EP0376061B1 - Hochtemperatur-Schutzschicht - Google Patents
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- C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
Definitions
- the invention relates to a high-temperature protective layer according to the preamble of claim 1.
- Such high-temperature protective layers are used above all where the base material of components made of heat-resistant steels and / or alloys that are used at temperatures above 600 ° C is to be protected.
- High-temperature protective layers are of particular importance for components of gas turbines. They are mainly applied to rotor blades and guide vanes, as well as to heat accumulation segments in gas turbines.
- An austenitic material based on nickel, cobalt or iron is preferably used to manufacture these components.
- nickel superalloys in particular are used as the base material.
- protective layers which are essential Contain components nickel, cobalt, chrome, aluminum and yttrium.
- the aluminum content of these protective layers is relatively high.
- the surface of the protective layer automatically forms an aluminum oxide-containing coating which contributes to the corrosion resistance of the actual protective layer.
- a disadvantage of these protective layers is that they are not sufficiently adapted to the base material of the components to be protected. At high temperatures, compatibility problems arise between the protective layers and the base material of the components.
- the component of a thermal machine which is made of a super alloy.
- the high-temperature protective layer provided for protection is made of ceramic, an intermediate layer being arranged between the ceramic layer and the component, which essentially contains chromium, aluminum and yttrium as well as nickel, cobalt or iron.
- the formation of pores between the component and the protective layer is not given here, since the high-temperature protective layer consists of ceramic.
- DE-A-3 426 201 describes a component made of an oxide dispersion hardened alloy.
- the component is provided with a protective layer that contains chromium, aluminum, titanium, molybdenum, tungsten, tantalum, zirconium, boron and nickel.
- EP-A-0 079 077 describes a component made of an austenitic material which is provided with a high-temperature protective layer consisting of nickel, chromium, silicon and boron.
- the invention has for its object to show a high temperature protective layer of the type mentioned for a component made of an austenitic material, with which the pore formation between the component and the protective layer and a low ductility with high aluminum and chromium content of the high temperature protective layer can be avoided.
- the high-temperature protective layer is formed by a cover layer and an intermediate layer, which are applied successively to the component made of the austenitic material Pore formation can be prevented if an intermediate layer with the composition Ni25Cr5Al3Si0.5Y1TA is first applied to the component.
- the intermediate layer is preferably applied in a thickness between 50 and 100 ⁇ m.
- the cover layer which contains nickel, cobalt, chromium, aluminum and yttrium as essential components, is applied directly to this intermediate layer.
- a cover layer with the composition Ni20.5Cr11.5Al2.5Si0.5Y1Ta12Co is preferably applied. Instead of this cover layer, one with the composition Ni23Cr9.5Al2.5Si0.5Y1Ta10Co can also be applied.
- the intermediate layer and the top layer are applied by means of low-pressure plasma spraying.
- the cover layer is preferably applied with a thickness between 200 and 300 ⁇ m. After the top layer has been applied, the component is then heat-treated. After the same, the high-temperature protective layer is completed.
- the cover layer it is possible to apply the cover layer only partially, specifically at the locations of the components that are subject to very high thermal stress.
- the cover layer is then embedded in the intermediate layer at these points.
- the intermediate layer In the areas that are subject to high thermal stress, the intermediate layer is only formed between 50 and 100 ⁇ m thick, while in the other areas it is applied up to 300 ⁇ m thick.
- the cover layer is then applied with a thickness between 200 and 300 ⁇ m to the thinly applied intermediate layer in the regions subjected to high thermal stress, in such a way that its surface is flush with the intermediate layer in the edge regions.
- FIG. 1 shows a vertical section through the high-temperature protective layer 1 according to the invention. This is formed by an intermediate layer 2 and a cover layer 3.
- the high-temperature protective layer 1 is applied to the thermally highly stressed surface of a gas turbine blade 4, which is shown in regions in FIG. 1.
- the gas turbine blade 4 is made of an austenitic material, preferably a superalloy based on nickel.
- the intermediate layer 2, the composition of which corresponds to the state of equilibrium which occurs after a longer diffusion time between the cover layer 3 and the material of the gas turbine blade 4, is first applied to its thermally highly stressed surface 4F by means of low-pressure plasma spraying.
