CH704833A1 - Komponente für eine Turbomaschine und ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Komponente. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Komponente für eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine, oder eine andere Maschine, die eine heisse Komponente enthält, wobei die Komponente (14) für die Entstehung und Ausbreitung von Rissen anfällig ist, indem sie hohen Temperaturen und/oder einer korrodierenden und/oder oxidierenden Atmosphäre und/oder einer hohen mechanischen Belastung und/oder einer Temperaturwechselbelastung und/oder instationären Bedingungen ausgesetzt wird, wobei die Komponente (14) mindestens ein Basismaterial (15) enthält. Eine wesentliche Erweiterung der Komponentenlebensdauer wird erzielt durch Bereitstellen mindestens eines Basismaterials (15) mit einem Selbstheilungssystem in Form einer zugesetzten aktiven Phase (16), wobei die aktive Phase (16) einen Schmelzpunktsenker und/oder eine Substanz oder Substanzen mit einem Erweichungs- oder Schmelzpunkt unter oder innerhalb des Bereichs der Betriebstemperatur der Komponente (14) umfasst.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft die Technologie von Turbomaschinen. Sie bezieht sich auf eine Komponente für eine Turbomaschine gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1. Sie bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Komponente.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

[0002] Während des Betriebs werden die Komponenten in einer Turbomaschine, insbesondere (aber nicht nur) Gasturbinenheissgaspfadkomponenten wie Wärmeschilde, Auskleidungen, Lauf- und Leitschaufeln oder heisse Komponenten von anderen Maschinen hoher Temperatur, einer korrodierenden und oxidierenden Atmosphäre und einer mechanischen Last ausgesetzt. Wegen diesen extremen Bedingungen sind das Basismetall, hartgelötete Gebiete und Metallbeschichtungen von Komponenten für die Entstehung und Ausbreitung von Rissen anfällig. Fig. 1ist eine Fotografie, die die Vergröberung der Korngrenze 30 in einem Basismetall am Ursprung der Rissentstehung in einer Verarmungszone zeigt. Fig. 2 ist eine Fotografie, die einen thermomechanischen Ermüdungsriss 13 zeigt, der in einer Haftschicht 11 initiiert wird. Der Riss 13 breitet sich in das Basismetall 12 (= Substrat) und in eine Wärmedämmschicht (TBC - Thermal Barrier Coating) 10 aus.

[0003] Die Rissbildung ist ein begrenzender Faktor für die Lebensdauer einer Turbomaschinenkomponente. Ausserdem hängen der Überholungsaufwand und die Ausschussrate auch stark von der Anwesenheit, der Grösse und dem Ort von Rissen an dem Ende eines Betriebsintervalls ab.

[0004] Das Dokument EP 1 591 562 A2 offenbart eine Struktur, die mindestens eine metallische Oberfläche umfasst, die mit einem kathodischen Schutz und einer Schutzbeschichtung für die Oberfläche versehen ist, wobei die Beschichtung ein Polymer umfasst, das Mikrokapseln enthält, die Verbindungen enthalten, die auf das durch den kathodischen Schutz generierte elektrische Feld reagieren und die in einem alkalischen Medium unter Ausbildung einer Schutzschicht auf der Oberfläche der Struktur reagieren können. Die Strukturen der Offenbarung können beispielsweise vergrabene oder untergetauchte Rohrleitungen, Reservoirs, Boote oder Hafen- oder Meereseinrichtungen sein.

[0005] Das Dokument EP 1 743 957 A1 betrifft ein Verfahren für die Behandlung der Spitze einer Turbinenschaufel. In Betrieb von Turbinen, die beispielsweise als Antriebsmaschinen für Flugzeuge oder als landbasierte Industriegasturbinen verwendet werden, ist es unter dem Gesichtspunkt der Effizienz wünschenswert, den Abstand zwischen den Spitzen der Turbinenschaufeln und der entsprechenden Dichtungen im Gehäuse so klein wie möglich zu halten. Aus diesem Grund sind die Spitzen der Turbinenschaufeln mit Schleifmittelbeschichtungen versehen, die es den Spitzen der Turbinenschaufeln ermöglichen, zumindest in den ersten Betriebsstunden beim Drehen sich ihren eigenen Weg in die abschleifbaren Dichtungen zu schneiden. Die schleifenden Beschichtungen enthalten üblicherweise harte Schleif- oder Schneidpartikel, die in die Dichtung einschneiden. Es ist bekannt, diese Partikel in eine oxidationsbeständige Metallmatrix einzubetten, die auf der Oberfläche der Spitze der Schaufel vorgesehen ist. Das Dokument schlägt ein Verfahren für die Behandlung der Schaufelspitze einer Turbinenschaufel vor, bei der Siliziumcarbidpartikel (SiC) an die Oberfläche einer Turbinenschaufel für die Herstellung einer Schleifmittelbeschichtung gebondet werden, wobei eine selbstheilende Barrierenschicht auf den SiC-Partikeln hergestellt wird.

[0006] Das Dokument EP 1 840 245 betrifft Komponenten für Hochtemperaturanwendungen, beispielsweise Turbinenschaufeln und Brennkammerwände von Gasturbinen, mit Schutzschichten gegen Oxidation und Korrosion. Solche Schichten bestehen beispielsweise aus einer Legierung von dem MCrAlX-Typ, wobei eine Aluminiumoxidschutzschicht auf diese MCrAlX-Schicht ausgebildet ist. In diesem Fall diffundiert das Aluminium der MCrAlX-Legierung auf die Oberfläche der MCrAlX-Schicht, so dass die MCrAlX-Legierung eine Verarmung des Elements Aluminium erfährt. Ein vorbeugend erhöhter Aluminiumanteil in der MCrAlX-Legierung ab dem Anfang, um einer Verarmung entgegenzuwirken, führt jedoch zu schlechteren mechanischen Eigenschaften der MCrAlX-Schicht. Um eine längere Schutzwirkung zu haben, schlägt das Dokument die Verwendung einer Matrix mit Partikeln für eine Komponente oder eine Schicht vor, umfassend ein Matrixmaterial mit mindestens einem Metallelement, wobei die Partikel entweder ein Oxid, ein Nitrid, ein Borid, Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxynitrid aufweisen oder wobei die Verbindung des Partikels eine Si-O-C-Me-Verbindung aufweist und das Metallelement in der Verbindung einen nicht-stöchiometrischen Anteil aufweist.

