EP0376061A2 - Hochtemperatur-Schutzschicht - Google Patents

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EP0376061A2
EP0376061A2 EP89123003A EP89123003A EP0376061A2 EP 0376061 A2 EP0376061 A2 EP 0376061A2 EP 89123003 A EP89123003 A EP 89123003A EP 89123003 A EP89123003 A EP 89123003A EP 0376061 A2 EP0376061 A2 EP 0376061A2
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EP
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layer
intermediate layer
temperature protective
protective layer
cover layer
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EP0376061B1 (de
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Lorenz Dr. Singheiser
Klaus Dr. Schneider
Hermann Dr. Grünling
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ABB AG Germany
ABB AB
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Asea Brown Boveri AG Germany
Asea Brown Boveri AB
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material

Definitions

  • the invention relates to a high-temperature protective layer according to the preamble of claim 1.
  • Such high-temperature protective layers are used above all where the base material of components made of heat-resistant steels and / or alloys that are used at temperatures above 600 ° C is to be protected.
  • High-temperature protective layers are of particular importance for components of gas turbines. They are mainly applied to rotor blades and guide vanes, as well as to heat accumulation segments in gas turbines.
  • An austenitic material based on nickel, cobalt or iron is preferably used to manufacture these components.
  • nickel superalloys in particular are used as the base material.
  • protective layers which are essential Contain components nickel, cobalt, chrome, aluminum and yttrium.
  • the aluminum content of these protective layers is relatively high.
  • the surface of the protective layer automatically forms an aluminum oxide-containing coating which contributes to the corrosion resistance of the actual protective layer.
  • a disadvantage of these protective layers is that they are not sufficiently adapted to the base material of the components to be protected. At high temperatures, compatibility problems arise between the protective layers and the base material of the components.
  • the invention is therefore based on the object of demonstrating a high-temperature protective layer with which the disadvantages of the known protective layers of this type are avoided.
  • an intermediate layer which contains nickel, chromium, aluminum, silicon, yttrium and tantalum is first applied to the base material of the component to be coated.
  • the Pore formation can be prevented if an intermediate layer with the composition Ni25Cr5Al3Si0.5Y1TA is first applied to the component.
  • the intermediate layer is preferably applied in a thickness between 50 and 100 ⁇ m.
  • the cover layer which contains nickel, cobalt, chromium, aluminum and yttrium as essential components, is applied directly to this intermediate layer.
  • a cover layer with the composition Ni20.5Cr11.5Al2.5Si0.5Y1Ta12Co is preferably applied.
  • cover layer instead of this cover layer, one with the composition Ni23Cr9.5Al2.5Si0.5Y1Ta10Co can also be applied.
  • the intermediate layer and the top layer are applied by means of low-pressure plasma spraying.
  • the cover layer is preferably applied with a thickness between 200 and 300 ⁇ m. After the top layer has been applied, the component is then heat-treated. After the same, the high-temperature protective layer is completed.
  • the cover layer it is possible to apply the cover layer only partially, specifically at the locations of the components that are subject to very high thermal stress.
  • the cover layer is then embedded in the intermediate layer at these points.
  • the intermediate layer In the areas that are subject to high thermal stress, the intermediate layer is only between 50 and 100 ⁇ m thick, while in the other areas it is applied up to 300 ⁇ m thick.
  • the cover layer is then applied with a thickness between 200 and 300 ⁇ m to the thinly applied intermediate layer in the regions subjected to high thermal stress, in such a way that its surface is flush with the intermediate layer in the edge regions.
  • FIG. 1 shows a vertical section through the high-temperature protective layer 1 according to the invention. This is formed by an intermediate layer 2 and a cover layer 3.
  • the high-temperature protective layer 1 is applied to the thermally highly stressed surface of a gas turbine blade 4, which is shown in regions in FIG. 1.
  • the gas turbine blade 4 is made of an austenitic material, preferably a superalloy based on nickel.
