WO2015078615A1 - Vorrichtung zur maskierung auf wolframlegierungsbasis und eine wolframlegierung - Google Patents

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Tobias Brett
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/01—Selective coating, e.g. pattern coating, without pre-treatment of the material to be coated

Definitions

  • the invention relates to a device with masking, which is used in the coating of components and a tungsten alloy.
  • Components such as turbine blades are often provided with metallic and / or ceramic protective coatings.
  • the object is achieved by a device according to claim 1 and by a tungsten alloy according to claim 9.
  • FIG. 2 is a list of superalloys
  • FIG. 1 shows part of a device 1 with a masking for a coating.
  • a component 4 in particular a turbine blade 120, 130 (FIG. 3) is to be coated.
  • the material of the component 4, 120, 130 is metallic, in particular nickel- or cobalt-based, very particularly an alloy according to FIG. 2.
  • the component 4, 120, 130 has a surface 10 to be coated on which one or more protective layers 19 are applied.
  • the protective layers 19 are metallic and / or ceramic.
  • the component 4, 120, 130 is held in and / or by a housing 13.
  • a side wall 22 of the housing 13 advantageously extends with a certain distance 25 to the non-coating surface 7 and can be raised in height h with respect to the surface 10 to be coated so that no masking material on the non-coated surface 7, when the coating material strikes the surface 7, which is not to be coated, and the sidewall 22 (in the "viewing direction"), and the side wall 22 can also be arranged deeper.
  • the distance 25 is at least 2 mm.
  • the housing 13 may have no side wall 22 and directly on the component 4, 120, 130, an exchange plate as a mask 16 is present, which covers the non-coated surfaces 7 sufficiently.
  • the change sheet as a mask 16 has, especially at higher temperatures, a lower, d. H. preferably at least 10% lower thermal expansion coefficients than the component material of the component 4, 120, 130 to be coated.
  • One end 17 of the exchange plate 16 preferably terminates flush with the surface 10 of the component 4, 120, 130 to be coated, and is applied to the component 4, 120, 130 at room temperature.
  • the material of the mask 16 is preferably a tungsten-iron alloy having a relatively high tungsten content, especially 80 80% by weight, so that during the resulting or necessary heating of the component 4, 120, 130, the forming ceramic or metallic layer is always more thermally stretched and compressed than the tungsten material and so a layer on the tungsten part can not be formed and peels off.
  • the tungsten-iron alloy has an iron content (Fe) of 5% by weight to 20% by weight, in particular 10% by weight + 10%.
  • the tungsten-iron alloy may include nickel (Ni) for improved processability.
  • the proportion of nickel (Ni) is preferably at most 5% by weight and preferably has a minimum value of 0.5% by weight.
  • the tungsten-iron-nickel alloy uses a content of iron (Fe) and nickel (Ni) of 5 wt% to 20 wt%, more preferably 10 wt% + 10%.
  • alternating metal sheet can be used as a masking 16 and housing wall 22 together as a masking ( Figure 1).
  • FIG. 3 shows a perspective view of a rotor 120 or guide vane 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 electricity generation, a steam turbine or a compressor.
  • the blade 120, 130 has along the longitudinal axis 121 consecutively a fastening region 400, a blade platform 403 adjacent thereto and an airfoil 406 and a blade tip 415.
  • the blade 130 may have at its blade tip 415 another platform (not shown).
  • a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
  • the blade root 183 is designed, for example, as a hammer head. Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has a leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the blade 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, for example. 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 crystalline
  • Grain structure (columnar, ie grains which run the entire length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, ie the entire workpiece consists of a single crystal.
  • directionally solidified ie grains which run the entire length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified
  • a monocrystalline structure ie the entire 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 of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • the density is preferably 95% of the theoretical
  • 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, partial wise or completely 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.
  • 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
  • Refurbishment means that components 120, 130 may need to be deprotected after use (e.g., by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. This is followed by a re-coating of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and may still film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.

Abstract

Durch Wolfram als eine Maskierung wird ermöglicht, dass sich auf der Maske kein Beschichtungsmaterial aufbaut.