[0007] Das Dokument US 6 068 930 betrifft thermostrukturelle Verbundmaterialien umfassend eine Faserverstärkung, bekannt als Faser-«Vorformling», bei dem die Fasern aus einem feuerfesten Material wie etwa Kohlenstoff oder Keramik hergestellt sind, und eine Matrix, die die anfänglich in der Faserverstärkung vorliegenden Poren zumindest teilweise füllt. Solche Materialien sind wegen ihrer guten mechanischen Eigenschaften bekannt, wodurch sie als strukturelle Elemente verwendet werden können, und wegen ihrer Fähigkeit, diese Eigenschaften bei hohen Temperaturen beizubehalten, insbesondere wenn die Matrix aus Keramik hergestellt ist. Das Dokument möchte die Fähigkeit eines thermostrukturellen Keramikmatrixverbundmaterials mit Kohlenstoff- oder kohlenstoffbeschichteter Faserverstärkung verbessern, um einer Oxidation standzuhalten, indem die Matrix sequenziert wird, so dass eine Rissbildung der Matrix so weit wie möglich verzögert werden kann. Dies wird durch eine Matrix erreicht, die mindestens teilweise mit abwechselnden Schichten aus relativ flexiblem, anisotropem Material sequenziert ist, das etwaige Risse, die es erreicht, ablenken kann, und Schichten aus relativ starrem Keramikmaterial, wobei das relativ flexible Material eine Steifheit aufweist, die kleiner ist als die des relativ steifen Keramikmaterials. Jede einer Mehrzahl von elementaren Sequenzen der Matrix umfasst eine relativ flexible Schicht des relativ flexiblen anisotropen Materials und eine relativ starre Keramikschicht, wobei jede der mehreren elementaren Sequenzen eine Dicke aufweist, die in Richtung von der elementaren Sequenz am nächsten an den Fasern zu der elementaren Sequenz am weitesten weg von den Fasern zunimmt, wobei mindestens die elementare Sequenz, die den Fasern am nächsten ist, sie auf im Wesentlichen individuelle Weise beschichten. Die Dicke der relativ flexiblen Schichten des relativ flexiblen anisotropen Materials und der anisotrope Charakter und die Kapazität für eine elastische Verformung durch Scheren und quer zu dem oder den Material(ien), die die Schichten bilden, sind derart, dass die Matrix des Verbundmaterials frei von Rissbildung ist, mindestens am Ende des Prozesses des Aufbauens des Verbundmaterials.

[0008] Das Dokument US 2002/0 155 316 A1 betrifft MCrAlX-basierte Verbundbeschichtungen für Superlegierungssubstrate. Um eine Beschichtung zu haben, die Verformbarkeit besitzt, um die Rissausbreitung zu minimieren, während sie weiterhin die erforderliche Oxidationsbeständigkeit beibehält, die durch die Anwesenheit einer adäquaten Menge an Aluminium in der Beschichtung vermittelt wird, schlägt das Dokument die Verwendung von Verbundbeschichtungen über einem Superlegierungssubstrat vor, was die Leistung von daraus hergestellten Teilen signifikant verbessern kann. Diese MCrAlX-Verbundbeschichtungen sind so ausgelegt, dass sie eine hohe Aluminiumkonzentration aufweisen, während sie die gewünschte Verformbarkeit beibehalten. Diese Beschichtungen enthalten eine MCrAlX-Phase und eine aluminiumreiche Phase mit einer Aluminiumkonzentration höher als die der MCrAlX-Phase und mit einer die Aluminiumdiffusion verzögernden Zusammensetzung. Die aluminiumreiche Phase liefert Aluminium etwa mit der gleichen Rate, mit der Aluminium durch Oxidation verloren geht, an die Beschichtung, ohne die Konzentration an Aluminium in der MCrAlX-Phase der Beschichtung signifikant zu erhöhen oder zu reduzieren. Das Ergebnis ist eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit ohne irgendeine Zunahme bei der Brüchigkeit.

[0009] Das Dokument WO 2008/140 479 A2 offenbart ein Wärmedämmschichtsystem, das eine auf einer Substratoberfläche angeordnete erste Schicht aus keramischem Isoliermaterial und eine auf der ersten Schicht aus keramischem Isoliermaterial angeordnete zweite Schicht aus keramischem Isoliermaterial enthält. Die zweite Schicht aus keramischem Isoliermaterial enthält darin einen oder mehrere Rissstopper. Eine dritte Schicht aus keramischem Isoliermaterial ist auf der zweiten Schicht aus keramischem Isoliermaterial angeordnet, die als eine Opferschicht konfiguriert ist, um im Fall einer Fremdobjektkollision mit der dritten Schicht erzeugten mechanischen Schock zu absorbieren. Der eine oder die mehreren Rissstopper in der zweiten Schicht können eine Ausbreitung von einem oder mehreren Rissen, die im Fall der Fremdobjektkollision mit der dritten Schicht entstehen können, zu der ersten Schicht verhindern.