  • the intermediate layer 2, the composition of which corresponds to the state of equilibrium which occurs after a longer diffusion time between the cover layer 3 and the material of the gas turbine blade 4, is first applied to its thermally highly stressed surface 4F by means of low-pressure plasma spraying.
  • the intermediate layer 2 consists of nickel, chromium, aluminum, silicon, yttrium and tantalum.
  • the cover layer 3 has the composition Ni25Cr5AL3Si0.5Y1Ta.
  • the cover layer 3 is also applied with low-pressure plasma spraying.
  • the cover layer preferably has a thickness between 200 and 300 ⁇ m. Its main components are nickel, cobalt, chromium, aluminum and yttrium.
  • the cover layer 3 has a composition in the form of Ni20.5Cr11.5Al2.5Si0.5Y1Ta12Co.
  • a cover layer with this composition is also applied with a thickness of 200 to 300 ⁇ m.
  • the application of the cover layer is followed by a two-hour heat treatment of the high-temperature protective layer 1 in a vacuum at 1120 ° C. After the heat treatment has ended, the high-temperature protective layer 1 is finished.
  • FIG. 2 shows a further possibility for coating the gas turbine blade 4.
  • Such gas turbine blades are subjected to less thermal stress in the foot and shroud area. Mechanical loads, on the other hand, are very high in these areas.
  • the cover layer 3 is therefore only partially applied according to the invention.
  • the intermediate layer 2 is first applied to the surface 4F of the gas turbine blade 4.
  • the intermediate layer 2 is applied with a thickness of 50 to 100 ⁇ m in the region 5 that is subjected to high thermal stress, while it is applied with a thickness of 200 to 300 ⁇ m in the region 6 that is subjected to less thermal stress.
  • the intermediate layer 2 has the same composition as the intermediate layer 2 shown in FIG. 1 and explained in the associated description.
  • the cover layer 3 is applied to the intermediate layer 2 with a thickness between 200 and 300 ⁇ m.
  • the thickness of the cover layer 3 is selected so that the surface 3F of the cover layer 3 lies in one plane with the surface 2F of the intermediate layer 2, and a flush transition between the two layers 2 and 3 is ensured.
  • the top layer 3 can have the same compositions have, as the cover layer 3 shown in Figure 1, which is explained in the associated description.
  • the application of the two layers 2 and 3 is in turn followed by a heat treatment.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperatur-­Schutzschicht (1) die auf Bauelemente (4) aus einem au stenitischen Werkstoff aufgetragen wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochtemperatur-Schutz­schicht (1) zu schaffen, die eine gute Verträglichkeit mit dem Werkstoff der Bauelemente (4) aufweist. Erfin­dungsgemäß wird zwischen jedem Bauelement (4) und einer Deckschicht (3) die durch NiCoCrAlY gebildet wird, eine Zwischenschicht (2) angeordnet, deren Zusammensetzung dem Gleichgewichtszustand entspricht, der sich nach lan­ger Diffussionszeit zwischen der Deckschicht (3) und dem Werkstoff des Bauelements (4) einstellt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperatur-­Schutzschicht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Solche Hochtemperatur-Schutzschichten kommen vor allem dort zur Anwendung, wo der Grundwerkstoff von Bauelemen­ten aus warmfesten Stählen und/oder Legierungen zu schützen ist, die bei Temperaturen über 600 °C zum Ein­satz kommen. Durch solche Hochtemperatur-Schutzschichten soll die Wirkung von Hochtemperatur-Korrosionen, vor allem von Schwefel, Ölaschen, Sauerstoff, Erdalkalien und Vanadium verlangsamt bzw. vollständig unterbunden werden.
  • Bei Bauelementen von Gasturbinen sind Hochtemperatur-­Schutzschichten von besonderer Bedeutung. Sie werden vor allem auf Lauf- und Leitschaufeln, sowie auf Wärmestau­segmente von Gasturbinen aufgetragen.
