DE102015116916A1

DE102015116916A1 - Beschichtung, Beschichtungssystem und Beschichtungsverfahren

Info

Publication number: DE102015116916A1
Application number: DE102015116916.9A
Authority: DE
Inventors: Surinder Singh Pabla; Krishnamurthy Anand
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 2014-10-08
Filing date: 2015-10-06
Publication date: 2016-04-14
Anticipated expiration: 2035-10-07
Also published as: US20160102212A1; US9896585B2; DE102015116916B4; JP2016074980A; JP6809780B2

Abstract

Es sind eine Beschichtung, ein Beschichtungssystem und ein Beschichtungsverfahren geschaffen. Die Beschichtung enthält zwischen etwa 0,25–35% Füllerpartikel, die in einer Chromphosphat-Bindemittelmatrix eingebettet sind, die einen Rest der Beschichtung pro Volumen aufweist. Die Füllerpartikel weisen eine Größe in dem Bereich von Nanogröße bis 6 Mikrometern mit einem Seitenverhältnis von 1:1 bis 3:1 auf und enthalten bis zu 100 Gew.-% schmierfähige Partikel mit einem Rest harter Partikel. Die schmierfähigen Partikel sind aus der Gruppe ausgewählt, zu der Bornitrid (BN), Titannitrid (TiN), Titanoxid (TiO2), Zink (Zn), Zinn (Sn), Zink- und Zinnoxide und Kombinationen von diesen gehören. Die harten Partikel sind aus der Gruppe ausgewählt, zu der Chromkarbid (CrC), Wolframkarbid (WC), Silizium (Si), Aluminium (Al), Silizium- und Aluminiumoxide oder -nitride und Kombinationen von diesen gehören. Eine rohe Aufschlämmungsbeschichtung enthält ein verdampfbares Lösungsmittel, das mit den Füllerpartikeln und der Chromphosphat-Bindemittelmatrix vermischt ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf eine Beschichtung, ein Beschichtungssystem und ein Beschichtungsverfahren gerichtet. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf eine Antifouling-Beschichtung, ein Antifouling-Beschichtungssystem und ein Verfahren zum Aufbringen einer Antifouling-Beschichtung gerichtet.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Während eines Turbinenbetriebs sind viele Komponenten Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen ausgesetzt. Außerdem kommen verschiedene Luftstrompartikel mit den Komponenten in Kontakt, während sie durch die Turbine strömen. Unter den Hochtemperatur-Hochdruckbedingungen können sich die Luftstrompartikel auf der Oberfläche der Komponenten, insbesondere den Verdichterschaufeln einer hinteren Stufe, ablagern.
Ein Verfahren zur Reduktion der Ablagerung von Partikeln umfasst die Beschichtung von Verdichterschaufeln mit einer inneren Schicht aus Aluminiumpartikeln und einer äußeren Beschichtung aus keramischen Aluminiumoxidflocken. Die äußere Beschichtung aus keramischen Aluminiumoxidflocken bildet die Außenoberfläche der Komponente und bietet einigen Erosionsschutz. Jedoch enthält der Luftstrom in einer Turbine häufig Eisenoxidpartikel, die an den keramischen Aluminiumoxidflocken auf der Oberfläche der Verdichterschaufeln anhaften können.
Ein weiteres Verfahren zur Reduktion der Ablagerung von Partikeln umfasst den Einsatz von Antihaftverbindungen. Die meisten derzeit verwendeten Antihaftverbindungen sind auf Polytetrafluorethylen(PTFE)-artige Materialien beschränkt, die einen Temperaturgrenzwert von 250°F aufweisen. Diese Antihaftverbindungen sind nicht zur Verwendung bei Verdichterschaufeln einer hinteren Stufe geeignet, die Temperaturen von 1000°F oder mehr ausgesetzt sind.
Eine Beschichtung, ein Beschichtungssystem und ein Beschichtungsverfahren mit Verbesserungen bei dem Prozess und/oder den Eigenschaften der gebildeten Komponenten würde in der Technik erwünscht sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einer beispielhaften Ausführungsform enthält eine Antifouling-Beschichtung zwischen etwa 0,25–35 Vol.-% Füllerpartikel, die in einer Chromphosphat-Bindemittelmatrix eingebettet sind, die einen Rest der Beschichtung pro Volumen aufweist. Die Füllerpartikel weisen eine Größe in dem Bereich von Nanogröße bis 6 Mikrometer mit einem Seitenverhältnis von 1:1 bis 3:1 auf und enthalten bis zu 100 Gew.-% schmierfähige Partikel und einen Rest harter Partikel. Die schmierfähigen Partikel sind aus der Gruppe ausgewählt, zu der Bornitrid (BN), Titannitrid (TiN), Titanoxid (TiO₂), Zink (Zn), Zinn (Sn), Zink- und Zinnoxide und Kombinationen von diesen gehören. Die harten Partikel sind aus der Gruppe ausgewählt, zu der Chromkarbid (CrC), Wolframkarbid (WC), Silizium (Si), Aluminium (Al), Silizium- und Aluminiumoxide oder -nitride und Kombinationen von diesen gehören.
In der zuvor erwähnten Antifouling-Beschichtung kann die Beschichtung eine Dicke von etwa 15–75 Mikrometern aufweisen.
Vorzugsweise kann die Beschichtung eine Dicke von etwa 25–50 Mikrometern aufweisen.
In der Antifouling-Beschichtung einer beliebigen vorstehend erwähnten Art können die schmierfähigen Partikel und die harten Partikel die gleiche Größenbereichsverteilung aufweisen.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann die Beschichtung eine maximale Einsatztemperatur von etwa 1582°F aufweisen.
