DE102009008510A1

DE102009008510A1 - Beschichtung und Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102009008510A1
Application number: DE102009008510A
Authority: DE
Inventors: Anja Kliewe; Max Morant; Horst Pillhöfer
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2009-02-11
Filing date: 2009-02-11
Publication date: 2010-08-12
Also published as: WO2010091667A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks wird eine Dispersion feiner Partikel in einer Flüssigkeit auf eine Oberfläche des Werkstücks aufgebracht (102). Die Flüssigkeit wird zumindest teilweise entfernt (103, 104), insbesondere durch Trocknen, um eine Partikelschicht auf dem Werkstück zu erzeugen. Die Partikelschicht wird überalitiert oder überinchromiert (105). Die Partikel weisen eine mittlere Größe von 10 µm oder weniger auf.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Beschichtungen und Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks für einen Einsatz bei hohen Temperaturen.
Bei hinreichend hohen Temperaturen treten an allen metallischen Werkstoffen verschiedene Korressionsprozesse auf. Diese verändern die Oberflächeneigenschaften, können die Bildung von Rissen fördern und gefährden so die Funktionsfähigkeit eines aus dem Werkstoff gefertigten Werkstücks. Die zur Erzielung gewünschter mechanischer Eigenschaften, beispielsweise einer hohen Festigkeit oder einer hohen Temperaturbeständigkeit, bevorzugten Materialen weisen oft eine unzureichende Korrosionsbeständigkeit auf. Sie werden deshalb für viele Anwendungen mit einer oder mehreren Korrosionsschutzschichten beschichtet.
Ein Beispiel für Werkstücke bzw. Bauelemente, die extreme Anforderungen erfüllen sollen und gleichzeitig extremen Umweltbedingungen ausgesetzt sind, sind die Schaufeln von Gasturbinen für Luftfahrzeuge, stationäre oder andere Anwendungen. Zur Verbesserung des Wirkungsgrads werden in der Brennkammer immer höhere Temperaturen erzeugt. Insbesondere der Hochdruckteil der Turbine ist deshalb ebenfalls immer höheren Temperaturen ausgesetzt. Um bei diesen Temperaturen eine ausreichende Festigkeit zu erzielen und ein Kriechen vermeiden, werden beispielsweise einkristalline oder gerichtet erstarrte Superlegierungen mit einem hohen Nickel-, Cobalt- oder Eisenanteil verwendet.
Eine Turbinenschaufel ist in verschiedenen Bereichen unterschiedlichen Temperaturen und der Einwirkung unterschiedlicher Atmosphären ausgesetzt. Der fluiddynamisch relevante Abschnitt, das Blatt ist den Verbrennungsgasen und den höchsten Temperaturen ausgesetzt. Der Schaft der Turbinenschaufel ist nur in geringen Maßen den Verbrennungsgasen und einer deutlichen geringeren Temperatur ausgesetzt. Den unterschiedlichen Umweltbedingungen entsprechend können verschiedene Bereich einer Turbinenschaufel unterschiedlich beschichtet sein.
Die US 4,897,315 beschreibt eine MCrAlY-Beschichtung, die unter anderem als Schlicker aufgebracht werden kann. Anschließend wird Aluminium mittels Gasphasen-Abscheidung in die MCrAlY-Auflageschicht diffundiert.
Die US 6,884,524 B2 beschreibt ein Verfahren zum Beschichten bei dem ein Lack verwendet wird, der Partikel aus Zirkonium oder Hafnium oder Platin oder Yttrium oder Silizium oder Aluminium und Zirkonium oder Aluminium und Hafnium oder Aluminium und Platin oder Aluminium, Platin und Hafnium oder Aluminium, Chrom und Zirkonium enthält.