Description

Vorrichtung zur Maskierung auf Wolframlegierungsbasis und eine Wolframlegierung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit Maskierung, die beim Beschichten von Komponenten verwendet wird und eine Wolframlegierung .
Komponenten wie Turbinenschaufeln werden oft mit metallischen und/oder keramischen Schutzschichten versehen.
Dabei wird aber nur ein Teil der Komponente beschichtet, so dass beim Beschichten der andere Teil vor Beschichtung geschützt werden muss. Dies erfolgt oft dadurch, dass die nicht zu beschichtenden Oberflächen mit einem Klebeband abgedeckt werden .
Dies ist jedoch sehr aufwändig oder führt immer wieder zu Abständen zwischen dem Bauteil und der Maskierung und damit doch zu unerwünschter Beschichtung.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung Möglichkeiten aufzuzeigen, wie während der Beschichtung Bauteile besser geschützt werden können .
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und durch eine Wolframlegierung gemäß Anspruch 9.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die Vorteile liegen in einer besseren Maskierung durch eine Verhinderung von Brückenbildung des Beschichtungsmaterials zwischen Maske und Komponente und längerer Lebensdauer der
Maskierung . Es zeigen:
Figur 1 eine Halterung mit einer Maskierung,
Figur 2 eine Liste von Superlegierungen,
Figur 3 eine Turbinenschaufel .
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
In der Figur 1 ist ein Teil einer Vorrichtung 1 mit einer Maskierung für eine Beschichtung dargestellt.
In einer nicht näher dargestellten Beschichtungsanlage soll eine Komponente 4, insbesondere eine Turbinenschaufel 120, 130 (Fig. 3) beschichtet werden.
Das Material der Komponente 4, 120, 130 ist metallisch, insbesondere nickel- oder kobaltbasiert, ganz insbesondere eine Legierung gemäß Figur 2.
Die Komponente 4, 120, 130 weist eine zu beschichtende Oberfläche 10 auf, auf der eine oder mehrere Schutzschichten 19 aufgebracht werden.
Dies sind bei einer Turbinenschaufel 120, 130 ein Schaufelblatt 406 (Fig. 3) sowie die Oberseite einer Schaufelplattform 403 (Fig. 3) .
Die Schutzschichten 19 sind metallisch und/oder keramisch.
Ebenso gibt es nicht zu beschichtende Oberflächen 7 bei einer Turbinenschaufel 120, 130, insbesondere die Seitenflächen der Schaufelplattform 403, die nicht beschichtet werden sollen und dementsprechend maskiert oder geschützt werden müssen.
Die Komponente 4, 120, 130 wird in und/oder durch ein Gehäuse 13 gehalten. Eine Seitenwand 22 des Gehäuses 13 erstreckt sich vorteilhafterweise mit einem gewissen Abstand 25 zu der nicht zu beschichtenden Oberfläche 7 und kann in der Höhe h bezüglich der zu beschichtenden Oberfläche 10 so hochgezogen werden, dass kein Maskierungsmaterial auf die nicht zu beschichtende Oberfläche 7 gelangt, wenn das Beschichtungsmaterial senkrecht zur nicht zu beschichtenden Oberfläche 7 und auf die Seitenwand 22 trifft (in „Blickrichtung") . Ebenso kann die Seitenwand 22 tiefer angeordnet sein. Der Abstand 25 beträgt mindestens 2mm.
Ebenso kann das Gehäuse 13 keine Seitenwand 22 aufweisen und direkt auf der Komponente 4, 120, 130 ist ein Wechselblech als Maskierung 16 vorhanden, das die nicht zu beschichtenden Oberflächen 7 hinreichend abdeckt.
Das Wechselblech als Maskierung 16 weist, insbesondere bei höheren Temperaturen, einen geringeren, d. h. vorzugsweise mindestens 10% geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizien- ten auf als das Komponentenmaterial der zu beschichtenden Komponente 4, 120, 130.
Ein Ende 17 des Wechselblechs 16 schließt vorzugsweise bündig mit der zu beschichtenden Oberfläche 10 der Komponente 4, 120, 130 ab und wird bei Raumtemperatur auf die Komponente 4, 120, 130 aufgebracht.
Bei nickelbasierten Superlegierungen ist das Material der Maskierung 16 vorzugsweise eine Wolfram-Eisen-Legierung mit einem relativ hohen Wolframanteil , insbesondere ^ 80 Gew-%, so dass während der sich ergebenden bzw. notwendigen Erwärmung der Komponente 4, 120, 130 die sich ausbildende keramische oder metallische Schicht stets stärker thermisch gestreckt und gestaucht wird als das Wolframmaterial und so eine Schicht auf dem Wolframteil nicht ausgebildet werden kann und ablöst . Die Wolfram-Eisen-Legierung weist insbesondere einen Eisenanteil (Fe) von 5 Gew-% bis 20 Gew-%, insbesondere 10 Gew-% + 10% auf. Ebenso kann die Wolfram-Eisen-Legierung Nickel (Ni) zur verbesserten Verarbeitbarkeit aufweisen.
Der Anteil von Nickel (Ni) beträgt vorzugsweise maximal 5 Gew-% und weist vorzugsweise einen Minimalwert von 0,5 Gew-% auf .
