DE10065924A1

DE10065924A1 - Schutzschicht für Bauteile einer Dampfkraftanlage

Info

Publication number: DE10065924A1
Application number: DE2000165924
Authority: DE
Inventors: Brendon Scarlin; Reinhard Knoedler
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 2000-11-27
Filing date: 2000-11-27
Publication date: 2002-09-26

Abstract

Metallische Bauteile, die in einer Dampfkraftanlage mit trockenem Wasserdampf hoher Temperaturen von über 550 DEG C in Kontakt kommen, weisen eine Schutzschicht auf, die reines Aluminium oder eine Aluminiumlegierung enthält. Spätestens wie das Bauteil mit der Schutzschicht bei Inbetriebnahme der Anlage dem trockenen Wasserdampf ausgesetzt wird, bildet sich eine dünne Oxidschicht, welche das Bauteil vor Oxidation schützt. Das reine Aluminium oder die Bestandteile der Aluminiumlegierung diffundiert während einer thermischen Nachbehandlung sowie während des Anlagenbetriebs in den Werkstoff des Bauteils hinein. Dies gewährleistet einen guten Schutz der Oberfläche des Bauteils über eine längere Betriebszeit.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Dampfkraftanlage, die mit Dampf hoher Temperaturen von über 550°C betrieben wird und insbesondere eine Schutzschicht für metallische Bauelemente der Anlage, die mit trockenem Wasserdampf hoher Temperaturen in Kontakt kommen sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Stand der Technik

In den letzten Jahren werden Dampfkraftanlagen vermehrt mit Wasserdampf hoher Temperaturen von über 550°C betrieben. Dies wird unter anderem durch den Einsatz von neuen Werkstoffen ermöglicht, die eine genügende Kriechfestigkeit und Resistenz gegen Oxidation in einer Atmosphäre von trockenem Dampf aufweisen. Die neuen Werkstoffe sind zum Beispiel Stähle mit 9-13% Chrom und Nickel-Legierungen. Sie werden für die Anlagenbauteile verwendet, die mit trockenem Dampf hoher Temperaturen in Kontakt kommen, wie zum Beispiel für Leitungen und Rohre im Kessel, die Beschaufelung, den Rotor und das Gehäuse der Turbine sowie auch für Ventile und Leitungen, welche Kessel und Turbine verbinden.

Im Temperaturbereich über 550°C werden heute die Dampftemperaturen ständig weiter erhöht, da dadurch der Wirkungsgrad der Anlagen weiter gesteigert werden kann. Die Oxidation der Bauteile in trockenem Dampf nimmt dabei mit steigender Dampftemperatur zu. Sie bewirkt insbesondere die Bildung von dickeren Oxidschichten auf den Oberflächen der Bauteile. Bei beheizten Leitungen und Rohren im Kessel wird die Wärmeleitfähigkeit durch die Oxidschichten reduziert, sodass die Rohrwandtemperatur erhöht wird. Dies führt zu einer beschleunigten Kriechverformung und schliesslich einem Schaden am Bauteil. Eine Reduktion der Wanddicke einer Leitung oder eines Rohres führt ferner zu erhöhten Spannungen, was die Lebensdauer verkürzt.

Die Oxidationsschicht kann weiter durch Spannungen von den Oberflächen der Bauteile in der Form von festen Teilchen abblättern, welche eine Erosion an Teilen in der Turbine verursachen können.

Um den mechanischen Belastungen bei stets steigenden Dampftemperaturen standzuhalten, werden für die betroffenen Bauteile durch die Zugabe von weiteren Elementen neue Werkstoffe mit noch höherer Kriechfestigkeit entwickelt. Um die Entstehung von grösseren Anteilen von delta-Ferriten, welche die Zähigkeit des Werkstoffs reduzieren, zu hemmen wird öfters der Chrom-Anteil im Stahl verringert. Dies wirkt sich jedoch bezüglich der Resistenz des Werkstoffs gegen Oxidation in trockenem Dampf negativ aus.

