WO2006069816A2 - Elektrolyt für die abscheidung einer legierung und verfahren zur elektrolytischen abscheidung - Google Patents

Elektrolyt für die abscheidung einer legierung und verfahren zur elektrolytischen abscheidung Download PDF

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    • C22C27/06—Alloys based on chromium

Definitions

  • Electrolyte for the deposition of an alloy and method for the electrolytic deposition are Electrolyte for the deposition of an alloy and method for the electrolytic deposition
  • the invention relates to an electrolyte for depositing an alloy according to claim 1 and an electrodeposition process according to claim 23.
  • Electrolytic coating processes use an electrolyte in which the elements to be deposited either in one
  • alloys can be deposited poorly in this way.
  • an electrolyte according to claim 1 by at least the matrix material, i. H. the component of the alloy with the largest relative proportion of the layer to be deposited is dissolved in the electrolyte and further constituents are dispersed as a powder in the electrolyte and deposited according to claim 23.
  • FIG. 1 shows a turbine blade
  • Figure 2 is a combustion chamber
  • Figure 3 is a gas turbine
  • FIG. 4 Composition of alloys which can be deposited from an electrolyte according to the invention.
  • the electrolyte for the electrolytic deposition of an alloy is a solution of at least the element of the matrix material and furthermore contains dispersed powder. Solved means that the component is present as an ion in a solution (water, alcohol, acid, lye, ).
  • the matrix material may be either cobalt or nickel.
  • at least one further element of the alloy may be dissolved in the electrolyte.
  • nickel and cobalt may be dissolved in the electrolyte.
  • the powder containing the further constituents of the alloy can have either chromium or aluminum or chromium and aluminum.
  • the powder may comprise the elements chromium, aluminum and yttrium.
  • chromium, aluminum and yttrium, silicon and / or rhenium may also be present as dispersed powder in the electrolyte.
  • the matrix material consists of nickel or cobalt.
  • the alloy consists for example of at least three elements, in particular of at least five elements (eg.
  • the electrolyte contains, for example, at least one of the elements chromium, aluminum as a dispersed powder.
  • melting point depressants such as B, Si, Hf, Zr may be dissolved in the electrolyte or may be present as a powder.
  • coatings based on superalloys can be deposited with the electrolyte according to the invention.
  • the powder contains
  • layers can be deposited on a substrate by means of the electrolytes according to the invention.
  • a heat treatment can be carried out in order, for example, to achieve a better bonding of the electrolytically produced layer to the substrate.
  • further metallic and / or ceramic layers can be applied to the electrolytically produced layer.
  • a drawback with a prior art electrolytic process is that it is very difficult for an alloy to dissolve all components in the solution.
  • the other possibility namely to disperse all constituents as powder in the solution, leads to the problem that the deposition process is very strongly determined by the PuI distributions of the matrix material, which occupies a large volume fraction. This often leads to an irregular or uncontrolled deposition of alloying elements with a smaller volume or weight fraction.
  • the electrolyte of the invention solves the problem in that the largest proportion (matrix material) of the alloy to be deposited is dissolved and the other elements are present as a powder.
  • the electrolyte according to the invention opens up the possibility of varying the stoichiometry of the alloy during the electrolytic deposition by varying the proportions of powder by constantly increasing the proportion of an alloying element by adding powder, for example, and thus grading the concentration of this alloying element in the layer to be produced reached.
  • the desired composition of an MCrAlX alloy consists at least of (in wt%):
  • cobalt and nickel are dissolved in the electrolyte and the powder which is added to the aqueous electrolyte consists, for example, of (in wt%)
  • Another MCrAlX alloy consists at least of (in wt%):
  • the elements cobalt and nickel are dissolved in the electrolyte again and the powder has, for example, the following weight distributions: 76.5% chromium, 20.5% aluminum, 1, 6% yttrium and 1.4% silicon.
  • Another embodiment of an MCrAlX alloy is 16-18% chromium, 12-13% aluminum, 0.5-0.7% yttrium, 0.3-0.5% silicon, 21-23% cobalt and balance nickel.
  • cobalt and nickel are dissolved in the electrolyte and the powder has, for example, the following parts by weight: 56.7% chromium, 40% aluminum, 2% yttrium, 1.3% silicon.
