DE102016215158A1

DE102016215158A1 - Korrosions- und erosionsbeständiges Schutzschichtsystem und Verdichterschaufel

Info

Publication number: DE102016215158A1
Application number: DE102016215158.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Annen; Arturo Flores Renteria; Andrei Ghicov; Claudia Hagemeister; Torsten Neddemeyer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-08-15
Filing date: 2016-08-15
Publication date: 2018-02-15

Abstract

Durch die Verwendung einer zweilagigen metallischen Beschichtung, die duktil ist und in der äußeren der beiden metallischen Schichten Hartstoffpartikel aufweist und eines äußeren Hochtemperaturlacks gegen Korrosion, wird die Lebensdauer eines solchen Bauteils mit einem solchen Schutzschichtsystem erheblich verlängert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schutzschichtsystem gegen Korrosion und Erosion und eine Verdichterschaufel.
Um Verdichter-Bauteile von Gasturbinen vor Korrosion zu schützen, wird oft ein aluminiumpartikelhaltiger Hochtemperaturlack eingesetzt. Da die Beschichtung eine geringe Integralhärte aufweist, ist auch die Erosionsbeständigkeit (Partikelerosion oder Tropfenschlagerosion) relativ niedrig. Die geringe Integralhärte wird vor allem durch die weichen Aluminiumpartikel in der Schicht verursacht.
Dies hat zur Folge, dass die Gasturbinenverdichterbauteile im Laufe der Betriebszeit einer Gasturbine entschichtet, geprüft und neubeschichtet werden müssen (Refurbishment). Bei verstärktem Erosionsangriff kann nicht nur die Schicht beschädigt werden, sondern auch die Eintrittskante der Schaufeln selbst. Dies hat zur Folge, dass die Schaufeln repariert oder sogar ausgetauscht werden müssen. Eine Verbesserung der Erosionsbeständigkeit vor allem gegen Tropfenschlagerosion würde dazu führen, dass die Refurbishmentintervalle für die Schicht verlängert werden können und somit Wettbewerbsvorteile erzielt werden. Möglichweise würde auch kein Austausch der Schaufeln mehr notwendig sein.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schichtsystem nach Anspruch 1 und eine Verdichterschaufel nach Anspruch 5.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigen
1, 3 Beispiele der Erfindung
2 Stand der Technik.
Die Beschreibung und Figuren stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Um die Erosionsbeständigkeit zu erhöhen, wird Folgendes vorgeschlagen.
Das neue Beschichtungssystem weist auf:

• eine erste Schicht aus einen duktilen Metall, insbesondere aus NiCr80/20
• eine zweite Schicht aus einen duktilen Metall, insbesondere aus dem gleichem Material wie die erste Schicht, ganz insbesondere eine NiCr80/20 Matrix, die keramische Partikel beinhaltet, vorzugsweise Karbide wie Chromkarbid (CrC);
• ein anorganischer CrVI-freier aluminiumpartikelhaltiger Hochtemperaturlack als dritte Schicht.

Vorteile eines solchen Schichtsystems sind:

– die erste Schicht (vorzugsweise 10µm–200μm dick) sorgt für eine hohe Duktilität, sodass die Aufprallenergie von Partikeln oder Tropfen auf der zweiten Lage durch elastische Verformung aufgenommen werden kann. Durch den dichten Aufbau der Schicht und durch die vorzugsweise verwendete chemische Zusammensetzung (z.B. 80%Ni und 20%Cr) ist ein ausreichender Korrosionsschutz des Schaufelwerkstoffs gewährleistet. Bei den schwingenden Belastungen der Schaufeln können auch Wechseldehnungen in der Schicht abgefangen werden, ohne dass Risse in der Schicht auftreten;
– die zweite Schicht, vorzugsweise 10µm–200μm dick, schützt gegen Partikel- und Tropfenschlagerosion.

Die Hartstoffpartikel, insbesondere aus Karbiden, ganz insbesondere aus Chromcarbid (CrC) oder ähnliche Stoffe wie Wolframkarbid (WC) oder auch insbesondere Oxide (Al₂0₃), die sich in hohen Anteilen in der metallischen Matrix, insbesondere aus 80%Ni und 20%Cr, befinden können, führen zu einer deutlichen Erhöhung der Integralhärte und dadurch zur Steigerung des Widerstands gegen Erosion. Gegen die relativ großen aufprallenden Partikel werden hauptsächlich die harten Partikel in der Schicht schützen und gegen die aufprallenden Tropfen werden sowohl die harten Partikel in der Schicht als auch die Matrix wirksam, weil die Energie des Tropfenaufpralls zur Verfestigung der Matrix führt;

– eine Deckschicht als dritte Schicht, die insbesondere einen anorganischen CrVI-freien Al-partikelhaltigen Hochtemperaturlack aufweist, wirkt als Korrosionsschutz für den Bereich der Schaufeln, an dem keine Erosion erwartet wird.

Die Vorteile einer Verdichterschaufel, die teilweise ein solches Beschichtungssystem aufweist, sind:

– die unterschiedlichen Schichten werden gezielt gegen lokale spezifische Beanspruchungen eingesetzt, d.h. im Bereich einer Anströmkante der Verdichterschaufel, wo verstärkt Erosion auftritt, wird die Grundschicht ausreichend schützen und der Rest des Schaufelblatts, wo hauptsächlich Korrosion und nur zu einem sehr geringen Teil Erosionsbelastung auftreten kann, wird durch eine bekannte aluminiumhaltige Deckschicht geschützt. Durch diese dreilagige Anordnung der Schicht im Bereich der Anströmkante wird eine Maskierung der Anströmkante und eine evtl. schwierige Applikation des Übergangbereichs der verschiedenen Schichten vermieden.
– bei der restlichen Schaufeloberfläche, die gegen Korrosion geschützt werden soll, wird eine Korrosionsschutzschicht angewendet, so dass die Kosten minimiert werden.

