WO1997046734A1 - Product with a base structure consisting of a superalloy and an overlay system thereon, and process for the production thereof - Google Patents
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- WO1997046734A1 WO1997046734A1 PCT/DE1997/000997 DE9700997W WO9746734A1 WO 1997046734 A1 WO1997046734 A1 WO 1997046734A1 DE 9700997 W DE9700997 W DE 9700997W WO 9746734 A1 WO9746734 A1 WO 9746734A1
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Definitions
- the invention relates to a product with a base body consisting of a superalloy and a layer system thereon for protecting the base body against an aggressive hot gas, the layer system having a ceramic thermal insulation layer with an outer surface which can be exposed to the gas.
- the invention relates in particular to such a certificate, which is designed as a component for one
- Gas turbine in particular as a rotor blade, guide vane or heat shield, generally as a component which is exposed to a hot flue gas during its regular operation, which can be both oxidative and corrosive.
- a product as described at the outset is apparent from US Pat. No. 4,321,310, US Pat. No. 4,321,311, US Pat. No. 4,055,705 and US Pat. No. 5,262,245.
- the products described in these patents can be viewed as alternative configurations of a basic form of a corresponding product.
- the product has a base made of a superalloy and an outer surface which is formed by a ceramic thermal barrier coating. Most are presented between the ceramic thermal barrier coating and the base body Embodiments a metallic adhesive layer.
- This adhesive layer can have a composition of the MCrAlY type, ie a composition in the manner of an alloy which has iron, cobalt and / or nickel as the basis (for which the "M” stands) and chromium, aluminum and yttrium or as further essential constituents has an element equivalent to yttrium, such as scandium or a rare earth element.
- the MCrAlY composition is well known in the art; it is also generally known that this composition can be further developed by adding further elements. As such further elements, silicon, hafnium, tantalum, titanium, platinum and rhenium are representative of many.
- Known alternative compositions for the adhesive layer are intermetallic compounds made of nickel and aluminum or platinum and aluminum.
- WO 89/07159 AI, EP 0 486 489 B1 and EP 0 412 397 AI each show a layer system for protecting a base body made of a superalloy against an aggressive hot gas, which layer system is primarily metallic and one Contains a layer of an alloy of the type MCrAlY. Particularly favorable compositions for alloys of the MCrAlY type are also described, which are characterized by an additional rhenium content.
- the Swiss patent specification CH 660 200 A5 describes a method for applying a high-temperature corrosion protection layer to a component consisting of a superalloy or a high-melting metal in the base body.
- the component is a turbine blade, the high-temperature corrosion protection layer consisting of a metallic alloy, in particular an iron-cobalt or nickel-based alloy.
- a coherent intermediate layer serving as a diffusion barrier for the elements forming protective oxide is placed on the metallic base body, in particular made of a nickel-based superalloy applied from a platinum metal or rhenium.
- the actual metallic high-temperature corrosion protection layer is applied to this intermediate layer.
- the intermediate layer has a thickness between 5 ⁇ m and 100 ⁇ m.
- the growth rate of the oxide layer between a metallic adhesive layer and a ceramic thermal barrier layer represents a factor determining the service life, an alloy with a low oxidation rate is preferred for the adhesive layer. As already mentioned, this results in the preference of the corresponding alloys containing rhenium.
- the ceramic thermal barrier coating is also the subject of further development with regard to its chemical composition and the structure and type of its connection to the adhesive layer. At present, thermal insulation is mainly used layer of a zirconium oxide partially or completely stabilized with yttrium oxide.
- Such a thermal barrier coating is produced by atmospheric plasma spraying, in which the relevant properties of the thermal barrier coating are adjusted by setting a defined porosity and a layer-like to micro-segmented structure, and by predominantly mechanical interlocking on a correspondingly porous adhesive layer.
- a thermal barrier coating is produced by a vapor deposition process, in which the thermal barrier coating has an elongation-tolerant columnar crystalline structure and a mainly chemical bond to the correspondingly smooth adhesive layer to be provided. The chemical bonding of the thermal insulation layer to the adhesive layer takes place via a thin oxide layer formed between these layers. This is, if appropriate by means of appropriately formed intermediate connections, firmly connected both to the thermal insulation layer and to the adhesive layer.
- a layer system usually fails because, in addition to the oxidation of the adhesive layer, there are also thermal-mechanical alternating stresses, which can cause cracks to spread in the thermal insulation layer. In the case of a sprayed thermal insulation layer, this ultimately leads to flaking above the boundary between the ceramic and the metal, in the case of a thermal insulation layer separated from the vapor phase to flaking in the oxide layer formed between the actual thermal insulation layer and the adhesive layer. Following the flaking off of the thermal barrier coating, there is an increase in temperature on the surface of the adhesive layer, which in turn leads to rapid oxidation and the resulting rapid degradation of the adhesive layer.
- the invention is based on the object of specifying a product of the type specified in the introduction, in which the use of an advantage which can result from the use of rhenium takes place in an alternative manner.
- a product is provided with a base body consisting of a superalloy and a layer system thereon for protecting the base body against an aggressive hot gas, the layer system having a ceramic thermal insulation layer with an outer surface which can be exposed to the gas, and wherein the thermal barrier coating rests on an intermediate layer which rests on the base body and has the following composition of chemical elements by mass fraction: rhenium 35% to 60%, aluminum 10% to 20
- a special intermediate layer which contains at least a substantial proportion of the rhenium content desired in the layer system.
- the rhenium can be applied precisely where it is of particular interest because of its function as a means of reducing oxidation, namely at a boundary between the ceramic thermal barrier coating and the base body or on lying metallic adhesive layer. Since the intermediate layer can be applied thinly, its mechanical properties, in particular the question of whether it is more ductile or brittle, only play a marginal role.
- the intermediate layer is also comparatively rich in aluminum, optionally also gallium and / or silicon, and thus provides starting elements for forming an oxidic layer between the metallic part of the layer system and the ceramic thermal insulation layer.
- the material of the adhesive layer is preferably supplemented by an active element such as hafnium, yttrium or an element equivalent thereto such as scandium or the rare earth elements, since these elements make a desirable contribution to anchoring the oxidic layer mentioned to the intermediate layer.
