WO2015071015A1 - Porous ceramic coating system - Google Patents

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WO2015071015A1
WO2015071015A1 PCT/EP2014/069907 EP2014069907W WO2015071015A1 WO 2015071015 A1 WO2015071015 A1 WO 2015071015A1 EP 2014069907 W EP2014069907 W EP 2014069907W WO 2015071015 A1 WO2015071015 A1 WO 2015071015A1
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layer system
ceramic
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Werner Stamm
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F05D2300/50Intrinsic material properties or characteristics
    • F05D2300/514Porosity

Definitions

  • the invention relates to a layer system with two different porous ceramic layers.
  • Ceramic protective coatings are often used on high temperature components to protect the metallic substrate from higher temperatures.
  • the ceramic layers have a certain porosity, on the one hand to reduce the thermal conductivity and to set a certain ductility.
  • the ceramic and metallic layers ensure good oxidation protection and good thermal insulation
  • the layer system 1 is shown schematically.
  • the layer system 1 is preferably a turbine blade 120, 130 of a turbine, a steam turbine, a gas turbine 100 (FIG. 2) for stationary operation or for aircraft.
  • the substrate 4 comprises a nickel- or cobalt-based superalloy of an alloy of FIG.
  • this is a nickel-based superalloy.
  • M Ni, Co, Fe, preferably Ni, Co.
  • a ceramic layer 16 is applied, wherein between the metallic
  • Layer 7 and the ceramic layer either an oxide layer (TGO) is deliberately generated or applied or forms during the ceramic coating or during the operation of a layer system 1 with the metallic layer 7.
  • TGO oxide layer
  • the ceramic layer 16 has at least two, in particular only two, different ceramic layers 19, 22.
  • the lower ceramic layer 19 has a lower porosity than the outer ceramic layer 22.
  • the porosity of the lower ceramic layer 19 is 8% to ⁇ 14.5%, especially 11% to 13% (preferably vol%).
  • the layer thickness of the inner ceramic layer 19 is preferably at least 10%, in particular 20%, very particularly 50% thinner than that of the outer ceramic layer 22.
  • the lower ceramic layer 19 has a thickness of 100 + 25 ⁇ , while the outer ceramic layer 22 has a thickness of
  • the outer ceramic layer 22 has a porosity of> 15% to 22%, in particular of 16% to 20%, and preferably represents the outermost ceramic layer 22.
  • the material of the lower ceramic layer 19 is partially, in particular yttrium-stabilized zirconium oxide.
  • this material is also used for the outer ceramic layer 22, but also a
  • Gadolinium zirconate Gadolinium zirconate.
  • a protective layer 7 for protecting a component against corrosion and oxidation at a high temperature has substantially the following elements (indication of the parts in% by weight):
  • rare-earth element yttrium, etc.
  • Sc scanning dium
  • Ni, Co, Cr, Al, Y, Ta is preferably not exhaustive.
  • Nickel preferably forms the matrix.
  • the list of Ni, Co, Cr, Al, Y, Ta is exhaustive.
  • the contents of the alloying elements Co, Cr, Al, Y, Ta have the following advantages: Medium high Co content:
  • Tantalum has a positive influence on the phase stability of the ⁇ 'phase or shifts the transition to higher temperatures and thus slows the phase degradation by the consumption of aluminum in the layer.
  • the proportions of the individual elements are particularly harmonized with regard to their effects, which are to be seen in particular in connection with the element silicon. If the proportions are so dimensioned that no silicon precipitates form, advantageously no brittle phases arise during the use of the protective layer, so that the runtime behavior is improved and prolonged. This is done not only by a low chromium content, but also, taking into account the influence of aluminum on the phase formation, by accurately measuring the content of aluminum.
  • the protective layer 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.
  • a gas turbine 100 FIG. 3
  • Chromium-silicon precipitates, which become brittle in the course of use.
  • the powders are applied, for example, by plasma spraying (APS, LPPS, VPS, ...) to form a protective layer.
  • APS plasma spraying
  • LPPS LPPS
  • VPS vacuum pressure
  • PVD chemical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • SPPS SPPS
  • the protective layer 7 described also acts as a primer layer to a superalloy.
  • the protective layer 7 is advantageously applied to a substrate 4 made of a nickel or cobalt-based superalloy (FIG. 5).
  • a substrate 4 made of a nickel or cobalt-based superalloy FIG. 5
  • Compositions of this type are known as casting alloys under the designations GTD222, IN939, IN6203 and Udimet 500.
  • Further alternatives for the substrate 4 (FIG. 2) of the component 1, 120, 130, 155 are listed in FIG.
  • the thickness of the protective layer 7 on the component 1 is preferably dimensioned to a value between about ⁇ and 300 ⁇ .
