EP0886721A1 - Schutzschicht für turbinenschaufel - Google Patents

Schutzschicht für turbinenschaufel

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EP0886721A1
EP0886721A1 EP97904418A EP97904418A EP0886721A1 EP 0886721 A1 EP0886721 A1 EP 0886721A1 EP 97904418 A EP97904418 A EP 97904418A EP 97904418 A EP97904418 A EP 97904418A EP 0886721 A1 EP0886721 A1 EP 0886721A1
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EP
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turbine blade
protective layer
mcraly
surface layer
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Günther KESSLER
Gerd Krafft
Georg Müller
Gustav Schumacher
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Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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    • 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
    • C23C4/18—After-treatment
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/286—Particular treatment of blades, e.g. to increase durability or resistance against corrosion or erosion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05D2300/13—Refractory metals, i.e. Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/611—Coating

Definitions

  • the invention relates to a turbine blade according to the preamble of claim 1.
  • MCrAlY protective layers are generally applied by plasma spraying.
  • the alloy solidifies in two phases. This results in an unfavorable basis for the formation of A ⁇ O ⁇ cover layers on the surface.
  • the formation of a homogeneous oxide layer is hindered on the surface of the two-phase alloy.
  • the oxide cover layers that form tend to spall (flake).
  • this two-phase alloy can be converted into a single-phase one by means of a remelting process using laser beams.
  • the disadvantages of this method are, on the one hand, the small spatial expansion of the laser beam (at the power densities of 10 5 - 106 w / cm 2 required here) of ⁇ 10 ⁇ 2 cm 2 , and on the other hand the low penetration depth of the Laser radiation in the material.
  • the spatially limited energy input leads to strong thermal tensions, which is noticeable through the formation of cracks, both in the longitudinal and in the transverse direction. Cracking reduces the spallation resistance of the oxide layers and thus the corrosion resistance.
  • Another consequence of the small beam diameter is the formation of beads on the surface and phase deposits and recrystallizations in the surface layer caused by scanning with the laser beam.
  • the relatively long irradiation time of a few milliseconds, for melting through a few 10 ⁇ m layer thickness, leads to a change in the original stoichiometry in the layer, i. H. to reduce the proportion of light elements (Al, Y) which are swept to the surface by convection and are thus absent from the process of renewing the oxide cover layer.
  • the object of the invention is to provide a turbine blade in which the cover layer does not tend to spallation.
  • the invention is explained in more detail below on the basis of an exemplary embodiment with the aid of the figure.
  • the figure shows a schematic section through a conventional two-phase MCrAlY turbine blade guard layer before (a) and after the remelting process (b).
  • a further advantage of the turbine blade protection layer is that the manufacturing-related micro-roughness of the surface is eliminated by the process of surface treatment and thus the heat exchange between the gas and the surface is reduced and thus higher gas inlet temperatures are possible. Higher gas inlet temperatures lead to an increase in efficiency.
  • a uniform spallation-resistant oxide cover layer most effectively prevents the penetration of oxygen and slows down the depletion of the protective layer of Al by the formation of a new oxide cover layer.
  • a pulsed electron beam with a large beam cross section is used to produce the corrosion protection layers.
  • the beam cross section should be between 25 and 100 cm 2 .
  • Cross sections between 50 and 100 cm 2 are optimal.
  • the advantages of the pulsed electron beam are the large beam diameter and the large penetration depth of the electrons into the material, which can be easily controlled via the energy of the electrons.
  • the depth of the melted layer is set via the energy, the pulse duration and the power density of the electron beam.
  • the decisive factor for the absence of stress cracks perpendicular to the surface and the conversion of the two-phase alloy into the single-phase amorphous to nanocrystalline structure is the cooling rate in the process of self-quenching.
  • the cooling rates during self-quenching can be influenced by the electron energy (this sets the melting depth), the power density and the pulse duration. Increasing the penetration depth of the electrons (melting depth) and reducing the power density lead to lower cooling rates.
  • Electron energy 50 - 150 keV power density: 5-10 5 - 3 « 10 6 W / cm 2 pulse duration: 10 - 60 ⁇ sec
  • the stabilizing effect of the alloyed elements is only required in the layer near the surface that is strongly exposed to corrosion, so that according to claim 3 it is proposed to apply the additional elements superficially by means of a coating (eg PVD) and to incorporate them via the remelting process has the economic advantage that a substantial part of the quantity of the, usually very expensive, elements to be processed could be saved.
  • a coating eg PVD