- an active element such as hafnium, yttrium or an element equivalent thereto such as scandium or the rare earth elements, since these elements make a desirable contribution to anchoring the oxidic layer mentioned to the intermediate layer.
- a preferred composition for the intermediate layer has the following composition in mass proportions: rhenium 47%; Aluminum 15%;
- the intermediate layer of the product preferably lies on a metallic adhesive layer which consists of an alloy of the MCrAlY type, where M stands for at least one metal from the group comprising iron, cobalt and nickel as the basis of the alloy.
- This alloy also preferably contains additional rhenium, preferably with a mass fraction between 1% and 15%.
- the intermediate layer preferably has a thickness of less than 10 ⁇ m, in particular a thickness of approximately 5 ⁇ m. This ensures that the mechanical properties of the intermediate layer, in particular any brittleness, cannot adversely affect the entire layer system.
- the superalloy forming the base body is furthermore preferably a nickel-based or cobalt-based superalloy, examples of which are the generally known nickel-based superalloy IN738LC and the cobalt-based superalloy MAR-M-509 .
- the intermediate layer of the product is preferably a dispersion of a phase consisting essentially of an intermetallic compound of rhenium and chromium in a metallic matrix.
- the intermetallic compound has in particular the approximate composition Cr 3 Re, for which in particular chromium and rhenium with approximately equal proportions by weight must be present.
- the major part of the aluminum and any other elements which may be present is mainly present in the metallic matrix and is available from this matrix to form the oxide layer between the intermediate layer and the thermal insulation layer.
- the heat insulation layer of the product preferably consists essentially of an at least partially stabilized zirconium oxide, which is stabilized in particular by the addition of yttrium oxide.
- Zirconium oxide is characterized in that its relevant mechanical properties are relatively similar to the corresponding properties of the metals and alloys used.
- the stabilization of the zirconium oxide serves to prevent or at least slow down a phase transition in the structure of the zirconium oxide, which could occur in pure zirconium oxide under appropriate thermal stress.
- the product is preferably designed as a component for a gas turbine, in particular as a rotor blade, guide blade or heat shield. In this context, the product is suitable for use in a gas turbine. This is particularly so because it can withstand a temperature of up to 1000 ° C. and beyond when exposed to an oxidizing and corrosive flue gas, as is usually formed in a stationary gas turbine.
- a method for producing a product with a base body consisting of a superalloy and a layer system thereon for protecting the base body against an aggressive hot gas is provided, an intermediate layer being used to form the layer system is applied to the base body and a ceramic thermal insulation layer is applied to the intermediate layer, the intermediate layer having the following composition of chemical elements according to mass proportions: rhenium 35% to 60%, aluminum 10% to 20%, gallium 0% to 10%, silicon 0% to 2 hafnium 0% to 2%, an active element from the group containing yttrium, scandium and the rare earth elements:
- the intermediate layer is applied by plasma spraying, in particular vacuum plasma spraying or vapor deposition.
- a metallic adhesive layer is preferably first applied to the base body and then the intermediate layer is formed on the adhesive layer.
- a gas turbine component in particular a rotor blade, a guide blade or a heat shield element, with a base body consisting of the super alloy IN738LC is provided with a metallic adhesive layer which has a composition as described in the article cited by N. Czech, F. Schmitz and W. Stamm can be seen and which in particular requires a mass fraction of rhenium in an alloy based on nickel.
- This adhesive layer is applied by means of vacuum plasma spraying and compacted by blasting with glass beads or the like. There is no further surface treatment, especially smoothing.
- the intermediate layer is also applied by vacuum plasma spraying, to a thickness of approximately 5 ⁇ m.
- a ceramic thermal barrier coating made from partially stabilized zirconium oxide is then applied to the intermediate layer, by atmospheric plasma spraying.
- the ceramic thermal barrier coating is anchored to the intermediate layer and the adhesive layer partly by chemical bonding as already described, partly by mechanical bonding to the surface structures of the intermediate layer which remain due to the production.
- An adhesive layer corresponding to the adhesive layer from the present example is applied to a gas turbine component with a base body consisting of the cobalt-based superalloy MAR-M-509 and polished after the application and blasting.
- the intermediate layer is applied to the adhesive layer prepared in this way as described in the previous example, and a ceramic thermal insulation layer made of partially stabilized zirconium oxide is applied to the intermediate layer by physical vapor deposition with electron beam evaporation (EB-PVD).
- EB-PVD electron beam evaporation
- This heat-insulating layer has a columnar crystalline structure and is accordingly very tolerant of thermal expansion, since the columnar-shaped crystallites of the heat-insulating layer can move relatively freely against one another when the metallic structure expands from the base body and the metallic part of the layer system lying thereon. In terms of function, such a layer system is quite preferred over the layer system of the first example; it is due to its elaborate
- the intermediate layer is constructed in two phases; it is in the form of a dispersion of a phase consisting essentially of an intermetallic compound of rhenium and chromium in a metallic matrix.
- the intermetallic compound has the approximate composition Cr 3 Re, and the metallic matrix contains the other chemical besides rhenium and chromium Elements of the composition.
- the intermediate layer does not significantly impair the properties of the entire layer system, since it is very thin and, due to its high rhenium content, does not allow elements to diffuse to a significant extent. Accordingly, it fits easily between the metallic adhesive layer and the ceramic thermal barrier layer. It offers all essential properties in connection with oxidation and corrosion, which the chemical element rhenium can contribute, without further rhenium having to be added to the adhesive layer and possibly impairing its properties.
- the invention thus offers a powerful layer system for protecting a base body, in particular a base body of a gas turbine component, against an aggressive hot gas, at a temperature of 1000 ° C. or more.
