Phase.
Die Schutzschicht 13 weist bei guter Korrosionsbeständigkeit eine besonders gute Beständigkeit gegen Oxidation auf und zeichnet sich auch durch besonders gute Duktilitätseigen- schaften aus, so dass sie besonders qualifiziert ist für die Anwendung in einer Gasturbine 100 (Fig. 3) bei einer weiteren Steigerung der Eintrittstemperatur. Die Schutzschicht 13 weist eine untere MCrAlX-Schicht 7 und eine äußere Schicht 10 auf, die 10 eine MCrAlX-Legierung mit Tantal (Ta) und/oder Eisen (Fe) aufweist. X ist optional und vorzugsweise Scandium, Gruppe der Seltenen Erden, insbesondere Yttrium und/oder Rhenium.
Auf Rhenium (Re) , das häufig verwendet wird, kann in der unteren Schicht 7 verzichtet werden, so dass sich keine sprö¬ den Rheniumphasen bilden, die die Duktilität der unteren Schicht 7 herabsetzen könnten. Die untere Schicht 7 ist vorzugsweise eine reine NiCoCrAl- Schicht, also ohne Zusätze von Tantal und/oder Eisen, wobei die äußere Schicht 10 Zusätze wie Tantal und/oder Eisen zur Einstellung von Phasen, Phasenübergang für guten Oxidations- schutz aufweist.
Die untere Schicht 7 ist in ihrer Zusammensetzung vorzugs¬ weise relativ eng gesetzt und an Nickel oder Kobalt Super- legierungen, insbesondere gemäß Figur 2 angepasst bzw. zur gleichen Ausdehnung und guten Haftung. Ihre Duktilität ist deutlich höher, mindestens 10%, insbesondere 20%, ausgeprägt ist als die der äußeren metallischen Schicht 10. Daher kann die äußere Schicht 10 äußerst variabel, deutlich unabhängiger von der Zusammensetzung des Substrats (4) und je nach Anwendung ohne Kompromisse gestaltet werden: hoher Temperatureinsatz (mit schnellen Oxidwachstum) oder mittlere Temperaturen und langer Oxidationsschutz :
Ni-13Co-15Cr-llAl (4,5 - 6)Ta, -0,3 Y
Ni-Co-Cr-Al-Fe .
Die äußere Schicht 10 weist einen hervorragenden Oxidations- schütz auf, hingegen die untere Schicht eine sehr hohe Zähig¬ keit und schützt so das Substrat 4, das dann für einen Neu¬ einsatz fehlerfrei wiederverwendet werden kann.
Die Pulver werden beispielsweise durch Plasmaspritzen aufge- bracht (APS, LPPS, VPS, ...) . Andere Verfahren sind ebenso denkbar (PVD, CVD, Kaltgasspritzen, ...) .
Die beschriebene Schutzschicht 13 wirkt auch als Haftvermitt¬ lerschicht zu einer Superlegierung .
Auf diese Schutzschicht 7 können weitere Schichten, insbeson¬ dere keramische Wärmedämmschichten 16 aufgebracht werden. Bei einem Bauteil 1, 120, 130 ist die Schutzschicht 13 vor¬ teilhafterweise aufgetragen auf ein Substrat 4 aus einer Superlegierung auf Nickel- oder Kobaltbasis, insbesondere gemäß Figur 2.
Zusammensetzungen dieser Art sind als Gusslegierungen unter den Bezeichnungen GTD222, IN939, IN6203 und Udimet 500 bekannt .
Weitere Alternativen für das Substrat 4 des Bauteils 1, 120, 130, 155 sind in der Figur 2 aufgelistet.
Die Dicke der Schutzschicht 13 auf dem Bauteil 1 wird vor¬ zugsweise auf einen Wert zwischen etwa ΙΟΟμπι und 300μπι bemessen .
Die Schutzschicht 13 eignet sich besonders zum Schutz des Bauteils 1, 120, 130, 155 gegen Korrosion und Oxidation, während das Bauteil bei einer Materialtemperatur um etwa 950°C, bei Flugturbinen auch um etwa 1100°C, mit einem
Rauchgas beaufschlagt wird.