Als Schutz metallischer Bauteile gegen Erosion, Korrosion sowie Oxidation sind Beschichtungen verschiedener Art versucht worden, wie zum Beispiel in der EP 0 546 756 beschrieben. Dort wird ein Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht offenbart, wobei die Schicht aus einem Pulver von Partikeln einer Metallegierung aus Chrom, Aluminium und/oder Silizium besteht. Die Schutzschicht wird durch Aufsprühen der Partikel bei hoher Geschwindigkeit mittels einem heissen Gas aufgetragen. Dabei werden die Partikel vor dem Auftreffen auf die Oberfläche des Bauteils geschmolzen und bereits teilweise voroxidiert. Die durch das Aufsprühen resultierende Schicht besitzt reichhaltig schützende Oxide. Sie wird beispielsweise an Bauteilen von Dampf- und Gasturbinen angewendet.

Weiter werden Aluminium-Beschichtungen als Schutz gegen Korrosion durch feuchte und durch Salz kontaminierte Luft von Temperaturen bis zu 200°C an Bauteilen in Kompressoren von Gasturbinen angewendet. Diese Schichten werden durch Flammspritzen auf die Bauteiloberflächen und anschliessendes Sintern bei etwa 300°C aufgebracht, wodurch sich eine einfache, schützende Schicht auf der Oberfläche des Bauteils bildet.

Die Resistenz dieser Schicht gegen Erosion sowie ihre Haftung auf metallischen Oberflächen hat sich in Kompressoren bei einer Betriebstemperatur von bis circa 200°C und in einer Umgebung von feuchter Luft bewährt.

Ihre Eigenschaften bezüglich ihrer Haftung und Eignung bei trockenem Dampf hoher Temperaturen in Dampfkraftanlagen sind hingegen bis heute nicht untersucht worden.

Darstellung der Erfindung

Aus diesem Stand der Technik ist der Erfindung die Aufgabe gestellt, metallische Bauteile einer Dampfkraftanlage, die mit trockenem Dampf hoher Temperaturen von über 550°C in Kontakt kommen sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen, die gegen Oxidation durch trockenen Wasserdampf dieser Temperaturen resistent sind. Die Oxidationsbeständigkeit soll kostengünstig, mit wenig Aufwand und auf Bauteilen jeder Form realisierbar sein. Ferner soll die Oxidationsbeständigkeit keine Kontamination des Dampfes verursachen. Schliesslich sollen die Werkstoffe selbstverständlich für die genannten Betriebsverhältnisse eine genügende Härte und Kriechfestigkeit aufweisen.

Diese Aufgabe ist durch metallische Bauteile gemäss Anspruch 1 und durch ein Herstellungsverfahren gemäss Anspruch 6 gelöst.

Ein metallisches Bauteil für eine Dampfkraftanlage weist erfindungsgemäss eine Schutzschicht auf, die durchgehend ist und Aluminium und weitere Elemente und/oder eine Aluminiumlegierung enthält, wobei ein Teil von dem Aluminium und der weiteren Elementen oder der Aluminiumlegierung in den Werkstoff des Bauteils hineindiffundiert ist und spätestens nachdem das Bauteil in einer Dampfkraftanlage trockenem Wasserdampf hoher Temperaturen ausgesetzt worden ist, die Schutzschicht eine dünne, durchgehende aluminiumhaltige Oxidschicht aufweist.

In einem erfindungsgemässen Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht für ein metallisches Bauteil in einer Dampfkraftanlage werden Partikel aus reinem Aluminium und weiteren Elementen und/oder Partikel aus einer Aluminiumlegierung bei Raumtemperatur mit einer Flüssigkeit vermischt, sodass ein dünnflüssiger, schlicker-ähnlicher Brei entsteht. Diese Flüssigkeit mit den Partikeln wird, ebenfalls bei Raumtemperatur, durch Sprühen, Streichen oder Eintauchen des Bauteils ähnlich einer Farbe auf die Oberflächen des Bauteils aufgebracht.

Anschliessend wird das Bauteil einer thermischen Nachbehandlung unterzogen, während der die Flüssigkeit verdampft wird und ein Teil der Partikel in den Werkstoff hineindiffundieren. Spätestens bei Inbetriebnahme der Dampfkraftanlage und Beginn der Exponierung des Bauteils dem trockenen Wasserdampf hoher Temperaturen bildet sich in situ eine dünne aluminiumhaltige Oxidschicht, welche die Werkstoffoberfläche des Bauteils vor Oxidation schützt.