  • the protective layer 7 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 7 according to the invention is thus particularly qualified for protecting a component of a gas turbine 100, in particular a guide blade 120, rotor 130 or a heat shield element 155, which is acted upon by hot gas before or in the turbine of the gas turbine 100 or the steam turbine.
  • 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. Especially with turbine components, such as Turbine Run 120
  • the substrate 4 has a nickel-cobalt structure (FIG. 3) or guide vanes 130 (FIGS or iron-based superalloy, in particular it consists of.
  • nickel-based superalloys ( Figure 5) are used.
  • the protective layer 7 according to the invention is present.
  • this protective layer 7 is applied by plasma spraying (VPS, LPPS, APS,). This can be used as outer layer (not shown) or intermediate layer (FIG. 1).
  • the layer system consists of substrate 4,
  • FIG. 2 shows by way of example a gas turbine 100 in a partial longitudinal section.
  • the gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103 with a shaft, which is also referred to as a turbine runner.
  • an intake housing 104 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
  • 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. 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.
  • 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 supplied to the burners 107 where it is mixed with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working medium 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).
  • iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used as the material for the components, in particular for the turbine blade 120, 130 and components of the combustion chamber 110.
  • 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 vane 130 has a guide vane foot (not shown here) facing the inner housing 138 of the turbine 108 and a vane head opposite the vane foot.
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
  • FIG. 3 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, a fastening area 400, an adjacent blade platform 403 and an airfoil 406 and a blade tip 415.
  • the blade 130 may have another platform at its blade tip 415 (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. 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, i.e., grains that run the full length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, i. the whole workpiece consists of a single crystal.
  • a columnar grain structure columnar, i.e., grains that run the full length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified
  • a monocrystalline structure i. the whole workpiece consists 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 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 the rare earth, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • the density is preferably 95% of the theoretical density.
  • the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8A1-0, 6Y-0, 7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y.
  • nickel-based protective layers such as Ni-IOCr-12A1-0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-IIAl-O, 4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10A1-0,4Y-1 are also preferably used , 5Re.
  • thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of Zr0 2 , Y 2 0 3 -Zr0 2 , that is, it is not, partially or completely stabilized by yttria
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • the thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the
  • FIG. 4 shows a combustion chamber 110 of the gas turbine 100.
  • 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 produce 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.
  • 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 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 Si - Lizium 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 Si - Lizium 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 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • a ceramic thermal barrier coating may be present and consists for example of Zr0 2 , Y 2 0 3 -Zr0 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium 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 macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • Refurbishment means that turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 may need to be deprotected (e.g., by sandblasting) after use. This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, 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

The invention relates to a coating system having two layers of porous coatings, comprising a tightly controlled and matched porosity.

Description

Poröses keramisches Schichtsystem  Porous ceramic coating system
Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem mit zwei unter- schiedlichen porösen keramischen Schichten. The invention relates to a layer system with two different porous ceramic layers.
Keramische Schutzschichten werden oft bei Bauteilen im Hochtemperatureinsatz verwendet, um das metallische Substrat vor höheren Temperaturen zu schützen. Ceramic protective coatings are often used on high temperature components to protect the metallic substrate from higher temperatures.
Dabei weisen die keramischen Schichten eine gewisse Porosität auf, um zum einen die Wärmeleitfähigkeit zu verringern und um eine gewisse Duktilität einzustellen. In this case, the ceramic layers have a certain porosity, on the one hand to reduce the thermal conductivity and to set a certain ductility.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die thermischen und die mecha- nischen Eigenschaften zu optimieren. It is an object of the invention to optimize the thermal and the mechanical properties.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schichtsystem gemäß Anspruch 1. In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können . The object is achieved by a layer system according to claim 1. In the subclaims further advantageous measures are listed, which can be combined with each other as desired.
Durch die keramischen und die metallische Schicht wird ein guter Oxidationsschutz und gute Wärmedämmung gewährleistet The ceramic and metallic layers ensure good oxidation protection and good thermal insulation
ein Schichtsystem, a layer system,
eine Gasturbine,  a gas turbine,
eine Turbinenschaufel,  a turbine blade,
eine Brennkammer,  a combustion chamber,
eine Liste von Superlegierungen  a list of superalloys
Die Beschreibung und Figuren stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. In Figur 1 ist das Schichtsystem schematisch dargestellt. Das Schichtsystem 1 ist vorzugsweise eine Turbinenschaufel 120, 130 einer Turbine, einer Dampfturbine, einer Gasturbine 100 (Fig. 2), für den stationären Betrieb oder für Flugzeuge. The description and figures represent only embodiments of the invention. In Figure 1, the layer system is shown schematically. The layer system 1 is preferably a turbine blade 120, 130 of a turbine, a steam turbine, a gas turbine 100 (FIG. 2) for stationary operation or for aircraft.