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Description

SCHUTZSCHICHT FÜR TURBINENSCHAUFEL
Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel nach dem Oberbe¬ griff des Patentanspruchs 1.
Beim Betrieb von Hochtemperaturgasturbinen werden an der Ober¬ fläche der Turbinenschaufeln Temperaturen von bis zu 900° C erreicht. Bei diesen hohen Temperaturen wird der Hauptkorrosi¬ onsmechanismus durch Oxidation (Diffusion von Sauerstoff) her¬ vorgerufen. Deshalb beschichtet man die Schaufeln mit einer Hochtemperatur-Super-Legierung-MCrAlY (M=Metall-Basis z. B. Ni, Co) .
MCrAlY Schutzschichten werden in der Regel durch Plasmaspritz¬ verfahren aufgebracht. Die Legierung erstarrt zweiphasig. Da¬ mit ergibt sich für die Ausbildung von A^Oß-Deckschichten an der Oberfläche eine ungünstige Basis. An der Oberfläche der zweiphasigen Legierung wird die Ausbildung einer homogenen Oxidschicht behindert. Die sich bildenden Oxiddeckschichten neigen zur Spallation (Abplatzung) .
Aus R. Sivakumar, Princ. of Solidific. and Mat. Process., Vo¬ lume 2, p 671-726 ist bekannt, daß mit Laserstrahlen diese zweiphasige Legierung, über einen Umschmelzprozeß, in eine einphasige überführt werden kann. Der Nachteil dieses Verfah¬ rens besteht zum einen in der geringen räumlichen Ausdehnung des Laserstrahls (bei den hier benötigten Leistungsdichten von 105 - 106 w/cm2) von < 10~2 cm2 , und zum anderen in der ge¬ ringen Eindringtiefe der Laserstrahlung in das Material.
Der räumlich begrenzte Energieeintrag führt zu starken thermi¬ schen Spannungen, was sich durch Rißbildung, sowohl in longi- tudinaler als auch in transversaler Richtung, bemerkbar macht. Rißbildung vermindert den Spallationswiderstand der Oxid¬ schichten und damit die Korrosionsbeständigkeit. Eine weitere Konsequenz des geringe Strahldurchmesser sind die Raupenbildung an der Oberfläche und Phasenausscheidungen und Rekristallisationen in der Oberflächenschicht hervorgerufen durch das Rastern mit dem Laserstrahl.
Die relativ lange Bestrahlungszeit von einigen Millisekunden, zum Durchschmelzen von einigen 10 μm Schichtdicke, führt zur Änderung der ursprünglichen Stöchiometrie in der Schicht, d. h. zur Reduktion des Anteils der leichten Elemente (AI, Y) , die über Konvektion an die Oberfläche geschwemmt werden und damit für den Prozeß der Erneuerung der Oxiddeckschicht feh¬ len.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Turbinenschaufel bereitzu¬ stellen, bei der die Deckschicht nicht zur Spallation neigt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Pa¬ tentanspruchs 1.
Die Unteransprüche beschreiben eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei- spiels mit Hilfe der Figur näher erläutert. Die Figur zeigt einen schematischen Schnitt durch eine konventionelle zweipha- sige MCrAlY-Turbinenschaufelschutzschicht vor (a) und nach dem Umschmelzvorgang (b) .
Schmilzt man die Schutzschicht kurzzeitig auf und kühlt sie sehr schnell ab, und zwar so schnell, daß keine Zeit für Pha¬ senausscheidungen bleibt, erhält man eine einphasige Struktur, die je nach Abkühlgeschwindigkeit nanokristallin oder gar amorph ist und zur Bildung von gleichmäßigen nicht unterbro¬ chenen Oxid-Deckschichten führt. Korrosionstests bis zu einer Dauer von 10000 Stunden bei 1000° C an Luft haben gezeigt, daß sich auf der Oberfläche von Schutzschichten nach Anspruch 1 gleichmäßige, fest haftende, nicht unterbrochene Oxid-Deck- schichten bilden, während diese Schichten bei unbehandelten Vergleichsproben eine unterbrochene Struktur mit teilweise Ab¬ platzungen zeigen. Solche Schäden in der Oxiddeckschicht hei¬ len zwar durch Einwanderung von Aluminium aus, dieser Prozeß führt jedoch zu einer Verarmung von Aluminium in der MCrAlY- Schutzschicht und damit zu einer verringerten Standzeit.
Ein weiterer Vorteil der Turbinenschaufelschutzschicht besteht darin, daß die herstellungsbedingte Mikrorauhigkeit der Ober¬ fläche durch den Prozeß der Oberflächenvergütung beseitigt wird und damit der Wärmeaustausch zwischen dem Gas und der Oberfläche reduziert wird und damit höhere Gaseinlaßtemperatu¬ ren möglich sind. Höhere Gaseinlaßtemperaturen führen zur Steigerung des Wirkungsgrades.
Auf einer homogenen einphasigen Legierung, sind die Bedingun¬ gen für die Ausbildung einer gleichmäßigen Oxiddeckschicht ge¬ geben. Eine gleichmäßige spallationsfeste Oxiddeckschicht be¬ hindert am effektivsten das Eindringen von Sauerstoff und ver¬ langsamt die Verarmung der Schutzschicht an AI durch Neubil¬ dung der Oxiddeckschicht.