Während des Betriebs der Dampfkraftanlage diffundiert das Aluminium oder die Aluminiumlegierung weiter in den Werkstoff des Bauteils hinein.

Die Oxidschicht aus Al₂O₃ und Oxiden der weiteren Elemente ist durchgehend, indem keine wesentlichen Mengen von Wasserdampf auf die Werkstoffoberfläche des Bauteils gelangen können. Die Schicht schützt aufgrund ihrer Integrität die Oberfläche des Bauteils vor Oxidation weitgehend. Die thermische Nachbehandlung bewirkt eine Diffusion des Aluminiums und der weiteren Elemente und/oder der Bestandteile der Aluminiumlegierung in den Werkstoff des Bauteils. Dank der Diffusion des Aluminiums sowie der weiteren Elemente wird ein Abblättern oder Lösen der Aluminium-Oxidschicht oder der mit Aluminium angereicherten Oberflächenzone und eine mögliche Freilegung der Bauteiloberfläche und Oxidation, Erosion oder Korrosion verhindert. Ferner ist eine Kontaminierung des Dampfes durch abgelöste Teile der Schutzschicht ebenfalls verunmöglicht.

Die aluminiumhaltige Oxidschicht bildet sich idealerweise nur in situ wie das Bauteil dem trockenen Dampf hoher Temperatur ausgesetzt wird. Eventuell bildet sich eine Oxidschicht zum Teil bereits während der thermischen Nachbehandlung. Eine Vor-Oxidierung der Partikel ist deshalb nicht notwendig. Sie ist im Hinblick auf die Diffusion des Aluminiums auch nicht erwünscht. Die erfindungsgemässe aluminiumhaltige Schicht hat den Vorteil, dass im Fall der Bildung von Rissen in der dünnen Oxidschicht reines Aluminium oder die weiteren Elemente der Luft ausgesetzt werden und sich unmittelbar neues, schützendes Oxid bildet. Da die Oberflächenzone des Bauteils durch die Diffusion mit Aluminium und/oder mit weiteren Elementen angereichert ist, besteht dort eine Art "Reserve" dieser Elemente für die stetige Bildung von neuem Oxid. Dies gewährleistet auch einen guten Schutz der Bauteiloberfläche über eine längere Betriebszeit.

Die erfindungsgemässe Beschichtung beruht auf den Resultaten aus einer Vielzahl von Versuchen mit verschiedenen Beschichtungsmaterialien und Beschichtungsverfahren und Tests der Beschichtungen in echten Betriebsverhältnissen in Dampfkraftanlagen. In den Versuchen wurden Versuchsbauteile aus verschiedenen typischen Werkstoffen mit jeweils verschiedenen Beschichtungen versehen und in eine Dampfkraftanlage eingesetzt. Dort wurden die Versuchsbauteile während einer Zeit von mehreren tausend Stunden dem trockenen Dampf hoher Temperaturen der normal betriebenen Kraftanlage ausgesetzt. Die Versuche wurden jeweils auch bei verschiedenen Dampftemperaturen über 550°C durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass die erfindungsgemässe aluminiumhaltige Beschichtung dem trockenen Dampf am besten widersteht und eine Oxidation des Werkstoffs erfolgreich verhindert.

Das Verfahren hat den Vorteil, dass die Flüssigkeit mit den Partikeln durch Sprühen, Streichen oder Tauchen relativ einfach, bei Raumtemperatur, ohne besondere teure Gerät und daher kostengünstig aufgetragen werden kann. Sie eignet sich für jede Form von Bauteilen, insbesondere auch für sehr komplex geformte Teile.

Die Schutzschicht ermöglicht die Verwendung von kostengünstigeren Werkstoffen wie zum Beispiel Stählen mit niedrigem Chromanteil. Die Beständigkeit gegen Oxidation dieser Werkstoffe wäre ohne Beschichtung ungenügend, mit der erfindungsgemässen Schutzschicht ist sie hingegen einwandfrei.