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Abstract
Description
Beschreibungdescription
Erzeugnis mit einem Grundkörper aus einer Superlegierung und einem darauf befindlichen Schichtsystem sowie Verfahren zu seiner HerstellungProduct with a body made of a superalloy and a layer system thereon and method for its production
Die Erfindung betrifft ein Erzeugnis mit einem aus einer Su¬ perlegierung bestehenden Grundkörper und einem darauf befind¬ lichen Schichtsystem zum Schutz des Grundkörpers gegen ein aggressives heißes Gas, wobei das Schichtsystem eine kerami¬ sche Wärmedämmschicht mit einer dem Gas aussetzbaren äußeren Oberfläche aufweist.The invention relates to a product with a base body consisting of a superalloy and a layer system thereon for protecting the base body against an aggressive hot gas, the layer system having a ceramic thermal insulation layer with an outer surface which can be exposed to the gas.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein solches Er- Zeugnis, welches ausgebildet ist als Komponente für eineThe invention relates in particular to such a certificate, which is designed as a component for one
Gasturbine, insbesondere als Laufschaufei , Leitschaufel oder Hitzeschild, allgemein also als Komponente, welche während ihres regulären Betriebs einem heißen Rauchgas, welches so¬ wohl oxidativ als auch korrosiv wirken kann, ausgesetzt ist.Gas turbine, in particular as a rotor blade, guide vane or heat shield, generally as a component which is exposed to a hot flue gas during its regular operation, which can be both oxidative and corrosive.
Insbesondere wird Bezug genommen auf ein Erzeugnis für eine moderne stationäre Gasturbine, in welcher das Rauchgas eine mittlere Temperatur bis zu 1400° C erreichen kann und in wel¬ cher damit gerechnet werden muß, daß eine Komponente der so- eben beschriebenen Art trotz eventuell vorgesehener Kühlung einer Temperatur bis 1000° C und darüber ausgesetzt wird.In particular, reference is made to a product for a modern stationary gas turbine in which the flue gas can reach an average temperature of up to 1400 ° C. and in which it must be expected that a component of the type just described, despite any cooling provided exposed to a temperature up to 1000 ° C and above.
Ein Erzeugnis wie eingangs beschrieben geht jeweils hervor aus dem US-Patent 4,321,310, dem US-Patent 4,321,311, dem US- Patent 4,055,705 und dem US-Patent 5,262,245. Die in diesen Patenten beschriebenen Erzeugnisse können betrachtet werden als untereinander alternative Ausgestaltungen einer Grundform eines entsprechenden Erzeugnisses. In jedem Fall hat das Er¬ zeugnis einen Grundkörper aus einer Superlegierung sowie eine äußere Oberfläche, die von einer keramischen Wärmedämmschicht gebildet ist. Zwischen der keramischen Wärmedämmschicht und dem Grundkörper befindet sich in den meisten vorgestellten Ausgestaltungen eine metallische Haftschicht. Diese Haft¬ schicht kann eine Zusammensetzung der Art MCrAlY aufweisen, d.h. eine Zusammensetzung nach Art einer Legierung, die als Grundlage Eisen, Kobalt und/oder Nickel aufweist (wofür das "M" steht) und als weitere wesentliche Bestandteile Chrom, Aluminium und Yttrium oder ein dem Yttrium äquivalentes Ele¬ ment wie Scandium oder ein Element der Seltenen Erden auf¬ weist. Die Zusammensetzung MCrAlY ist auf dem einschlägigen Fachgebiet allgemein bekannt; allgemein bekannt ist auch, daß diese Zusammensetzung durch Hinzufügung weiterer Elemente weiterbildbar ist. Als solche weiteren Elemente seien stell¬ vertretend für viele genannt Silizium, Hafnium, Tantal, Ti¬ tan, Platin und Rhenium. Bekannte alternative Zusammensetzun¬ gen für die Haftschicht sind intermetallische Verbindungen aus Nickel und Aluminium oder Platin und Aluminium.A product as described at the outset is apparent from US Pat. No. 4,321,310, US Pat. No. 4,321,311, US Pat. No. 4,055,705 and US Pat. No. 5,262,245. The products described in these patents can be viewed as alternative configurations of a basic form of a corresponding product. In any case, the product has a base made of a superalloy and an outer surface which is formed by a ceramic thermal barrier coating. Most are presented between the ceramic thermal barrier coating and the base body Embodiments a metallic adhesive layer. This adhesive layer can have a composition of the MCrAlY type, ie a composition in the manner of an alloy which has iron, cobalt and / or nickel as the basis (for which the "M" stands) and chromium, aluminum and yttrium or as further essential constituents has an element equivalent to yttrium, such as scandium or a rare earth element. The MCrAlY composition is well known in the art; it is also generally known that this composition can be further developed by adding further elements. As such further elements, silicon, hafnium, tantalum, titanium, platinum and rhenium are representative of many. Known alternative compositions for the adhesive layer are intermetallic compounds made of nickel and aluminum or platinum and aluminum.
Aus der WO 89/07159 AI, der EP 0 486 489 Bl sowie der EP 0 412 397 AI geht jeweils ein Schichtsystem zum Schutz eines aus einer Superlegierung bestehenden Grundkörpers gegen ein aggressives heißes Gas hervor, welches SchichtSystem in erster Linie rein metallisch ist und eine Schicht aus einer Legierung des Typs MCrAlY enthält. Auch sind besonders gün¬ stige Zusammensetzungen für Legierungen des Typs MCrAlY be¬ schrieben, welche gekennzeichnet sind durch einen zusätzli- chen Gehalt an Rhenium.WO 89/07159 AI, EP 0 486 489 B1 and EP 0 412 397 AI each show a layer system for protecting a base body made of a superalloy against an aggressive hot gas, which layer system is primarily metallic and one Contains a layer of an alloy of the type MCrAlY. Particularly favorable compositions for alloys of the MCrAlY type are also described, which are characterized by an additional rhenium content.
