DE102008039969A1

DE102008039969A1 - Turbinenschaufel einer Gasturbine und Verfahren zum Beschichten einer Turbinenschaufel einer Gasturbine

Info

Publication number: DE102008039969A1
Application number: DE200810039969
Authority: DE
Inventors: Richard Lange; Karl-Heinz Manier; Max Morant; Horst Pillhöfer; Michael Strasser; Heinrich Walter
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2010-03-04
Also published as: EP2331723A1; WO2010022698A1; EP2331723B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel einer Gasturbine, mit einem Schaufelblatt (11), einem Schaufelfuß (12) und einer zwischen Schaufelblatt und Schaufelfuß positionierten Plattform (13), wobei die Turbinenschaufel zumindest bereichsweise, insbesondere an einer Unterseite (14) der Plattform und/oder im Übergangsbereich (15) zwischen der Unterseite der Plattform und dem Schaufelfuß, mit einer Korrosionsschutzbeschichtung versehen ist. Erfindungsgemäß ist die Korrosionsschutzbeschichtung eine Diffusionsbeschichtung mit einem Chromgehalt im Oberflächenbereich von mehr als 30 Gew.-%.

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbinenschaufel einer Gasturbine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Beschichten einer Turbinenschaufel einer Gasturbine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
Aus der EP 1 111 192 B1 ist eine Turbinenschaufel einer Gasturbine und ein Verfahren zum Beschichten einer Turbinenschaufel einer Gasturbine bekannt, wobei die Turbinenschaufel ein Schaufelblatt, einen Schaufelfuß und eine zwischen dem Schaufelblatt und dem Schaufelfuß positionierte Plattform aufweist. In diesem Stand der Technik wird vorgeschlagen, die Turbinenschaufel an einer Unterseite der Plattform und an einem Übergangsbereich zwischen der Unterseite der Plattform und dem Schaufelfuß mit einer Verschleißschutzbeschichtung, nämlich einer korrosionsbeständigen Schutzbeschichtung, zu beschichten, wobei die Verschleißschutzbeschichtung eine MCrAlY-Überzugsbeschichtung ist. Diese Überzugsbeschichtung weist einen Chromgehalt zwischen 10 Gew.-% und 40 Gew.-% auf.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuartige Turbinenschaufel einer Gasturbine und ein neuartiges Verfahren zum Beschichten einer Turbinenschaufel zu schaffen.
Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass die eingangs genannte Turbinenschaufel einer Gasturbine durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Erfindungsgemäß ist die Korrosionsschutzbeschichtung eine Diffusionsbeschichtung mit einen Chromgehalt im Oberflächenbereich von mehr als 30 Gew.-%.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Beschichten einer Turbinenschaufel ist in Patentanspruch 9 definiert. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Turbinenschaufel; b) Aufragen mindestens einer Lackschicht auf zumindest einen Bereich der Turbinenschaufel, wobei der Lack Chrom-Partikel und/oder Chromlegierungs-Partikel, Halogenide und Bindemittel umfasst; c) Trocken des aufgetragenen Lacks bei einer Temperatur zwischen 50°C und 600°C unter Zersetzen des Bindemittels; d) anschließendes Reaktionsverbinden bei einer Temperatur zwischen 900°C und 1160°C.
Mit der hier vorliegenden Erfindung kann die Lebensdauer von Turbinenschaufeln erhöht und ein effektiver Schutz gegen Heißgaskorrosion bzw. Sulfidation realisiert werden, wobei dieser Schutz gegenüber dem Grundwerkstoff der Turbinenschaufel um den Faktor 6 vergrößert ist. Auch bei einer komplexen Konturierung der Unterseite der Plattform sowie des Übergangsbereichs zwischen der Unterseite der Plattform und den Schaufelfuß kann eine gute Beschichtung gewährleistet werden.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematisierte Ansicht einer Turbinenschaufel einer Gasturbine.
1 zeigt eine schematisierte Darstellung einer als Laufschaufel ausgebildeten Turbinenschaufel 10 einer Gasturbine, wobei die Turbinenschaufel 10 ein Schaufelblatt 11, einen Schaufelfuß 12 und eine zwischen dem Schaufelblatt 11 und dem Schaufelfuß 12 positionierte Plattform 13 umfasst. Die Turbinenschaufel 10 ist an einer Unterseite 14 der Plattform und/oder an einem Übergangsbereich 15 zwischen der Unterseite 14 der Plattform 13 und dem Schaufelfuß 12 mit einer Korrosionsschutzbeschichtung beschichtet.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist die Korrosionsschutzbeschichtung eine Diffusionsbeschichtung mit einen Chromgehalt im Oberflächenbereich von mehr als 30 Gew.-%. Die Korrosionsschutzbeschichtung ist dabei als gradierte, duktile Inchromierschicht ausgebildet, deren Chromgehalt im Oberflächenbereich vorzugsweise zwischen 40 Gew.-% und 95 Gew.-% beträgt.
Ein α-Chrom-Phasenanteil mit einem Chromgehalt von mehr als 30 Gew.-% der Korrosionsschutzbeschichtung beträgt dabei zwischen 5 Gew.-% und 50 Gew.-%. Der Rest des Chromgehalts der Korrosionsschutzbeschichtung ist durch andere Chrom-Phasen und durch im Mischkristall des Grundwerkstoff gelöstes Chrom gebildet.
Der α-Chrom-Phasenanteil des Chromgehalts der Korrosionsschutzbeschichtung weist eine Vickershärte von weniger als 800 auf.
Die Gesamtschichtdicke der Korrosionsschutzbeschichtung beträgt zwischen 5 μm und 120 μm, vorzugsweise zwischen 15 μm und 50 μm.
Beim Beschichten einer Turbinenschaufel einer Gasturbine im Bereich der Unterseite 14 der Plattform 13 und/oder im Übergangsbereich 15 zwischen der Unterseite 14 der Plattform 13 und dem Schaufelfuß 12 wird so vorgegangen, dass zuerst eine Turbinenschaufel bereitgestellt wird.
Anschließend an das Bereitstellen der Turbinenschaufel wird mindestens eine Lackschicht auf die Unterseite 14 der Plattform 13 und/oder den Übergangsbereich 15 zwischen der Unterseite 14 der Plattform 13 und dem Schaufelfuß 12 aufgetragen, wobei der Lack Chrom-Partikel und/oder Chromlegierungs-Partikel, Halogenide und Bindemittel umfasst.
Die Partikelgröße der Chrom-Partikel und/oder Chromlegierungs-Partikel beträgt dabei insbesondere bis zu 20 μm. Bei den Halogeniden des Lacks handelt es sich vorzugsweise um Metallchlorid-Partikel, insbesondere um CrCl₂-Partikel und/oder um CrCl₃-Partikel. Das Bindemittel des Lacks ist vorzugsweise auf Acrylbasis oder Glycolbasis oder Polyvinylbasis ausgebildet.
Der Lack weist vorzugsweise folgende Zusammensetzung auf:

– 25 bis 95 Gew.-% Bindemittel;
– 0,1 bis 10 Gew.-% CrCl2-Partikel und/oder um CrCl3-Partikel;
– im Rest Chrom-Partikel und/oder Chromlegierungs-Partikel.

Als Bindemittel für den Lack kann zur Bereitstellung einer wässrigen Dispersion ein Acrylsäureester oder Methacrylsäureester, eine Methyl-Cellulose-Verbindung, ein Polysacharid, ein Polyvinylalkohol, ein Polyvinylether, ein Polyvinylacetat, ein Polyvinylpyrrolidon oder eine kolloidale Kieselsäure-Mischung verwendet werden. Es kann auch eine nichtwässrige Dispersion als Lack bereitgestellt werden.
Wie bereits erwähnt, wird mindestens eine Lackschicht aus diesem Lack auf die Unterseite 14 der Plattform 13 und/oder den Übergangsbereich 15 zwischen Plattform 13 und Schaufelfuß 12 aufgetragen, vorzugsweise werden mehrere Lackschichten auf diese Bereiche der Turbinenschaufel aufgetragen, wobei jede Lackschicht mit einer Schichtdicke zwischen 2 μm und 50 μm aufgetragen wird. Es werden vorzugsweise zwischen ein und zehn Lackschichten, insbesondere zwischen drei und sechs Lackschichten, aufgetragen.
Anschließend an das Auftragen der oder jeder Lackschicht auf die entsprechenden Bereiche der Turbinenschaufel erfolgt ein Trocknen des aufgetragenen Lacks bei einer Temperatur zwischen 50°C und 600°C unter Zersetzen des Bindemittels. Dieses Trocknen erfolgt dabei für eine Zeitspanne zwischen 5 min und 240 min.
Anschließend an das Trocknen des Lacks erfolgt ein Reaktionsverbinden der Chrom-Partikel und/oder Chromlegierungs-Partikel mit schmelzflüssigen Chromchlorid-Partikeln bei einer Temperatur zwischen 900°C und 1160°C, wobei das Reaktionsverbinden für eine Zeitspanne zwischen 15 min und 15 h erfolgt.
Anschließend an das Reaktionsverbinden erfolgt vorzugsweise ein Diffusionsglühen der sich ausgebildeten Rein-Chrom-Schicht bei einer Temperatur zwischen 950°C und 1200°C zur Eindiffusion des Chroms in die Oberfläche der zuvor mit dem Lack beschichteten Bereiche der Turbinenschaufel, wobei hierbei vorzugsweise Cl-Verbindungen entzogen werden.
Das Diffusionsglühen erfolgt für eine Zeitspanne zwischen 30 min und 12 h. Das Diffusionsglühen wird vorzugsweise in einer Wasserstoffatmosphäre oder in einer Inertgas-Partialdruckatmosphäre mit einem Druck zwischen Umgebungsdruck, also in etwa 1000 mbar, und 0,01 mbar durchgeführt.
Das Diffusionsglühen erfolgt vorzugsweise in einer Halogenidatmosphäre, wobei dann die Wasserstoffatmosphäre oder die Inertgas-Partialdruckatmosphäre einen gasförmigen Zusatz von Metallchlorid-Partikeln, insbesondere einen gasförmigen Zusatz von CrCl2-Partikeln und/oder CrCl₃-Partikeln aufweist. Als Inertgas findet vorzugsweise Argon Verwendung.