In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird die thermische Nachbehandlung bei einer Temperatur durchgeführt, welche eine Diffusion des Aluminiums und/oder der weiteren Elemente innerhalb von einigen Stunden zu einer Tiefe von mindestens 20 Mikrometern erzielt. Je höher die Temperatur der thermischen Nachbehandlung desto schneller und tiefer ist die resultierende Diffusion des Aluminiums und der weiteren Elemente in den Werkstoff, wobei auch ein höherer Anteil des Aluminiums sowie der weiteren Elemente im Werkstoff erreicht wird. Eine schnelle Diffusion ist nicht nur deshalb erwünscht, weil die Diffusionsdauer verkürzt ist, sondern auch weil bei einer kurzen thermischen Behandlungsdauer eine frühzeitige Oxidation der Bestandteile der Schutzschicht und eine Diffusion von Sauerstoff in den Werkstoff vermieden werden kann. Anderseits kann die Temperatur der thermischen Behandlung nicht beliebig erhöht werden, da sonst die Gefahr eines Schmelzens und Verdampfens des Aluminiums, der weiteren Elemente oder der Aluminiumlegierung sowie auch einer Veränderung der Werkstoffeigenschaften besteht. In einer besonderen Ausführung beträgt die Temperatur der thermischen Nachbehandlung aus diesen Gründen mindestens 550°C. Jedoch sollte sie die Anlasstemperatur des Werkstoff des Bauteils nicht übersteigen. Die thermische Nachbehandlung und das Anlassen können auch in einer einzigen Operation durchgeführt werden. Überraschenderweise wird bei solchen Temperaturen eine Diffusion zu den erwünschten Tiefen erreicht, ohne dass eine Verdampfung des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung entsteht. Die Diffusionszeit konnte dadurch genügend kurz gehalten werden, dass keine erhebliche Oxidation entsteht und kein Sauerstoff in den Werkstoff eindringt.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung beträgt die Diffusionstiefe des Aluminiums und/oder der weiteren Elemente circa das Zehnfache der Dicke der resultierenden Oxidschicht. Dies gewährleistet eine genügende "Reserve" an Aluminium oder aluminiumhaltigen Material zur Neubildung von Oxiden während der Betriebszeit der Anlage.

Bei der Verwendung eines chromhaltigen Stahls für den Werkstoff des Bauteils wird in einer besonderen Ausführung des Verfahrens die thermische Nachbehandlung bei einer Temperatur unter, nahe an oder gleich der Anlasstemperatur des Werkstoffs durchgeführt.

Bei der Verwendung einer Nickel-Legierung oder eines austenitischen Stahls als Werkstoff für das Bauteil wird in einer weiteren besonderen Ausführung des Verfahrens die thermische Nachbehandlung bei einer Temperatur bis circa 700°C durchgeführt.

In einer bevorzugten Ausführung werden die Partikel mit Wasser vermischt. Weitere Flüssigkeiten wie zum Beispiel Alkohole sind auch verwendbar.

In einer besonderen Ausführung werden Partikeln aus reinem Aluminium Partikel weiterer Elemente beigegeben, wobei diese Elemente Silizium und/oder Chrom sind. Der Anteil der Aluminium-Partikel ist dabei grösser als der Anteil der dazugegebenen weiteren Partikel. Die weiteren Elemente bilden bei Exponierung der aufgetragenen und thermisch nachbehandelten Schutzschicht ebenfalls Metalloxide wie SiO₂ oder Cr₂O₃. Sie bewirken eine Verstärkung der Resistenz des Bauteils gegen Oxidation durch trockenen Dampf.

In einer besonderen Ausführung beträgt der gesamte Anteil der weiteren Elemente in der Mischung zwischen 0 und 50%.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung werden mit der Flüssigkeit Partikel einer Aluminium-Eisen-Legierung vermischt. Dies bewirkt eine Verminderung von Rissen in der resultierenden Schutzschicht, weil die thermischen Ausdehnungskoeffizienten einer Aluminium-Eisen-Legierung und eines Chrom-Stahls einander besser angepasst sind.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung besitzen die Partikel einen mittleren Durchmesser in einem Bereich von 5-10 Mikrometern.