  • Another embodiment of an MCrAlX alloy 16-18% chromium, 9.5-11% aluminum, 0.3-0.5% yttrium, 1-1.8% rhenium, 24-26% cobalt, balance nickel ,
  • Electrolytes dissolved and the powder has, for example, the following constituents in wt%:
  • FIG. 1 shows a perspective view of a moving blade 120 or guide blade 130 of a turbomachine, which extends along a longitudinal axis 121.
  • the turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for power generation, a steam turbine or a compressor.
  • the blade 120, 130 has, along the longitudinal axis 121, a fastening area 400, an adjacent blade platform 403 and an airfoil 406, one after another.
  • the blade 130 may have another platform at its blade tip 415 (not shown).
  • a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
  • the blade root 183 is designed, for example, as a hammer head. Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has a leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949; these documents are part of the disclosure with regard to the chemical compositions of the superalloy.
  • the blade 120, 130 can in this case by a casting process, also by means of directional solidification, by a Schmiedever- drive, be made by a milling process or combinations thereof.
  • Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
  • Such monocrystalline workpieces takes place e.g. by directed solidification from the melt.
  • These are casting processes in which the liquid metallic alloy is transformed into a monocrystalline structure, i. to the single-crystal workpiece, or directionally solidified.
  • dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, i.e., grains that run the full length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, i. the whole workpiece consists of a single crystal.
  • Structures are also known as directionally rigidified structures
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation (MCrAlX; M is at least one element the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf)).
  • M is at least one element the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, whose chemical compositions are intended to be part of this disclosure. These layers can be applied electrolytically using the method according to the invention.
  • MCrAlX may still be a thermal barrier layer and consists for example of ZrC> 2, Y2Ü4-Zr ⁇ 2, i. it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • suitable coating methods e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • Refurbishment means that components 120, 130 may need to be stripped of protective layers after use (e.g., by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. This is followed by a re-coating of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and may still have film cooling holes 418 (indicated by dashed lines).
  • FIG. 2 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine.
  • the combustion chamber 110 is designed, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a large number are arranged around the rotation axis 102 in the circumferential direction Burners 107 open into a common combustion chamber space.
  • the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around.
  • the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 ° C to 1600 ° C.
  • the combustion chamber wall 153 is provided on its side facing the working medium M with an inner lining formed of heat shield elements 155.
  • Each heat shield element 155 is equipped on the working medium side with a particularly heat-resistant protective layer or made of high-temperature-resistant material. These may be solid ceramic stones or alloys with MCrAlX and / or ceramic coatings.
  • the materials of the combustion chamber wall and its coatings may be similar to the turbine blades.
  • Due to the high temperatures inside the combustion chamber 110 may also be provided for the heat shield elements 155 and for their holding elements, a cooling system.
  • the combustion chamber 110 is designed in particular for detecting losses of the heat shield elements 155.
  • a number of temperature sensors 158 are positioned between the combustion chamber wall 153 and the heat shield elements 155.
  • FIG. 3 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103, which is also referred to as a turbine runner.
  • a suction housing 104 Along the rotor 103 follow one another a suction housing 104, a compressor 105, for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber 106, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the ring combustion chamber 106 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example.
  • An annular annular hot gas channel 111 for example.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings.
  • a series 125 formed of rotor blades 120 follows.
  • the guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example. Coupled to the rotor 103 is a generator or a work machine (not shown).
  • air 105 is sucked in and compressed by the compressor 105 through the intake housing 104.
  • the compressed air provided at the turbine-side end of the compressor 105 is guided to the burners 107 and mixed there with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110.
  • the working medium 113 flows along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the rotor blades 120.
  • the working medium 113 expands in a pulse-transmitting manner, so that the rotor blades 120 drive the rotor 103 and drive the machine coupled to it.
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 seen in the flow direction of the working medium 113 first Turbine stage 112 is most thermally stressed in addition to the heat shield bricks lining the annular burners 106.
  • substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • Iron, nickel or cobalt-based superalloys are used as material for the components, in particular for the turbine blades 120, 130 and components of the combustion chamber 110.