Die beschriebenen und viele weitere bekannte Beschichtungen weisen je nach Anwendung jeweils spezifische Vor- und Nachteile auf.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Werkstück mit einer verbesserten Beschichtung, ein verbessertes Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks und eine verbesserte Turbine zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beruhen auf der Idee, dass bei Schlickern bzw. -Dispersionen mit MCrAlY-Partikeln oder Partikeln aus anderen Multilegierungen Partikelgrößen von 10 μm oder weniger, besser noch von 5 μm oder weniger eine überraschende und deutliche Verbesserung der Qualität der Beschichtung zur Folge haben. Insbesondere konnten Schichten mit einer homogeneren Dichte und/oder einer geringeren Anzahl an Hohlräumen oder anderen Fehlern erzeugt werden. Dies gilt vor allem auch, wenn die einzelnen Partikel kugelförmig oder näherungsweise kugelförmig sind. Möglicherweise haben die Größe und die genaue Gestalt einzelner MrAlY-Partikel oder Partikel aus anderen Multilegierungen einen größeren Einfluss auf die Viskosität und/oder andere relevante Eigenschaften des Schlickers als bislang angenommen.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beruhen ferner auf der Idee, einen Schlicker zu verwenden, der neben MCrAlY-Partikeln oder anderen multilegierten Metallpartikeln auch reine oder fast reine Aluminium-Partikel umfasst. Damit kann je nach Anwendung auf die aufwen dige nachträgliche Abscheidung von Aluminium auf und in der getrockneten Partikelschicht verzichtet werden. Durch bloßes Erhitzen auf eine Temperatur nahe dem oder über dem Schmelzpunkt der Aluminium-Partikel kann erreicht werden, dass Hohlräume zwischen den Partikeln aus der Multilegierung mit Aluminium aufgefüllt werden, die Schicht kompaktiert und Aluminium in das Substratmaterial diffundiert. Der gesamte verfahrenstechnische Aufwand wird dadurch deutlich reduziert.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beruhen ferner auf der Idee, zur Erzeugung einer Beschichtung nacheinander Schlicker mit unterschiedlichen Zusammensetzungen aufzubringen. Dabei können insbesondere Schlicker mit Partikeln aus unterschiedlichen Materialien, Schlicker, die jeweils unterschiedliche Anteile verschiedener Partikelsorten aufweisen oder Schlicker mit unterschiedlichen Partikelgrößen verwendet werden. Je nach Art der Aufbringung der einzelnen Schlicker kann es vorteilhaft sein, diese zu trocknen bevor der nächste Schlicker aufgebracht wird. Da jede Dispersion andere Partikel enthalten kann, können nahezu beliebige Konzentrations- oder Zusammensetzungs-Profile erzeugt werden.
Hier beschriebene Verfahren eignen sich unter insbesondere für die Beschichtung von Oberflächen von Turbinenschaufeln und dort vor allem für Bereiche unterhalb der Plattform. Die Plattform ist zwischen dem Schaft und dem Blatt der Turbinenschaufel angeordnet. Ein Bereich wird als unter der Plattform liegend bezeichnet, wenn er bei der in eine Turbine eingebauten Turbinenschaufel radial innerhalb der Plattform angeordnet ist. Bereiche unter der Plattform sind vor allem im Hockdruckbereich der Turbine aufgrund der dort herrschenden Temperaturen von der Ablagerung von Calciumsulfat und anderen Salzen betroffen. Die hier beschriebene Beschichtung ist geeignet, die Ablagerung zu unterdrücken und/oder Korrosion und Rissbildung infolge der Ablagerung zu vermindern oder zu verhindern.
Kurzbeschreibung der Figuren
Nachfolgend werden Ausführungsformen anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Turbinenschaufel;
2 eine schematische Darstellung einer Turbine;
3 ein schematisches Flussdiagramm; und
4 ein schematisches Flussdiagramm Beschreibung der Ausführungsformen
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Turbinenschaufel 10, wie sie beispielsweise in einer Hochdruckturbine eines Gasturbinentriebwerks verwendbar ist. Die Turbinenschaufel 10 umfasst ein Blatt 11, einen Schaft 12, einen Fuß 13 und eine Plattform 14 zwischen dem Blatt 11 und dem Schaft 12. Die Turbinenschaufel 10 ist eine Laufschaufel und wird mit dem Fuß 13 am oder nahe dem Umfang einer in Betrieb rotierenden Scheibe oder Trommel befestigt. Bezogen auf die Achse des Gasturbinentriebwerks liegen der Schaft 12 unter bzw. radial innerhalb der Plattform 14 und das Blatt über bzw. radial außerhalb der Plattform 14.