Bekannt sind Schutzschichtsysteme 1‘, die nur eine Schutzschicht aus einer Lackschicht 13 aufweisen (2).
Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Schichtsystem 1.
Das Schichtsystem 1 weist zumindest auf:
ein Substrat 4,
insbesondere ein metallisches Substrat 4,
eine erste Schicht 7 aus einem ersten metallischen, duktilen Material, insbesondere aus NiCr80/20, auf dem Substrat 4,
insbesondere direkt auf dem Substrat 4.
Auf dieser ersten metallischen, duktilen Schicht 7, insbesondere direkt auf der ersten metallischen, duktilen Schicht 7, ist eine weitere, eine zweite metallische, duktile Schicht 10 vorhanden, die als Matrixmaterial vorzugsweise ebenfalls die gleiche Zusammensetzung, nämlich insbesondere NiCr80/20 wie die unterliegende erste Schicht 7 aufweisen kann. Jedoch sind in der zweiten metallischen Schicht 10 Hartstoffpartikel eingebettet.
Die Hartstoffpartikel können keramische Werkstoffe oder Hartmetall-Werkstoffe sein, insbesondere Karbide und/oder Oxide und/oder Nichtoxidkeramiken wie Nitride, ganz insbesondere Chrom-Karbid-Teilchen.
Als äußere Schicht wird eine Lackschicht 13 (1, 3) aufgebracht, die als Schutz gegen Korrosion wirkt.
3 zeigt, anders als bei den homogenen Schichtsystemen, die für das ganze Schaufelblatt 26 und die Schaufelplattform 23 angewendet werden, hier vorzugsweise eine Verdichterschaufel 1‘‘ mit einem Schichtsystem, das aus unterschiedlichen Schichten besteht und gegen lokale spezifische Beanspruchungen an einer Schaufel wirksam wird:
im Bereich 30 um die Anströmkante 29, wo hauptsächlich eine Erosionsbeanspruchung besteht, wird ein hinsichtlich Erosion optimiertes Schichtsystem mit guter Korrosionsbeständigkeit gemäß 1 angewendet und auf dem Rest des Schaufelblatts, wo hauptsächlich eine Korrosionsbeanspruchung besteht, wird ein korrosionsbeständiges Schutzschichtsystem 1‘ nach dem Stand der Technik gemäß 2 appliziert.
Das erfindungsgemäße Schichtsystem 1 erstreckt sich maximal zu 30% in Umströmungsrichtung auf dem Schaufelblatt 26.
Ein Schaufelfuß 20 der Verdichterschaufel weist keine Beschichtung auf.
Anders als bei den homogenen Schichtsystemen, die für das ganze Schaufelblatt und die Schaufelplattform angewendet werden, wird hier vorzugsweise ein Schichtsystem vorgeschlagen, das aus unterschiedlichen Schichten besteht.

Claims

Schutzschichtsystem (1) gegen Korrosion und Erosion, das (1) zumindest aufweist: – ein Substrat (4), insbesondere ein metallisches Substrat (4), – eine erste, metallische und duktile Schicht (7), aus einem Matrixmaterial, insbesondere nur aus dem Matrixmaterial, ganz insbesondere aus NiCr80/20, auf dem Substrat (4), insbesondere direkt auf dem Substrat (4), – eine zweite, metallische und duktile Schicht (10), insbesondere aus demselben Matrixmaterial wie die erste metallische, duktile Schicht (7), auf der ersten metallischen Schicht (7), insbesondere direkt auf der ersten metallischen, duktilen Schicht (7), ganz insbesondere aus NiCr80/20, mit Hartstoffpartikeln, insbesondere mit Karbiden, – und einem äußersten, nichtmetallischen Hochtemperaturlack als dritte Schicht (13).
Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem die Dicke der ersten metallischen, duktilen Schicht (7) und/oder die Dicke der zweiten metallischen, duktilen Schicht (10) bei 10µm bis 200µm liegt.
Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1, 2, bei dem das Schichtsystem (1) nur aus Substrat (4) und drei Schichten (7, 10, 13) besteht.
Schutzschichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem das Substrat (4) metallisch ist, insbesondere ein Stahl ist.
Verdichterschaufel (1‘‘), aufweisend ein Schutzschichtsystem (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4.
Verdichterschaufel nach Anspruch 5, die ein Schutzschichtsystem (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4 nur teilweise, insbesondere nur im Bereich (30) in Umströmungsrichtung gesehen um eine Anströmkante (29) der Verdichterschaufel (1‘‘) aufweist.
Verdichterschaufel nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 oder 6, bei dem das Schutzschichtsystem (1) über die gesamte radiale Länge um die Anströmkante (29) vorhanden ist.
Verdichterschaufel nach einem oder beiden der Ansprüche 6 oder 7, bei der die äußerste Schicht (13) auf einem Schaufelblatt (26) und insbesondere auch auf der Schaufelplattform (23) der Verdichterschaufel (1‘‘) die gleiche ist.