In jeder beliebigen vorstehend erwähnten Antifouling-Beschichtung können die schmierfähigen Partikel Bornitrid enthalten.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform enthält eine rohe („grüne“) Antifouling-Aufschlämmungsbeschichtung ein galvanisches schützendes Chromphosphat-Bindemittel, zwischen etwa 0,25 Vol.-% und etwa 35 Vol.-% einer Pulvergemisches, das mit dem Bindemittel vermischt ist, und ein verdampfbares Lösungsmittel, das mit dem Pulvergemisch und dem Bindemittel in einem hinreichenden Anteil vermischt ist, so dass die Aufschlämmung eine Viskosität aufweist, die einem gravitationsbedingten Fließen beim Trocknen widersteht, wobei das verdampfbare Lösungsmittel und das Bindemittel einen Rest der rohen Antifouling-Aufschlämmungsbeschichtung aufweisen. Das Pulvergemisch enthält Füllerpartikel mit einer Größe in dem Bereich von Nanogröße bis 6 Mikrometer mit einem Seitenverhältnis von 1:1 bis 3:1, wobei die Füllerpartikel bis zu 100 Gew.-% schmierfähige Partikel und einen Rest harter Partikel enthalten. Die schmierfähigen Partikel sind aus der Gruppe ausgewählt, zu der Bornitrid (BN), Titannitrid (TiN), Titanoxid (TiO₂), Zink (Zn), Zinn (Sn), Zink- und Zinnoxide und Kombinationen von diesen gehören. Die harten Partikel sind aus der Gruppe ausgewählt, zu der Chromkarbid (CrC), Wolframkarbid (WC), Silizium (Si), Aluminium (Al), Silizium- und Aluminiumoxide oder -nitride und Kombinationen von diesen gehören.
In der zuvor erwähnten rohen Antifouling-Aufschlämmungsbeschichtung kann das verdampfbare Lösungsmittel ein Alkohol sein, der aus der Gruppe von Alkoholen, zu denen CH3OH bis C4H7OH gehören, ausgewählt ist.
In einer weiteren Ausführungsform enthält ein Antifouling-Beschichtungssystem für eine Turbinenkomponente eine Turbinenkomponente, eine Turbinenkomponente, eine Basisbeschichtung aus Aluminiumoxid, die die Turbinenkomponente überlagert, wobei die Basisbeschichtung eine erste vorbestimmte Dicke aufweist, und eine Antifouling-Deckbeschichtung. Die Antifouling-Deckbeschichtung enthält zwischen etwa 0,25–35 Vol.-% Füllerpartikel und eine Chromphosphat-Bindemittelmatrix, die einen Rest der Antifouling-Deckbeschichtung pro Volumen aufweist. Die Füllerpartikel weisen eine Größe in dem Bereich von Nanogröße bis 6 Mikrometer mit einem Seitenverhältnis von 1:1 bis 3:1 auf und enthalten bis zu 100 Gew.-% schmierfähige Partikel und einen Rest harter Partikel. Die schmierfähigen Partikel sind aus der Gruppe ausgewählt, zu der Bornitrid (BN), Titannitrid (TiN), Titanoxid (TiO₂), Zink (Zn), Zinn (Sn), Zink- und Zinnoxide und Kombinationen von diesen gehören. Die harten Partikel sind aus der Gruppe ausgewählt, zu der Chromkarbid (CrC), Wolframkarbid (WC), Silizium (Si), Aluminium (Al), Silizium- und Aluminiumoxide oder -nitride und Kombinationen von diesen gehören.
In dem zuvor erwähnten Antifouling-Beschichtungssystem kann die Deckbeschichtung eine Dicke von etwa 15–75 Mikrometern aufweisen.
Vorzugsweise kann die Deckbeschichtung eine Dicke von etwa 25–50 Mikrometern aufweisen.
In dem Antifouling-Beschichtungssystem einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann die Deckbeschichtung eine maximale Einsatztemperatur von etwa 1582°F aufweisen.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann die Turbinenkomponente Verdichterschaufeln enthalten, die während eines Turbinenbetriebs eine Temperatur von wenigstens 900°F erfahren.
In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Antifouling-Beschichtungssystem kann die Basisbeschichtung ferner Partikel auf Aluminiumbasis in einer Phosphatmatrix mit einer Dicke von etwa 35–85 Mikrometern aufweisen.
Zusätzlich oder als eine Alternative kann die Endoberfläche der Antifouling-Deckbeschichtung eine Mittenrauheit (RA) von etwa 50 Mikrozoll oder glatter aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform enthält ein Verfahren zum Aufbringen eines Antifouling-Beschichtungssystems auf eine Turbinenkomponente die Schritte: Bereitstellen einer Turbinenkomponente, die eine Betriebstemperatur unterhalb von etwa 1582°F aufweist; Strahlen einer Oberfläche der Turbinenkomponente, um eine Oberflächenbeschaffenheit zu schaffen, die hinreichend rau ist, um eine mechanische Bindung einer Beschichtungsschicht zu unterstützen; Beschichten der gestrahlten Oberfläche mit einer Basisbeschichtung aus Aluminiumpartikeln in einer Phosphatmatrix bis zu einer ersten vorausgewählten Dicke; Wärmebehandlung der beschichteten Turbinenkomponente bei einer ersten vorausgewählten Temperatur für eine erste vorausgewählte Zeitdauer; Aushärten der Basisbeschichtung an der Turbinenkomponente; Aufbringen einer Aufschlämmung einer Antifouling-Beschichtung über die Basisbeschichtung bis zu einer zweiten vorausgewählten Dicke; Trocknen der Aufschlämmung; Wärmebehandeln der über der beschichteten Turbinenkomponente aufgebrachten Antifouling-Beschichtung bei einer zweiten vorausgewählten Temperatur für eine zweite vorausgewählte Zeitdauer; Aushärten der Antifouling-Beschichtung an der Basisbeschichtung; und optional Polieren der beschichteten Turbinenkomponente, wodurch jegliche hohe Bereiche die von der Aufbringung der Beschichtung herrühren, entfernt werden. Die rohe Antifouling-Aufschlämmungsbeschichtung enthält ein galvanisches schützendes Chromphosphat-Bindemittel, zwischen etwa 0,25 Vol.-% und etwa 35 Vol.-% Pulvergemisch, vermischt mit dem Bindemittel, und ein verdampfbares Lösungsmittel, das mit dem Pulvergemisch und dem Bindemittel in einem hinreichenden Anteil vermischt ist, so dass die Aufschlämmung eine Viskosität aufweist, die einem gravitationsbedingten Fließen beim Trocknen widersteht, wobei das verdampfbare Lösungsmittel und das Bindemittel einen Rest der rohen Antifouling-Aufschlämmungsbeschichtung aufweisen. Das Pulvergemisch enthält Füllerpartikel mit einer Größe in dem Bereich von Nanogröße bis 6 Mikrometer mit einem Seitenverhältnis von 1:1 bis 3:1, wobei die Füllerpartikel bis zu 100 Gew.-% schmierfähige Partikel und einen Rest harter Partikel enthalten. Die schmierfähigen Partikel sind aus der Gruppe ausgewählt, zu der Bornitrid (BN), Titannitrid (TiN), Titanoxid (TiO₂), Zink (Zn), Zinn (Sn), Zink- und Zinnoxide und Kombinationen von diesen gehören. Die harten Partikel sind aus der Gruppe ausgewählt, zu der Chromkarbid (CrC), Wolframkarbid (WC), Silizium (Si), Aluminium (Al), Siliziumund Aluminiumoxide oder -nitride und Kombinationen von diesen gehören.