Die Wolfram-Eisen-Nickel -Legierung verwendet insbesondere einen Anteil von Eisen (Fe) und Nickel (Ni) von 5 Gew-% bis 20 Gew-%, ganz insbesondere von 10 Gew-% + 10%. Ebenso können Wechselblech als Maskierung 16 und Gehäusewand 22 zusammen als Maskierung verwendet werden (Figur 1) .
Die Figur 3 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschau- fei 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 Dampf- turbine oder ein Kompressor sein.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.
Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt) . Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) . Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schau- felblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 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 Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein. Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken er- folgt 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 zunichtemachen.
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 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) ) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 AI.
Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen
Dichte .
Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) .
Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr- 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. 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, 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 Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör- ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die
MCrAlX-Schicht .
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidations- schichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wie- derbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeutet) auf.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1)
zur Maskierung beim Beschichten einer Komponente (4, 120, 130) aus einem Komponentenmaterial,
bei dem für die Maskierung (16) der Komponente (4, 120, 130) oder
für ein Gehäuse (13) zur Halterung der Komponente (4, 120, 130) und Maskierung (16)
eine Wolframlegierung verwendet wird,
die einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist
als der des Komponentenmaterials,
insbesondere mindestens 10% geringer ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
bei dem eine Wolfram-Eisen-Legierung verwendet wird, die insbesondere einen Eisenanteil (Fe) von 5 Gew-% bis 20 Gew-%,
insbesondere von 10 Gew-% + 10%
aufweist .
3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
bei dem eine Wolfram-Eisen-Nickel-Legierung verwendet wird, die insbesondere einen Anteil von Eisen (Fe) und Nickel (Ni) von zusammen 5 Gew-% bis 20 Gew-%,
ganz insbesondere von 10 Gew-% + 10%
aufweist . Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder
3,
bei dem eine Wolfram-Eisen-Nickel-Legierung verwendet wird, die insbesondere einen Anteil von Nickel (Ni) von maximal 5 Gew-%,
ganz insbesondere von mindestens 0,5 Gew-% Nickel (Ni) aufweist .
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4 ,
bei dem das Gehäuse (13) eine Seitenwand (22) aufweist, die eine nicht zu beschichtende Oberfläche (7) zumindest teilweise abdeckt,
aber nicht an ihr (7) anliegt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5,
bei dem ein Wechselblech als Maskierung (16) direkt auf einer nicht zu beschichtenden Oberfläche (7) der Komponente (4, 120, 130) anliegt,
insbesondere wobei das Wechselblech kein Teil des Gehäuses (13) und kein Teil der Seitenwand (22) des Gehäuses (22) darstellt .
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der thermische Ausdehnungskoeffizient der Maskierung (16) deutlich geringer,
insbesondere mindestens 20% geringer,
ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient der zu beschichtenden Komponente (4, 120, 130) .
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem ein Wechselblech als Maskierung (16) mit ihrem Ende (17) an eine zu beschichtende Oberfläche (10) der Kompo- nente (4, 120, 130) bündig angrenzt.
9. Wolframlegierung für die Verwendung einer Maskierung
(16) während eines thermischen Beschichtens,
die einen Eisenanteil (Fe) von 5 Gew-% bis 20 Gew-% aufweist ,
insbesondere von 5 Gew-% bis 15 Gew-%,
ganz insbesondere von 5 Gew-% bis 10 Gew-%.
10. Wolframlegierung nach Anspruch 9,
die einen Eisen- (Fe) und Nickelanteil (Ni) von 5 Gew-% bis 20 Gew-% aufweist.
PCT/EP2014/070790 2013-11-29 2014-09-29 Vorrichtung zur maskierung auf wolframlegierungsbasis und eine wolframlegierung WO2015078615A1 (de)

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