Vorzugsweise weist das Substrat 4 eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung aus einer Legierung der Figur 5 auf. Vorzugsweise ist dies eine nickelbasierte Superlegierung. Preferably, the substrate 4 comprises a nickel- or cobalt-based superalloy of an alloy of FIG. Preferably, this is a nickel-based superalloy.
Auf dem Substrat 4 ist vorzugsweise eine metallische Anbindungsschicht 7, insbesondere des Typs MCrAl oder MCrAlX vorhanden (M= Ni , Co, Fe, vorzugsweise Ni , Co) . Auf eine metallische Anbindungsschicht 7 wird eine keramische Schicht 16 aufgebracht, wobei zwischen der metallischen On the substrate 4 is preferably a metallic bonding layer 7, in particular of the type MCrAl or MCrAlX present (M = Ni, Co, Fe, preferably Ni, Co). On a metallic bonding layer 7, a ceramic layer 16 is applied, wherein between the metallic
Schicht 7 und der keramischen Schicht entweder eine Oxidschicht (TGO) bewusst erzeugt bzw. aufgebracht wird oder sich während der keramischen Beschichtung oder während des Be- triebs eines Schichtsystems 1 mit der metallischen Schicht 7 bildet . Layer 7 and the ceramic layer, either an oxide layer (TGO) is deliberately generated or applied or forms during the ceramic coating or during the operation of a layer system 1 with the metallic layer 7.
Die keramische Schicht 16 weist zumindest zwei, insbesondere nur zwei, unterschiedliche keramische Schichten 19, 22 auf. The ceramic layer 16 has at least two, in particular only two, different ceramic layers 19, 22.
Die untere keramische Schicht 19 weist eine geringere Porosität als die äußere keramische Schicht 22 auf. The lower ceramic layer 19 has a lower porosity than the outer ceramic layer 22.
Die Porosität der unteren keramischen Schicht 19 liegt bei 8% bis <14,5%, insbesondere bei 11% bis 13% (vorzugsweise vol%) . The porosity of the lower ceramic layer 19 is 8% to <14.5%, especially 11% to 13% (preferably vol%).
Vorzugsweise ist die Schichtdicke der inneren keramischen Schicht 19 mindestens 10%, insbesondere 20%, ganz insbesondere 50% dünner ausgebildet als die der äußeren keramischen Schicht 22. Die untere keramische Schicht 19 hat eine Dicke von 100+25μπι, während die äußere keramische Schicht 22 eine Dicke von The layer thickness of the inner ceramic layer 19 is preferably at least 10%, in particular 20%, very particularly 50% thinner than that of the outer ceramic layer 22. The lower ceramic layer 19 has a thickness of 100 + 25μπι, while the outer ceramic layer 22 has a thickness of
>100μπι aufweist. Die äußere keramische Schicht 22 weist eine Porosität von >15% bis 22%, insbesondere von 16% bis 20% auf und stellt vorzugsweise die äußerste keramische Schicht 22 dar. > 100μπι has. The outer ceramic layer 22 has a porosity of> 15% to 22%, in particular of 16% to 20%, and preferably represents the outermost ceramic layer 22.
Das Material der unteren keramischen Schicht 19 ist teilwei- se, insbesondere Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid. The material of the lower ceramic layer 19 is partially, in particular yttrium-stabilized zirconium oxide.
Vorzugsweise wird dieses Material auch für die äußere keramische Schicht 22 verwendet, wobei aber auch ein  Preferably, this material is also used for the outer ceramic layer 22, but also a
Pyrochlormaterial verwendet werden kann, wie Pyrochlormaterial can be used as
Gadoliniumzirkonat . Gadolinium zirconate.
Die Porositätsauswahl der keramischen Schichten führte erstaunlicherweise zu einer längeren Lebensdauer gegenüber einer gleichdicken hochporösen Schicht . Weiterhin erfindungsgemäß weist eine Schutzschicht 7 (Fig. 1) zum Schutz eines Bauteils gegen Korrosion und Oxidation bei einer hohen Temperatur im Wesentlichen folgende Elementen (Angabe der Anteile in Gew.%) auf: The selection of porosity of the ceramic layers surprisingly led to a longer service life compared to a dense thick porous layer. Furthermore, according to the invention, a protective layer 7 (FIG. 1) for protecting a component against corrosion and oxidation at a high temperature has substantially the following elements (indication of the parts in% by weight):
Nickel nickel
Co: 22% - 24% Co: 22% - 24%
Cr: 14% - 16% Cr: 14% - 16%
AI : 10,5% - 11,5% AI: 10.5% - 11.5%
0,2% - 0,4% Seltene-Erden-Element (Yttrium, ...) und/oder Scan- dium (Sc) : ganz insbesondere Yttrium,  0.2% -0.4% rare-earth element (yttrium,...) And / or scanning dium (Sc): in particular yttrium,
optional optional
Ta: 0,3% - 0,9%.  Ta: 0.3% - 0.9%.