[0010] Das Dokument WO 2008/140 481 A1 beschreibt ein Wärmedämmbeschichtungssystem, das zur Selbstheilung fähig ist, das ein Substrat, eine über dem Substrat liegende metallbasierte fortgeschrittene Haftschicht und eine über der Haftschicht liegende keramische Deckschicht aufweist. Die Haftschicht umfasst Keramikoxid-Vorläufermaterialien, die, wenn sie einer thermisch konditionierenden oxidierenden Umgebung ausgesetzt werden, eine nicht-Aluminiumoxid-Keramikoxidzusammensetzung ausbilden können. Ausführungsformen einer derartigen Haftschicht umfassen Seltenerdelemente in dem Bereich von 1-20 Gewichtsprozent und Hf in einem Bereich von etwa 5 bis etwa 30 Gewichtsprozent oder Zr in einem Bereich von etwa 2 bis 20 Gewichtsprozent. Beispiele für selbstheilende TBC-Systeme werden unter Verwendung einer derartigen Haftschicht oder ihrer fortgeschrittenen Haftschichtchemien in Kombination mit konventionellen Haftschichten oder konventionellen Haftschichtchemien bereitgestellt.

[0011] In Dokument WO 2009/127 852 A1 wird eine Verbundstruktur offenbart, die Folgendes umfasst: einen ersten Stapel, der eine Mehrzahl von Lagen aus Verbundmaterial und mindestens eine Lage aus selbstheilendem Material umfasst, wobei die Lage aus selbstheilendem Material eine Mehrzahl von Behältern umfasst, die jeweils eine härtbare Heilungsflüssigkeit enthalten; und einen zweiten Stapel, der eine Mehrzahl von Lagen aus Verbundmaterial umfasst, wobei die Stapel an einer Haftlinie miteinander verbunden sind. Durch Platzieren einer Lage aus selbstheilendem Material in einem der Stapel (bevorzugt relativ nahe an der Haftlinie) kann die Lage aus selbstheilendem Material der Ausbreitung von Rissen zwischen dem ersten Stapel und dem zweiten Stapel widerstehen.

[0012] Das Dokument WO 2009/156 376 A1 schliesslich betrifft eine Komponente mit einer selbstheilenden Oberflächenschicht oder einem selbstheilenden Lack oder einem Beschichtungspulver. Gemäss der Offenbarung wird die Selbstheilung durch eine reaktive Substanz garantiert, die in ummantelten Partikeln eingeschlossen ist. Eine Beschädigung an der Lackschicht führt zu der Zerstörung der Ummantelung, bevorzugt unter dem Einfluss eines katalytischen Materials, so dass der eingeschlossene flüssige Lack entweichen kann. Unter dem Einfluss von UV-Licht härtet der flüssige Lack und schliesst den resultierenden Riss.

[0013] Wie oben gezeigt, beschreiben einige Dokumente Lösungen, um die Rissbildung zu verhindern oder die Rissausbreitung zu stoppen oder sogar Risse während des Betriebs zu heilen. Die vorliegende Erfindung bietet eine neue und andere Lösung für die oben beschriebenen Probleme, um die Lebensdauer zu verlängern und/oder den Überholungsaufwand und die Ausschussrate für Komponenten in Turbomaschinen zu reduzieren.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0014] Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Komponente für eine Turbomaschine oder eine andere Maschine, die eine heisse Komponente enthält, die ihre Lebensdauer bezüglich Rissentstehung, Rissausbreitung und dem Heilen von Rissen substanziell und effektiv verlängert.

[0015] Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung von Verfahren zum Herstellen einer derartigen Komponente.

[0016] Diese und weitere Aufgaben werden durch eine Komponente nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach den Ansprüchen 16-18 gelöst.

[0017] Die Komponente gemäss der Erfindung, die in einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine, oder in anderen Maschinen verwendet wird, die heisse Komponenten enthalten, und die für die Entstehung und Ausbreitung von Rissen anfällig ist, indem sie hohen Temperaturen und/oder einer korrodierenden und/oder oxidierenden Atmosphäre und/oder einer hohen mechanischen Belastung und/oder einer Temperaturwechselbelastung und/oder instationären Bedingungen ausgesetzt wird, enthält mindestens ein Basismaterial. Die erfindungsgemässe Komponente ist dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Basismaterial mit einem Selbstheilungssystem in Form einer zugesetzten aktiven Phase ausgestattet ist, wobei die aktive Phase einen Schmelzpunktsenker und/oder eine Substanz oder Substanzen mit einem Erweichungs- oder Schmelzpunkt unter oder innerhalb des Bereichs der Betriebstemperatur der Komponente umfasst.

[0018] Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung weist die aktive Phase die Form individueller Partikel auf, die innerhalb des Basismaterials dispergiert sind.

[0019] Insbesondere können die Partikel auf abgestufte Weise innerhalb des Basismaterials dispergiert sein.

[0020] Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die aktive Phase die Form von Fasern auf, die in das Basismaterial eingearbeitet sind.

[0021] Insbesondere können die Fasern in einer gewebten Form vorliegen.

[0022] Bevorzugt weisen die Partikel und/oder Fasern jeweils eine Struktur mit einem zentralen Kern auf, der von einer Schale eingeschlossen ist.

[0023] Insbesondere sind der zentrale Kern und die Schale aus chemischen Substanzen in Form von Keramiken oder Metallen oder Kombinationen davon hergestellt.

[0024] Insbesondere weisen die chemischen Substanzen des zentralen Kerns die folgenden Charakteristika auf: <tb>a)<sep>Herabsetzen des Schmelzpunkts des Basismaterials, so dass eine Erweichung bei Betriebstemperatur eintritt, oder mit einer niedrigen Erweichungs- oder Schmelztemperatur, bevorzugt kleiner als 1000 °C; <tb>b)<sep>diffundieren in das Basismaterial und/oder optional in die Risse; <tb>c)<sep>oxidieren nicht stark, wenn sie an der Oberfläche in Kontakt mit Sauerstoff vorliegen; <tb>d)<sep>sind in der Lage, Metalloxide chemisch zu lösen; <tb>e)<sep>weisen ein begrenztes Reaktionsvermögen mit Cr auf, um eine Abnahme der Korrosionsbeständigkeit zu vermeiden; <tb>f)<sep>reagieren nicht mit der Substanz der Schale.