In der Schweizer Patentschrift CH 660 200 A5 ist ein Verfah¬ ren zum Aufbringen einer Hochtemperatur-Korrosionsschutz¬ schicht auf ein im Grundkörper aus einer Superlegierung oder einem hochschmelzenden Metall bestehenden Bauteil beschrie¬ ben. Bei dem Bauteil handelt es sich um eine Turbinenschau¬ fel, wobei die Hochtemperatur-Korrosionsschutzschicht aus ei¬ ner metallischen Legierung, insbesondere einer Eisen-Kobalt-, oder Nickelbasislegierung besteht. Auf den metallischen Grundkörper, insbesondere aus einer Nickelbasis-Superlegie¬ rung, wird eine zusammenhängende, als Diffusionssperre für die Schutzoxid bildenden Elemente dienende Zwischenschicht aus einem Platinmetall oder Rhenium aufgetragen. Auf diese Zwischenschicht wird die eigentliche metallische Hochtempera- tur-Korrosionsschutzschicht aufgebracht. Die Zwischenschicht weist eine Dicke zwischen 5 μm und 100 μm auf.The Swiss patent specification CH 660 200 A5 describes a method for applying a high-temperature corrosion protection layer to a component consisting of a superalloy or a high-melting metal in the base body. The component is a turbine blade, the high-temperature corrosion protection layer consisting of a metallic alloy, in particular an iron-cobalt or nickel-based alloy. A coherent intermediate layer serving as a diffusion barrier for the elements forming protective oxide is placed on the metallic base body, in particular made of a nickel-based superalloy applied from a platinum metal or rhenium. The actual metallic high-temperature corrosion protection layer is applied to this intermediate layer. The intermediate layer has a thickness between 5 μm and 100 μm.
Im Hinblick auf die Verwendung von Rhenium in einem Schicht- System von Bedeutung ist auch ein Aufsatz "Thermal Mechanical Fatigue Behaviour of Advanced Overlay Coatings" von N. Czech, F. Schmitz und W. Stamm, Materials and Manufacturing Processes HL 5 (1995) 1021. Aus diesem Aufsatz ergeben sich insbesondere Hinweise hinsichtlich der Wirkung von Rhenium in einer entsprechenden Schutzschicht.With regard to the use of rhenium in a layer system, an article "Thermal Mechanical Fatigue Behavior of Advanced Overlay Coatings" by N. Czech, F. Schmitz and W. Stamm, Materials and Manufacturing Processes HL 5 (1995) is also important. 1021. This article provides particular information regarding the effect of rhenium in a corresponding protective layer.
Die in den vorstehend zitierten Dokumenten aufgeführten Schutzschichten des Typs MCrAlY mit jeweils einem Zusatz von Rhenium sind auch zur Verwendung als Haftschichten für kera¬ mische Wärmedämmschichten vorgeschlagen worden. In diesem Zu¬ sammenhang ist von besonderer Bedeutung, daß das Rhenium die Oxidation der Haftschicht verlangsamt. Dadurch ergibt sich ein vergleichsweise geringes Wachstum einer aus Bestandteilen der Haftschicht, insbesondere Aluminium, gebildeten Oxid¬ schicht, die sich zwischen der Haftschicht und der eigentli¬ chen keramischen Wärmedämmschicht bildet und mit zunehmender Dicke zur mechanischen Instabilität neigt; dabei kann es ins- besondere zum Abplatzen der keramischen Wärmedämmschicht und letztlich zum Versagen des gesamten Schichtsystems kommen.The protective layers of the MCrAlY type listed in the documents cited above, each with an addition of rhenium, have also been proposed for use as adhesive layers for ceramic thermal insulation layers. In this context it is particularly important that the rhenium slows down the oxidation of the adhesive layer. This results in a comparatively small growth of an oxide layer formed from components of the adhesive layer, in particular aluminum, which forms between the adhesive layer and the actual ceramic thermal insulation layer and tends to become mechanically unstable with increasing thickness; In particular, the ceramic thermal insulation layer may flake off and ultimately the entire layer system may fail.
Da die Wachstumsgeschwindigkeit der Oxidschicht zwischen ei¬ ner metallischen Haftschicht und einer keramischen Wärmedämm- schicht einen die Lebensdauer bestimmenden Faktor darstellt, wird für die Haftschicht eine Legierung mit niedriger Oxida- tionsrate bevorzugt. Hieraus ergibt sich, wie gesagt, der Vorzug der entsprechenden Legierungen, die Rhenium enthalten. Auch die keramische Wärmedämmschicht ist hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung sowie Struktur und Art ihrer An- bindung an die Haftschicht Gegenstand weiterer Entwicklung. Derzeit eingesetzt wird vor allen Dingen eine Wärmedämm- schicht aus einem mit Yttriumoxid teilweise oder vollständig stabilisierten Zirkonoxid. Hergestellt wird eine solche Wär¬ medämmschicht durch atmosphärisches Plasmaspritzen, bei dem die relevanten Eigenschaften der Wärmedämmschicht durch das Einstellen einer definierten Porosität und einer lagenartigen bis mikrosegmentierten Struktur sowie durch überwiegend me¬ chanische Verklammerung auf einer entsprechend porös angeleg¬ ten Haftschicht eingestellt werden. Alternativ wird eine Wär¬ medämmschicht hergestellt durch ein Dampfabscheidungsverfah- ren, bei dem die Wärmedämmschicht eine dehnungstolerante stengelkristalline Struktur und eine hauptsächlich chemische Anbindung an die entsprechend glatt bereitzustellende Haft- schicht aufweist. Die chemische Anbindung der Wärmedämm¬ schicht an die Haftschicht erfolgt über eine zwischen diesen Schichten ausgebildete, dünne Oxidschicht. Diese ist, gegebe¬ nenfalls über entsprechend gebildete intermediäre Verbindun¬ gen, sowohl mit der Wärmedämmschicht als auch mit der Haft¬ schicht fest verbunden.Since the growth rate of the oxide layer between a metallic adhesive layer and a ceramic thermal barrier layer represents a factor determining the service life, an alloy with a low oxidation rate is preferred for the adhesive layer. As already mentioned, this results in the preference of the corresponding alloys containing rhenium. The ceramic thermal barrier coating is also the subject of further development with regard to its chemical composition and the structure and type of its connection to the adhesive layer. At present, thermal insulation is mainly used layer of a zirconium oxide partially or completely stabilized with yttrium oxide. Such a thermal barrier coating is produced by atmospheric plasma spraying, in which the relevant properties of the thermal barrier coating are adjusted by setting a defined porosity and a layer-like to micro-segmented structure, and by predominantly mechanical interlocking on a correspondingly porous adhesive layer. Alternatively, a thermal barrier coating is produced by a vapor deposition process, in which the thermal barrier coating has an elongation-tolerant columnar crystalline structure and a mainly chemical bond to the correspondingly smooth adhesive layer to be provided. The chemical bonding of the thermal insulation layer to the adhesive layer takes place via a thin oxide layer formed between these layers. This is, if appropriate by means of appropriately formed intermediate connections, firmly connected both to the thermal insulation layer and to the adhesive layer.