Zur Erzeugung der Korrosionsschutzschichten wird ein gepulster Elektronenstrahl mit großem Strahlquerschnitt benutzt. Der Strahlquerschnitt sollte zwischen 25 bis 100 cm2 liegen. Opti¬ mal sind Querschnitte zwischen 50 und 100 cm2. Die Vorteile des gepulsten Elektronenstrahls sind der große Strahldurchmes¬ ser und die große Eindringtiefe der Elektronen ins Material, die über die Energie der Elektronen leicht gesteuert werden kann. Mit den gepulsten Elektronenstrahlen lassen sich hohe Leistungsdichten mit bis zu 3-106 W/cm2 homogen auf einer Flä¬ che von 50 cm2 erzeugen. Das sind um vier Größenordnungen hö¬ here Querschnittsflächen als beim Laserstrahl. Durch die homo¬ gene Leistungsdichteverteilung gibt es in der Schmelzschicht keinen Temperaturgradienten parallel zur Oberfläche, so daß die Ausbildung von transversalen Spannungsrissen unterbleibt. Die Ausbildung einer sogenannten heat effected zone am Strahl- rand bleibt wegen der sehr kurzen Prozeßzeit und hoher Kühlra¬ ten ohne Konsequenzen.
Die Tiefe der aufgeschmolzenen Schicht wird über die Energie die Pulsdauer und die Leistungsdichte des Elektronenstrahls eingestellt.
Entscheidend für das Ausbleiben von Spannungsrissen senkrecht zur Oberfläche und die Umwandlung der zweiphasigen Legierung in die einphasige amorphe bis nanokristalline Struktur, ist die Kühlrate beim Prozeß der Selbstabschreckung.
Zu geringe Kühlraten < 105 K/s führen nicht zu der gewünschten Phasenbildung.
Zu hohe Kühlraten > 107 K/s führen zu thermischen Spannungs¬ rissen.
Die Kühlraten bei der Selbstabschreckung können durch die Elektronennergie (dadurch wird die Schmelztiefe eingestellt) , durch die Leistungsdichte und die Pulsdauer beeinflußt werden. Vergrößern der Eindringtiefe der Elektronen (Schmelztiefe) und verkleinern der Leistungsdichte führen zu kleineren Kühlraten.
Die Elektronenstrahlparameter zur Erzeugung von Schutzschich¬ ten gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 lassen sich wie folgt zusam¬ menfassen:
Elektronenenergie: 50 - 150 keV Leistungsdichte: 5-105 - 3«106 W/cm2 Pulsdauer: 10 - 60 μsec
Aus J. G. Smeggil, Mat. Sei. and Eng., 87 (1987) p 261/65 und A. M. Huntz :Mat. Sei. and Eng., 87 (1987) p 251/60 ist be¬ kannt, daß durch Zulegierung von Elementen gemäß Anspruch 2 der Spallationswiderstand, die Rißbildung und die Hochtempera¬ turstabilität der Schichtstruktur positiv beeinflußt werden. Diese Zulegierung wird zusammen mit dem MCrAlY-Pulver über das Plasmaspritzverfahren aufgebracht. Speziell die Hochtempera¬ turmetalle (Ta, Re, Mo, W) werden dabei, wegen ihrer hohen Schmelzpunkte, nur ungenügend geschmolzen und kondensieren in der Regel in der ursprünglichen Pulverform. Damit bilden sich ungelöste Inseln aus Hochteraperatur etallen, die in dieser Form nur lokal wirksam sind. Durch den erfindungsgemäßen Um- schmelzvorgang gehen diese Metalle mit der MCrAlY-Schutz¬ schicht in Lösung und können erst so ihre stabilisierende Wir¬ kung im gesamten legierten Schichtbereich entfalten.
Der stabilisierende Effekt der zulegierten Elemente wird nur in der der Korrosion stark ausgesetzten oberflächennahen Schicht benötigt, so daß gemäß Anspruch 3 vorgeschlagen wird die Zusatzelemente durch eine Beschichtung (z. B. PVD) ober¬ flächlich anzubringen und über den Umschmelzprozeß einzulegie- ren. Das hat den wirtschaftlichen Vorteil, daß ein wesentli¬ cher Teil der zu verarbeitende Menge der, zumeist sehr teuren Elemente, eingespart werden könnte.

Claims

Patentansprüche:
1. Turbinenschaufel mit einer korrosionsbeständigen MCrAlY- Schutzschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen¬ schicht der MCrAlY-Schutzschicht bis zu einer Tiefe von 5 - 50 μm großflächig, gleichmäßig über die gesamte Oberflächen¬ schicht aus einer einphasigen Legierung besteht, wobei die einphasige Legierung durch Umschmelzen mit einem gepulsten Elektronenstrahl erzeugt ist.
2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der korrosionsbeständigen MCrAlY-Schutzschicht eine oder mehrere Komponenten aus den starken Oxidbildnern wie La, AI, Ce und den Hochtemperaturmetallen mit einem Schmelz¬ punkt größer als 2500° C über die ganze Oberflächenschicht der MCrAlY-Schutzschicht homogen verteilt sind.
3. Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß eine oder mehrere Komponenten aus den starken Oxidbildnern wie La, AI, Ce und den Hochtemperaturmetallen mit einem Schmelzpunkt größer als 2500° C als weitere dünne Schicht auf die MCrAlY-Schutzschicht homogen aufgetragen und zusammen mit dieser umgeschmolzen ist.
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