Die Schutzschicht 13 gemäß der Erfindung ist damit besonders qualifiziert zum Schutz eines Bauteils einer Gasturbine 100, insbesondere einer Leitschaufel 120, Laufschaufel 130 oder eines Hitzeschildelements 155, das mit heißem Gas vor oder in der Turbine der Gasturbine 100 oder der Dampfturbine be¬ aufschlagt wird.
Die Schutzschicht 13 kann als overlay (Schutzschicht ist die äußere Schicht oder als Bondcoat (Schutzschicht ist eine Zwischenschicht) verwendet werden.
Figur 1 zeigt als ein Bauteil ein Schichtsystem 1.
Das Schichtsystem 1 weist ein Substrat 4 auf.
Das Substrat 4 kann metallisch und/oder keramisch sein. Insbesondere bei Turbinenbauteilen, wie z.B. Turbinenlauf- 120 (Fig. 4) oder -leitschaufeln 130 (Fig. 3, 4), Hitzeschildelementen 155 (Fig. 5) sowie anderen Gehäuseteilen einer Dampf- oder Gasturbine 100 (Fig. 3), weist das Substrat 4 eine nickel-, kobalt-basierten Superlegierung auf, insbesondere bestehend daraus.
Vorzugsweise werden nickelbasierte Superlegierungen verwen- det .
Auf dem Substrat 4 ist die erfindungsgemäße Schutzschicht 13 vorhanden .
Vorzugsweise wird diese Schutzschicht 13 durch Plasmaspritzen (VPS, LPPS, APS1, ...) aufgebracht.
Diese kann als äußere Schicht (nicht dargestellt) oder Zwi¬ schenschicht (Fig. 1) verwendet werden.
Im letzteren Fall ist auf der Schutzschicht 13 eine kerami¬ sche Wärmedämmschicht 16 vorhanden.
Eine Aluminiumoxidschicht bildet sich während des Betriebs auf der metallischen Schicht 13 und/oder bei der Auftragung der keramischen Schicht 16.
Die Schutzschicht 13 kann auf neu hergestellte Bauteile und wieder aufgearbeitete Bauteile aus dem Refurbishment aufge¬ bracht werden.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dass Bauteile 1 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schichten (Wärmedämmschicht) getrennt werden und Korrosions- und Oxidationspro- dukte entfernt werden, beispielsweise durch eine Säurebehand¬ lung (Säurestrippen) . Gegebenenfalls müssen noch Risse repariert werden. Danach kann ein solches Bauteil wieder beschichtet werden, da das Substrat 4 sehr teuer ist.
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 Turbine 108.
Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufel¬ ringen 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 ver¬ dichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be¬ reitgestellte 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 Brenn- kammer 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 entspannt 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 unterliegen 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 belastet . 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 Turbinen¬ schaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Super- legierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 AI, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
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 Laufschau¬ fel 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 auf¬ einander 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 Schaufel- spitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht darge¬ stellt) . 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 ausge- staltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schau¬ felblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Ab¬ strömkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise mas¬ sive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet .
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 AI, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedever- fahren, 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 be¬ steht 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 ausbil¬ den, 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 Korngrenzen 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 AI bekannt.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 erfindungsgemäße Schutzschichten 7 gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen.
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) .
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrC>2, Y203-ZrC>2, 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 Kör¬ ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die
MCrAlX-Schicht .
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 angedeu¬ tet) auf.
Die Figur 5 zeigt eine Brennkammer 110 der Gasturbine 100. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ring¬ brennkammer 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 1000°C bis 1600°C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermög¬ lichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsme¬ dium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für dere Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeits- mediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt.
Diese Schutzschichten 7 können ähnlich der Turbinenschaufeln sein .
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wär¬ medämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrC>2, Y203-ZrC>2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollstän¬ dig 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.
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 Turbinen¬ schaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 nach ihrem Ein- satz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte.
Gegebenenfalls werden auch noch Risse in der Turbinenschaufel 120, 130 oder dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Turbinenschaufeln 120, 130 oder der Hitzeschildelemente 155.