  • blades 120, 130 may be anti-corrosion coatings (MCrAlX; M is at least one member of the group
  • Iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths or hafnium).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which are intended to be part of this disclosure.
  • a thermal barrier coating may still be present, consisting for example of ZrC> 2, Y2Ü4-ZrO2, i. it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • suitable coating methods e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the vane 130 has a guide vane foot (not shown here) facing the inner housing 138 of the turbine 108 and a vane head opposite the vane foot.
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.

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Abstract

Bisherige Elektrolyten sind nicht unbedingt dafür geeignet, eine Legierung abzuscheiden. Der erfindungsgemäße Elektrolyt weist zumindest ein Element auf, das in ihm gelöst ist und das das Matrixmaterial der abzuscheidenden Legierung darstellt. Weitere Legierungsbestandteile sind als Pulver dispergiert in dem Elektrolyt enthalten.

Description

Elektrolyt für die Abscheidung einer Legierung und Verfahren zur elektrolytischen Abscheidung
Die Erfindung betrifft einen Elektrolyt zur Abscheidung einer Legierung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur elektrolytischen Abscheidung gemäß Anspruch 23.
Elektrolytische Beschichtungsverfahren verwenden einen Elekt- rolyt, in dem die abzuscheidenden Elemente entweder in einer
Lösung gelöst oder als Pulverteilchen dispergiert in einer
Lösung vorhanden sind.
Jedoch lassen sich Legierungen auf diese Art und Weise schlecht abscheiden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung dieses Problem zu überwinden.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Elektrolyt gemäß Anspruch 1, indem zumindest das Matrixmaterial, d. h. dem Bestandteil der Legierung mit dem größten relativen Anteil der abzuscheidenden Schicht in dem Elektrolyten gelöst ist und weitere Bestandteile als Pulver im Elektrolyt dispergiert sind und gemäß Anspruch 23 abgeschieden wird.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander in vorteilhafter Art und Weise kombiniert werden können.
Es zeigen
Figur 1 eine Turbinenschaufel,
Figur 2 eine Brennkammer
Figur 3 eine Gasturbine und
Figur 4 Zusammensetzung von Legierungen, die aus einem erfindungsgemäßen Elektrolyten abscheidbar sind. Der Elektrolyt zur elektrolytischen Abscheidung einer Legierung ist erfindungsgemäß eine Lösung aus zumindest dem Element des Matrixmaterials und enthält weiterhin dispergiertes Pulver. Gelöst bedeutet, dass der Bestandteil als Ion in einer Lösung (Wasser, Alkohol, Säure, Lauge, ...) vorhanden ist.
Das Matrixmaterial kann entweder Kobalt oder Nickel sein. Neben dem Matrixmaterial kann noch zumindest ein weiteres Element der Legierung im Elektrolyt gelöst sein. So kann Nickel und Kobalt in dem Elektrolyt gelöst sein.
Das Pulver, das die weiteren Bestanteile der Legierung enthält, kann entweder Chrom oder Aluminium oder Chrom und AIu- minium aufweisen.
Ebenso kann das Pulver die Elemente Chrom, Aluminium und Yttrium aufweisen.
Neben den Elementen Chrom, Aluminium und Yttrium kann auch noch Silizium und/oder Rhenium als dispergiertes Pulver in dem Elektrolyten vorhanden sein.
Im Falle von so genannten MCrAlX-Legierungen besteht das Matrixmaterial aus Nickel oder Kobalt.
Die Legierung besteht beispielsweise aus zumindest drei EIe- menten, insbesondere aus zumindest fünf Elementen (bspw.
NiCoCrAlX) . Der Elektrolyt enthält beispielsweise noch zumindest eines der Elemente Chrom, Aluminium als dispergiertes Pulver.
Ebenso können Schmelzpunkterniedriger wie B, Si, Hf, Zr im Elektrolyt gelöst sein oder als Pulver vorhanden sein.
Ebenso können Beschichtungen auf Basis von Superlegierungen mit dem erfindungsgemäßen Elektrolyt abgeschieden werden. Für einen Elektrolyten, mit dem eine Schicht basierend auf einer Superlegierung abgeschieden oder ein Substrat aus einer Superlegierung repariert werden soll, enthält das Pulver bei- spielsweise noch die Elemente Titan, Tantal, Wolfram, Molybdän, Niob, Bor, Zirkonium oder Kohlenstoff.