- the intermediate layer 2 consists of nickel, chromium, aluminum, silicon, yttrium and tantalum.
- the cover layer 3 has the composition Ni25Cr5AL3Si0.5Y1Ta.
- the cover layer 3 is also applied with low-pressure plasma spraying.
- the cover layer preferably has a thickness between 200 and 300 ⁇ m. Its main components are nickel, cobalt, chromium, aluminum and yttrium.
- the cover layer 3 has a composition in the form of Ni20.5Cr11.5Al2.5Si0.5Y1Ta12Co.
- a cover layer with this composition is also applied with a thickness of 200 to 300 ⁇ m.
- the application of the cover layer is followed by a two-hour heat treatment of the high-temperature protective layer 1 in a vacuum at 1120 ° C. After the heat treatment has ended, the high-temperature protective layer 1 is finished.
- FIG. 2 shows a further possibility for coating the gas turbine blade 4.
- Such gas turbine blades are subjected to less thermal stress in the foot and shroud area. Mechanical loads, on the other hand, are very high in these areas.
- the cover layer 3 is therefore only partially applied according to the invention.
- the intermediate layer 2 is first applied to the surface 4F of the gas turbine blade 4.
- the intermediate layer 2 is applied with a thickness of 50 to 100 ⁇ m in the region 5 that is subjected to high thermal stress, while it is applied with a thickness of 200 to 300 ⁇ m in the region 6 that is subjected to less thermal stress.
- the intermediate layer 2 has the same composition as the intermediate layer 2 shown in FIG. 1 and explained in the associated description.
- the cover layer 3 is applied to the intermediate layer 2 with a thickness between 200 and 300 ⁇ m.
- the thickness of the cover layer 3 is selected so that the surface 3F of the cover layer 3 lies in one plane with the surface 2F of the intermediate layer 2, and a flush transition between the two layers 2 and 3 is ensured.
- the top layer 3 can have the same compositions have, as the cover layer 3 shown in Figure 1, which is explained in the associated description.
- the application of the two layers 2 and 3 is in turn followed by a heat treatment.
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperatur-Schutzschicht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
- Solche Hochtemperatur-Schutzschichten kommen vor allem dort zur Anwendung, wo der Grundwerkstoff von Bauelementen aus warmfesten Stählen und/oder Legierungen zu schützen ist, die bei Temperaturen über 600 °C zum Einsatz kommen. Durch solche Hochtemperatur-Schutzschichten soll die Wirkung von Hochtemperatur-Korrosionen, vor allem von Schwefel, Ölaschen, Sauerstoff, Erdalkalien und Vanadium verlangsamt bzw. vollständig unterbunden werden.
- Bei Bauelementen von Gasturbinen sind Hochtemperatur-Schutzschichten von besonderer Bedeutung. Sie werden vor allem auf Lauf- und Leitschaufeln, sowie auf Wärmestausegmente von Gasturbinen aufgetragen.
- Für die Fertigung dieser Bauelemente wird vorzugsweise ein austenitisches Material auf der Basis von Nickel, Kobalt oder Eisen verwendet. Bei der Herstellung von Gasturbinenbauteilen kommen vor allem Nickel-Superlegierungen als Grundmaterial zur Anwendung.
- Bauelemente die für Gasturbinen bestimmt sind, werden bspw. mit Schutzschichten überzogen, die als wesentliche Bestandteile Nickel, Kobalt, Chrom, Aluminium und Yttrium enthalten. Der Aluminiumanteil dieser Schutzschichten ist relativ hoch. Hierdurch kommt es unter Betriebsbedingungen, insbesondere, wenn die damit beschichteten Bauteile eine Temperatur von mehr als 900°C ausgesetzt sind, auf der Oberfläche der Schutzschicht zur selbsttätigen Ausbildung eines aluminiumoxidhaltigen Überzuges, der zur Korrosionsbeständigkeit der eigentlichen Schutzschicht beiträgt. Als Nachteil dieser Schutzschichten ist hervorzuheben, daß sie nicht genügend an den Grundwerkstoff der zu schützenden Bauelemente angepaßt sind. Bei hohen Temperaturen treten Verträglichkeitsprobleme zwischen den Schutzschichten und dem Grundwerkstoff der Bauelemente auf. Dieses wirkt sich dahingehend aus, daß sich zwischen der Schutzschicht und dem Grundwerkstoff Poren ausbilden, die durch Abdiffusion wesentlicher Legierungsbestandteile der Hochtemperaturschutzschicht oder des Grundwerkstoffs der Bauelemente hervorgerufen werden. Dieser Effekt wird als Kirkendall-Porosität bezeichnet. Ferner treten Probleme auch dann auf, wenn die Duktilität der Hochtemperaturschutzschicht bei Temperaturen unter 600°C gering ist, was bei Hochtemperaturschutzschichten mit hohem Aluminium- und Chromgehalt der Fall ist.