10: Turbinenschaufel
11: Schaufelblatt
12: Schaufelfuß
13: Plattform
14: Unterseite
15: Übergangsbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1111192 B1 [0002]

Claims

Turbinenschaufel einer Gasturbine, mit einem Schaufelblatt, einem Schaufelfuß und einer zwischen Schaufelblatt und Schaufelfuß positionierten Plattform, wobei die Turbinenschaufel zumindest bereichsweise, insbesondere an einer Unterseite der Plattform und/oder im Übergangsbereich zwischen der Unterseite der Plattform und dem Schaufelfuß, mit einer Korrosionsschutzbeschichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzbeschichtung eine Diffusionsbeschichtung mit einen Chromgehalt im Oberflächenbereich von mehr als 30 Gew.-% ist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, der Chromgehalt im Oberflächenbereich zwischen 40 Gew.-% und 95 Gew.-% beträgt.
Turbinenschaufel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein α-Chrom-Phasenanteil mit einem Chromgehalt von mehr 30 Gew.-% der Korrosionsschutzbeschichtung zwischen 5% und 50% der Schichtdicke der Korrosionsschutzbeschichtung bildet.
Turbinenschaufel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rest der Korrosionsschutzbeschichtung durch andere Chrom-Phasen und Chrom gelöst im Mischkristall des Grundwerkstoffs gebildet ist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der α-Chrom-Phasenanteil des Chroms der Korrosionsschutzbeschichtung eine Vickershärte von weniger als 800 aufweist.
Turbinenschaufel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzbeschichtung ein Dicke zwischen 5 μm und 120 μm aufweist.
Turbinenschaufel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzbeschichtung ein Dicke zwischen 15 μm und 50 μm aufweist.
Turbinenschaufel einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzbeschichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 22 hergestellt ist.
Verfahren zum Beschichten einer Turbinenschaufel einer Gasturbine, wobei die Turbinenschaufel ein Schaufelblatt, einen Schaufelfuß und eine zwischen Schaufelblatt und Schaufelfuß positionierte Plattform aufweist, nämlich zum Aufbringen einer Korrosionsschutzbeschichtung auf zumindest einen Bereich der Turbinenschaufel, insbesondere auf eine Unterseite der Plattform und/oder einen Übergangsbereich zwischen der Unterseite der Plattform und dem Schaufelfuß, mit zumindest den folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer Turbinenschaufel; b) Aufragen mindestens einer Lackschicht auf zumindest einen Bereich der Turbinenschaufel, wobei der Lack Chrom-Partikel und/oder Chromlegierungs-Partikel, Halogenide und Bindemittel umfasst; c) Trocken des aufgetragenen Lacks bei einer Temperatur zwischen 50°C und 600°C unter Zersetzen des Bindemittels; d) anschließendes Reaktionsverbinden bei einer Temperatur zwischen 900°C und 1160°C.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der in Schritt b) aufgetragene Lack als Halogenide Metallchlorid-Partikel.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der in Schritt b) aufgetragene Lack als Metallchlorid-Partikel CrCl₂-Partikel und/oder CrCl₃-Partikel umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der in Schritt b) aufgetragene Lack ein Bindemittel auf Acrylbasis oder Glycolbasis oder Polyvinylbasis umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknen in Schritt c) für eine Zeitspanne zwischen 5 min und 240 min erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsverbinden in Schritt d) für eine Zeitspanne zwischen 15 min und 15 h erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Reaktionsverbinden ein Diffusionsglühen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Diffusionsglühen für eine Zeitspanne zwischen 30 min und 12 h bei einer Temperatur zwischen 950°C und 1200°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Diffusionsglühen in einer Halogenidatmosphäre erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Diffusionsglühen in einer Wasserstoffatmosphäre oder einer Inertgas-Partialdruckatmosphäre mit einem gasförmigen Zusatz von Metallchlorid-Partikeln mit einem Druck zwischen Umgebungsdruck, also in etwa 1000 mbar, und 0,01 mbar erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffatmosphäre oder Inertgas-Partialdruckatmosphäre einen gasförmigen Zusatz von CrCl₂-Partikeln und/oder CrCl₃-Partikeln aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass 1 bis 10 Lackschichten mit einer Dicke von 2 μm bis 50 μm je Lackschicht aufgetragen werden.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass 3 bis 6 Lackschichten aufgetragen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Chromgehalt im Oberflächenbereich auf einen Wert zwischen 40 Gew.-% und 95 Gew.-% eingestellt wird.