In einer weiteren Ausführung wird auf die Schutzschicht eine zweite Schicht aus Aluminium-Oxid oder Chrom-Oxid aufgetragen. Diese dient der Abdichtung von eventuellen Rissen.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung besteht der Werkstoff des Bauteils aus Stahl mit einem Chromanteil bis zu 13%, einem austenitischen Stahl oder aus einer Ni-Legierung für Anwendungen in trockenem Dampf mit Temperaturen von über 740°C. Diese Werkstoffe verfügen über eine genügende Härte und Kriechfestigkeit bei den hohen Temperaturen über 550°C.

Die Erfindung eignet sich für Bauteile in einer Dampfkraftanlage wie zum Beispiel Leitungen und Rohre im Kessel, Gehäuseteile, Rotor und Beschaufelung in den Hoch- und Mitteldruckturbinen, Ventile, Leitungen zur Verbindung von Kessel und Turbine und andere.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen

Fig. 1 und 2 Aufnahmen mittels einem REM (Raster-Elektronen-Mikroskop) eines Querschnitts durch eine Oberfläche eines Versuchsbauteils bestehend aus E911 nachdem es während 4000 Stunden dem trockenen Dampf von einer Temperatur von 642°C in einer regulär betriebenen Dampfkraftanlage ausgesetzt worden ist, wobei das Versuchsbauteil in Fig. 1 keine Schutzschicht und das Versuchsbauteil in Fig. 2 eine erfindungsgemässe aluminiumhaltige Schutzschicht besitzt.

Ausführung der Erfindung

Die Eigenschaften und Wirkung der erfindungsgemässen Schutzschicht werden im folgenden anhand von Aufnahmen von Querschnitten durch die Oberflächen von Versuchsbauteilen in Fig. 1 und 2 ohne bzw. mit Schutzschicht aufgezeigt. In beiden Fällen handelt es sich um Versuchsbauteile aus E911 (die Bezeichnung für Stahl mit 9% Chrom-, 1% Wolfram- und 1% Molybdän-Anteil), einem typischen Werkstoff für die Verwendung bei höheren Betriebstemperaturen von über 550°C.

Dieser Werkstoff verfügt über eine ausreichende Zähigkeit, Härte und Kriechfestigkeit und ist deshalb für die Betriebsverhältnisse einer mit Dampf hoher Temperatur betriebenen Dampfkraftanlage geeignet.

Die Versuchsbauteile von Fig. 1 und 2 wurden in einer Dampfkraftanlage eingesetzt und trockenem Wasserdampf von einer Temperatur von 642°C während 4000 Stunden ausgesetzt und sodann nach ihrem Zustand, genauer nach Oxidation, Anzeichen des Abblätterns usw. untersucht worden.

Fig. 1 zeigt die Wirkung von Oxidation des trockenen Dampfes auf die Oberfläche des Werkstoffs ohne Schutzschicht. Die ursprüngliche Oberflächenlinie 1 zur Zeit vor dem Einsetzen in die Dampfkraftanlage ist klar erkennbar. Unter dieser Oberfläche 1 hat sich durch den Dampf ein Bereich von sauerstoffhaltigem Spinel 2 und über der Oberfläche 1 hat sich eine dicke Magnetit- oder Eisenoxidschicht 3 von einer Dicke von 100 Mikrometern und mehr gebildet. Die Magnetitschicht 3 ist brüchig und kann Risse aufweisen, die bis zur ursprünglichen Werkstoffoberfläche 4 reichen. Solche Risse führen zu einem Abblättern der Schicht 3, wobei gelöstes Oxidmaterial in Form von Partikeln vom Dampfstrom mitgetragen wird und an weiteren Bauteilen der Anlage, wie zum Beispiel an der Turbinenbeschaufelung Erosion verursachen kann.

Zusammen mit dem Versuchsbauteil von Fig. 1 wurde gleichzeitig ein Versuchsbauteil aus dem gleichen Werkstoff E911 und mit einer erfindungsgemässen aluminiumhaltige Beschichtung in die Dampfkraftanlage eingesetzt. Nachdem es während 4000 Stunden dem trockenen Dampf von 642°C ausgesetzt wurde, ist auch dieses Versuchsbauteil nach seiner Oberflächenbeschaffenheit untersucht worden. Die REM-Aufnahme in Fig. 2 des Querschnitts der Oberfläche zeigt das Basismaterial 8 des Werkstoffs E911 des Versuchsbauteils. Die ursprüngliche Oberflächenlinie des Bauteils ist durch die Diffusion des reinen Aluminiums in den Werkstoff nicht mehr klar erkennbar. Als Grenzschicht oder äusserste Schicht auf dem Bauteil ist dunkel gefärbt eine dünne Aluminium-Oxidschicht 9 (Al₂O₃) erkennbar. Sie besitzt eine Dicke von ca. 5 Mikrometern.