Mit einer entsprechenden Elektrolyseapparatur können Schich- ten mittels der erfindungsgemäßen Elektrolyte auf einem Substrat abgeschieden werden. Nach der elektrolytischen Erzeugung der Schicht kann eine Wärmebehandlung durchgeführt werden, um beispielsweise eine bessere Anbindung der elektrolytisch erzeugten Schicht an das Substrat zu erreichen. In einem weiteren Schritt können noch weitere metallische und/oder keramische Schichten auf die elektrolytisch erzeugte Schicht aufgebracht werden.
Ein Nachteil bei einem elektrolytischen Verfahren nach dem Stand der Technik liegt darin, dass es bei einer Legierung sehr schwierig ist, alle Bestandteile in der Lösung aufzulösen.
Die andere Möglichkeit, nämlich alle Bestandteile als Pulver in der Lösung zu dispergieren, führt zu dem Problem, dass der Abscheidungsprozess sehr stark bestimmt wird durch die PuI- verteilchen des Matrixmaterials, das einen großen Volumenanteil einnimmt. Dabei kommt es oft zu einer unregelmäßigen oder unkontrollierten Abscheidung der Legierungselemente mit kleinerem Volumen oder Gewichtsanteil. Der erfindungsgemäße Elektrolyt löst das Problem dadurch, dass der größte Anteil (Matrixmaterial) der abzuscheidenden Legierung gelöst ist und die weiteren Elemente als Pulver vorhanden sind.
Ebenso eröffnet der erfindungsgemäße Elektrolyt die Möglich- keit durch Variation der Pulveranteile die Stöchiometrie der Legierung während der elektrolytischen Abscheidung zu verändern, indem man beispielsweise durch Zugabe von Pulver den Anteil eines Legierungselements ständig erhöht und so eine Gradierung in der Konzentration dieses Legierungselements in der herzustellenden Schicht erreicht.
Ausführungsbeispiele I. Die gewünschte Zusammensetzung einer MCrAlX-Legierung besteht zumindest aus (in wt%) :
20-22% Chrom, 10,5-11,5% Aluminium,
0,3-0,5% Yttrium,
1,5-2,5% Rhenium,
11-13% Kobalt und
Rest Nickel.
Dabei sind Kobalt und Nickel im Elektrolyten gelöst und das Pulver, das dem wässrigen Elektrolyten beigefügt ist, besteht beispielsweise aus (in wt%)
61,8% Chrom, 32,3% Aluminium,
0, 9% Yttrium und
5% Rhenium.
II. Eine weitere MCrAlX-Legierung besteht zumindest aus (in wt%) :
27-29% Chrom,
7-8% Aluminium,
0,5-0,7% Yttrium, 0,3-0,7% Silizium,
29-31% Nickel und
Rest Kobalt.
Dabei sind in dem Elektrolyten wiederum die Elemente Kobalt und Nickel gelöst und das Pulver weist beispielsweise folgende Gewichtsverteilungen auf: 76,5% Chrom, 20,5% Aluminium, 1, 6% Yttrium und 1,4% Silizium.
III. Weiteres Ausführungsbeispiel für eine MCrAlX-Legierung ist 16-18% Chrom, 12-13% Aluminium, 0,5-0,7% Yttrium, 0,3-0,5% Silizium, 21-23% Kobalt und Rest Nickel.
Dabei sind wiederum Kobalt und Nickel in dem Elektrolyten gelöst und das Pulver weist beispielsweise folgende Gewichtsbestandteile auf: 56,7% Chrom, 40% Aluminium, 2% Yttrium, 1,3% Silizium.
IV. Weiteres Ausführungsbeispiel für eine MCrAlX-Legierung: 16-18% Chrom, 9,5-11% Aluminium, 0,3-0,5% Yttrium, 1-1,8% Rhenium, 24-26% Kobalt, Rest Nickel.
Dabei sind wiederum Kobalt und Nickel in dem Elektrolyten gelöst und das Pulver enthält 58,8% Chrom, 34,6% Aluminium, 1,4% Yttrium und 5,2% Rhenium.