[0025] Bevorzugt umfassen die chemischen Substanzen des zentralen Kerns eines von Bor, Kohlenstoff, Phosphor, Silizium, Nickel oder eine Kombination davon und reagieren mit dem Basismaterial, wodurch die Schmelztemperatur reduziert wird.

[0026] Weiterhin können die chemischen Substanzen des zentralen Kerns einen Erweichungs- oder Schmelzpunkt unter oder in dem Bereich der Betriebstemperatur der Komponente aufweisen und reagieren nicht mit dem Basismaterial.

[0027] Insbesondere weisen die chemischen Substanzen der Schale die folgenden Charakteristika auf: <tb>a)<sep>diffundieren langsam, um die Kernsubstanzen freizusetzen oder die Kernsubstanzen aufzubrechen und freizusetzen; <tb>b)<sep>reagieren nicht mit den Kernsubstanzen, <tb>c)<sep>weisen ein begrenztes Reaktionsvermögen mit Cr auf, um eine Abnahme der Korrosionsbeständigkeit zu vermeiden.

[0028] Bevorzugt umfassen die chemischen Substanzen der Schale Chrom oder Nickel oder Aluminium oder eine Kombination davon.

[0029] Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das Selbstheilungssystem der Komponente weiterhin eine zusätzliche Reservoirphase, um die Zusammensetzung auszugleichen und eine konstante optimale Konzentration von chemischen Substanzen in der Komponente zu erreichen.

[0030] Insbesondere liegt die Reservoirphase in der Form individueller Partikel vor, die auch und/oder in dem Basismaterial dispergiert sind und jeweils eine Struktur mit einem zentralen Kern, der von einer Schale eingeschlossen ist, aufweisen.

[0031] Bevorzugt umfassen die Kernsubstanzen und/oder die Schalensubstanzen der Reservoirphase Chrom oder Nickel oder Aluminium oder eine Kombination davon.

[0032] Ein erstes Verfahren zum Herstellen einer Komponente gemäss der Erfindung, wobei die Komponente eine Haftschicht aufweist, die bevorzugt aus MCrAIY (M = Fe oder Ni oder Co oder Kombinationen davon) besteht, ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt Haftschichtpartikel und Partikel der aktiven Phase dispergiert werden und in einem zweiten Schritt das dispergierte Material mit einem thermischen Sprühprozess, insbesondere einem HVOF-Prozess (High Velocity Oxy Fuel) oder einem APS-Prozess (Air Plasma Spraying) oder einem Suspensionsplasmaspritzen (SPS - Suspension Plasma Spray) oder mit einem Aufschlämmungsbeschichtungsprozess auf die Komponente gesprüht wird.

[0033] Ein zweites Verfahren zum Herstellen einer Komponente gemäss der Erfindung, wobei die Komponente die Form eines aus einem Basismaterial, bevorzugt einer Superlegierung, beispielsweise einer Ni-Basensuperlegierung, hergestellten Coupons aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt Partikel des Basismaterials und Partikel der aktiven Phase dispergiert werden und in einem zweiten Schritt das dispergierte Material mit Hilfe von Giessen oder einer beliebigen Lasertechnik insbesondere SLM (Selective Laser Melting - selektives Laserschmelzen) oder SLS (Selective Laser Sintering - selektives Lasersintern) oder irgendeiner additiven Herstellungstechnik bearbeitet wird.

[0034] Ein drittes Verfahren zum Herstellen einer Komponente gemäss der Erfindung, wobei die Komponente eine hartgelötete Fügestelle aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Hartlötfolie oder ein Hartlötband oder eine Hartlötpaste verwendet wird, die die aktive Phase enthält.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0035] Die vorliegende Erfindung wird nun mit Hilfe verschiedener Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen eingehender erläutert. <tb>Fig. 1<sep>zeigt eine Fotografie der Vergröberung der Korngrenze am Ursprung der Rissentstehung in einer Verarmungszone einer beispielhaften Turbomaschinenkomponente; <tb>Fig. 2<sep>zeigt eine Aufnahme eines an der Oberfläche einer Haftschicht initiierten thermomechanischen Ermüdungsrisses, wobei sich der Riss sowohl in die Keramikschicht als auch das Basismaterial ausbreitet; <tb>Fig. 3<sep>zeigt verschiedene Phasen während der Lebensdauer einer Komponente mit einem Heilsystem gemäss einem ersten Konzept der Erfindung; <tb>Fig. 4<sep>zeigt verschiedene Phasen während der Lebensdauer einer Komponente mit einem Heilsystem gemäss einem zweiten Konzept der Erfindung; <tb>Fig. 5<sep>zeigt verschiedene Phasen während der Lebensdauer einer Komponente mit einem Heilsystem gemäss einem dritten Konzept der Erfindung; <tb>Fig. 6<sep>zeigt verschiedene Phasen während der Lebensdauer einer Komponente mit einem Heilsystem gemäss einem vierten Konzept der Erfindung; <tb>Fig. 7<sep>zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit einer zusätzlichen Reservoirphase und <tb>Fig. 8<sep>zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, wo Fasern als ein Rissstoppmittel verwendet werden.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VERSCHIEDENER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

[0036] Die Neuheit der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines Selbstheilsystems für das Basismaterial, hartgelötete Gebiete und/oder Beschichtungen von Komponenten auf der Basis des Zusatzes von Schmelzpunktsenkern und/oder Substanzen mit einem Erweichungs- oder Schmelzpunkt unter oder in dem Bereich der Betriebstemperatur gemäss dem Konzept der Erfindung. Die Erfindung kann eine Entschärfung für die Bildung und Ausbreitung von Rissen sein, die (unter anderem) zurückzuführen sind auf: Korrosion und/oder Oxidation und/oder Kerngrenzenvergröberung aufgrund von Präzipitieren und/oder Kriechen und/oder Kurzzeitermüdung und/oder Langzeitermüdung und/oder thermisch-mechanische Ermüdung.

[0037] Sie kann ausserdem bereits gebildete Risse heilen.