Sie ist durchgehend, indem sie den Werkstoff vollständig bedeckt und vor dem trockenen Dampf schützt. Sie weist insbesondere keine Anzeichen von Abblättern von Material auf. Sie weist Risse von nur kleiner Länge von ca. 10 bis 20 Mikrometern auf, welche in die mit Aluminium angereicherte Oberflächenzone reichen. Im Werkstoff unter der Aluminium-Oxidschicht 9 wurde durch Messung im Rastermikroskop die Diffusion von Aluminium festgestellt, wobei der Anteil von Aluminium mit der Tiefe von der Bauteiloberfläche abnimmt. Unter der Aluminium- Oxidschicht befindet sich ein Bereich 10 von einer Dicke von ca. 30 Mikrometern, in dem durchschnittlich 26 at.-% Al und vorwiegend 6% Cr festgestellt wurde, während der Rest des Materials in diesem Bereich vorwiegend aus Fe besteht. Unter diesem Bereich 10 befindet sich ein weiterer Bereich 11, in dem ein Anteil von durchschnittlich 15 at.-% Al und 10% Cr gemessen wurde, während der Rest des Materials dort wiederum vorwiegend aus Fe besteht. Der Cr-Anteil entspricht dort etwa dem Cr-Anteil des Basismaterials 8. Die Messungen zeigen, dass das Aluminium bis zu einer Tiefe von ca. 50 Mikrometern in das Material eindiffundiert ist. In den Bereichen 10 und 11 wurde insbesondere kein Sauerstoff gemessen, was belegt, dass eine Oxidation vollständig verhindert worden ist.

In einem Beispiel eines Herstellungsverfahrens werden die Partikel vorzugsweise von einem Grössenbereich von 1-10 Mikrometern in Wasser oder einem Alkohol vermischt und zu einem Anteil von 600 g zu 1000 ml mit der Flüssigkeit vermischt.

Die aluminiumhaltigen Partikel brauchen dabei durch keine besonderen Verfahrensschritte voroxidiert zu werden. Der daraus resultierende dünnflüssige, schlicker-ähnliche Brei wird durch Sprühen oder Streichen auf die Bauteile aufgebracht. Bei sehr komplex-geformten oder grossen Teilen eignet sich insbesondere ein Tauchen des Teils in die Flüssigkeit selbst. Dabei bleibt ein Film von aluminiumhaltigen Partikeln auf der Oberfläche leicht haftend, wobei sie die Oberfläche des Bauteils durchgehend bedecken. Dabei ist bei der Verwendung von (innerhalb des erwähnten Grössenbereichs) möglichst kleinen Partikeln eine bessere Bedeckung erreichbar.

Nach der Bedeckung der Oberflächen des Bauteils mit aluminiumhaltigen Partikeln wird das Bauteil in einem Ofen bei einer Temperatur, welche die normale Anlasstemperatur des Bauteils nicht übersteigt, während ca. zehn Stunden ausgebacken. Während dieser thermischen Behandlung verdampft zunächst die Flüssigkeit. Reines Aluminium sowie die weiteren Elemente diffundieren sodann in die oberen Oberflächenbereiche des Bauteils. Je länger die Dauer der thermischen Behandlung desto tiefer diffundieren das Aluminium und die weiteren Elemente, wobei der Aluminiumanteil mit der Diffusionstiefe abnimmt. Ferner, je höher die Temperatur der thermischen Behandlung desto grösser ist die Diffusionsgeschwindigkeit. Beispielsweise ist bei einer Temperatur von 700°C die Diffusionsgeschwindigkeit sehr viel grösser als bei einer Temperatur von 600°C.