Die Auflistung der Legierungselemente Ni , Co, Cr, AI, Y, Ta ist vorzugsweise nicht abschließend. Nickel bildet vorzugsweise die Matrix.  The list of alloying elements Ni, Co, Cr, Al, Y, Ta is preferably not exhaustive. Nickel preferably forms the matrix.
Vorzugsweise ist die Auflistung von Ni , Co, Cr, AI, Y, Ta abschließend . Die Gehalte der Legierungselemente Co, Cr, AI, Y, Ta haben folgende Vorteile: Mittelhoher Co-Gehalt: Preferably, the list of Ni, Co, Cr, Al, Y, Ta is exhaustive. The contents of the alloying elements Co, Cr, Al, Y, Ta have the following advantages: Medium high Co content:
Verbreiterung des Beta/Gamma-Feldes , Vermeidung spröder Phasen wie z.B. der Alpha-Phasen.  Widening of the beta / gamma field, avoiding brittle phases such as the alpha phases.
Mittlerer Cr-Gehalt: Average Cr content:
Ausreichend hoch zur Aktivitätserhöhung von AI zur A1203- Bildung ; Sufficiently high to increase activity of AI to A1 2 0 3 - formation;
niedrig genug um spröde Phasen (Alpha-Chrom oder Sigma-Phase) zu vermeiden. Mittelhoher Al-Gehalt : low enough to avoid brittle phases (alpha-chromium or sigma phase). Medium high Al content:
Ausreichend hoch für AI -Aktivität zur Ausbildung einer stabilen Al203-Schicht ; Sufficiently high for AI activity to form a stable Al 2 O 3 layer;
niedrig genug um Versprödungseffekte zu vermeiden. Niedriger Y-Gehalt: low enough to avoid embrittlement effects. Low Y content:
Ausreichend hoch um bei geringer Sauerstoffkontamination noch genügend Y-Aluminat zur Bildung von Y-haltigen "pegs" zu bilden;  Sufficient high enough to produce enough Y-aluminate to form Y-containing "pegs" with low oxygen contamination;
niedrig genug um das Oxidschichtwachstum der Al203-Schicht negativ zu beschleunigen. low enough to negatively accelerate the oxide layer growth of the Al 2 O 3 layer.
Tantal hat eine positiven Einfluss auf die Phasenstabilität der γ' -Phase bzw. verschiebt den Übergang zu höheren Temperaturen und verlangsamt so den Phasenabbau durch den Verbrauch von Aluminium in der Schicht. Tantalum has a positive influence on the phase stability of the γ 'phase or shifts the transition to higher temperatures and thus slows the phase degradation by the consumption of aluminum in the layer.
Festzustellen ist, dass die Anteile der einzelnen Elemente besonders abgestimmt sind im Hinblick auf ihre Wirkungen, die insbesondere in Zusammenhang mit dem Element Silizium zu se- hen sind. Wenn die Anteile so bemessen sind, dass sich keine Silizium-Ausscheidungen bilden, entstehen vorteilhafterweise keine Sprödphasen während des Einsatzes der Schutzschicht, so dass das Laufzeitverhalten verbessert und verlängert ist. Dies geschieht nicht nur durch einen geringen Chromgehalt, sondern auch, unter Berücksichtigung des Einflusses von Aluminium auf die Phasenbildung, durch genaue Bemessung des Gehalts an Aluminium. It should be noted that the proportions of the individual elements are particularly harmonized with regard to their effects, which are to be seen in particular in connection with the element silicon. If the proportions are so dimensioned that no silicon precipitates form, advantageously no brittle phases arise during the use of the protective layer, so that the runtime behavior is improved and prolonged. This is done not only by a low chromium content, but also, taking into account the influence of aluminum on the phase formation, by accurately measuring the content of aluminum.
In Wechselwirkung mit der Reduzierung der Sprödphasen, die sich besonders unter höheren mechanischen Eigenschaften negativ auswirken, werden durch die Verringerung der mechanischen Spannungen durch den ausgewählten Nickel -Gehalt die mechanischen Eigenschaften verbessert. In interaction with the reduction of the brittle phases, which have a negative effect especially under higher mechanical properties, the reduction of the mechanical stresses by the selected nickel content improves the mechanical properties.