Claims

Patentansprüche
1. Schichtsystem (1)
zumindest aufweisend:
ein Substrat (4),
eine zumindest zweischichtige metallische Schicht (7, 10) aus zumindest einer ersten unteren (7) und
zweiten oberen (10) Schicht auf der unteren Schicht (7), wobei die untere Schicht (7)
eine MCrAlX-Legierung aufweist
ohne Tantal (Ta) , ohne Silizium (Si) und ohne Eisen (Fe), insbesondere zumindest die folgende Elemente enthält, ganz insbesondere daraus besteht:
(Angaben in Gew.-%) :
22% - 26% Kobalt (Co),
12% - 16% Chrom (Cr) ,
10% - 12% Aluminium (AI),
insbesondere 10.5% - 12%,
ganz insbesondere 11.5%,
0.2% - 0.6%,
insbesondere 0.2% bis 0.5%,
zumindest eines der Element aus der Gruppe umfassend Scan- dium (Sc) , Rhenium (Re) und die Elemente der Seltenen Erden, insbesondere Yttrium (Y) ,
ganz insbesondere nur Yttrium (Y) ,
Nickel,
insbesondere Rest Nickel,
wobei die zweite Schicht (10) eine MCrAlX-Legierung auf¬ weist,
entweder mit Tantal (Ta) und/oder Eisen (Fe)
oder mit der γ und der γ' Phase und optional der ß-Phase, wobei X jeweils optional ist und
zumindest eines der Element aus der Gruppe umfassend Scan- dium (Sc) , Rhenium (Re) und die Elemente der Seltenen Erden, insbesondere Yttrium (Y) ,
ganz insbesondere nur Yttrium (Y) .
2. Schichtsystem nach Anspruch 1,
bei dem die Legierung der unteren Schicht (7) aus Kobalt (Co), Chrom (Cr), Aluminium (AI), Yttrium (Y) und Nickel (Ni) besteht.
3. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
das in der Legierung der unteren Schicht (7) kein Rhenium (Re) aufweist.
4. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem die Legierung der unteren Schicht (7) und/oder der oberen Schicht (10) kein Silizium (Si) enthält.
5. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem die jeweilige Legierung der Schichten (7, 10) kein Hafnium (Hf) aufweist.
6. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem die Legierung der unteren Schicht (7) nickelbasiert ist .
7. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem die Legierung der metallischen Schichten (7, 10) kein Platin (Pt) enthält.
8. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem in der Legierung der unteren Schicht (7) 24% - 26% Kobalt (Co) enthalten ist,
insbesondere 24.5% - 25.5% Kobalt (Co),
ganz insbesondere 25% Kobalt (Co) .
9. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
bei dem die Legierung der unteren Schicht (7) 22% bis 23.5% Kobalt (Co) aufweist.
10. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
bei dem in der unteren Schicht (7) 15% - 16% Chrom (Cr) enthalten sind,
insbesondere 15.5% Chrom.
11. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
bei dem in der unteren Schicht (7) 12% - 14% Chrom (Cr) ent- halten sind.
12. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
bei dem in der Legierung der unteren Schicht 0.3% - 0.5%
Yttrium (Y) enthalten ist,
insbesondere 0.4%.
13. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem in der Legierung der oberen Schicht (10) der Gehalt an Tantal (Ta) zwischen 0.1 Gew.-% und 7.0 Gew.-%,
insbesondere > 1 Gew.-%
beträgt .
14. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Anteil an Tantal (Ta) in der Legierung der oberen Schicht (10) mindestens 2.0 Gew.-% beträgt,
insbesondere zwischen 3.0 Gew.-% und 6.0 Gew.-% beträgt.
15. Schichtsystem nach einem mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Anteil an Tantal (Ta) in der Legierung der oberen Schicht (10) zwischen 4 Gew.-% und 8 Gew.-%,
insbesondere 5 Gew.-% - 7 Gew.-%;
ganz insbesondere 6 Gew.-% beträgt.
16. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Gehalt an Tantal (Ta) in der Legierung der oberen Schicht (10) zwischen 5 Gew.-% und 6.8 Gew.-% beträgt.
17. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Gehalt an Tantal (Ta) in der Legierung der oberen Schicht (10) zwischen 3.5 Gew.-% und 5.5 Gew.-% beträgt,
insbesondere 4.5 Gew.-% aufweist.
18. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Gehalt an Tantal (Ta) 0.5 Gew.-% bis 1.5 Gew.-% beträgt,
insbesondere 0.5 Gew.-% bis 1.0 Gew.-%.
19. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem in der Legierung der oberen Schicht (10) der Gehalt an Kobalt (Co) mindestens 1 Gew.-% beträgt.
20. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Gehalt an Kobalt (Co) in der Legierung der oberen Schicht (10) zwischen 15 Gew.-% und 30 Gew.-%,
insbesondere 18 Gew.-% und 27 Gew.-%,
ganz insbesondere zwischen 21 Gew.-% und 24 Gew.-% beträgt.
21. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Gehalt von Kobalt (Co) in der Legierung der oberen Schicht liegt zwischen 21 Gew.-% und 25 Gew.-%, insbesondere zwischen 22 Gew.-% und 23.5 Gew.-%,
ganz insbesondere 23 Gew.-%.
22. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Gehalt von Kobalt (Co) in der Legierung der oberen Schicht liegt zwischen 21 Gew.-% und 25 Gew.-%, insbesondere zwischen 22 Gew.-% und 23.5 Gew.-%,
ganz insbesondere 23 Gew.-%.
23. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Gehalt von Kobalt (Co) in der Legierung der oberen Schicht liegt zwischen 21 Gew.-% und 25 Gew.-%, insbesondere zwischen 22 Gew.-% und 23.5 Gew.-%,
ganz insbesondere 23 Gew.-%.
24. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Gehalt von Kobalt (Co) in der Legierung der oberen Schicht liegt zwischen 21 Gew.-% und 25 Gew.-%, insbesondere zwischen 22 Gew.-% und 23.5 Gew.-%,
ganz insbesondere 23 Gew.-%.
25. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Gehalt an Kobalt (Co) in der Legierung der obe- ren Schicht zwischen 22 Gew.-% und 26 Gew.-% liegt, insbesondere zwischen 24 Gew.-% und 26 Gew.-%.
26. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem die Legierung der oberen Schicht (10) mindestens 1 Gew.-% Chrom (Cr) aufweist.
27. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem die Legierung der oberen Schicht (10) 15 Gew.-% - 16 Gew. -% Chrom (Cr) ,
insbesondere 15.5 Gew.-% Chrom (Cr) aufweist.
28. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Gehalt an Aluminium (AI) in der Legierung der oberen Schicht (10) zwischen 5 Gew.-% - 15 Gew.-%,
insbesondere zwischen 8 Gew.-% - 12 Gew.-% beträgt.
29. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Gehalt an Aluminium (AI) in der Legierung der oberen Schicht (10) zwischen 10.5 Gew.-% - 12 Gew.-%, insbesondere 11.5 Gew.-% beträgt.
30. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
das in der Legierung der oberen Schicht (10) kein Rhenium (Re) aufweist.
31. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem für die Legierungen der metallische Schichten (7, 10) gilt:
nicht enthaltend Zirkon (Zr) und/oder
nicht enthaltend Titan (Ti) und/oder
nicht enthaltend Gallium (Ga) und/oder
nicht enthaltend Germanium (Ge) .
32. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem die Legierung der oberen Schicht (10) nickelbasiert ist .
33. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei der die obere Schicht (10) die γ-Phase , die γ' Phase und optional die ß-Phase aufweist,
insbesondere auch die ß-Phase aufweist.
34. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
bei dem die Legierung der oberen Schicht (10) mindestens 1 Gew.-% Aluminium (AI) aufweist.
35. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
bei dem die Legierung der oberen Schicht (10) mindestens 0.1 Gew.-% Yttrium (Y) aufweist,
insbesondere zwischen 0.1 Gew.-% und 0.7 Gew.-%,
ganz insbesondere 0.3 Gew.-% aufweist.
36. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
bei dem in der Legierung oberen Schicht 0.2 Gew.-% - 0.6 Gew.-% Yttrium (Y) enthalten ist,
insbesondere 0.3 Gew.-% bis 0.5 Gew.-%.
37. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
bei dem der Gehalt an Chrom (Cr) in der Legierung der oberen Schicht (10) zwischen 12 Gew.-% - 22 Gew.-%,
insbesondere zwischen 15 Gew.-% - 19 Gew.-% beträgt.
38. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
welches in der oberen Schicht (10) die ß-Phase enthält, insbesondere mindestens 5vol%.
39. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem die obere Schicht (10) eine Legierung aus Nickel (Ni), Kobalt (Co), Aluminium (AI), Chrom (Cr), Tantal (Ta) und optional Yttrium (Y) aufweist,
insbesondere daraus besteht.
40. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem die obere Schicht (10) eine Legierung aus Nickel (Ni), Kobalt (Co), Aluminium (AI), Chrom (Cr), Tantal (Ta) und Yttrium (Y) aufweist,
insbesondere daraus besteht.
41. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem die obere Schicht (10) eine Legierung aus Nickel
(Ni), Kobalt (Co), Aluminium (AI), Chrom (Cr), Tantal (Ta) , Eisen (Fe) und optional Yttrium (Y) aufweist,
insbesondere daraus besteht.
42. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem die obere Schicht (10) eine Legierung aus Nickel (Ni), Kobalt (Co), Aluminium (AI), Chrom (Cr), Tantal (Ta) , Eisen (Fe) und Yttrium (Y) aufweist,
insbesondere daraus besteht.
43. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 23,
das in der Legierung der Schichten (7, 10) kein Eisen (Fe) aufweist .
44. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 25,
bei dem der Anteil an Eisen (Fe) in der Legierung der obe- ren Schicht (10) zwischen 0.5 Gew.-% - 5.0 Gew.-%,
insbesondere zwischen 1.0 Gew.-% - 4.0 Gew.-% und
ganz insbesondere 2.7 Gew.-% beträgt.
45. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Gehalt an Chrom (Cr) in der Legierung der oberen Schicht (10) zwischen 12 Gew.-% - 16 Gew.-% beträgt, insbesondere 14,4 Gew.-%.
46. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Anteil an Aluminium (AI) in der Legierung der oberen Schicht (10) zwischen 7 Gew.-% und 8 Gew.-% beträgt, insbesondere 7.75 Gew.-%.
47. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei der der Anteil von Rhenium (Re) in der Legierung der oberen Schicht (10) 0.1 Gew.-% und 2 Gew.-% beträgt.
48. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Gehalt an Kobalt (Co) in der Legierung der oberen Schicht (10) zwischen 11.0 Gew.-% - 14.5 Gew.-% be- trägt.
49. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Gehalt an Chrom (Cr) in der Legierung der oberen Schicht (10) zwischen 14 Gew.-% und 16 Gew.-% beträgt.
50. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Gehalt an Aluminium (AI) in der Legierung der oberen Schicht (10) zwischen 9 Gew.-% und 13 Gew.-% beträgt .
51. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Gehalt an Yttrium (Y) in der Legierung der oberen Schicht (10) zwischen 0.1 Gew.-% und 0.7 Gew.-% be- trägt.
52. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem die Legierung der oberen Schicht (10) Tantal (Ta) zwischen 4 Gew.-% und 7.5 Gew.-% aufweist,
insbesondere zwischen 3.0 Gew.-% und 6.0 Gew.-% aufweist.
53. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Gehalt an Chrom (Cr) in der Legierung der oberen Schicht (10) zwischen 18 Gew.-% und 22 Gew.-% beträgt.
54. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem die obere Schicht (10) kein Yttrium (Y) aufweist.
55. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Gehalt an Aluminium (AI) in der Legierung der oberen Schicht (10) zwischen 8 Gew.-% und 12 Gew.-% beträgt .
56. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Gehalt an Yttrium (Y) in der Legierung der oberen Schicht (10) zwischen 0.1 Gew.-% und 0.7 Gew.-% beträgt .
57. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
insbesondere ein Bauteil (120, 130, 155) einer Gasturbine (100),
ganz insbesondere bei dem ein Substrat (4) des Schichtsys¬ tems (120, 130, 155) nickelbasiert oder kobaltbasiert ist, bei dem auf der Schutzschicht (10) eine keramische Wärme¬ dämmschicht (16) aufgebracht ist.
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