Ein Schichtsystem versagt in der Regel dadurch, daß außer der Oxidation der Haftschicht auch thermisch-mechanische Wechsel- beanspruchungen auftreten, durch welche sich Risse in der Wärmedämmschicht ausbreiten können. Dies führt im Falle einer gespritzten Wärmedämmschicht letztendlich zu einem Abplatzen oberhalb der Grenze zwischen der Keramik und dem Metall, im Falle einer aus der Dampfphase abgeschiedenen Wärmedämm¬ schicht zu einem Abplatzen in der zwischen der eigentlichen Wärmedämmschicht und der Haftschicht gebildeten Oxidschicht. Im Anschluß an das Abplatzen der Wärmedämmschicht ergibt sich eine Temperaturerhöhung an der Oberfläche der Haftschicht, die ihrerseits zu einer rapiden Oxidation und einem daraus resultierenden rapiden Abbau der Haftschicht führt.A layer system usually fails because, in addition to the oxidation of the adhesive layer, there are also thermal-mechanical alternating stresses, which can cause cracks to spread in the thermal insulation layer. In the case of a sprayed thermal insulation layer, this ultimately leads to flaking above the boundary between the ceramic and the metal, in the case of a thermal insulation layer separated from the vapor phase to flaking in the oxide layer formed between the actual thermal insulation layer and the adhesive layer. Following the flaking off of the thermal barrier coating, there is an increase in temperature on the surface of the adhesive layer, which in turn leads to rapid oxidation and the resulting rapid degradation of the adhesive layer.
Daß die Zugabe von Rhenium zu einer Haftschicht des Typs MCrAlY von erheblichem Vorteil ist, ist bereits erläutert worden. Allerdings ist die Zugabe von Rhenium zu einer derar¬ tigen Haftschicht nur in begrenztem Umfang möglich, da auch die Zugabe von Rhenium zu einer gewissen Versprödung führen kann. Dies geht auch aus dem zitierten Aufsatz hervor.It has already been explained that the addition of rhenium to an MCrAlY type adhesive layer is of considerable advantage. However, the addition of rhenium to such an adhesive layer is only possible to a limited extent, since also the addition of rhenium can lead to some embrittlement. This is also evident from the article cited.
Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Erzeugnis der in der Einleitung angegebenen Art anzugeben, bei welchem die Ausnutzung eines Vorteils, der sich durch die Verwendung von Rhenium ergeben kann, auf alternative Art er¬ folgt.Accordingly, the invention is based on the object of specifying a product of the type specified in the introduction, in which the use of an advantage which can result from the use of rhenium takes place in an alternative manner.
Zur Lösung dieser Aufgabe angegeben wird ein Erzeugnis mit einem aus einer aus einer Superlegierung bestehenden Grund¬ körper und einem darauf befindlichen Schichtsystem zum Schutz des Grundkörpers gegen ein aggressives heißes Gas, wobei das SchichtSystem eine keramische Wärmedämmschicht mit einer dem Gas aussetzbaren äußeren Oberfläche aufweist, und wobei die Wärmedämmschicht auf einer Zwischenschicht aufliegt, die auf dem Grundkörper aufliegt und nach Massenanteilen folgende Zu¬ sammensetzung chemischer Elemente aufweist: Rhenium 35 % bis 60 %, Aluminium 10 % bis 20To achieve this object, a product is provided with a base body consisting of a superalloy and a layer system thereon for protecting the base body against an aggressive hot gas, the layer system having a ceramic thermal insulation layer with an outer surface which can be exposed to the gas, and wherein the thermal barrier coating rests on an intermediate layer which rests on the base body and has the following composition of chemical elements by mass fraction: rhenium 35% to 60%, aluminum 10% to 20
Gallium 0 % bis 10 %, Silizium 0 % bis 2 %, Hafnium 0 % bis 2 %, ein aktives Element aus der Gruppe enthaltend Yttrium, Scan- dium und die Elemente der Seltenen Erden:Gallium 0% to 10%, silicon 0% to 2%, hafnium 0% to 2%, an active element from the group containing yttrium, scandium and the rare earth elements:
0 % bis 2 %; herstellungsbedingte Verunreinigungen; sowie Chrom als Rest.0% to 2%; manufacturing-related impurities; and chrome as the rest.
Demnach wird erfindungsgemäß eine besondere Zwischenschicht vorgesehen, die einen in dem Schichtsystem gewünschten Anteil an Rhenium zumindest zu einem wesentlichen Anteil enthält. Durch das Vorsehen dieser Zwischenschicht kann das Rhenium genau dort angebracht werden, wo es wegen seiner Funktion als Mittel zur Verringerung einer Oxidation von besonderem Inter¬ esse ist, nämlich an einer Grenze zwischen der keramischen Wärmedämmschicht und dem Grundkörper oder einer darauf auf- liegenden metallischen Haftschicht. Da die Zwischenschicht entsprechend dünn auftragbar ist, spielen ihre mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Frage, ob sie eher duktil oder eher spröde ist, nur am Rande eine Rolle. Die Zwischen- schicht ist auch vergleichsweise reich an Aluminium, gegebe¬ nenfalls auch Gallium und/oder Silizium, und stellt somit Ausgangselemente zur Bildung einer oxidischen Schicht zwi¬ schen dem metallischen Teil des Schichtsystems und der kera¬ mischen Wärmedämmschicht bereit. Das Material der Haftschicht wird vorzugsweise ergänzt durch ein aktives Element wie Haf¬ nium, Yttrium oder ein diesem äquivalentes Element wie Scan- dium oder die Elemente der Seltenen Erden, da diese Elemente einen wünschenswerten Beitrag zur Verankerung der erwähnten oxidischen Schicht an der Zwischenschicht leisten.Accordingly, according to the invention a special intermediate layer is provided which contains at least a substantial proportion of the rhenium content desired in the layer system. By providing this intermediate layer, the rhenium can be applied precisely where it is of particular interest because of its function as a means of reducing oxidation, namely at a boundary between the ceramic thermal barrier coating and the base body or on lying metallic adhesive layer. Since the intermediate layer can be applied thinly, its mechanical properties, in particular the question of whether it is more ductile or brittle, only play a marginal role. The intermediate layer is also comparatively rich in aluminum, optionally also gallium and / or silicon, and thus provides starting elements for forming an oxidic layer between the metallic part of the layer system and the ceramic thermal insulation layer. The material of the adhesive layer is preferably supplemented by an active element such as hafnium, yttrium or an element equivalent thereto such as scandium or the rare earth elements, since these elements make a desirable contribution to anchoring the oxidic layer mentioned to the intermediate layer.