In einer Konfiguration des zuvor erwähnten Verfahrens kann eine Zusammensetzung der Aufschlämmung durch Anpassung des Volumengehalts an verdampfbarem Lösungsmittel angepasst derart werden, dass die Aufschlämmung hinreichend flüssig ist, so dass die Aufschlämmung durch Besprühen der Turbinenkomponente mit der Aufschlämmung über die Basisbeschichtung aufgebracht werden kann.
Ferner können die schmierfähigen Partikel und die harten Partikel der Aufschlämmung die gleiche Größenbereichsverteilung aufweisen, wenn die Aufschlämmung durch Sprühen aufgebracht wird.
In einer weiteren Konfiguration des Verfahrens kann eine Zusammensetzung der Aufschlämmung durch Anpassung des Volumengehalts des verdampfbaren Lösungsmittels derart angepasst werden, dass die Aufschlämmung hinreichend viskos ist, so dass die Aufschlämmung durch Eintauchen der Turbinenkomponente in die Aufschlämmung über die Basisbeschichtung aufgebracht werden kann.
In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Verfahren kann der Schritt der Wärmebehandlung der über der beschichteten Turbinenkomponente aufgebrachten Antifouling-Beschichtung bei einer zweiten vorausgewählten Temperatur für eine zweite vorausgewählte Zeitdauer eine Wärmebehandlung der Komponente bei einer Temperatur von etwa 550–750°F für eine Zeitdauer in dem Bereich von etwa 0,5–2 Stunden enthalten.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierteren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen offenkundig, die anhand eines Beispiels die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Schnittansicht eines Antifouling-Beschichtungssystems gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Aufbringen einer Antifouling-Beschichtung gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
Wo immer dies möglich ist, werden die gleichen Bezugszeichen überall in den Zeichnungen verwendet, um die gleichen Teile darzustellen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es sind eine Beschichtung, ein Beschichtungssystem und ein Beschichtungsverfahren geschaffen. Im Vergleich zu Beschichtungen, Systemen und Verfahren, die nicht eines oder mehrere der hier offenbarten Merkmale verwenden, verringern Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung Komponentenfouling, sie erhöhen die Effizienz, vergrößern die Komponentenlebensdauer, verringern Stillstandszeiten von Komponenten, verringern Instandhaltungskosten, ergeben eine Beschichtung ohne die Komponentenleistung zu beeinträchtigen oder leisten eine Kombination davon.
In einer Ausführungsform enthält eine Antifoulingbeschichtung, pro Volumen, zwischen etwa 0,25% und etwa 35% Füllerpartikel und einen Rest Keramikmatrix. In einer weiteren Ausführungsform enthält die Antifoulingbeschichtung, pro Volumen, zwischen 0,25% und 10% Füllerpartikel, zwischen 0,25% und etwa 5% Füllerpartikel, zwischen 0,25% und weniger als etwa 5% Füllerpartikel oder eine beliebige Kombination, Unterkombination, einen beliebigen Bereich oder Teilbereich hiervon, mit einem Rest Keramikmatrix. Die Füllerpartikel enthalten ein oder mehrere schmierfähige Partikel und/oder harte Partikel. Zum Beispiel enthalten die Füllerpartikel in einer weiteren Ausführungsform, in Gewichtsprozent, bis zu 100% schmierfähige Partikel, zwischen 10% und 90% schmierfähige Partikel, zwischen 20% und 80% schmierfähige Partikel, zwischen 30% und 70% schmierfähige Partikel, zwischen 40% und 60% schmierfähige Partikel, 50% schmierfähige Partikel, oder eine beliebige Kombination, Unterkombination, einen beliebigen Bereich oder Teilbereich hiervon, mit einem Rest harter Partikel. In einer weiteren Ausführungsform enthält die Antifoulingbeschichtung zusätzlich zu den Füllerpartikeln Bindemittelzusätze, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, C, Ca, K, F, Oxide oder Nitride von C, Ca, K, F oder eine Kombination von diesen. Die Keramikmatrix enthält eine beliebige geeignete Matrix zum Halten oder Einbetten der Füllerpartikel, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, eine Chromphosphat-Bindemittelmatrix.