Das Blatt 11 ist den heißen Verbrennungsgasen unmittelbar ausgesetzt. Der Schaft 12 wird im Betrieb in der Regel von Kühlluft umspült. Seine Temperatur ist deshalb in der Regel deutlich geringer. Die Oberflächen unter der Plattform 14, insbesondere die Oberflächen des Schafts 12 und des Übergangsbereichs zwischen dem Schaft 12 und der Plattform 14 sind beispielsweise durch Ablagerungen von Calciumsulfat und/oder anderen Salzen betroffen. Entsprechend den unterschiedlichen Umgebungsbedingungen treten an der Turbinenschaufel 10 in verschiedenen Bereichen verschiedene Formen von Korrosion auf. Oft werden deshalb in diesen verschiedenen Bereichen auch verschiedene Beschichtungen verwendet.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Gasturbinentriebwerks 20 mit einer Turbinenschaufel 10, wie sie oben anhand der 1 dargestellt wurde. Das Gasturbinentriebwerk 20 umfasst einen Niederdruckverdichter 21, einen Hochdruckverdichter 22, eine Brennkammer 23, eine Hochdruckturbine 24 und eine Niederdruckturbine 25. Die Verdichter 21, 22 und die Turbinen 24, 25 umfassen jeweils Statorschaufeln und Rotorschaufeln. Die Rotorschaufeln sind in einer oder mehreren Gruppen über Scheiben, Trommeln und Wellen miteinander verbunden und rotieren um eine Achse 26. Den höchsten Temperaturen sind die Turbinenschaufeln 10 in der Hochdruckturbine 24 unmittelbar nach der Brennkammer 23 ausgesetzt.
3 zeigt ein schematisches Flussdiagramms eines Verfahrens zum Beschichten eines Werkstücks, beispielsweise einer Turbinenschaufel, wie sie oben anhand der 1 dargestellt wurde.
Bei einem optionalen ersten Schritt 101 werden Bereiche der Oberfläche des Werkstücks, die nachfolgend nicht mit einer Beschichtung versehen werden sollen, maskiert.
Bei einem zweiten Schritt 102 wird ein Schlicker bzw. eine Dispersion feiner Partikel in einer Flüssigkeit zumindest auf die nicht im optionalen ersten Schritt 101 maskierten Bereiche der Oberfläche des Werkstücks aufgebracht. Dies erfolgt beispielsweise durch Spritzen, Tauchen oder mittels eines Pinsels. Die feinen Partikel weisen dabei eine mittlere Größe von 10 μm oder weniger auf. Bei einer Variante weisen die feinen Partikel eine mittlere Größe von 5 μm oder weniger auf. Als Größe eines Partikels wird beispielsweise sein Durchmesser, seine maximale lineare Abmessung bzw. größte Länge oder seine minimale lineare Abmessung oder sein über alle Raumrichtungen gemittelter Durchmesser angesehen. Die mittlere Größe ist beispielsweise das arithmetische Mittel oder das mit der Partikelmasse gewichtete arithmetische Mittel der Größen aller Partikel.
Jeder einzelne Partikel kann eine beliebige regelmäßige oder unregelmäßige Form aufweisen, wobei mit kugelförmigen oder näherungsweise kugelförmigen Partikeln gute Ergebnisse erzielt werden.
Die Flüssigkeit umfasst beispielsweise Wasser, Alkohol oder ein anderes anorganisches oder organisches Lösungsmittel sowie einen organischen oder anorganischen Binder, beispielsweise eine Chromsäure. Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass die Dispersion ein Lösungsmittel und einen Binder umfasst.
Bei einem dritten Schritt 103 wird das Lösungsmittel entfernt. Dies erfolgt beispielsweise bei Temperaturen zwischen 100°C und 200°C.
Bei einem vierten Schritt 104 wird der Binder ausgebrannt. Dies erfolgte beispielsweise bei Temperaturen zwischen 150°C und 300°C.
Optional können mehrere verschiedene Schlicker bzw. Dispersionen nacheinander aufgebracht werden. Diese Dispersionen können sich beispielsweise in den Materialien oder mittleren Größen der feinen Partikel unterscheiden. Abhängig von den Verfahren, mit denen die Dispersionen auf die Oberflächen des Werkstücks aufgebracht werden, kann es sinnvoll sein, nach jedem Aufbringen einer Dispersion das Lösungsmittel zu entfernen oder das Lösungsmittel zu entfernen und den Binder auszubrennen.
Die im zweiten Schritt 102, dritten Schritt 103 und vierten Schritt 104 erzeugte Schichtdicke beträgt beispielsweise das fünf- bis fünfzehnfache der mittleren Größe der Partikel, insbesondere das acht- bis zwölffache, der mittleren Größe der Partikel oder das zehnfache der mittleren Größe der Partikel.