Die Schutzschicht 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. Während des Betriebs kommt es kaum zu einer Versprödung, da die Schicht kaum The protective layer, 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. During operation, there is hardly any embrittlement because the layer hardly
Chrom-Silizium-Ausscheidungen aufweist, die im Laufe des Einsatzes verspröden. Chromium-silicon precipitates, which become brittle in the course of use.
Die Pulver werden beispielsweise durch Plasmaspritzen aufgebracht (APS, LPPS, VPS, ...) , um eine Schutzschicht zu bilden. Andere Verfahren sind ebenso denkbar (PVD, CVD, SPPS, ...) . Die beschriebene Schutzschicht 7 wirkt auch als Haftvermittlerschicht zu einer Superlegierung . The powders are applied, for example, by plasma spraying (APS, LPPS, VPS, ...) to form a protective layer. Other methods are also conceivable (PVD, CVD, SPPS, ...). The protective layer 7 described also acts as a primer layer to a superalloy.
Auf diese Schutzschicht 7 werden weitere Schichten, insbesondere keramische Wärmedämmschichten 16 aufgebracht. On this protective layer 7 further layers, in particular ceramic thermal barrier coatings 16 are applied.
Bei einem Bauteil 1 ist die Schutzschicht 7 vorteilhafterweise aufgetragen auf ein Substrat 4 aus einer Superlegierung auf Nickel- oder Kobaltbasis (Figur 5) . Zusammensetzungen dieser Art sind als Gusslegierungen unter den Bezeichnungen GTD222, IN939, IN6203 und Udimet 500 bekannt . Weitere Alternativen für das Substrat 4 (Figur 2) des Bauteils 1, 120, 130, 155 sind in der Figur 2 aufgelistet. In the case of a component 1, the protective layer 7 is advantageously applied to a substrate 4 made of a nickel or cobalt-based superalloy (FIG. 5). Compositions of this type are known as casting alloys under the designations GTD222, IN939, IN6203 and Udimet 500. Further alternatives for the substrate 4 (FIG. 2) of the component 1, 120, 130, 155 are listed in FIG.
Die Dicke der Schutzschicht 7 auf dem Bauteil 1 wird vor- zugsweise auf einen Wert zwischen etwa ΙΟΟμπι und 300μπι bemessen . The thickness of the protective layer 7 on the component 1 is preferably dimensioned to a value between about ΙΟΟμπι and 300μπι.
Die Schutzschicht 7 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 The protective layer 7 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
Rauchgas beaufschlagt wird. Flue gas is applied.
Die Schutzschicht 7 gemäß der Erfindung ist damit besonders qualifiziert zum Schutz eines Bauteils einer Gasturbine 100, insbesondere einer Leitschaufel 120, Laufschaufei 130 oder eines Hitzeschildelements 155, das mit heißem Gas vor oder in der Turbine der Gasturbine 100 oder der Dampfturbine beaufschlagt wird. The protective layer 7 according to the invention is thus particularly qualified for protecting a component of a gas turbine 100, in particular a guide blade 120, rotor 130 or a heat shield element 155, which is acted upon by hot gas before or in the turbine of the gas turbine 100 or the steam turbine.
Figur 1 zeigt als ein Bauteil ein Schichtsystem 1. FIG. 1 shows a layer system 1 as a component.
Das Schichtsystem 1 weist ein Substrat 4 auf.  The layer system 1 has a substrate 4.
Das Substrat 4 kann metallisch und/oder keramisch sein. Ins- besondere bei Turbinenbauteilen, wie z.B. Turbinenlauf- 120 The substrate 4 may be metallic and / or ceramic. Especially with turbine components, such as Turbine Run 120
(Fig. 3) oder -leitschaufeln 130 (Fig. 2, 3), Hitzeschildelementen 155 (Fig. 4) sowie anderen Gehäuseteilen einer Dampf- oder Gasturbine 100 (Fig. 2), weist das Substrat 4 eine ni- ckel-, kobalt- oder eisenbasierte Superlegierung auf, ins- besondere besteht sie daraus. 2 or 3), heat shield elements 155 (FIG. 4) as well as other housing parts of a steam or gas turbine 100 (FIG. 2), the substrate 4 has a nickel-cobalt structure (FIG. 3) or guide vanes 130 (FIGS or iron-based superalloy, in particular it consists of.
Vorzugsweise werden nickelbasierte Superlegierungen (Fig. 5) verwendet .  Preferably, nickel-based superalloys (Figure 5) are used.
Auf dem Substrat 4 ist die erfindungsgemäße Schutzschicht 7 vorhanden. On the substrate 4, the protective layer 7 according to the invention is present.
Vorzugsweise wird diese Schutzschicht 7 durch Plasmaspritzen (VPS, LPPS, APS, ...) aufgebracht. Diese kann als äußere Schicht (nicht dargestellt) oder Zwischenschicht (Fig. 1) verwendet werden. Preferably, this protective layer 7 is applied by plasma spraying (VPS, LPPS, APS,...). This can be used as outer layer (not shown) or intermediate layer (FIG. 1).