Die schmierfähigen und/oder harten Partikel enthalten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, metallische Partikel, keramische Partikel oder eine Kombination von diesen. Geeignete schmierfähige Partikel enthalten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Bor (B), Titan (Ti), Zink (Zn), Zinn (Sn), Oxide und/oder Nitride von B, Ti, Zn und/oder Sn oder eine Kombination von diesen. Zum Beispiel können geeignete schmierfähige Partikel Bornitrid (BN), Titannitrid (TiN), Titanoxid (TiO₂), Zinkoxid (ZnO), Zinnoxid (SnO) oder eine Kombination von diesen enthalten. Geeignete harte Partikel enthalten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Chrom (Cr), Wolfram (W), Silizium (Si), Aluminium (Al), Karbide, Oxide und/oder Nitride von Cr, W, Si und/oder Al oder eine Kombination von diesen. Zum Beispiel können geeignete harte Partikel Chromkarbid (CrC), Wolframkarbid (WC), Siliziumoxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder eine Kombination von diesen enthalten. Weitere Füllerpartikel können Nickeloxid (NiO), Zirkoniumoxid (ZrO₂) oder eine Kombination von diesen enthalten.
In einer Ausführungsform enthalten die Füllerpartikel eine Partikelform und/oder eine Partikelorientierung, die eine Porosität der Antifoulingbeschichtung verringert (d.h. eine Dichte vergrößert), die Gas- und/oder Dampfdurchlässigkeit durch die Beschichtung verringert oder eliminiert. Eine Verringerung oder Elimination der Durchlässigkeit der Beschichtung verringert oder eliminiert die Gas- oder Dampfdiffusion durch die Beschichtung, was jegliche Menge an Gas und/ oder Dampf, das bzw. der ein Substrat erreicht, insbesondere bei erhöhten Temperaturen und/oder Drücken, die ansonsten die Durchlässigkeit erhöhen können, verringert oder eliminiert. In einer weiteren Ausführungsform erhöhen die Füllerpartikel und/oder die Bindemittelzusätze die Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung, erhöhen die Oxidationsbeständigkeit der Beschichtung, Erhöhen die Dichte der Beschichtung oder leisten eine Kombination von diesen.
In einer modifizierten Ausführungsform enthält die Antifoulingbeschichtung eine „grüne“ (rohe, unfertige) Aufschlämmungsbeschichtung. Die rohe Aufschlämmungsbeschichtung enthält, pro Volumen, zwischen etwa 0,25% und etwa 35% eines Pulvergemisches und einen Rest aus einem Bindemittel und einem verdampfbaren Lösungsmittel. Das Bindemittel enthält ein beliebiges geeignetes Bindemittel zum Halten des Pulvergemisches, wie beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, ein galvanisches schützendes Chromphosphat-Bindemittel. Das Pulvergemisch enthält eine Mischung aus den Füllerpartikeln. In einer Ausführungsform enthält das Pulvergemisch, pro Gewicht, bis zu 100% schmierfähige Partikel und einen Rest der harten Partikel. Das verdampfbare Lösungsmittel wird mit dem Pulvergemisch und dem Bindemittel in einem beliebigen Anteil vermischt, um eine Viskosität zu schaffen, die einem Fließen der Beschichtung aufgrund der Gravitation beim Trocknen widersteht. Zum Beispiel wird das verdampfbare Lösungsmittel in einer weiteren Ausführungsform in die Antifoulingbeschichtung eingemischt, um eine thixotropische Mischung zu bilden. Geeignete verdampfbare Lösungsmittel umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Alkohole, wie z.B. Alkohole mit zwischen einem und vier Kohlenstoffen (CH₃OH bis C₄H₇OH).
Die schmierfähigen Partikel und/oder die harten Partikel in der Antifoulingbeschichtung haben die gleichen, ähnlichen oder unähnlichen Größenbereichsverteilungen. In einer Ausführungsform haben die schmierfähigen Partikel und/ oder die harten Partikel eine Größe in dem Bereich von Nanogröße bis 6 Mikrometer mit einem Seitenverhältnis von 1:1 bis 3:1. Partikel von Nanogröße umfassen Partikel mit einer Größe in dem Bereich zwischen 1 und 100 Nanometern. In einer weiteren Ausführungsform weisen die schmierfähigen Partikel und/ oder die harten Partikel eine Größe in dem Bereich von Nanogröße bis weniger als 3 Mikrometer, eine mittlere Größe von etwa 1 Mikrometer, eine mittlere Größe von weniger als etwa 1 Mikrometer oder eine beliebige Kombination, Unterkombination, einen beliebigen Bereich oder Teilbereich von diesen auf. In einer weiteren Ausführungsform enthalten die schmierfähigen Partikel und/oder die harten Partikel eine beliebige Größe, die kleiner ist als diejenige der größeren Fremdpartikel, die mit der Beschichtung in Kontakt gelangen, wie beispielsweise von Luftstrompartikeln (z.B. Oxidpartikeln) in einer Turbine. Die kleinere Größe der schmierfähigen Partikel und/oder der harten Partikel reduziert oder eliminiert die Haftung der größeren Fremdpartikel an der Beschichtung.
Bezugnehmend auf 1 enthält ein Antifoulingbeschichtungssystem 100 eine Komponente 101, eine Basisbeschichtung 103 und eine Deckbeschichtung 105. In einer Ausführungsform enthält die Komponente 101 eine Turbinenkomponente, wie beispielsweise, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, eine Verdichterschaufel, eine Verdichterschaufel einer hinteren Stufe, eine andere Turbinenkomponente oder eine Kombination von diesen. In einer weiteren Ausführungsform enthält die Basisbeschichtung 103 eine Aluminiumoxidschicht, die über der Komponente 101 liegt, wobei die Basisbeschichtung 103 eine Basisbeschichtungsdicke 113 aufweist. Die Basisbeschichtungsdicke 113 beträgt wenigstes etwa 50 Mikrometer, zwischen etwa 20 und etwa 100 Mikrometer, zwischen etwa 35 und etwa 85 Mikrometern, zwischen etwa 50 und etwa 75 Mikrometer oder eine beliebige Kombination, Unterkombination, einen beliebigen Bereich oder Teilbereich von diesen. Zum Beispiel enthält eine Basisbeschichtung eine 50 bis 75 Mikrometer dicke Schicht aus Partikeln auf Aluminiumbasis in einer Phosphatmatrix. In einer weiteren Ausführungsform enthält die Deckbeschichtung 105 die Antifoulingbeschichtung, die über der Basisbeschichtung 103 liegt, wobei die Antifoulingbeschichtung eine Antifoulingbeschichtungsdicke 115 aufweist. Die Antifoulingbeschichtungsdicke 115 beträgt wenigstens 15 Mikrometer, zwischen etwa 15 und etwa 75 Mikrometer, zwischen etwa 20 und etwa 60 Mikrometer, zwischen etwa 25 und etwa 50 Mikrometer oder eine beliebige Kombination, Unterkombination, einen beliebigen Bereich oder Teilbereich von diesen.