Es versteht sich, daß mit der Anwesenheit herstellungsbeding¬ ter Verunreinigungen üblicher Art und in üblichen Anteilen stets zu rechnen ist; zur Herstellung der Legierung für die Zwischenschicht sind insoweit alle einschlägigen Fachkennt- nisse zu beachten.It goes without saying that the presence of production-related impurities of the usual type and in normal proportions must always be expected; In this respect, all relevant specialist knowledge must be observed for the production of the alloy for the intermediate layer.
Eine bevorzugte Zusammensetzung für die Zwischenschicht hat nach Massenanteilen folgende Zusammensetzung: Rhenium 47 %; Aluminium 15 %;A preferred composition for the intermediate layer has the following composition in mass proportions: rhenium 47%; Aluminum 15%;
Yttrium 0,5 %; herstellungsbedingte Verunreinigungen; sowieYttrium 0.5%; manufacturing-related impurities; such as
Chrom als Rest.Chrome as the rest.
Die Zwischenschicht des Erzeugnisses liegt vorzugsweise auf einer metallischen Haftschicht auf, die aus einer Legierung des Typs MCrAlY besteht, wobei M für zumindest ein Metall aus der Gruppe enthaltend Eisen, Kobalt und Nickel als Grundlage der Legierung steht. Diese Legierung enthält weiterhin bevor- zugt zusätzlich Rhenium, vorzugsweise mit einem Massenanteil zwischen 1 % und 15 %. Die Zwischenschicht hat vorzugsweise eine Dicke von weniger als 10 μm, insbesondere eine Dicke von etwa 5 μm. Derart ist gewährleistet, daß sich die mechanischen Eigenschaften der Zwischenschicht, insbesondere eine eventuelle Sprödigkeit, nicht nachteilig auf das gesamte Schichtsystem auswirken kön¬ nen.The intermediate layer of the product preferably lies on a metallic adhesive layer which consists of an alloy of the MCrAlY type, where M stands for at least one metal from the group comprising iron, cobalt and nickel as the basis of the alloy. This alloy also preferably contains additional rhenium, preferably with a mass fraction between 1% and 15%. The intermediate layer preferably has a thickness of less than 10 μm, in particular a thickness of approximately 5 μm. This ensures that the mechanical properties of the intermediate layer, in particular any brittleness, cannot adversely affect the entire layer system.
In dem Erzeugnis ist die den Grundkörper bildende Superlegie¬ rung weiterhin vorzugsweise eine Nickelbasis- oder Kobaltba- sis-Superlegierung, wofür als Beispiele die allgemein be¬ kannte Nickelbasis-Superlegierung IN738LC sowie die Kobaltba- sis-Superlegierung MAR-M-509 zu nennen sind.In the product, the superalloy forming the base body is furthermore preferably a nickel-based or cobalt-based superalloy, examples of which are the generally known nickel-based superalloy IN738LC and the cobalt-based superalloy MAR-M-509 .
Die Zwischenschicht des Erzeugnisses ist vorzugsweise eine Dispersion einer im wesentlichen aus einer intermetallischen Verbindung aus Rhenium und Chrom bestehenden Phase in einer metallischen Matrix. Die intermetallische Verbindung hat ins¬ besondere die ungefähre Zusammensetzung Cr3Re, wofür insbe¬ sondere Chrom und Rhenium mit etwa übereinstimmenden Ge- wichtsanteilen vorhanden sein müssen. Der wesentliche Anteil des Aluminiums sowie der eventuell vorhandenen anderen Ele¬ mente liegt hauptsächlich in der metallischen Matrix vor und steht aus dieser Matrix zur Bildung der Oxidschicht zwischen der Zwischenschicht und der Wärmedämmschicht zur Verfügung.The intermediate layer of the product is preferably a dispersion of a phase consisting essentially of an intermetallic compound of rhenium and chromium in a metallic matrix. The intermetallic compound has in particular the approximate composition Cr 3 Re, for which in particular chromium and rhenium with approximately equal proportions by weight must be present. The major part of the aluminum and any other elements which may be present is mainly present in the metallic matrix and is available from this matrix to form the oxide layer between the intermediate layer and the thermal insulation layer.
Die Wärmedämmschicht des Erzeugnisses besteht vorzugsweise im wesentlichen aus einem zumindest teilweise stabilisierten Zirkonoxid, welches insbesondere durch einen Zusatz von Yt¬ triumoxid stabilisiert ist. Zirkonoxid zeichnet sich dadurch aus, daß seine relevanten mechanischen Eigenschaften den ent¬ sprechenden Eigenschaften der zum Einsatz kommenden Metalle und Legierungen relativ ähnlich sind. Die Stabilisierung des Zirkonoxids dient dazu, einen Phasenübergang im Gefüge des Zirkonoxids, wie er sich unter entsprechender thermischer Be- lastung in reinem Zirkonoxid einstellen könnte, zu verhindern oder zumindest zu verlangsamen. Das Erzeugnis ist vorzugsweise ausgebildet als Komponente für eine Gasturbine, insbesondere als Laufschaufei, Leitschaufel oder Hitzeschild. In diesem Zusammenhang ist das Erzeugnis geeignet für eine Verwendung in einer Gasturbine. Dies insbe- sondere deshalb, da es einer Belastung durch ein oxidierendes und korrodierendes Rauchgas, wie es üblicherweise in einer stationären Gasturbine gebildet wird, einer Temperatur bis 1000° C und darüber hinaus zu widerstehen vermag.The heat insulation layer of the product preferably consists essentially of an at least partially stabilized zirconium oxide, which is stabilized in particular by the addition of yttrium oxide. Zirconium oxide is characterized in that its relevant mechanical properties are relatively similar to the corresponding properties of the metals and alloys used. The stabilization of the zirconium oxide serves to prevent or at least slow down a phase transition in the structure of the zirconium oxide, which could occur in pure zirconium oxide under appropriate thermal stress. The product is preferably designed as a component for a gas turbine, in particular as a rotor blade, guide blade or heat shield. In this context, the product is suitable for use in a gas turbine. This is particularly so because it can withstand a temperature of up to 1000 ° C. and beyond when exposed to an oxidizing and corrosive flue gas, as is usually formed in a stationary gas turbine.