Die Temperatur der thermischen Nachbehandlung wird so gewählt, dass zur Erreichung einer gewünschten Diffusionstiefe ihre Dauer sich in Grenzen hält, aber auch dass die Materialeigenschaften des Werkstoffs nicht verändert werden. Bei der Verwendung von chromhaltigen oder austenitischen Stählen ist bei einer Temperatur, die nicht über der Anlasstemperatur liegt, von beispielsweise 650°C nach etwa zehn Stunden eine Diffusionstiefe von 50 Mikrometern erreicht. Bei der Verwendung von Nickellegierungen ist eine Behandlung bei 700°C während kürzerer Dauer möglich.

Bezugszeichenliste

1

ursprüngliche Oberflächenlinie

2

Sauerstoffhaltige Spinelschicht

3

Eisenoxid- oder Magnetitschicht

8

Basismaterial des Versuchsbauteils

9

Aluminium-Oxidschicht

10

Erster Bereich unter der Aluminium-Oxidschicht

11

Zweiter, tieferer Bereich unter der Aluminium-Oxidschicht

Claims

1. Metallisches Bauteil für eine Dampfkraftanlage, das trockenem Wasserdampf einer Temperatur von über 550°C ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass des Bauteil eine Schutzschicht aufweist, die Aluminium und weitere Elemente und/oder eine Aluminiumlegierung enthält und durchgehend ist, wobei ein Teil von dem Aluminium, der weiteren Elemente und/oder der Aluminiumlegierung in den Werkstoff des Bauteils hineindiffundiert ist und spätestens nachdem das Bauteil in der Dampfkraftanlage dem trockenen Wasserdampf ausgesetzt worden ist, die Schutzschicht eine dünne, durchgehende aluminiumhaltige Oxidschicht aufweist.

2. Metallisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminium und die weiteren Elemente bis zu einer Tiefe von mindestens 20 Mikrometern in den Werkstoff des Bauteils hineindiffundiert ist.

3. Metallisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne aluminiumhaltige Oxidschicht eine Dicke von mindestens 2 Mikrometern aufweist.

4. Metallisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung Elemente enthält wie Silizium, Eisen und/oder Chrom, und spätestens nachdem das Bauteil in der Dampfkraftanlage dem trockenen Wasserdampf ausgesetzt worden ist, die Schutzschicht eine dünne Schicht aus Aluminium-Oxid und Oxiden dieser weiteren Elemente aufweist.

5. Metallisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Bauteils aus Stahl mit einem Chromanteil von bis zu 13%, aus einem austenitischen Stahl oder einer Nickel-Legierung besteht.

6. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils für eine Dampfkraftanlage, das trockenem Wasserdampf einer Temperatur von über 550°C ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
Partikel aus Aluminium und Partikel aus weiteren Elementen und/oder Partikel aus einer Aluminiumlegierung bei Raumtemperatur mit einer Flüssigkeit vermischt werden und eine daraus resultierende dünnflüssige Mischung durch Sprühen, Streichen oder Tauchen auf die Oberflächen des Bauteils aufgebracht wird, und das Bauteil einer thermischen Nachbehandlung unterzogen wird, bei der es ausgebacken wird und während der die Flüssigkeit verdampft und ein Teil des reinen Aluminiums, der weiteren Elemente und/oder der Aluminiumlegierung in den Werkstoff des Bauteils diffundiert,
und spätestens bei Beginn der Exponierung des Bauteils dem trockenen Wasserdampf in der Dampfkraftanlage sich in situ eine dünne Oxidschicht bildet und das Aluminium, die weiteren Elemente und/oder die Aluminiumlegierung weiter in den Werkstoff diffundieren.

7. Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der thermischen Nachbehandlung mindestens 550°C beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der thermischen Nachbehandlung unter, nahe an oder gleich der Anlasstemperatur des Werkstoffs des Bauteils ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der thermischen Nachbehandlung zwischen 600°C und 700°C beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung die Elemente Silizium, Eisen und/oder Chrom enthält.

11. Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente Silizium, Eisen und/oder Chrom zu einem gesamten Anteil von 0 bis 50% in der Mischung enthalten sind.

12. Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel aus Aluminium, der weiteren Elemente oder der Aluminiumlegierung eine Grösse zwischen 1 und 10 Mikrometern aufweisen.