Wenn sie als die Deckbeschichtung 105 aufgebracht wird, ergibt die Antifoulingbeschichtung eine Antihaftoberfläche auf einer Außenseite der Komponente 101. Die Antihaftoberfläche reduziert oder eliminiert das Haftvermögen von Fremdpartikeln, was ein Fouling der Komponente 101, auf der die Beschichtung aufgebracht ist, reduziert oder eliminiert. Zusätzlich ergibt/ergeben die Antifoulingbeschichtung und/ oder die Basisbeschichtung 103 eine Oxidationsschutzbarriere, die eine Oxidation der Komponente 101, wie z.B. während eines Turbinenbetriebs, bei Heißpressvorgängen oder bei einer Kombination von diesen reduziert oder eliminiert. Die Oxidationsschutzbarriere wird durch die Dicke und/oder die Füllerpartikel der Antifoulingbeschichtung geschaffen. In einer Ausführungsform ist die Antifoulingbeschichtung schmierfähig, sie stellt eine Antihaftoberfläche bereit und/oder stellt eine Oxidationsschutzbarriere bei Temperaturen von bis zu etwa 1582°F, bis zu etwa 1562°F, zwischen etwa 250°F und etwa 1600°F, zwischen etwa 250°F und etwa 1582°F, zwischen etwa 300°F und etwa 1562°F, zwischen etwa 300°F und etwa 1000°F oder in einer beliebigen Kombination, Teilkombination, einem beliebigen Bereich oder Teilbereich von diesen bereit. Zum Beispiel wird die Antifoulingbeschichtung in einer weiteren Ausführungsform auf Verdichterschaufeln aufgebracht, die eine Temperatur von wenigstens etwa 900°F erfahren, um die Antihaftoberfläche und/oder die Oxidationsschutzbarriere während des Turbinenbetriebs bereitzustellen. In einer weiteren Ausführungsform ist die Antifoulingbeschichtung gegenüber organischen und/oder korrosiven Mitteln inert, wird durch Metallschmelze, Glasschmelze und/oder Schlacken nicht benetzt oder bietet eine Kombination von diesen.
Bezugnehmend auf die 1 und 2 enthält ein Verfahren zum Aufbringen der Antifoulingbeschichtung ein Bereitstellen der Komponente 101 (Schritt 201), Aufbringen der Basisbeschichtung 103 über die Komponente 101 (Schritt 203) und Aufbringen der Deckbeschichtung 105 über die Basisbeschichtung 103 (Schritt 205). Die Antifoulingbeschichtung wird am Einsatzort, im Feld auf im Einsatz befindliche Komponenten, auf neue Komponenten oder eine Kombination von diesen aufgebracht. Wie hierin verwendet, bezeichnet eine im Einsatz befindliche Komponente eine beliebige Komponente, die früher für einen Betrieb hergestellt und/oder in Betrieb gesetzt wurde. In einer Ausführungsform enthält die Komponente 101 eine Turbinenkomponente mit einer Betriebstemperatur von bis zu 1562°F. In einer anderen Ausführungsform enthält das Verfahren vor dem Aufbringen der Basisbeschichtung 103 über die Komponente 101 ein Vorbereiten der Komponente 101, wie z.B. durch Strahlen einer Oberfläche der Turbinenkomponente (Schritt 202). Das Strahlen der Oberfläche erzeugt eine Oberflächenbeschaffenheit (ein Oberflächenfinish), die eine Rauheit aufweist, die eine mechanische Bindung einer Beschichtung (z.B. der Basisbeschichtung 103) an der Oberfläche unterstützt. Zum Beispiel erzeugt das Strahlen eine Mittenrauheit (RA) von bis zu etwa 50 Mikrozoll, bis zu etwa 30 Mikrozoll, bis zu etwa 25 Mikrozoll, bis zu etwa 20 Mikrozoll oder eine beliebige Kombination, Teilkombination, einen beliebigen Bereich oder Teilbereich von diesen. Nach dem Strahlen der Oberfläche (Schritt 202) wird die Basisbeschichtung (103) über die Komponente (101) (Schritt 203) aufgebracht, wobei die Basisbeschichtung 103 bis zu der Basisbeschichtungsdicke 113 aufgebracht wird. In einer weiteren Ausführungsform werden die Basisbeschichtung 103 und die Komponente 101 anschließend bei einer ersten vorausgewählten Temperatur für eine erste vorausgewählte Zeitdauer wärmebehandelt (Schritt 204). Die Wärmebehandlung der Basisbeschichtung 103 und der Komponente 101 härtet die Basisbeschichtung 103 an der Komponente 101 aus.