Als Beispiel für die Zusammensetzung einer Superlegierung sei hier beispielhaft IN 738 aus der Figur 4 erwähnt mit den Anteilen:
15 - 17% Chrom, 3,2 - 3,7% Aluminium, 3,2-3,7% Titan,
1,5-2,0% Tantal,
2,4-2,8% Wolfram,
1,5-2,0% Molybdän, 0, 6-1,1% Niob,
0,0007-0,012% Bor,
0,015-0,06% Zirkonium,
8-9% Kobalt,
Rest Nickel.
Hier sind Kobalt und Nickel bspw. ebenfalls wieder in dem
Elektrolyten gelöst und das Pulver weist beispielsweise folgende Bestandteile in wt% auf:
53,8% Chrom, 11,4% Aluminium,
11,4% Titan,
5,9% Tantal,
8,7% Wolfram,
5, 9% Molybdän, 2,8% Niob,
0,03% Bor,
0,13% Zirkonium.
Andere Schichten aus Superlegierungen gemäß der Figur 4 wer- den ebenfalls so hergestellt.
Figur 1 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 auf- einander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 auf.
Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht darge- stellt) .
Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) . Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Ab- strömkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bezüglich den chemischen Zusammensetzungen der Superlegierung Teil der Offenba- rung.
Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedever- fahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen wer- den als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen. Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korn- grenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen
Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen
(directionally solidified structures) .
Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP
0 892 090 Al bekannt; diese Schriften sind Teil der Offenba- rung.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) ) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, deren chemischen Zusammensetzungen Teil dieser Offenbarung sein sollen. Diese Schichten könne mit dem erfindungsgemäßen Verfahren elektrolytisch aufgebracht werden.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrC>2, Y2Ü4-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschich- ten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidations- schichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wie- derbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Ein- satz des Bauteils 120, 130.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeu- tet) auf.
Die Figur 2 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine.
Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Um- fangsrichtung um die Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum münden. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist. Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1000°C bis 1600°C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermög- liehen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
Jedes Hitzeschildelement 155 ist arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht ausgestattet oder aus hochtemperaturbeständigem Material gefertigt. Dies können massive keramische Steine oder Legierungen mit MCrAlX und/oder keramischen Beschichtungen sein.
Die Materialien der Brennkammerwand und deren Beschichtungen können ähnlich der Turbinenschaufeln sein.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein.
Die Brennkammer 110 ist insbesondere für eine Detektion von Verlusten der Hitzeschildelemente 155 ausgelegt. Dazu sind zwischen der Brennkammerwand 153 und den Hitzeschildelementen 155 eine Anzahl von Temperatursensoren 158 positioniert.
Die Figur 3 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt. Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer 106, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
Die Ringbrennkammer 106 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108. Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind. An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Ar- beitsmaschine (nicht dargestellt) .
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be- reitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkartimer 106 auskleidenden Hitzeschildsteinen am meisten thermisch belastet.
Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.
Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur) . Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinen- schaufei 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superle- gierungen verwendet.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe
Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die Teil dieser Offenbarung sein sollen.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus ZrC>2, Y2Ü4-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrolyt zur elektrolytischen Abscheidung einer Legie- rung, in dem zumindest das Matrixmaterial der Legierung als Ion dem Elektrolyt gelöst ist und in dem zumindest ein weiterer Bestandteil der abzuscheidenden Legierung als Pulver enthalten ist.
2. Elektrolyt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Matrixmaterial Kobalt ist.
3. Elektrolyt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Matrixmaterial Nickel ist.
4. Elektrolyt nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Legierung aus zumindest drei Elementen besteht, insbesondere aus zumindest fünf Elementen und insbesondere des Typs MCrAlX ist, wobei M zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt
(Co), Nickel (Ni) ist,
X ein Aktivelement ist und für Yttrium (Y) und/oder Silizium
(Si) und/oder Hafnium (Hf) und/oder zumindest ein Element der
Seltenen Erden steht.
5. Elektrolyt nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass
neben dem Element des Matrixmaterials zumindest ein weiteres Element der Legierung im Elektrolyt gelöst ist.
6. Elektrolyt nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass
Nickel und Kobalt im Elektrolyt gelöst sind.