[0038] Die Vorteile der Erfindung umfassen eine Verlängerung der Lebensdauer und/oder eine Reduktion bei dem Überholungsaufwand bezüglich Rissrestaurierung und/oder eine Abnahme der Ausschussrate und/oder eine Abnahme des Betriebsrisikos, erreicht durch ein Verhindern von Rissen, und/oder ein Verlangsamen der Rissausbreitungsrate und/oder ein Heilen der Risse.

[0039] Allgemein sind die technischen Ziele der Erfindung das Verhindern der Rissbildung und/oder das Verhindern der Rissausbreitung und/oder das Härten/Heilen existierender Risse.

[0040] Die Erfindung lässt sich auf neuhergestellte und/oder überholte Komponenten innerhalb von Turbomaschinen anwenden, bevorzugt (aber nicht nur) Lauf- und Leitschaufeln im Heissgaspfad einer Gasturbine sowie Hitzeschilde und Auskleidungen oder heisse Komponenten von anderen Maschinen. Die Erfindung konzentriert sich auf metallische oder keramische Beschichtungen auf der ganzen Komponente, Beschichtungen auf einem Coupon, der ein Teil einer Komponente ist, aber separat von dem Rest der Komponente hergestellt wird, auf dem Coupon selbst, auf Hartlötfügestellen, die zum Fixieren eines Coupon verwendet werden, und das für eine Reparatur verwendete Hartlötmaterial.

[0041] In den unten angegebenen Erläuterungen werden die Zielkomponenten ohne ein Selbstheilungssystem als «Basismaterialien» bezeichnet.

[0042] Das Selbstheilungssystem der Erfindung kann vollständig, teilweise (beispielsweise nur innerhalb der oberen Oberfläche) oder auf der Oberseite der Basismaterialien hinzugefügt werden. Weiterhin kann das Selbstheilungssystem der Erfindung dem Basismaterial auf abgestufte Weise zugefügt werden.

[0043] Die Komponente gemäss der Erfindung ist das mindestens eine Basismaterial zusammen mit der aktiven Phase und optional mit der Reservoirphase. Das Basismaterial ist um die aktive (und die Reservoir-) Phase herum. Die Komponente kann beispielsweise eine Beschichtung, ein Coupon, eine Hartlötfügestelle oder ein Teil eines Blatts, einer Schaufel, einer Auskleidung usw. sein.

[0044] Gemäss der Erfindung umfasst das Selbstheilungssystem eine aktive Phase. Diese aktive Phase weist insbesondere Partikel mit potentiell unterschiedlichen Formen und/oder Fasern auf, die optional gewebt sind. Die Partikel oder Fasern weisen bevorzugt eine Kern-Schalen-Struktur auf. Der Kern und die Schale können aus chemischen Substanzen wie Nichtoxid- oder Oxidkeramiken, Metallen oder Kombinationen davon hergestellt sein.

[0045] Die chemischen Substanzen des Kerns weisen bevorzugt die folgenden Charakteristika auf: <tb>a)<sep>Senken der Schmelztemperatur des Basenmaterials, so dass es zu einer Erweichung bei Betriebstemperatur kommt, oder weisen eine niedrige (<1000 °C) Erweichungs- oder Schmelztemperatur auf; <tb>b)<sep>diffundieren in das Basismaterial und/oder optional in die Risse; <tb>c)<sep>oxidieren nicht stark, wenn sie an der Oberfläche in Kontakt mit Sauerstoff vorliegen; <tb>d)<sep>sind in der Lage, die Metalloxide chemisch zu lösen; <tb>e)<sep>weisen ein begrenztes Reaktionsvermögen mit Cr auf, um eine Abnahme der Korrosionsbeständigkeit zu vermeiden; und <tb>f)<sep>reagieren nicht mit der Schalensubstanz.

[0046] Weiterhin können die chemischen Substanzen von dem Kern bei der Betriebstemperatur fest oder flüssig sein. Sie können mit dem Basismaterial reagieren oder nicht reagieren.

[0047] Andererseits weisen die chemischen Substanzen der Schale die folgenden Charakteristika auf: <tb>a)<sep>diffundieren langsam, um die Kernsubstanzen freizusetzen oder die Kernsubstanzen aufzubrechen und freizusetzen; <tb>b)<sep>reagieren nicht mit den Kernsubstanzen, und <tb>c)<sep>weisen ein begrenztes Reaktionsvermögen mit Cr auf, um eine Abnahme der Korrosionsbeständigkeit zu vermeiden.

[0048] Optional wird möglicherweise eine zusätzliche Reservoirphase, die auch eine Kern-Schalen-Struktur aufweisen kann, benötigt, um die Zusammensetzung auszugleichen und eine konstante optimale Konzentration an chemischen Substanzen zu erhalten (insbesondere ist die Chromkonzentration für den Korrosionsschutz wichtig).

[0049] Für die aktive Phase mit ihrer Kern-Schalen-Struktur können die Kernsubstanzen sogenannte Schmelzpunktsenker (MDP - Melting Point Depressants) wie Bor, Kohlenstoff, Phosphor, Silizium, Nickel oder eine Kombination davon sein.

[0050] Andererseits kann der Kern aus einem Material mit einer Erweichungs- oder Schmelztemperatur unter oder in dem Bereich der Betriebstemperatur gemäss der Erfindung bestehen.

[0051] Die MDPs reagieren bevorzugt mit dem Basismaterial, um die Schmelztemperatur zu reduzieren. Materialien mit einer Erweichungs- oder Schmelztemperatur unter oder in dem Bereich der Betriebstemperatur reagieren bevorzugt nicht mit dem Basismaterial.

[0052] Die Schalensubstanzen der aktiven Phase können Chrom oder Nickel oder Aluminium oder eine Kombination davon sein.

[0053] Für die oben erwähnte Reservoirphase können die Kernsubstanzen Chrom oder Nickel oder Aluminium oder eine Kombination davon sein.