Vorzugsweise besteht das Schichtsystem aus Substrat 4, Preferably, the layer system consists of substrate 4,
Schutzschicht 7 und keramischer Wärmedämmschicht 16, optional einer TGO unter der Wärmedämmschicht 16. Protective layer 7 and ceramic thermal barrier coating 16, optionally a TGO under the thermal barrier coating 16th
Die Figur 2 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt . FIG. 2 shows by way of example a gas turbine 100 in a partial longitudinal section.
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. The gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103 with a shaft, which is also referred to as a turbine runner.
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.  Along the rotor 103 follow one another an intake housing 104, 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
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.  The annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example. There, for example, four turbine stages 112 connected in series form the turbine 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.  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.
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. 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.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .  Coupled to the rotor 103 is a generator or work machine (not shown).
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 geführt 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. During operation of the gas turbine 100, 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 supplied to the burners 107 where it is mixed with a fuel. The mixture is then burned to form the working medium 113 in the combustion chamber 110. From there, 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 ,
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. 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.
Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.  To withstand the prevailing temperatures, they can be cooled by means of a coolant.
Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur) . Likewise, substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Super- legierungen verwendet .  As the material for 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.
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. 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.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) 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 3 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. The vane 130 has a guide vane foot (not shown here) facing the inner housing 138 of the turbine 108 and a vane head opposite the vane foot. The vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143. FIG. 3 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.
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. The blade 120, 130 has, along the longitudinal axis 121, a fastening area 400, an adjacent blade platform 403 and an airfoil 406 and a blade tip 415.
Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht darge- stellt) .  As a guide blade 130, the blade 130 may have another platform at its blade tip 415 (not shown).
Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) . In the mounting region 400, a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich. The blade root 183 is designed, for example, as a hammer head. Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Ab- strömkante 412 auf.  The blade 120, 130 has a leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet. In conventional blades 120, 130, for example, solid metallic materials, in particular superalloys, are used in all regions 400, 403, 406 of the blade 120, 130.
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.  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.
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. 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. 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.
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. The production of 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.
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 ausbil - den, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen. Here, dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, i.e., grains that run the full length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, i. the whole workpiece consists of a single crystal. In these processes, one must avoid the transition to globulitic (polycrystalline) solidification, since undirected growth inevitably results in transverse and longitudinal grain boundaries, which negate the good properties of the directionally solidified or monocrystalline component.
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) . The term generally refers to 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.
Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 AI bekannt. Such methods are known from US Pat. No. 6,024,792 and EP 0 892 090 A1.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zu- mindest 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 AI. Likewise, the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. For example, (MCrAlX; 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 the rare earth, or hafnium (Hf)). Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte .  The density is preferably 95% of the theoretical density.
Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) . A protective aluminum oxide layer (TGO = thermal grown oxide layer) is formed on the MCrAlX layer (as an intermediate layer or as the outermost layer).
Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr- 8A1-0, 6Y-0, 7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0 , 6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni - lOCr- 12A1 - 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0 , 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 10A1-0,4Y-1, 5Re. Preferably, the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8A1-0, 6Y-0, 7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y. In addition to these cobalt-based protective coatings, nickel-based protective layers such as Ni-IOCr-12A1-0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-IIAl-O, 4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10A1-0,4Y-1 are also preferably used , 5Re.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zr02, Y203-Zr02, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid On the MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, which is preferably the outermost layer, and consists for example of Zr0 2 , Y 2 0 3 -Zr0 2 , that is, it is not, partially or completely stabilized by yttria
und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht.  The thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt . By suitable coating methods, e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) , LPPS, VPS oder CVD . Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die Other coating methods are conceivable, e.g. atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD. The thermal barrier coating 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-Schicht. MCrAlX layer.
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 4 zeigt eine Brennkammer 110 der Gasturbine 100. 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 1000°C bis 1600°C 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. The blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and may still have film cooling holes 418 (indicated by dashed lines). FIG. 4 shows a combustion chamber 110 of the gas turbine 100. 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 produce flames 156 , For this purpose, the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around. To achieve a comparatively high efficiency, the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 ° C to 1600 ° C. In order to lend a comparatively long service life to these operating parameters, which are unfavorable for the materials, 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.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren 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. 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, for example, hollow and possibly still have cooling holes (not shown) which open into the combustion chamber space 154.
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. 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).