- Aus der EP-A-0 295 975 ist das Bauteil einer thermischen Maschine bekannt, daß aus einer Superlegierung gefertigt ist. Die zum Schutz vorgesehene Hochtemperaturschutzschicht ist aus Keramik gefertigt, wobei zwischen der Keramikschicht und dem Bauteil eine Zwischenschicht angeordnet ist, die im wesentlichem Chrom, Aluminium und Yttrium sowie Nickel, Kobalt oder Eisen enthält. Die Ausbildung von Poren zwischen dem Bauelement und der Schutzschicht sind hierbei nicht gegeben, da die Hochtemperaturschutzschicht aus Keramik besteht.
- In der DE-A-3 426 201 ist ein Bauelement aus einer oxiddispersiongehärteten Legierung beschrieben. Das Bauelement ist mit einer Schutzschicht versehen, das Chrom, Aluminium, Titan, Molybdän, Wolfram, Tantal, Zirkonium, Bor und Nickel enthält.
- In der EP-A-0 079 077 ist ein Bauteil aus einem austenitischen Werkstoff beschrieben, das mit einer Hochtemperaturschutzschicht versehen ist, die aus Nickel, Chrom, Silizium und Bor besteht.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochtemperaturschutzschicht der eingangs genannten Art für ein Bauelement aus einem austenitischen Werkstoff aufzuzeigen, mit welcher die Porenbildung zwischen dem Bauteil und der Schutzschicht sowie eine geringe Duktilität bei hohem Aluminium- und Chromgehalt der Hochtemperaturschutzschicht umgangen werden können.
- Lösungen dieser Aufgabe sind in den Patentansprüchen 1 bis 4 offenbart.
- Erfindungsgemäß wird die Hochtemperaturschutzschicht durch eine Deckschicht und eine Zwischenschicht gebildet, die nacheinander auf das Bauteil aus dem austenitischen Werkstoff aufgetragen werden, die Porenbildung läßt sich unterbinden, wenn auf das Bauelement zunächst eine Zwischenschicht mit der Zusammensetzung Ni25Cr5Al3Si0.5Y1TA aufgetragen wird. Vorzugsweise wird die Zwischenschicht in einer Dicke zwischen 50 und 100 µm aufgetragen. Auf diese Zwischenschicht wird unmittelbar die Deckschicht aufgebracht, die als wesentliche Bestandteile Nickel, Kobalt, Chrom, Aluminium und Yttrium enthält. Bevorzugt wird eine Deckschicht mit der Zusammensetzung Ni20.5Cr11.5Al2.5Si0.5Y1Ta12Co aufgetragen. Anstelle dieser Deckschicht kann auch eine solche mit der Zusammensetzung Ni23Cr9.5Al2.5Si0.5Y1Ta10Co aufgetragen werden. Das Auftragen der Zwischenschicht und der Deckschicht erfolgt mittels Niederdruckplasmaspritzen. Die Deckschicht wird vorzugsweise mit einer Dicke zwischen 200 und 300 µm aufgetragen. Nach dem Auftragen der Deckschicht schließt sich noch eine Wärmebehandlung des Bauelements an. Nach Beendigung derselben ist die Hochtemperatur-Schutzschicht fertiggestellt.
- Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit die Deckschicht nur partiell aufzubringen, und zwar an den Stellen der Bauelemente, die thermisch sehr stark beansprucht werden. Erfindungsgemäß wird die Deckschicht dann an diesen Stellen in die Zwischenschicht eingebettet. In den Bereichen, die thermisch stark beansprucht werden, wird die Zwischenschicht nur zwischen 50 und 100 µm dick ausgebildet, während sie in den übrigen Bereichen bis zu 300 µm dick aufgetragen wird. Auf die dünner aufgetragene Zwischenschicht in den thermisch stark belasteten Bereichen wird dann die Deckschicht mit einer Dicke zwischen 200 und 300 µm aufgetragen, und zwar so, daß ihre Oberfläche bündig mit der Zwischenschicht in den Randbereichen abschließt.