Bei einem fünften Schritt 105 wird die Partikelschicht überalitiert und überinchromiert. Das Aluminium bzw. Chrom wird mittels CVD- oder anderer Verfahren auf und zwischen den feinen Partikeln abgeschieden. Die Partikelschicht wird dadurch verdichtet bzw. kompaktiert. Das Überalitieren bzw. Überinchromieren kann bei einer Temperatur erfolgen, bei der Aluminium bzw. Chrom nicht nur zwischen den feinen Partikeln, sondern auch in das Grundmaterial des Werkstücks diffundiert. Dadurch entsteht eine Aluminium- bzw. Chromdiffusionsschicht, die unter anderem die Haftung der feinen Partikel an dem Grundmaterial verbessert. Wenn das Grundmaterial einen hohen Nickelanteil aufweist, entsteht im Diffusionsbereich eine Nickel-Aluminium- bzw. Nickel-Crom-Legierung. Abhängig von den in den Partikeln vertretenen Elementen und deren Konzentrationen in den Partikeln können ferner auch diese diffundieren und im Diffusionsbereich an der Legierungsbildung teilnehmen.
Wenn die Überalitierung bzw. Überinchromierung bei einer Temperatur stattfindet, bei der die beschriebenen Diffusions- und Legierungs-Prozesse noch nicht ablaufen, können diese bei einem optionalen, in 3 nicht dargestellten Schritt bei einer entsprechenden Temperatur ablaufen.
4 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines weiteren Verfahrens zum Beschichten eines Werkstücks.
Bei einem optionalen ersten Schritt 111 werden Bereiche der Oberfläche des Werkstücks, die nachfolgend nicht mit einer Beschichtung versehen werden sollen, maskiert.
Bei einem zweiten Schritt 112 wird ein Schlicker bzw. eine Dispersion feiner Partikel in einer Flüssigkeit zumindest auf die nicht im optionalen ersten Schritt 111 maskierten Bereiche der Oberfläche des Werkstücks aufgebracht. Dies erfolgt beispielsweise durch Spritzen, Tauchen oder mittels eines Pinsels.
Die Dispersion umfasst Partikel einer ersten Partikelsorte und Partikel einer zweiten Partikelsorte. Die Partikel der ersten Partikelsorte bestehen aus MCrAlY, wobei M beispielsweise für Nickel, Cobalt, Eisen oder ein anderes Metall steht. Alternativ bestehen die Partikel aus einer anderen Multilegierung. Die Partikel der zweiten Partikelsorte weisen Aluminium mit einem hohen Massenanteil auf. Beispielsweise beträgt der Massenanteil von Aluminium in den Partikeln der zweiten Partikelsorte mindestens 80% oder mindestens 90% oder mindestens 95%. Sowohl die Partikel der ersten Partikelsorte als auch die Partikel der zweiten Partikelsorte können darüber hinaus eine dünne Beschichtung aufweisen. Diese dünne Beschichtung der einzelnen Partikel kann Folge eines Korrosionsprozesses der einzelnen Partikel vor der Bildung der Dispersion oder in der Dispersion sein. Ferner kann die dünne Beschichtung der einzelne Partikel zum Schutz der einzelnen Partikel vor Korrosion, zur Verminderung der Reibung zwischen einzelnen Partikeln oder zur Erzielung anderer gewünschter Eigenschaften vorgesehen sein.
Die feinen Partikel können eine mittlere Größe von 10 μm oder weniger aufweisen oder auch größer sein. Bei einer Variante weisen die feinen Partikel eine mittlere Größe von 5 μm oder weniger auf.
Ähnlich wie bei dem oben anhand der 3 dargestellten Beispiel kann jeder einzelne Partikel eine beliebige regelmäßige oder unregelmäßige Form aufweisen, wobei mit kugelförmigen oder näherungsweise kugelförmigen Partikeln gute Ergebnisse erzielt werden.
Ähnlich wie bei dem oben anhand der 3 dargestellten Beispiel kann die Flüssigkeit beispielsweise Wasser, Alkohol oder ein anderes anorganisches oder organisches Lösungsmittel sowie einen organischen oder anorga nischen Binder umfassen, beispielsweise eine Chromsäure. Nachfolgend wird davon ausgegangen, dass die Dispersion ein Lösungsmittel und einen Binder umfasst.
Ein dritter Schritt 113 und ein vierter Schritt 114 entsprechen dem dritten Schritt 103 bzw. dem vierten Schritt 104 des oben anhand der 3 dargestellt Beispiels.
Ähnlich wie bei dem oben anhand der 3 dargestellten Beispiel können mehrere verschiedene Schlicker bzw. Dispersionen nacheinander aufgebracht werden.
Ähnlich wie bei dem oben anhand der 3 dargestellten Beispiel kann die im zweiten Schritt 112, dritten Schritt 113 und vierten Schritt 114 erzeugte Schichtdicke beispielsweise das fünf- bis fünfzehnfache der mittleren Größe der Partikel, insbesondere das acht- bis zwölffache, der mittleren Größe der Partikel oder das zehnfache der mittleren Größe der Partikel beragen.