Als nächstes wird die Deckbeschichtung 105 über die Basisbeschichtung 103 aufgebracht (Schritt 205), wobei die Deckbeschichtung 105 die Antifoulingbeschichtung enthält, die bis zu der Antifoulingbeschichtungsdicke 115 aufgebracht wird. In einer Ausführungsform enthält die Antifoulingbeschichtung die rohe Aufschlämmungsbeschichtung. Die rohe Aufschlämmungsbeschichtung wird über die Basisbeschichtung 103 durch ein beliebiges Verfahren, wie beispielsweise, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, durch Sprühen, Eintauchen oder Tränken der Komponente in der rohen Aufschlämmungsbeschichtung, Polieren, Tauchen und Schleudern, durch physikalische Dampfabscheidung oder eine Kombination von diesen aufgebracht. Die Aufbringung der rohen Aufschlämmungsbeschichtung verringert oder eliminiert den Einsatz von Hochveredelungstechnologie, wie beispielsweise, ohne Beschränkung darauf, der Vakuumanwendung, teurer Materialien, erhöhten Temperaturen oder einer Kombination von diesen, was die Anwendungskosten verringert.
Vor dem Aufbringen der Deckbeschichtung 105 kann die Viskosität der Antifoulingbeschichtung vergrößert oder verringert werden, indem der Volumengehalt des verdampfbaren Lösungsmittels verringert bzw. vergrößert wird. In einem Beispiel wird der Volumengehalt des verdampfbaren Lösungsmittels angepasst, um eine Aufbringung der rohen Aufschlämmungsbeschichtung über die Basisbeschichtung durch Eintauchen der Komponente 101 in die rohe Aufschlämmungsbeschichtung zu erleichtern. In einem weiteren Beispiel wird der Volumengehalt des verdampfbaren Lösungsmittels erhöht, um eine verringerte Viskosität zu erzielen, die ein Sprühen der rohen Aufschlämmungsbeschichtung ohne ein gravitationsbedingtes Fließen der Deckbeschichtung 105 nach dem Auftrag ermöglicht. In einer Ausführungsform, wenn die rohe Aufschlämmungsbeschichtung durch Sprühen aufgetragen wird, weisen die Füllerpartikel und die schmierfähigen Partikel die gleiche oder im Wesentlichen die gleiche Größenbereichsverteilung auf.
Die Antifoulingbeschichtung wird anschließend getrocknet und nachfolgend bei einer zweiten vorausgewählten Temperatur für eine zweite vorausgewählte Zeitdauer wärmebehandelt (Schritt 206). Alternativ kann die Antifoulingbeschichtung gleichzeitig getrocknet und wärmebehandelt werden. Die Wärmebehandlung härtet die Antifoulingbeschichtung an der Basisbeschichtung 103 unter Bildung einer beschichteten Komponente aus. In einer weiteren Ausführungsform wird die beschichtete Komponente nach dem Aushärten der Antifoulingbeschichtung poliert. Das Polieren der beschichteten Komponente verringert oder eliminiert hohe Bereiche, die während der Aufbringung der Antifoulingbeschichtung erzeugt werden, verringert die Oberflächenrauheit der Antifoulingbeschichtung oder leistet eine Kombination von diesen. Zum Beispiel ergibt das Polieren eine Mittenrauheit (RA) der Antifoulingbeschichtung von bis zu etwa 50 Mikrozoll, bis zu etwa 25 Mikrozoll, bis zu etwa 20 Mikrozoll, bis zu etwa 15 Mikrozoll, bis zu etwa 10 Mikrozoll oder eine beliebige Kombination, Unterkombination, einen beliebigen Bereich oder Unterbereich von diesen.
Die erste vorausgewählte Temperatur und die zweite vorausgewählte Temperatur sind gleich, im Wesentlichen gleich oder voneinander verschieden. Geeignete Temperaturen umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, bis zu etwa 750°F, zwischen etwa 550°F und etwa 750°F, zwischen etwa 600°F und 700°F, etwa 650°F oder eine beliebige Kombination, Unterkombination, einen beliebigen Bereich oder Teilbereich von diesen. Die erste vorausgewählte Zeitdauer und die zweite vorausgewählte Zeitdauer sind gleich, im Wesentlichen gleich oder voneinander verschieden. Geeignete Zeitdauern umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, bis zu etwa 3 Stunden, zwischen etwa 0,5 und 3 Stunden, zwischen etwa 0,5 und etwa 2 Stunden oder eine beliebige Kombination, Unterkombination, einen beliebigen Bereich oder Teilbereich von diesen.
In einer Ausführungsform, wenn die Antifoulingbeschichtung an der im Einsatz befindlichen Komponente aufgebracht wird, enthält das Verfahren ein Entfernen einer bestehenden äußeren Beschichtung oder der bestehenden äußeren Beschichtung und wenigstens eines Abschnitts einer bestehenden inneren Beschichtungsschicht. Zum Beispiel enthält das Verfahren zum Aufbringen der Antifoulingbeschichtung in einer weiteren Ausführungsform ein Entfernen einer bestehenden äußeren Beschichtung aus keramischen Aluminiumoxidflocken und wenigstens eines Abschnitts einer inneren Schicht aus Aluminiumpartikeln aus der im Einsatz befindlichen Komponente. Die Basisbeschichtung 103 und/oder die Antifoulingbeschichtung werden anschließend über die im Einsatz befindliche Komponente entsprechend den hierin offenbarten Ausführungsformen aufgebracht.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden ist, wird von Fachleuten auf dem Gebiet verstanden, dass verschiedene Veränderungen vorgenommen werden können und Elemente durch ihre Äquivalente ersetzt werden können, ohne dass von dem Umfang der Erfindung abgewichen wird. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren Wesentlichem Umfang abzuweichen. Folglich besteht die Absicht, dass die Erfindung nicht auf die spezielle Ausführungsform, die als die beste Art zur Ausführung dieser Erfindung offenbart ist, beschränkt sein soll, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfasst, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
Es sind eine Beschichtung, ein Beschichtungssystem und ein Beschichtungsverfahren geschaffen. Die Beschichtung enthält zwischen etwa 0,25–35% Füllerpartikel, die in einer Chromphosphat-Bindemittelmatrix eingebettet sind, die einen Rest der Beschichtung pro Volumen aufweist. Die Füllerpartikel weisen eine Größe in dem Bereich von Nanogröße bis 6 Mikrometern mit einem Seitenverhältnis von 1:1 bis 3:1 auf und enthalten bis zu 100 Gew.-% schmierfähige Partikel mit einem Rest harter Partikel. Die schmierfähigen Partikel sind aus der Gruppe ausgewählt, zu der Bornitrid (BN), Titannitrid (TiN), Titanoxid (TiO₂), Zink (Zn), Zinn (Sn), Zink- und Zinnoxide und Kombinationen von diesen gehören. Die harten Partikel sind aus der Gruppe ausgewählt, zu der Chromkarbid (CrC), Wolframkarbid (WC), Silizium (Si), Aluminium (Al), Silizium- und Aluminiumoxide oder -nitride und Kombinationen von diesen gehören. Eine rohe Aufschlämmungsbeschichtung enthält ein verdampfbares Lösungsmittel, das mit den Füllerpartikeln und der Chromphosphat-Bindemittelmatrix vermischt ist.