[0054] Die Schalensubstanzen der Reservoirphase können ebenfalls Chrom oder Nickel oder Aluminium oder eine Kombination davon sein.

[0055] Für die Verarbeitung des Basismaterials mit dem Selbstheilungssystem können verschiedene Verfahren angewendet werden: Für eine Beschichtung mit einem Selbstheilungssystem werden die Partikel der aktiven Phase und der Haftschicht, beispielsweise MCrAlY-Partikel, dispergiert (Mischung aus beiden Pulvern oder Suspension aus beiden Pulvern) und dann mit HVOF (High Velocity Oxy Fuel), einem Standardprozess zum Aufbringen einer Haftschicht, oder APS (Air Plasma Spray) oder Suspensions-Plasmasprühen (SPS) oder Aufschlämmungs-beschichtung oder einem anderen Prozess zum Aufbringen einer Beschichtung aufgebracht. Für einen Coupon mit einem Selbstheilungssystem werden die Partikel der aktiven Phase und des Basismaterials, beispielsweise Superlegierungspartikel, dispergiert (Mischung aus beiden Pulvern oder Suspension aus beiden Pulvern) und mit Hilfe von Giessen, selektivem Laserschmelzen (SLM - Selective Laser Melting) oder selektivem Lasersintern (SLS-Selective Laser Sintering) oder irgendeiner anderen Lasertechnik oder irgendeiner additiven Herstellungstechnik verarbeitet. Für eine hartgelötete Fügestelle mit einem Selbstheilungssystem wird eine Hartlötfolie oder ein Hartlötband oder eine Hartlötpaste mit selbstheilenden Partikeln oder Fasern verwendet.

[0056] Innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung gibt es viel mehr Alternativen für das Verarbeiten von Basismaterial mit einem Selbstheilungssystem gemäss der Erfindung.

[0057] Bezüglich Fig. 3 bis 8 werden verschiedene Konzepte des Basismaterials plus Heilungssystem gemäss der Erfindung erläutert.

[0058] Fig. 3(a)-(e) betrifft den Fall oder das Konzept der Verhinderung der Rissbildung durch Erweichen und Dämpfen:

[0059] Fig. 3(a) zeigt die Anfangssituation, d.h. bei der Installation der Komponente in der Turbomaschine. Die Komponente 14 umfasst ein Basismaterial 15, beispielsweise ein Metallmaterial oder Keramikmaterial und enthält dispergierte Partikel 16 einer aktiven Phase, wobei jedes der Partikel 16 einen von einer Schale 18 eingeschlossenen Kern 17 aufweist. Die Schale 18 weist eine Anfangsschalendicke t auf. Der Kern 17 weist einen Anfangskerndurchmesser d auf; die Form des Kerns kann jedoch nicht kugelförmig oder willkürlich sein und d bedeutet dann den Äquivalenzdurchmesser des Kernvolumens.

[0060] Nach mehreren Betriebsstunden (Fig. 3(b)) führt eine Oxidation der Oberfläche der Komponente 14 zu einer Verarmungszone 19 und einer Oxidschicht 20. Der Konzentrationsgradient ist die Antriebskraft für die Diffusion 21 der chemischen Substanzen aus der Schale, was zu einer dünneren Schale führt. Die Schalendicke t’ nach mehreren Betriebsstunden ist kleiner als t (t‘ < t). Der Kerndurchmesser d‘ nach mehreren Betriebsstunden ist gleich d (d’ = d).

[0061] Nach mehreren zusätzlichen Betriebsstunden (Fig. 3(c)) sind alle die Schalensubstanzen in dem Basismaterial 15 gelöst. Nun wird die Kernsubstanz durch Diffusion 22 freigestellt. Das Basismaterial 15 wird bei der Betriebstemperatur weicher (Einsetzen des Schmelzens) oder lokal flüssig. Ein Mechanismus (unter mehreren anderen) für die Rissverhinderung ist ein Dämpfungseffekt für Schwingungen, die durch Viskosedissipationseigenschaften des geseigerten Materials erzeugt werden. Der Kerndurchmesser d» ist kleiner als d’. Es gibt eine Erweiterung 23 der Verarmungszone 19.

[0062] Nach mehreren zusätzlichen Betriebsstunden (Fig. 3(d)) zeigt das Gebiet der Verarmungszone 19 den Selbstheilungseffekt: Das Basismaterial 15 ist ausreichend erweicht, um eine Rissentstehung zu verhindern, oder heilt simultan einen Riss 24.

[0063] Am Ende der Lebensdauer der Komponente 14 (Fig. 3(e)) wird der Effekt zusammen mit der Erweiterung 23 der Verarmungszone 19 ausgeweitet. Die Selbstaufrechterhaltung des Prozesses erfolgt durch Verbrauch der Oberfläche (Oxidschicht 20) und Ausbreitung der Verarmungszone 19.

[0064] Fig. 4(a)-(d) betrifft den Fall oder das Konzept der Verhinderung der Entstehung/Ausbreitung von grossen Rissen:

[0065] Fig. 4(a) zeigt wieder die Anfangssituation, d.h. bei der Installation der Komponente in der Turbomaschine. Die Komponente 14 umfasst ein Basismaterial 15 und enthält dispergierte Partikel 16 einer aktiven Phase. Jedes der Partikel 16 weist einen von einer Schale 18 eingeschlossenen Kern 17 auf. Die Schale 18 weist eine anfängliche Schalendicke t auf. Der Kern 17 weist einen anfänglichen Kerndurchmesser d auf.

[0066] Nach mehreren Betriebsstunden (Fig. 4(b)) kommt es zu einer Ausbildung von grossen Rissen 25 im Basismaterial 15. Die Oxidation der Rissoberfläche führt zu einer rissbezogenen Verarmungszone 26. Der Konzentrationsgradient in der Hauptverarmungszone 19 ist die Antriebskraft für die Diffusion 21 der in der Schale 18 enthaltenen chemischen Substanzen, was zu einer dünneren Schale führt.