Bei einem fünften Schritt 115 wird das Werkstück oder zumindest die Oberfläche des Werkstücks 10 mit der in den Schritten 112, 113 und 114 erzeugten Partikelschicht auf eine Temperatur erhitzt, bei der die Partikel mit dem hohen Aluminiumanteil schmelzen oder zumindest eine Migration und/oder Diffusion von Aluminium in großem Umfang stattfindet. Das Aluminium füllt Hohlräume zwischen den Partikeln auf. Dadurch wird die Partikelschicht kompaktiert und für Stoffe aus der Umgebung undurchdringlich. Gleichzeitig oder bei einem optionalen nachfolgenden, in 4 nicht dargestellten Schritt mit erhöhter Temperatur diffundiert Aluminium in das Grundmaterial des Werkstücks 10.

10: Turbinenschaufel
11: Blatt
12: Schaft
13: Fuß
14: Plattform
20: Turbinentriebwerk
21: Niederdruckverdichter
22: Hochdruckverdichter
23: Brennkammer
24: Hochdruckturbine
25: Niederdruckturbine
26: Achse
101: erster Schritt
102: zweiter Schritt
103: dritter Schritt
104: vierter Schritt
105: fünfter Schritt
111: erster Schritt
112: zweiter Schritt
113: dritter Schritt
114: vierter Schritt
115: fünfter Schritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4897315 [0005]
- US 6884524 B2 [0006]

Claims

Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks (10), mit folgenden Schritten: Aufbringen (102) einer Dispersion feiner Partikel in einer Flüssigkeit auf eine Oberfläche des Werkstücks (10); zumindest teilweises Entfernen (103, 104) der Flüssigkeit, insbesondere durch Trocknen, um eine Partikelschicht auf dem Werkstück (10) zu erzeugen; Überalitieren (105) oder Überinchromieren der Partikelschicht, wobei die Partikel eine mittlere Größe von 10 μm oder weniger aufweisen.
Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks (10), mit folgenden Schritten: Aufbringen (112) einer Dispersion feiner Partikel in einer Flüssigkeit auf eine Oberfläche des Werkstücks (10); zumindest teilweises Entfernen (113, 114) der Flüssigkeit, insbesondere durch Trocknen, um eine Partikelschicht auf dem Werkstück (10) zu erzeugen; wobei die Partikel eine erste Partikelsorte und eine zweite Partikelsorte umfassen, wobei die Partikel der ersten Partikelsorte aus MCrAlY oder einer anderen Multilegierung bestehen, und wobei die Partikel der zweiten Partikelsorte überwiegend aus Aluminium bestehen.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei bei den Partikeln des zweiten Partikelsorte der Massenanteil von Aluminium mindestens 80% oder mindestens 90% oder mindestens 95% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 bei dem zumindest entweder die Partikel der ersten Partikelsorte oder die Partikel der zweiten Partikelsorte eine mittlere Größe von 10 μm oder weniger aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, ferner mit folgendem Schritt: Erwärmen der Partikelschicht auf eine Temperatur nahe der oder über der Schmelztemperatur der Partikel der zweiten Partikesorte.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Partikelschicht eine Dicke aufweist, die dem fünffachen bis fünfzehnfachen der mittleren Größe der Partikel entspricht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Partikel kugelförmig sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schicht nur auf einen Teil der Oberfläche des Werkstücks (10) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner mit folgendem Schritt: Maskieren (101; 111) von Bereichen des Werkstücks (10), die nicht zu beschichten sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Werkstück eine Turbinenschaufel (10) ist.
Verfahren nach dem vorangehenden Ansprüche, bei dem nur ein Bereich der Turbinenschaufel (10) beschichtet wird, der nach Einbau der Turbinenschaufel (10) in eine Turbine (20) radial innerhalb einer Plattform (14) der Turbinenschaufel liegt.
Turbinenschaufel (10) für eine Gasturbine (20) mit einer Beschichtung, die nach einem der vorangehenden Ansprüche erzeugt ist.
Turbinenschaufel (10) für eine Gasturbine (20) mit einem Grundmaterial und einer Beschichtung, die Partikel enthält, deren mittle re Größe 10 μm oder weniger beträgt, wobei in Zwischenräumen zwischen den Partikeln Aluminium angeordnet ist, und wobei Aluminium teilweise in das Grundmaterial eindiffundiert ist.
Turbine (20) mit einer Turbinenschaufel (10) nach Anspruch 12 oder 13.