Zur Lösung der Aufgabe im Hinblick auf ein Verfahren angege¬ ben wird ein Verfahren zur Herstellung eines Erzeugnisses mit einem aus einer Superlegierung bestehenden Grundkörper und einem darauf befindlichen Schichtsystem zum Schutz des Grund¬ körpers gegen ein aggressives heißes Gas, wobei zur Bildung des Schichtsystems eine Zwischenschicht auf den Grundkörper aufgebracht wird und wobei auf die Zwischenschicht eine kera¬ mische Wärmedämmschicht aufgebracht wird, wobei die Zwischen¬ schicht nach Massenanteilen folgende Zusammensetzung chemi¬ scher Elemente aufweist Rhenium 35 % bis 60 %, Aluminium 10 % bis 20 %, Gallium 0 % bis 10 %, Silizium 0 % bis 2 Hafnium 0 % bis 2 %, ein aktives Element aus der Gruppe enthaltend Yttrium, Scan- dium und die Elemente der Seltenen Erden:In order to achieve the object with regard to a method, a method for producing a product with a base body consisting of a superalloy and a layer system thereon for protecting the base body against an aggressive hot gas is provided, an intermediate layer being used to form the layer system is applied to the base body and a ceramic thermal insulation layer is applied to the intermediate layer, the intermediate layer having the following composition of chemical elements according to mass proportions: rhenium 35% to 60%, aluminum 10% to 20%, gallium 0% to 10%, silicon 0% to 2 hafnium 0% to 2%, an active element from the group containing yttrium, scandium and the rare earth elements:
0 % bis 2 %; herstellungsbedingte Verunreinigungen; sowie Chrom als Rest; und wobei die Zwischenschicht durch Plasmaspritzen, insbesondere Vakuum-Plasmaspritzen oder Dampfabscheidung aufgebracht wird.0% to 2%; manufacturing-related impurities; and chromium as the rest; and wherein the intermediate layer is applied by plasma spraying, in particular vacuum plasma spraying or vapor deposition.
In jedem Fall wird vorzugsweise zunächst eine metallische Haftschicht auf dem Grundkörper aufgebracht und anschließend die Zwischenschicht auf der Haftschicht gebildet. Zwei als besonders bevorzugt angesehene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend erläutert.In any case, a metallic adhesive layer is preferably first applied to the base body and then the intermediate layer is formed on the adhesive layer. Two exemplary embodiments of the invention which are regarded as particularly preferred are explained below.
1. Eine Gasturbinenkomponente, insbesondere eine Laufschaufei, eine Leitschaufel oder ein Hitzeschildelement, mit einem aus der Superlegierung IN738LC bestehenden Grundkörper wird mit einer metallischen Haftschicht versehen, die eine Zusammen¬ setzung aufweist, wie sie aus dem zitierten Aufsatz von N. Czech, F. Schmitz und W. Stamm ersichtlich ist und die insbe¬ sondere einen Massenanteil von Rhenium in einer Legierung, deren Grundlage Nickel ist, erfordert. Diese Haftschicht wird aufgetragen mittels Vakuum-Plasmaspritzen und durch Strahlen mit Glasperlen oder dergleichen verdichtet. Eine weitere Oberflächenbehandlung, insbesondere Glättung, erfolgt nicht.1. A gas turbine component, in particular a rotor blade, a guide blade or a heat shield element, with a base body consisting of the super alloy IN738LC is provided with a metallic adhesive layer which has a composition as described in the article cited by N. Czech, F. Schmitz and W. Stamm can be seen and which in particular requires a mass fraction of rhenium in an alloy based on nickel. This adhesive layer is applied by means of vacuum plasma spraying and compacted by blasting with glass beads or the like. There is no further surface treatment, especially smoothing.
Auf diese Haftschicht aufgetragen wird eine Zwischenschicht folgender, nach Massenanteilen angegebener Zusammensetzung: Rhenium 47 %; Aluminium 15 %;An intermediate layer of the following composition, by mass fraction, is applied to this adhesive layer: rhenium 47%; Aluminum 15%;
Yttrium 0,5 %; herstellungsbedingte Verunreinigungen; sowieYttrium 0.5%; manufacturing-related impurities; such as
Chrom als Rest.Chrome as the rest.
Die Zwischenschicht wird ebenfalls aufgetragen durch Vakuum- Plasmaspritzen, und zwar bis zu einer Dicke von etwa 5 μm.The intermediate layer is also applied by vacuum plasma spraying, to a thickness of approximately 5 μm.