Claims

Antifouling-Beschichtung, die aufweist: zwischen etwa 0,25 Vol.-% und etwa 35 Vol.-% Füllerpartikel, wobei die Füllerpartikel eine Größe in dem Bereich von Nanogröße bis 6 Mikrometer mit einem Seitenverhältnis von 1:1 bis 3:1 aufweisen, wobei die Füllerpartikel enthalten: bis zu 100 Gew.-% schmierfähige Partikel, wobei die schmierfähigen Partikel aus der Gruppe ausgewählt sind, zu der Bornitrid (BN), Titannitrid (TiN), Titanoxid (TiO₂), Zink (Zn), Zinn (Sn), Zink- und Zinnoxide und Kombinationen von diesen gehören; und einen Rest harte Partikel, wobei die harten Partikel aus der Gruppe ausgewählt sind, zu der Chromkarbid (CrC), Wolframkarbid (WC), Silizium (Si), Aluminium (Al), Oxide oder Nitride von Silizium und Aluminium und Kombinationen von diesen gehören; und eine Chromphosphat-Bindemittelmatrix, die einen Rest der Beschichtung pro Volumen aufweist; wobei die Füllerpartikel in der Chromphosphat-Bindemittelmatrix eingebettet sind.
Antifoulingbeschichtung nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung eine Dicke von etwa 15–75 Mikrometern aufweist; wobei die Beschichtung vorzugsweise eine Dicke von etwa 25–50 Mikrometern aufweist.
Antifoulingbeschichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die schmierfähigen Partikel und die harten Partikel die gleiche Größenbereichsverteilung aufweisen; und/oder wobei die schmierfähigen Partikel Bornitrid enthalten.
Antifoulingbeschichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung eine maximale Einsatztemperatur von etwa 1582°F aufweist.
Rohe Antifouling-Aufschlämmungsbeschichtung, die aufweist: ein galvanisches schützendes Chromphosphat-Bindemittel; zwischen etwa 0,25 Vol.-% und etwa 35 Vol.-% Pulvergemisch, wobei das Pulvergemisch mit dem Bindemittel vermischt ist und Füllerpartikel mit einer Größe in dem Bereich von Nanogröße bis 6 Mikrometer mit einem Seitenverhältnis von 1:1 bis 3:1 aufweist, wobei die Füllerpartikel enthalten: bis zu 100 Gew.-% schmierfähige Partikel, wobei die schmierfähigen Partikel aus der Gruppe ausgewählt sind, zu der Bornitrid (BN), Titannitrid (TiN), Titanoxid (TiO₂), Zink (Zn), Zinn (Sn), Zink- und Zinnoxide und Kombinationen von diesen gehören; und einen Rest harte Partikel, wobei die harten Partikel aus der Gruppe ausgewählt sind, zu der Chromkarbid (CrC), Wolframkarbid (WC), Silizium (Si), Aluminium (Al), Oxide oder Nitride von Silizium und Aluminium und Kombinationen von diesen gehören; und ein verdampfbares Lösungsmittel, das mit dem Pulvergemisch und dem Bindemittel in einem Anteil vermischt ist, der ausreicht, dass die Aufschlämmung eine Viskosität aufweist, die einem gravitationsbedingten Fließen beim Trocknen widersteht, wobei das verdampfbare Lösungsmittel und das Bindemittel einen Rest der rohen Antifouling-Aufschlämmungsbeschichtung aufweisen.
Rohe Antifouling-Aufschlämmungsbeschichtung nach Anspruch 5, wobei das verdampfbare Lösungsmittel ein Alkohol ist, der aus der Gruppe von Alkoholen ausgewählt ist, zu der CH₃OH bis C₄H₇OH gehören.
Antifouling-Beschichtungssystem für eine Turbinenkomponente, das aufweist: eine Turbinenkomponente; eine die Turbinenkomponente überdeckende Basisbeschichtung aus Aluminiumoxid, die eine erste vorbestimmte Dicke aufweist; und eine Antifouling-Deckbeschichtung, die ferner aufweist: zwischen etwa 0,25 Vol.-% und etwa 35 Vol.-% Füllerpartikel, wobei die Füllerpartikel eine Größe in dem Bereich von Nanogröße bis 6 Mikrometer mit einem Seitenverhältnis von 1:1 bis 3:1 aufweisen, wobei die Füllerpartikel enthalten: bis zu 100 Gew.-% schmierfähige Partikel, wobei die schmierfähigen Partikel aus der Gruppe ausgewählt sind, zu der Bornitrid (BN), Titannitrid (TiN), Titanoxid (TiO₂), Zink (Zn), Zinn (Sn), Zink- und Zinnoxide und Kombinationen von diesen gehören; und einen Rest harte Partikel, wobei die harten Partikel aus der Gruppe ausgewählt sind, zu der Chromkarbid (CrC), Wolframkarbid (WC), Silizium (Si), Aluminium (Al), Oxide oder Nitride von Silizium und Aluminium und Kombinationen von diesen gehören; und eine Chromphosphat-Bindemittelmatrix, die einen Rest der Antifouling-Deckbeschichtung pro Volumen aufweist.