[0067] Nach mehreren weiteren Betriebsstunden (Fig. 4(c)) werden die chemischen Substanzen aus dem Kern 17 freigesetzt, was zu einer Erweichungs- oder einer Schmelzpunktreduktion innerhalb des verarmten Bereichs 19 führt. Die Ausbreitung der Risse 25 ist gestoppt oder zumindest verlangsamt.

[0068] Am Ende der Lebensdauer (Fig. 4(d)) wird die Selbstaufrechterhaltung des Prozesses durch den Verbrauch der Oberfläche (Oxidschicht 20) und die Ausbreitung der Verarmungszone 19 (Erweiterung 23) gegründet.

[0069] Fig. 5(a)-(e) betrifft den Fall oder das Konzept der Heilung von feinen Rissen:

[0070] Fig. 5(a) zeigt wieder die Anfangssituation, d.h. bei der Installation der Komponente in der Turbomaschine. Die Komponente 14, die ein Basismaterial 15 umfasst, enthält dispergierte Partikel 16, von denen jedes einen von einer Schale 18 eingeschlossenen Kern 17 aufweist. Die Schale 18 weist eine anfängliche Schalendicke t auf. Der Kern 17 weist einen anfänglichen Kerndurchmesser d auf.

[0071] Nach mehreren Betriebsstunden (Fig. 5(b)) kommt es zur Ausbildung von feinen Rissen 27. Ausserdem entstehen eine Oxidschicht 20 und eine erste und zweite Verarmungszone 19 und 26.

[0072] Dann findet nach mehreren zusätzlichen Betriebsstunden (Fig. 5(c)) eine Diffusion von Substanzen aus der Schale 18 statt.

[0073] Nach mehreren zusätzlichen Betriebsstunden (Fig. 5(d)) gibt es eine Auflösung von Metalloxiden, die in dem Riss 27 entstanden sein könnten, durch die Freisetzung der Substanz aus dem Kern 17.

[0074] Nach mehreren zusätzlichen Betriebsstunden (Fig. 5(e)) gibt es eine Erweichung und/oder ein Schmelzen aufgrund der Freisetzung der Kernsubstanzen und/oder der Freisetzung von flüssigen Substanzen. Es kommt zu einem Füllen 28 des Risses und einer lokalen Reoxidation der anfänglichen Rissposition.

[0075] Fig. 6(a)-(c) betrifft den Fall oder das Konzept der Rissverhinderung und Rissheilung:

[0076] Fig. 6(a) zeigt wieder die anfängliche Situation, d.h. bei der Installation der Komponente in der Turbomaschine. Die Komponente 14, die ein Basismaterial 15 umfasst, enthält dispergierte Partikel 16, von denen jedes einen von einer Schale 18 eingeschlossenen Kern 17 aufweist. Die Schale 18 weist eine anfängliche Schalendicke t auf. Der Kern 17 weist einen anfänglichen Kerndurchmesser d auf, was im Fall eines willkürlichen, nicht-kugelförmigen Volumens des Kerns den Äquivalenzdurchmesser bedeutet.

[0077] Nach mehreren Betriebsstunden (Fig. 6(b)) entstehen eine Oxidschicht 20 und eine Verarmungszone 19. Weiterhin kommt es zu einer Vergröberung der Korngrenzen 30 durch Ausfall in dem Basismaterial 15. Gleichzeitig findet eine Diffusion 29 aus der Schale 18 statt.

[0078] Nach mehreren zusätzlichen Betriebsstunden (Fig. 6(c)) entstehen im Allgemeinen Risse in der Verlängerung der vergröberten Korngrenzen 30 (Rissentstehungszone 31). Risse werden vermieden und gleichzeitig selbst geheilt.

[0079] Fig. 7 betrifft ein Konzept, das ausserdem auf andere oben erläuterte Konzepte angewendet werden kann. Sie zeigt die Anfangssituation, d.h. bei der Installation der Komponente in der Turbomaschine. Die Komponente 14, die ein Basismaterial 15 umfasst, enthält dispergierte Partikel 16, von denen jedes einen von einer Schale 18 eingeschlossenen Kern 17 aufweist. Weiter zu der aktiven Phase (Partikel 16) ist eine Reservoirphase dispergiert, die Partikel 32 mit einer Kern-Schalen-Struktur mit Kern 33 und Schale 34 umfasst.

[0080] Fig. 8 schliesslich betrifft ein Konzept der Steuerung der Rissausbreitung, wobei das Basismaterial 15 der Komponente 14 ́ mit Fasern 35 verstärkt ist. Die Rolle der (bevorzugt gewebten) Fasern 35 besteht darin, die Rissausbreitung mechanisch zu stoppen und/oder sie in Richtung geringerer Last zu orientieren. Die Beanspruchungsspitzen werden in einer günstigeren Richtung umverteilt. Die Fasern 35 können wie oben erläutert als eine aktive Phase wirken.

LISTE DER BEZUGSZEICHEN

[0081] <tb>10<sep>Wärmedämmschicht (TBC - Thermal Barrier Coating) <tb>11<sep>Haftschicht <tb>12<sep>Basismetall (Substrat) <tb>13<sep>Riss <tb>14, 14 ́<sep>Komponente <tb>15<sep>Basismaterial <tb>16<sep>Partikel (aktive Phase) <tb>17, 33<sep>Kern <tb>18, 34<sep>Schale <tb>19, 26<sep>Verarmungszone <tb>20<sep>Oxidschicht <tb>21, 29<sep>Schalendiffusion <tb>22<sep>Kerndiffusion <tb>23<sep>Erweiterung (Verarmungszone) <tb>24, 25, 27<sep>Riss <tb>28<sep>Füllung <tb>30<sep>Korngrenze <tb>31<sep>Rissentstehungszone <tb>32<sep>Partikel (Reservoirphase) <tb>35<sep>Faser (aktive Phase) <tb>d, d’, d’’<sep>Kerndurchmesser (oder Äquivalenzdurchmesser im Fall eines willkürlichen, nicht-kugelförmigen Volumens) <tb>t, t’, t’’<sep>Schalendicke (oder Äquivalenzdicke im Fall eines willkürlichen, nicht kugelförmigen Volumens)