  • Für die Fertigung dieser Bauelemente wird vorzugsweise ein austenitisches Material auf der Basis von Nickel, Kobalt oder Eisen verwendet. Bei der Herstellung von Gasturbinenbauteilen kommen vor allem Nickel-Superle­gierungen als Grundmaterial zur Anwendung.
  • Bauelemente die für Gasturbinen bestimmt sind, werden bspw. mit Schutzschichten überzogen, die als wesentliche Bestandteile Nickel, Kobalt, Chrom, Aluminium und Yt­trium enthalten. Der Aluminiumanteil dieser Schutz­schichten ist relativ hoch. Hierdurch kommt es unter Betriebsbedingungen, insbesondere wenn die damit be­schichteten Bauelemente einer Temperatur von mehr als 900 °C ausgesetzt sind, auf der Oberfläche der Schutz­schicht zur selbsttätigen Ausbildung eines aluminium­oxidhaltigen Überzuges, der zur Korrosionsbeständigkeit der eigentlichen Schutzschicht beiträgt. Als Nachteil dieser Schutzschichten ist hervorzuheben, daß sie nicht genügend an den Grundwerkstoff der zu schützenden Bau­elemente angepaßt sind. Bei hohen Temperaturen treten Verträglichkeitsprobleme zwischen den Schutzschichten und dem Grundwerkstoff der Bauelemente auf. Diese wirkt sich dahingehend aus, daß sich zwischen der Schutz­schicht und dem Grundwerkstoff Poren ausbilden, die durch Abdiffusion wesentlicher Legierungsbestandteile der Schutzschicht oder des Grundwerkstoffs der Bauele­mente hervorgerufen werden. Dieser Effekt wird als Kir­kendall-Porosität bezeichnet. Ferner treten Probleme auch dann auf, wenn die Duktilität der Schutzschicht bei Temperaturen unter 600 °C gering ist, was bei Schutz­schichten mit hohem Aluminium- und Chromgehalt der Fall ist.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Hochtemperatur-Schutzschicht aufzuzeigen, mit welcher die Nachteile der bekannten Schutzschichten dieser Art umgangen werden.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentan­spruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird auf den Grund­werkstoff des zu beschichtenden Bauelements zunächst eine Zwischenschicht aufgetragen, die Nickel, Chrom, Aluminium, Silizium, Yttrium und Tantal enthält. Die Porenbildung läßt sich unterbinden, wenn auf das Bauele­ment zunächst eine Zwischenschicht mit der Zusammen­setzung Ni25Cr5Al3Si0.5Y1TA aufgetragen wird. Vorzugs­weise wird die Zwischenschicht in einer Dicke zwischen 50 und 100 µm aufgetragen. Auf diese Zwischenschicht wird unmittelbar die Deckschicht aufgebracht, die als wesentliche Bestandteile Nickel, Kobalt, Chrom, Alumi­nium und Yttrium enthält. Bevorzugt wird eine Deck­schicht mit der Zusammensetzung Ni20.5Cr11.5Al2.5Si0.5­Y1Ta12Co aufgetragen. Anstelle dieser Deckschicht kann auch eine solche mit der Zusammensetzung Ni23Cr9.5Al2.5­Si0.5Y1Ta10Co aufgetragen werden. Das Auftragen der Zwi­schenschicht und der Deckschicht erfolgt mittels Nieder­druckplasmaspritzen. Die Deckschicht wird vorzugsweise mit einer Dicke zwischen 200 und 300 µm aufgetragen. Nach dem Auftragen der Deckschicht schließt sich noch eine Wärmebehandlung des Bauelements an. Nach Beendigung derselben ist die Hochtemperatur-Schutzschicht fertigge­stellt.
  • Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit die Deckschicht nur partiell aufzubringen, und zwar an den Stellen der Bauelemente, die thermisch sehr stark beansprucht wer­den. Erfindungsgemäß wird die Deckschicht dann an diesen Stellen in die Zwischenschicht eingebettet. In den Be­reichen, die thermisch stark beansprucht werden, wird die Zwischenschicht nur zwischen 50 und 100 µm dick aus­gebildet, während sie in den übrigen Bereichen bis zu 300 µm dick aufgetragen wird. Auf die dünner aufgetra­gene Zwischenschicht in den thermisch stark belasteten Bereichen wird dann die Deckschicht mit einer Dicke zwi­schen 200 und 300 µm aufgetragen, und zwar so, daß ihre Oberfläche bündig mit der Zwischenschicht in den Randbe­reichen abschließt.
  • Weitere erfindungswesentliche Merkmale werden in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Erfindung wird nach­folgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1: Ein mit der erfindungsgemäßen Hochtemperatur­Schutzschicht versehenes Bauelement,
    • Figur 2: ein weiteres beschichtetes Bauelement.
  • Figur 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch die erfin­dungsgemäße Hochtemperatur-Schutzschicht 1. Diese wird durch eine Zwischenschicht 2 und eine Deckschicht 3 ge­bildet. Die Hochtemperatur-Schutzschicht 1 ist auf die thermisch stark beanspruchte Fläche einer Gasturbinen­schaufel 4 aufgetragen, die in Figur 1 bereichsweise dargestellt ist. Die Gasturbinenschaufel 4 ist aus einem austenitischen Werkstoff, vorzugsweise einer Superle­gierung auf der Basis von Nickel gefertigt. Auf ihre thermisch stark belastete Fläche 4F ist zunächst die Zwischenschicht 2, deren Zusammensetzung dem Gleichge­wichtszustand entspricht, der sich nach längerer Dif­fusionszeit zwischen der Deckschicht 3 und dem Werkstoff der Gasturbinenschaufel 4 einstellt, mittels Nieder­druckplasmaspritzen aufgetragen. Die Zwischenschicht 2 besteht aus Nickel, Chrom, Aluminium, Silizium, Yttrium und Tantal. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbei­spiel weist sie die Zusammensetzung Ni25Cr5AL3Si0,5Y1Ta auf. Nach dem Aufbringen der Zwischenschicht 2 wird die Deckschicht 3 ebenfalls mit Niederdruckplasmaspritzen aufgetragen. Die Deckschicht weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 200 und 300 µm auf. Ihre wesentlichen Bestandteile sind Nickel, Kobalt, Chrom, Aluminium, und Yttrium. Bei der hier dargestellten Ausführungsform weist die Deckschicht 3 eine Zusammensetzung in Form von Ni20.5Cr11.5Al2.5Si0.5Y1Ta12Co. Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit die Deckschicht auch mit einer Zusammen­setzung in Form von Ni23Cr9.5Al12.5Si0.5Y1Ta10Co aufzu­tragen. Auch eine Deckschicht mit dieser Zusammensetzung wird mit einer Dicke von 200 bis 300 µm aufgetragen. An das Auftragen der Deckschicht schließt sich eine zwei­stündige Wärmebehandlung der Hochtemperatur-Schutz­schicht 1 im Vakuum bei 1120 °C an. Nach Beendigung der Wärmebehandlung ist die Hochtemperatur-Schutzschicht 1 fertiggestellt.