- Weitere erfindungswesentliche Merkmale werden in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
- Es zeigen:
- Figur 1:
- Ein mit der erfindungsgemäßen HochtemperaturSchutzschicht versehenes Bauelement,
- Figur 2:
- ein weiteres beschichtetes Bauelement.
- Figur 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch die erfindungsgemäße Hochtemperatur-Schutzschicht 1. Diese wird durch eine Zwischenschicht 2 und eine Deckschicht 3 gebildet. Die Hochtemperatur-Schutzschicht 1 ist auf die thermisch stark beanspruchte Fläche einer Gasturbinenschaufel 4 aufgetragen, die in Figur 1 bereichsweise dargestellt ist. Die Gasturbinenschaufel 4 ist aus einem austenitischen Werkstoff, vorzugsweise einer Superlegierung auf der Basis von Nickel gefertigt. Auf ihre thermisch stark belastete Fläche 4F ist zunächst die Zwischenschicht 2, deren Zusammensetzung dem Gleichgewichtszustand entspricht, der sich nach längerer Diffusionszeit zwischen der Deckschicht 3 und dem Werkstoff der Gasturbinenschaufel 4 einstellt, mittels Niederdruckplasmaspritzen aufgetragen. Die Zwischenschicht 2 besteht aus Nickel, Chrom, Aluminium, Silizium, Yttrium und Tantal. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist sie die Zusammensetzung Ni25Cr5AL3Si0,5Y1Ta auf. Nach dem Aufbringen der Zwischenschicht 2 wird die Deckschicht 3 ebenfalls mit Niederdruckplasmaspritzen aufgetragen. Die Deckschicht weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 200 und 300 µm auf. Ihre wesentlichen Bestandteile sind Nickel, Kobalt, Chrom, Aluminium, und Yttrium. Bei der hier dargestellten Ausführungsform weist die Deckschicht 3 eine Zusammensetzung in Form von Ni20.5Cr11.5Al2.5Si0.5Y1Ta12Co. Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit die Deckschicht auch mit einer Zusammensetzung in Form von Ni23Cr9.5Al12.5Si0.5Y1Ta10Co aufzutragen. Auch eine Deckschicht mit dieser Zusammensetzung wird mit einer Dicke von 200 bis 300 µm aufgetragen. An das Auftragen der Deckschicht schließt sich eine zweistündige Wärmebehandlung der Hochtemperatur-Schutzschicht 1 im Vakuum bei 1120 °C an. Nach Beendigung der Wärmebehandlung ist die Hochtemperatur-Schutzschicht 1 fertiggestellt.
- Figur 2 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Beschichtung der Gasturbinenschaufel 4. Solche Gasturbinenschaufeln werden im Fuß- und Deckbandbereich weniger thermisch belastet. Mechanische Belastungen sind dagegen in diesen Bereichen sehr hoch. Die Deckschicht 3 wird deshalb erfindungsgemäß nur partiell aufgetragen. Auf die Fläche 4F der Gasturbinenschaufel 4 ist in Figur 2 zunächst die Zwischenschicht 2 aufgetragen. Wie anhand von Figur 2 zu sehen ist, ist die Zwischenschicht 2 in dem thermisch stark belasteten Bereich 5 mit einer Dicke von 50 bis 100 µm aufgetragen, während sie in dem thermisch weniger belasteten Bereich 6 mit einer Dicke von 200 bis 300 µm aufgetragen ist. Die Zwischenschicht 2 weist die gleiche Zusammensetzung auf wie die in Figur 1 dargestellte und in der zugehörigen Beschreibung erläuterte Zwischenschicht 2. In dem thermisch stark belasteten Bereich 5 ist auf die Zwischenschicht 2 die Deckschicht 3 mit einer Dicke zwischen 200 und 300 µm aufgetragen. Die Dicke der Deckschicht 3 ist so gewählt, daß die Oberfläche 3F der Deckschicht 3 in einer Ebene mit der Oberfläche 2F der Zwischenschicht 2 liegt, und ein bündiger Übergang zwischen den zwei Schichten 2 und 3 sichergestellt ist. Die Deckschicht 3 kann die gleichen Zusammensetzungen aufweisen, wie die in Figur 1 dargestellte Deckschicht 3, die in der zugehörigen Beschreibung erläutert ist. Zur Fertigstellung der in Figur 2 dargestellten Hochtemperatur-Schutzschicht 1 schließt sich an das Auftragen der beiden Schichten 2 und 3 wiederum eine Wärmebehandlung an.