Claims (18)

1. Komponente für eine Turbomaschine, insbesondere eine Gasturbine, oder eine andere Maschine, die eine heisse Komponente enthält, wobei die Komponente (14, 14 ́) für die Entstehung und Ausbreitung von Rissen anfällig ist, indem sie hohen Temperaturen und/oder einer korrodierenden und/oder oxidierenden Atmosphäre und/oder einer hohen mechanischen Belastung und/oder einer Temperaturwechselbelastung und/oder instationären Bedingungen ausgesetzt wird, wobei die Komponente (14, 14 ́) mindestens ein Basismaterial (15) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Basismaterial (15) mit einem Selbstheilungssystem in Form einer zugesetzten aktiven Phase (16, 35) ausgestattet ist, wobei die aktive Phase (16, 35) einen Schmelzpunktsenker und/oder eine Substanz oder Substanzen mit einem Erweichungs- oder Schmelzpunkt unter oder innerhalb des Bereichs der Betriebstemperatur der Komponente (14, 14 ́) umfasst.

2. Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Phase die Form individueller Partikel (16) aufweist, die innerhalb des Basismaterials (15) dispergiert sind.

3. Komponente nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (16) auf abgestufte Weise innerhalb des Basismaterials (15) dispergiert sind.

4. Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Phase die Form von Fasern (35) aufweist, die in das Basismaterial (15) eingearbeitet sind.

5. Komponente nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (35) in einer gewebten Form vorliegen.

6. Komponente nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (16) und/oder Fasern (35) jeweils eine Struktur mit einem zentralen Kern (17) aufweisen, der von einer Schale (18) eingeschlossen ist.

7. Komponente nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Kern (17) und die Schale (18) aus chemischen Substanzen in Form von Keramiken oder Metallen oder Kombinationen davon hergestellt sind.

8. Komponente nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die chemischen Substanzen des zentralen Kerns (17) die folgenden Charakteristika aufweisen: <tb>a)<sep>herabsetzen des Schmelzpunkts des Basismaterials, so dass eine Erweichung eintritt, oder mit einer niedrigen Erweichungs- oder Schmelztemperatur, bevorzugt kleiner als 1000 °C; <tb>b)<sep>diffundieren in das Basismaterial (15) und/oder optional in die Risse; <tb>c)<sep>oxidieren nicht stark, wenn sie an der Oberfläche in Kontakt mit Sauerstoff vorliegen; <tb>d)<sep>sind in der Lage, Metalloxide chemisch zu lösen; <tb>e)<sep>weisen ein begrenztes Reaktionsvermögen mit Cr auf, um eine Abnahme der Korrosionsbeständigkeit zu vermeiden; <tb>f)<sep>reagieren nicht mit der Substanz der Schale (18).

9. Komponente nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die chemischen Substanzen des zentralen Kerns (17) eines von Bor, Kohlenstoff, Phosphor, Silizium, Nickel oder eine Kombination davon umfassen und mit dem Basismaterial (15) reagieren, wodurch die Schmelztemperatur reduziert wird.

10. Komponente nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die chemischen Substanzen des zentralen Kerns (17) einen Erweichungs- oder Schmelzpunkt unter oder in dem Bereich der Betriebstemperatur der Komponente (14, 14 ́) aufweisen und nicht mit dem Basismaterial (15) reagieren.

11. Komponente nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die chemischen Substanzen der Schale (18) die folgenden Charakteristika aufweisen: <tb>a)<sep>diffundieren langsam, um die Kernsubstanzen freizusetzen oder die Kernsubstanzen aufzubrechen und freizusetzen; <tb>b)<sep>reagieren nicht mit den Kernsubstanzen, <tb>c)<sep>weisen ein begrenztes Reaktionsvermögen mit Cr auf, um eine Abnahme der Korrosionsbeständigkeit zu vermeiden.

12. Komponente nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die chemischen Substanzen der Schale (18) Chrom oder Nickel oder Aluminium oder eine Kombination davon umfassen.

13. Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Selbstheilungssystem weiterhin eine zusätzliche Reservoirphase (32) umfasst, um die Zusammensetzung auszugleichen und eine konstante optimale Konzentration von chemischen Substanzen in der Komponente (14, 14 ́) zu erreichen.

14. Komponente nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Reservoirphase in der Form individueller Partikel (32) vorliegt, die auf und/oder in dem Basismaterial (15) dispergiert sind und jeweils eine Struktur mit einem zentralen Kern (33), der von einer Schale (34) eingeschlossen ist, aufweisen.

15. Komponente nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernsubstanzen und/oder die Schalensubstanzen der Reservoirphase Chrom, Nickel oder Aluminium oder eine Kombination davon umfassen.

16. Verfahren zum Herstellen einer Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Komponente eine Haftschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt Haftschichtpartikel und Partikel der aktiven Phase dispergiert werden und in einem zweiten Schritt das dispergierte Material mit einem thermischen Sprühprozess oder einem Suspensionsplasmaspritzen (SPS - Suspension Plasma Spray) oder mit einem Aufschlämmungsbeschichtungsprozess auf die Komponente gesprüht wird.

17. Verfahren zum Herstellen einer Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 15 in der Form eines aus einem Basismaterial hergestellten Coupons, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt Partikel des Basismaterials und Partikel der aktiven Phase dispergiert werden und in einem zweiten Schritt das dispergierte Material mit Hilfe von Giessen oder einer Lasertechnik oder irgendeiner additiven Herstellungstechnik verarbeitet wird.

18. Verfahren zum Herstellen einer Komponente nach einem der Ansprüche 1 bis 15, die eine hartgelötete Fügestelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hartlötfolie oder ein Hartlötband oder eine Hartlötpaste verwendet wird, die die aktive Phase enthält.