Auf die Zwischenschicht aufgetragen wird anschließend eine keramische Wärmedämmschicht aus teilstabilisiertem Zir- konoxid, und zwar durch atmosphärisches Plasmaspritzen. DieA ceramic thermal barrier coating made from partially stabilized zirconium oxide is then applied to the intermediate layer, by atmospheric plasma spraying. The
Verankerung der keramischen Wärmedämmschicht an der Zwischen¬ schicht und der Haftschicht erfolgt teils durch chemische An¬ bindung wie bereits beschrieben, teils durch mechanische An¬ bindung an den herstellungsbedingt verbliebenen Oberflächen- Strukturen der Zwischenschicht. 2 .The ceramic thermal barrier coating is anchored to the intermediate layer and the adhesive layer partly by chemical bonding as already described, partly by mechanical bonding to the surface structures of the intermediate layer which remain due to the production. 2nd
Auf eine Gasturbinenkomponente mit einem aus der Kobaltbasis- Superlegierung MAR-M-509 bestehenden Grundkörper wird eine Haftschicht entsprechend der Haftschicht aus dem vorliegenden Beispiel aufgetragen und nach dem Auftragen und Strahlen po¬ liert .An adhesive layer corresponding to the adhesive layer from the present example is applied to a gas turbine component with a base body consisting of the cobalt-based superalloy MAR-M-509 and polished after the application and blasting.
Auf die so vorbereitete Haftschicht wird die Zwischenschicht ebenso wie im vorigen Beispiel beschrieben aufgetragen, und auf die Zwischenschicht wird eine keramische Wärmedämmschicht aus teilstabilisiertem Zirkonoxid durch physikalische Dampf- abscheidung mit Elektronenstrahlverdampfung (EB-PVD) aufge¬ tragen. Vor oder während des Aufbringens der Wärmedämmschicht ist durch Einstellen geeigneter Bedingungen dafür zu sorgen, daß sich auf der Zwischenschicht eine Oxidschicht bildet, an der die Wärmedämmschicht durch chemische Anbindung haften kann. Diese Wärmedämmschicht hat eine stengelkristalline Struktur und ist dementsprechend sehr tolerant gegen Wärme¬ dehnungen, da die stengeiförmigen Kristallite der Wärmedämm- schicht sich bei einer Ausdehnung der metallischen Struktur aus dem Grundkörper und dem darauf aufliegenden metallischen Teil des Schichtsystems relativ frei gegeneinander bewegen können. Im Hinblick auf die Funktion ist ein solches Schicht¬ system gegenüber dem Schichtsystem des ersten Beispiels durchaus bevorzugt; es ist bedingt durch seine aufwendigeThe intermediate layer is applied to the adhesive layer prepared in this way as described in the previous example, and a ceramic thermal insulation layer made of partially stabilized zirconium oxide is applied to the intermediate layer by physical vapor deposition with electron beam evaporation (EB-PVD). Before or during the application of the thermal insulation layer, care must be taken by setting suitable conditions to ensure that an oxide layer forms on the intermediate layer, to which the thermal insulation layer can adhere by chemical bonding. This heat-insulating layer has a columnar crystalline structure and is accordingly very tolerant of thermal expansion, since the columnar-shaped crystallites of the heat-insulating layer can move relatively freely against one another when the metallic structure expands from the base body and the metallic part of the layer system lying thereon. In terms of function, such a layer system is quite preferred over the layer system of the first example; it is due to its elaborate
Herstellung allerdings deutlich teurer, so daß für den prak¬ tischen Betrieb anhand den Umständen des jeweiligen Einzel¬ falls ein Kompromiß aus Belastbarkeit und Preis des jeweils zu verwendenden SchichtSystems zu schließen ist.Production, however, is significantly more expensive, so that for practical operation, based on the circumstances of the individual case, a compromise must be made between the resilience and price of the layer system to be used in each case.
In jedem der vorstehend geschilderten Beispiele ist die Zwi¬ schenschicht zweiphasig aufgebaut; sie liegt vor in Form ei¬ ner Dispersion einer im wesentlichen aus einer intermetalli¬ schen Verbindung aus Rhenium und Chrom bestehenden Phase in einer metallischen Matrix. Die intermetallische Verbindung hat die ungefähre Zusammensetzung Cr3Re, und die metallische Matrix enthält neben Rhenium und Chrom die übrigen chemischen Elemente der Zusammensetzung. Aus der metallischen Matrix steht Aluminium, gegebenenfalls auch Gallium und Silizium, für die Oxidbildung zwischen der Zwischenschicht und der Wär¬ medämmschicht zur Verfügung.In each of the examples described above, the intermediate layer is constructed in two phases; it is in the form of a dispersion of a phase consisting essentially of an intermetallic compound of rhenium and chromium in a metallic matrix. The intermetallic compound has the approximate composition Cr 3 Re, and the metallic matrix contains the other chemical besides rhenium and chromium Elements of the composition. Aluminum, possibly also gallium and silicon, is available from the metallic matrix for the oxide formation between the intermediate layer and the thermal barrier layer.
Die Zwischenschicht beeinträchtigt unabhängig von ihren rele¬ vanten mechanischen Eigenschaften die Eigenschaften des ge¬ samten Schichtsystems nicht wesentlich, da sie sehr dünn ist und aufgrund ihres hohen Gehalts an Rhenium eine Diffusion von Elementen in wesentlichem Umfang nicht zuläßt. Sie fügt sich demgemäß problemlos ein zwischen die metallische Haft¬ schicht und die keramische Wärmedämmschicht. Sie bietet alle im Zusammenhang mit Oxidation und Korrosion wesentlichen Ei¬ genschaften, die das chemische Element Rhenium beitragen kann, ohne daß weiteres Rhenium zur Haftschicht hinzulegiert werden muß und deren Eigenschaften möglicherweise beeinträch¬ tigen könnte.Irrespective of its relevant mechanical properties, the intermediate layer does not significantly impair the properties of the entire layer system, since it is very thin and, due to its high rhenium content, does not allow elements to diffuse to a significant extent. Accordingly, it fits easily between the metallic adhesive layer and the ceramic thermal barrier layer. It offers all essential properties in connection with oxidation and corrosion, which the chemical element rhenium can contribute, without further rhenium having to be added to the adhesive layer and possibly impairing its properties.
Die Erfindung bietet somit ein leistungsfähiges Schichtsystem zum Schutz eines Grundkorpers, insbesondere eines Grundkör¬ pers einer Gasturbinenkomponente, gegen ein aggressives hei¬ ßes Gas, bei einer Temperatur von 1000° C oder mehr. The invention thus offers a powerful layer system for protecting a base body, in particular a base body of a gas turbine component, against an aggressive hot gas, at a temperature of 1000 ° C. or more.
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