Claims (4)
- Hochtemperaturschutzschicht mit einer Deckschicht (3) aus Nickel, Kobalt, Chrom, Aluminium und Yttrium für Bauelemente aus einem austenitischen Werkstoff, vorzugsweise aus einer Nickel-Superlegierung, gekennzeichnet durch eine Zwischenschicht (2) aus Ni25Cr5Al3Si0.5Y1Ta, die 50 bis 100 µm dick auf die Oberfläche (4F) des Bauelementes (4) aufgetragen und die Deckschicht (3) aus Ni20.5Cr11.5Al2.5Si0.5Y1Ta12Co, die mit einer Dicke von 200 bis 300 µm auf die Zwischenschicht (2) aufgetragen ist.
- Hochtemperaturschutzschicht mit einer Deckschicht (3) aus Nickel, Kobalt, Chrom, Aluminium und Yttrium für Bauelemente aus einem austenitischen Werkstoff, vorzugsweise aus einer Nickel-Superlegierung, gekennzeichnet durch eine Zwischenschicht (2) aus Ni25Cr5Al3Si0.5Y1Ta, die 50 bis 100 µm dick auf die Oberfläche (4F) des Bauelementes (4) aufgetragen und die Deckschicht (3) aus Ni23Cr9.5Al2.5Si0.5Y1Ta10Co, die mit einer Dicke von 200 bis 300 µm auf die Zwischenschicht (2) aufgetragen ist.
- Hochtemperaturschutzschicht mit einer Deckschicht (3) aus Nickel, Kobalt, Chrom, Aluminium und Yttrium für Bauelemente aus einem austenitischen Werkstoff, vorzugsweise aus einer Nickel-Superlegierung, gekennzeichnet, durch eine Zwischenschicht (2) aus Ni25Cr5Al3Si0.5Y1Ta, welche auf die thermisch stark belasteten Bereiche (5) der Oberfläche (4F) des Bauelementes (4) mit einer Dicke von 50 bis 100 µm und auf die thermisch weniger stark belasteten Bereiche (6) mit einer Dicke zwischen 200 und 300 µm aufgetragen und durch die Deckschicht (3) aus Ni20.5Cr11.5Al2.5Si0.5Y1Ta12Co, die nur in thermisch stark belasteten Bereichen auf die Zwischenschicht (2) mit einer Dicke von 200 bis 300 µm so aufgetragen ist, daß ihre Oberfläche (3F) in einer Ebene mit der Oberfläche (2F) der in den thermisch weniger belasteten Bereichen aufgetragenen Zwischenschicht (2) liegt.
- Hochtemperaturschutzschicht mit einer Deckschicht (3) aus Nickel, Kobalt, Chrom, Aluminium und Yttrium für Bauelemente aus einem austenitischen Werkstoff, vorzugsweise aus einer Nickel-Superlegierung, gekennzeichnet durch eine Zwischenschicht (2) aus Ni25Cr5Al3Si0.5Y1Ta, welche auf die thermisch stark belasteten Bereiche (5) der Oberfläche (4F) des Bauelementes (4) mit einer Dicke von 50 bis 100 µm und auf die thermisch weniger stark belasteten Bereiche (6) mit einer Dicke zwischen 200 und 300 µm aufgetragen und die Deckschicht (3) aus Ni23Cr9.5Al2.5Si0.5Y1Ta10Co, die nur in thermisch stark belasteten Bereichen auf die Zwischenschicht (2) mit einer Dicke von 200 bis 300 µm so aufgetragen ist, daß ihre Oberfläche (3F) in einer Ebene mit der Oberfläche (2F) der in den thermisch weniger belasteten Bereichen aufgetragenen Zwischenschicht (2) liegt.
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