  • Figur 2 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Beschichtung der Gasturbinenschaufel 4. Solche Gasturbinenschaufeln werden im Fuß- und Deckbandbereich weniger thermisch belastet. Mechanische Belastungen sind dagegen in diesen Bereichen sehr hoch. Die Deckschicht 3 wird deshalb er­findungsgemäß nur partiell aufgetragen. Auf die Fläche 4F der Gasturbinenschaufel 4 ist in Figur 2 zunächst die Zwischenschicht 2 aufgetragen. Wie anhand von Figur 2 zu sehen ist, ist die Zwischenschicht 2 in dem thermisch stark belasteten Bereich 5 mit einer Dicke von 50 bis 100 µm aufgetragen, während sie in dem thermisch weniger belasteten Bereich 6 mit einer Dicke von 200 bis 300 µm aufgetragen ist. Die Zwischenschicht 2 weist die gleiche Zusammensetzung auf wie die in Figur 1 dargestellte und in der zugehörigen Beschreibung erläuterte Zwischen­schicht 2. In dem thermisch stark belasteten Bereich 5 ist auf die Zwischenschicht 2 die Deckschicht 3 mit ei­ner Dicke zwischen 200 und 300 µm aufgetragen. Die Dicke der Deckschicht 3 ist so gewählt, daß die Oberfläche 3F der Deckschicht 3 in einer Ebene mit der Oberfläche 2F der Zwischenschicht 2 liegt, und ein bündiger Übergang zwischen den zwei Schichten 2 und 3 sichergestellt ist. Die Deckschicht 3 kann die gleichen Zusammensetzungen aufweisen, wie die in Figur 1 dargestellte Deckschicht 3, die in der zugehörigen Beschreibung erläutert ist. Zur Fertigstellung der in Figur 2 dargestellten Hochtem­peratur-Schutzschicht 1 schließt sich an das Auftragen der beiden Schichten 2 und 3 wiederum eine Wärmebehand­lung an.

Claims (9)

1. Hochtemperatur-Schutzschicht für Bauelemente aus einem austenitischen Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Oberfläche (4F) des Bauelements (4) und einer Deckschicht (3) eine Zwischenschicht (2) vorge­sehen ist, deren Zusammensetzung dem Gleichgewichtszu­stand entspricht, der sich nach längerer Diffussionszeit zwischen der Deckschicht (3) und dem Werkstoff des Bau­elements (4) einstellt.
2. Hochtemperatur-Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche (4) des Bauelements (4) eine Zwischenschicht (2) mit der Zusam­mensetzung Ni25Cr5Al3Si0.5Y1Ta aufgetragen ist.
3. Hochtemperatur-Schutzschicht nach einem der An­sprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwi­schenschicht (2) mit einer Dicke von 50 bis 100 µm auf die Oberfläche (4F) des Bauelements (4) aufgetragen ist.
4. Hochtemperatur-Schutzschicht nach einem der An­sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Zwischenschicht (2) eine Deckschicht (3) mit der Zusam­mensetzung Ni20.5Cr11.5Al2.5Si0.5Y1Ta12Co aufgetragen ist.
5. Hochtemperatur-Schutzschicht nach einem der An­sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Zwischenschicht (2) eine Deckschicht (3) mit der Zusam­mensetzung Ni23Cr9.5Al2.5Si0.5Y1Ta10Co aufgetragen ist.
6. Hochtemperatur-Schutzschicht nach einem der An­sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (3) mit einer Dicke zwischen 200 und 300 µm auf die Zwischenschicht (2) aufgetragen ist.
7. Hochtemperatur-Schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (2) auf die thermisch stark belasteten Bereiche (5) der Ober­fläche (4F) mit einer Dicke von 50 bis 100 µm und auf die thermisch weniger stark belasteten Bereiche (6) mit einer Dicke zwischen 200 und 300 µm aufgetragen ist.
8. Hochtemperatur-Schutzschicht nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (3) nur in thermisch stark belasteten Bereichen auf die Zwischen­schicht (2) aufgetragen ist.
9. Hochtemperatur-Schutzschicht nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (3) in den thermisch stark belasteten Bereichen (5) mit einer Dicke von 200 bis 300 µm so aufgetragen ist, daß ihre Ober­fläche (3F) in einer Ebene mit der Oberfläche (2F) der Zwischenschicht (2) liegt, die in den thermisch weniger belasteten Bereichen (6) mit einer Dicke von 200 bis 300 µm aufgetragen ist.
EP89123003A 1988-12-24 1989-12-13 Hochtemperatur-Schutzschicht Expired - Lifetime EP0376061B1 (de)

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EP0376061A3 EP0376061A3 (en) 1990-09-26
EP0376061B1 EP0376061B1 (de) 1993-10-20

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