Antifouling-Beschichtungssystem nach Anspruch 7, wobei die Deckbeschichtung eine Dicke von etwa 15–75 Mikrometern aufweist; wobei die Deckbeschichtung vorzugsweise eine Dicke von etwa 25–50 Mikrometern aufweist.
Antifouling-Beschichtungssystem nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Deckbeschichtung eine maximale Einsatztemperatur von etwa 1582°F aufweist; und/oder wobei die Turbinenkomponente Verdichterschaufeln enthält, die eine Temperatur von wenigstens 900°F während eines Turbinenbetriebs erfahren.
Antifouling-Beschichtungssystem nach einem beliebigen der Ansprüche 7–9, wobei die Basisbeschichtung ferner Partikel auf Aluminiumbasis in einer Phosphatmatrix mit einer Dicke von etwa 35–85 Mikrometern aufweist.
Antifouling-Beschichtungssystem nach einem beliebigen der Ansprüche 7–10, wobei die Oberflächenbeschaffenheit der Antifouling-Deckbeschichtung eine Mittenrauheit (RA) von etwa 50 Mikrometern oder glatter aufweist.
Verfahren zum Aufbringen eines Antifouling-Beschichtungssystems auf eine Turbinenkomponente, das die Schritte aufweist: Bereitstellen einer Turbinenkomponente, die eine Betriebstemperatur unterhalb von etwa 1582°F aufweist; Strahlen einer Oberfläche der Turbinenkomponente, um eine Oberflächenbeschaffenheit zu erzeugen, die hinreichend rau ist, um eine mechanische Bindung einer Beschichtungsschicht zu unterstützen; Beschichten der gestrahlten Oberfläche bis zu einer ersten vorausgewählten Dicke mit einer Basisbeschichtung aus Aluminiumpartikeln in einer Phosphatmatrix; Wärmebehandlung der beschichteten Turbinenkomponente bei einer ersten vorausgewählten Temperatur für eine erste vorausgewählte Zeitdauer, wobei die Basisbeschichtung an der Turbinenkomponente ausgehärtet wird; Aufbringen einer Aufschlämmung einer Antifoulingbeschichtung über die Basisbeschichtung bis zu einer zweiten vorausgewählten Dicke, wobei die Antifoulingbeschichtung aufweist: ein galvanisches schützendes Chromphosphat-Bindemittel; zwischen etwa 0,25 Vol.-% und etwa 35 Vol.-% Pulvergemisch, wobei das Pulvergemisch mit dem Bindemittel vermischt ist und Füllerpartikel mit einer Größe in dem Bereich von Nanogröße bis 6 Mikrometer mit einem Seitenverhältnis von 1:1 bis 3:1 aufweist, wobei die Füllerpartikel enthalten: bis zu 100 Gew.-% schmierfähige Partikel, wobei die schmierfähigen Partikel aus der Gruppe ausgewählt sind, zu der Bornitrid (BN), Titannitrid (TiN), Titanoxid (TiO₂), Zink (Zn), Zinn (Sn), Zink- und Zinnoxide und Kombinationen von diesen gehören; und einen Rest harte Partikel, wobei die harten Partikel aus der Gruppe ausgewählt sind, zu der Chromkarbid (CrC), Wolframkarbid (WC), Silizium (Si), Aluminium (Al), Oxide oder Nitride von Silizium und Aluminium und Kombinationen von diesen gehören; und ein verdampfbares Lösungsmittel, das mit dem Pulvergemisch und dem Bindemittel in einem Anteil vermischt ist, der ausreicht, dass die Aufschlämmung eine Viskosität aufweist, die einem gravitationsbedingten Fließen beim Trocknen widersteht, wobei das verdampfbare Lösungsmittel und das Bindemittel einen Rest der rohen Antifouling-Aufschlämmungsbeschichtung aufweisen; Trocknen der Aufschlämmungsschicht; Wärmebehandeln der über der beschichteten Turbinenkomponente aufgebrachten Antifoulingbeschichtung bei einer zweiten vorausgewählten Temperatur für eine zweite vorausgewählte Zeitdauer, wobei die Antifoulingbeschichtung an der Basisbeschichtung ausgehärtet wird; und optional Polieren der beschichteten Turbinenkomponente, wodurch jegliche hohe Bereiche, die von der Aufbringung der Beschichtung herrühren, entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei eine Zusammensetzung der Aufschlämmung durch Anpassung des Volumengehalts des verdampfbaren Lösungsmittels derart angepasst wird, dass die Aufschlämmung hinreichend flüssig ist, so dass die Aufschlämmung über die Basisbeschichtung durch Besprühen der Turbinenkomponente mit der Aufschlämmung aufgebracht wird; wobei die schmierfähigen Partikel und die harten Partikel der Aufschlämmung die gleiche Größenbereichsverteilung aufweisen können, wenn die Aufschlämmung durch Sprühen aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei eine Zusammensetzung der Aufschlämmung durch Anpassung des Volumengehalts des verdampfbaren Lösungsmittels derart angepasst wird, dass die Aufschlämmung hinreichend viskos ist, so dass die Aufschlämmung über die Basisbeschichtung durch Eintauchen der Turbinenkomponente in die Aufschlämmung aufgebracht werden kann.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 12–14, wobei der Schritt der Wärmebehandlung der über der beschichteten Turbinenkomponente aufgebrachten Antifoulingbeschichtung bei einer zweiten vorausgewählten Temperatur für eine zweite vorausgewählte Zeitdauer eine Wärmebehandlung der Komponente bei einer Temperatur von etwa 550–750°F für eine Zeitdauer in dem Bereich von etwa 0,5–2 Stunden enthält.