7. Elektrolyt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Pulver zumindest Chrom enthält
8. Elektrolyt nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass
das Pulver zumindest Aluminium enthält.
9. Elektrolyt nach Anspruch 1, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass
das Pulver zumindest Yttrium enthält.
10. Elektrolyt nach Anspruch 1 oder 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
das Pulver zumindest Silizium enthält.
11. Elektrolyt nach Anspruch 1 oder 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver zumindest Rhenium enthält.
12. Elektrolyt nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die aus dem Elektrolyt abscheidbare Legierung zumindest besteht aus (in wt%) 20-22% Chrom,
10,5-11,5% Aluminium, 0,3-0,5% Yttrium, 1,5-2,5% Rhenium, 11-13% Kobalt und Rest Nickel.
13. Elektrolyt nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
dass Kobalt und Nickel im Elektrolyt gelöst sind und dass das Pulver besteht aus (in wt%) 61,8% Chrom, 32,3% Aluminium, 0, 9% Yttrium und 5% Rhenium.
14. Elektrolyt nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Elektrolyt abscheidbare Legierung zumindest besteht aus (in wt%) 27-29% Chrom, 7-8% Aluminium, 0,5-0,7% Yttrium, 0,3-0,7% Silizium, 29-31% Nickel und Rest Kobalt.
15. Elektrolyt nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis
11 oder 14, dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Elektrolyt Nickel und Kobalt gelöst sind und dass das Pulver besteht aus (in wt%)
76,5% Chrom,
20,5% Aluminium,
1,6% Yttrium, 1,4% Silizium.
16. Elektrolyt nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die aus dem Elektrolyt abscheidbare Legierung zumindest besteht aus (in wt%)
16-18% Chrom,
12-13% Aluminium, 0,5-0,7% Yttrium,
0,3-0,5% Silizium,
21-23% Kobalt und
Rest Nickel.
17. Elektrolyt nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 11 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Elektrolyt Nickel und Kobalt gelöst sind und dass das Pulver besteht aus (in wt%)
56,7% Chrom,
40% Aluminium,
2% Yttrium,
1,3% Silizium.
18. Elektrolyt nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die aus dem Elektrolyt abscheidbare Legierung zumindest besteht aus (in wt%)
16-18% Chrom, 9,5-11% Aluminium,
0,3-0,5% Yttrium,
1-1,8% Rhenium,
24-26% Kobalt,
Rest Nickel.
19. Elektrolyt nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 11 oder 18, dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Elektrolyt Nickel und Kobalt gelöst sind und dass das Pulver besteht aus (in wt%)
58,8% Chrom,
34,6% Aluminium, 1,4% Yttrium,
5,2% Rhenium.
20. Elektrolyt nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
die aus dem Elektrolyt abscheidbare Legierung zumindest be- steht aus (in wt%) 15 - 17% Chrom, 3,2 - 3,7% Aluminium, 3,2-3,7% Titan, 1,5-2,0% Tantal, 2,4-2,8% Wolfram, 1,5-2,0% Molybdän, 0,6-1,1% Niob, 0,0007-0,012% Bor, 0,015-0,06% Zirkonium, 8-9% Kobalt, Rest Nickel.
21. Elektrolyt nach Anspruch 5 oder 20, dadurch gekennzeichnet,
das Pulver besteht aus (in wt%)
53,8% Chrom, 11,4% Aluminium,
11,4% Titan,
5,9% Tantal,
8,7% Wolfram,
5, 9% Molybdän, 2,8% Niob,
0,03% Bor,
0,13% Zirkonium und
Kobalt und Nickel im Elektrolyt gelöst sind.
22. Elektrolyt nach Anspruch 1, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
die aus dem Elektrolyt abscheidbare Legierung einen Schmelz- punkterniedriger enthält.
23. Verfahren zur Abscheidung einer Schicht, bei dem ein Elektrolyt nach einem oder mehreren der vorheri- gen Ansprüche verwendet wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass
während der elektrolytischen Abscheidung Pulver eines Legierungsbestandteils zu dem Elektrolyt hinzu gegeben wird, sodass sich die Konzentration dieses Legierungsbestandteils erhöht, wodurch eine gradierte Schicht erzeugt wird.
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