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 Si- lizium 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 AI. Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus Zr02, Y203-Zr02, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollstän- dig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. These protective layers may be similar to the turbine blades, so for example 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 Si - Lizium 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 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1. On the MCrAlX, for example, a ceramic thermal barrier coating may be present and consists for example of Zr0 2 , Y 2 0 3 -Zr0 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt .  By suitable coating methods, e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) , LPPS, VPS oder CVD . Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Other coating methods are conceivable, e.g. atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD. The thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 nach ihrem Einsatz 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. Refurbishment means that turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 may need to be deprotected (e.g., by sandblasting) after use. This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, 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.

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Schichtsystem 1. Shift system
zumindest aufweisend at least exhibiting
ein Substrat (4) , a substrate (4),
eine metallische Anbindungsschicht (7) auf dem Substrat (4) , a metallic connection layer (7) on the substrate (4),
insbesondere direkt auf dem Substrat (4) , in particular directly on the substrate (4),
optional eine Oxidschicht direkt auf der metallischen An- bindungsschicht (7) , optionally an oxide layer directly on the metallic connection layer (7),
eine innere keramische Schicht (19) mit einer Porosität, insbesondere in vol%, an inner ceramic layer (19) with a porosity, in particular in vol%,
von 8% bis < 15% auf der Anbindungsschicht (7) oder auf der from 8% to <15% on the connection layer (7) or on the
Oxidschicht , oxide layer,
insbesondere von 9% bis <14.5%, especially from 9% to <14.5%,
ganz insbesondere von 11% - 13%, especially from 11% - 13%,
und einer äußeren keramischen Schicht (22), and an outer ceramic layer (22),
insbesondere einer äußersten keramischen Schicht (22), mit einer Porosität von > 15% bis 22%, in particular an outermost ceramic layer (22) with a porosity of > 15% to 22%,
insbesondere von 16% bis 20%, especially from 16% to 20%,
ganz insbesondere 18%, especially 18%,
auf der inneren keramischen Schicht (19) , on the inner ceramic layer (19),
eine NiCoCrAlX-Schicht aus einer Legierung, a NiCoCrAlX layer made of an alloy,
die zumindest folgende Elemente enthält (Angaben in Gew.%) : 22% - 24% Kobalt (Co) , insbesondere 23% Kobalt (Co) , which contains at least the following elements (data in wt.%): 22% - 24% cobalt (Co), in particular 23% cobalt (Co),
14% - 16% Chrom (Cr) , insbesondere 15% - 16% Chrom (Cr) , ganz insbesondere 15% Chrom (Cr) , 14% - 16% chromium (Cr), in particular 15% - 16% chromium (Cr), especially 15% chromium (Cr),
10,5% - 11,5% Aluminium (AI), insbesondere llwt% Aluminium (AI) , 10.5% - 11.5% aluminum (AI), especially llwt% aluminum (AI),
0,2% - 0,4%, insbesondere 0,3% zumindest eines Metalls aus der Gruppe umfassend Scandium (Sc) und/oder die Elemente der Seltenen Erden, ganz insbesondere Yttrium (Y) , 0.2% - 0.4%, in particular 0.3%, of at least one metal from the group comprising scandium (Sc) and / or the rare earth elements, especially yttrium (Y),
optional 0,3% bis 0,9% Tantal (Ta) , optionally 0.3% to 0.9% tantalum (Ta),
insbesondere 0,4% bis 0,7% Tantal (Ta) , in particular 0.4% to 0.7% tantalum (Ta),
ganz insbesondere 0,5% Tantal (Ta) , especially 0.5% tantalum (Ta),
Nickel (Ni) , insbesondere Rest Nickel (Ni) . Nickel (Ni), especially the remainder nickel (Ni).
2. Schichtsystem nach Anspruch 1, 2. Layer system according to claim 1,
bei dem das Material der unteren keramischen Schicht (19) Zirkonoxid, in which the material of the lower ceramic layer (19) is zirconium oxide,
insbesondere teilstabilisiertes Zirkonoxid, in particular partially stabilized zirconium oxide,
ganz insbesondere Yttrium-teilstabilisiertes Zirkonoxid aufweist , particularly yttrium-partially stabilized zirconium oxide,
insbesondere daraus besteht. in particular consists of it.
Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2 , Layer system according to one or both of claims 1 or 2,
bei dem die äußere keramische Schicht (22) Zirkonoxid, insbesondere teilstabilisiertes Zirkonoxid, in which the outer ceramic layer (22) is zirconium oxide, in particular partially stabilized zirconium oxide,
ganz insbesondere Yttrium-teilstabilisiertes Zirkonoxid aufweist , particularly yttrium-partially stabilized zirconium oxide,
insbesondere daraus besteht. in particular consists of it.
4. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, 4. Layer system according to one or more of claims 1, 2 or 3,
bei dem das Substrat (4) eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung aufweist, in which the substrate (4) has a nickel or cobalt-based superalloy,
insbesondere daraus besteht. in particular consists of it.
5. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, 5. Layer system according to one or more of claims 1, 2, 3 or 4,
bei dem das Material der keramischen Schichten (19, 22) verschieden ist und in which the material of the ceramic layers (19, 22) is different and
insbesondere die äußere keramische Schicht (22) eine in particular the outer ceramic layer (22).
Pyrochlorstruktur aufweist, has pyrochlore structure,
ganz insbesondere Gadoliniumzirkonat aufweist. especially gadolinium zirconate.
6. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, 6. Layer system according to one or more of claims 1, 2, 3, 4 or 5,
bei dem die innere keramische Schicht (19) mindestens 10%, insbesondere mindestens 20%, in which the inner ceramic layer (19) is at least 10%, in particular at least 20%,
dünner ausgebildet ist als die äußerste keramische Schicht (22) . is thinner than the outermost ceramic layer (22).
7. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, 7. Layer system according to one or more of claims 1, 2, 3, 4, 5 or 6,
bei dem das Schichtsystem besteht aus: in which the shift system consists of:
Substrat (4) , substrate (4),
einlagiger metallischer Anbindungsschicht (7) , single-layer metallic connecting layer (7),
optional Oxidschicht auf der metallischen Anbindungsschicht (7), optionally oxide layer on the metallic connection layer (7),
innerer keramischer Schicht (19) , inner ceramic layer (19),
äußerster keramischer Schicht (22) . outermost ceramic layer (22).
8. Schichtsystem nach Anspruch 1, 8. Layer system according to claim 1,
enthaltend 0,3 Gew.% Yttrium (Y) in der Legierung. containing 0.3% by weight of yttrium (Y) in the alloy.
9. Schichtsystem nach Anspruch 1 oder 2, 9. Layer system according to claim 1 or 2,
nicht enthaltend Rhenium (Re) in der Legierung. does not contain rhenium (Re) in the alloy.
10. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, 10. Layer system according to one or more of the previous claims,
die kein Silizium (Si) enthält in der Legierung. which does not contain silicon (Si) in the alloy.
11. Schichtsystem nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, 11. Layer system according to claim 1, 2, 3, 4 or 5,
die Tantal (Ta) enthält, which contains tantalum (Ta),
insbesondere mindestens 0,4Gew.% Tantal (Ta) enthält, ganz insbesondere 0.5Gew.% Tantal (Ta) enthält. in particular contains at least 0.4% by weight of tantalum (Ta), in particular contains 0.5% by weight of tantalum (Ta).
12. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, 12. Layer system according to one or more of the previous claims,
nicht enthaltend Zirkon (Zr) und/oder nicht enthaltend Titan (Ti) und/oder nicht enthaltend Gallium (Ga) und/oder nicht enthaltend Germanium (Ge) und/oder nicht enthaltend not containing zirconium (Zr) and/or not containing titanium (Ti) and/or not containing gallium (Ga) and/or not containing germanium (Ge) and/or not containing
Platin (Pt) und/oder nicht enthaltend Hafnium (Hf) Platinum (Pt) and/or not containing hafnium (Hf)
und/oder nicht enthaltend Cer (Ce) und/oder nicht enthaltend Eisen (Fe) und/oder nicht enthaltend Palladium (Pd) und/oder and/or not containing cerium (Ce) and/or not containing iron (Fe) and/or not containing palladium (Pd) and/or
nicht enthaltend Bor (B) und/oder not containing boron (B) and/or
nicht enthaltend Kohlenstoff (C) . not containing carbon (C).
13. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, 13. Layer system according to one or more of the previous claims,
mit einer Legierung bestehend aus Kobalt, Chrom, Aluminium, Yttrium, Nickel with an alloy consisting of cobalt, chromium, aluminum, yttrium, nickel
sowie optionalem Bestandteil Tantal. and optional component tantalum.
14. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 7, 14. Layer system according to one or more of the previous claims 1 to 7,
mit einer Legierung bestehend aus Kobalt, Chrom, Aluminium, Yttrium, Nickel und Tantal . with an alloy consisting of cobalt, chromium, aluminum, yttrium, nickel and tantalum.
15. SchichtSystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14 , 15. Layer system according to one or more of claims 1 to 14,
bei dem eine thermisch gewachsene Oxidschicht auf der äußeren NiCoCrAlY- Schicht ( 13 ) gebildet wird oder vorhanden ist . in which a thermally grown oxide layer is formed or is present on the outer NiCoCrAlY layer (13).
16. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, 16. Layer system according to one or more of claims 1 to 15,
bei dem die metallische AnbindungsSchicht (7) eine Gesamt - dicke von 180μπι bis 300μπι aufweist. in which the metallic bonding layer (7) has a total thickness of 180μπι to 300μπι.
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