DE69909700T2

DE69909700T2 - Beschichtung für Turbinenkomponenten

Info

Publication number: DE69909700T2
Application number: DE69909700T
Authority: DE
Inventors: Michael Cybulsky; Thomas R. Camberley Surrey Gibbons
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: General Electric Switzerland GmbH
Priority date: 1998-10-02
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2019-05-28
Also published as: EP0992614A1; US6168875B1; DE69909700D1; EP0992614B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Beschichtungen für die Lauf- und Leitschaufeln von Turbinen und insbesondere die in Verbindung mit einer Wärmedämmschicht auf Turbinenbauteilen verwendete Haftvermittlerschicht.
Hintergrund der Erfindung
Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Gasturbinen müssen die sehr hohen Temperaturen ausgesetzten Lauf- und Leitschaufelbauteile mit keramischen Wärmedämmschichten (Thermal Barrier Coatings, TBCs) versehen werden. Diese TBCs setzen die Werkstoffoberflächentemperaturen der Turbinenlauf- bzw. -leitschaufeln herab und erhöhen ihre Lebensdauer und Zuverlässigkeit. Zur Verbindung der TBC-Beschichtungen mit der Keramikoberfläche der Lauf- bzw. Leitschaufeln verwendet man eine Haftvermittlerschicht, die die Leit- und Laufschaufeln auch vor Oxidation und Heißkorrosion schützt. Bei modernen Haftvermittlerschichten handelt es sich üblicherweise um aluminiumoxidbildende Systeme, wie z. B. Platinaluminid-Haftschichten oder NiCoCrAlY-Deckbeschichtungen ("Overlays"). Den NiCoCrAlY-Overlays können häufig andere Elemente zugesetzt sein, wie z. B. Si, Ta usw. Bei hohen Temperaturen diffundiert Sauerstoff durch die keramische TBC, was zu Oxidwachstum führt und in der TBC Risse hervorrufen kann. Letztendlich kann die TBC aufgrund von Spannungen infolge des Oxidationsvorgangs und Ermüdung infolge von Temperaturwechselbeanspruchung abplatzen, was zu einer beschleunigten Oxidation der Haftvermittlerschicht und möglicherweise zum Versagen des gesamten Beschichtungssystems führt. Zunächst bilden sich in den Wärmedämmschichten aufgrund von Oxidwachstum und unterschiedlicher Wärmeausdehnung zwischen den TBC-Beschichtungen, thermisch gewachsenem Aluminiumoxid und Haftvermittlerschichten Risse. Natürlich kann die Bildung von Rissen auch auf andere Gründe als das Kriechen der Haftvermittlerschicht zurückzuführen sein. Die Abplatzung der TBC kann zu einer beschleunigten Oxidation der Haftvermittlerschicht führen. In der Regel versagt die TBC, wenn die Oxiddicke auf 5 bis 25 μm unter der keramischen TBC angewachsen ist. Für Motoren im Grundlastbetrieb kann das Oxidwachstum der Haftvermittlerschicht für die Lebensdauer des Beschichtungssystems ausschlaggebend sein. In der GB-A-2 005 729 werden Turbinenschaufeln beschrieben, die mit einer Beschichtung oder Ummantelung versehen sind, welche intermetallische Verbindungen, insbesondere NbIr₃, Nb₃Ir oder NbIr, enthält.
Kurze Darstellung der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Verlängerung der Lebensdauer einer Wärmedämmschicht (TBC) für Turbinenlauf- und -leitschaufeln durch Verwendung einer Hochtemperatur-Haftvermittlerschicht mit guter Oxidationsbeständigkeit. Im einzelnen betrifft die Erfindung die Verwendung einer Haftvermittlerschicht aus Iridium-Niob-Legierung (Ir-Nb-Legierung) unter der TBC zur festen Verbindung der TBC mit dem Substrat oder darunterliegenden Schichten. Zwischen der Haftvermittlerschicht und dem Substrat befindet sich eine unterliegende Schutzbeschichtung aus einer durch Niederdruck-Plasmaspritzen aufgebrachten oder aufgedampften Beschichtung. Die durch Niederdruck-Plasmaspritzen aufgebrachte Beschichtung wird aus einer Mischung von Metallpulvern, wie z. B. NiCoCrAlY, die auch andere Metalle, wie z. B. Si und Ta, enthalten kann, hergestellt. Vorzugsweise befindet sich zwischen der unterliegenden Schutzbeschichtung und dem Laufschaufel- bzw. Leitschaufelsubstrat eine Diffusionsbarrierebeschichtung zur Einschränkung der Interdiffusion zwischen den Beschichtungen und dem Substrat. Bei der Diffusionsbarriere kann es sich um ein metallisches System, wie z. B. Tantal (Ta), Nickel-Tantal (Ni-Ta) oder Rhenium (Re), oder eine Keramik, wie z. B. Aluminiumoxid, das bei Verwendung in amorpher Form besonders wirksam ist, handeln. Die Verbindung der Haftvermittlerschicht mit den darunterliegenden Schichten erfolgt durch eine Diffusionswärmebehandlung. Außerdem kann die Haftvermittlerschicht in einem Hochtemperaturoxidationsofen voroxidiert werden, um vor dem Aufbringen der TBC auf der Oberfläche der Haftvermittlerschicht eine wünschenswerte Oxidstruktur auszubilden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Zeichnung zeigt einen Querschnitt eines Teils einer erfindungsgemäß beschichteten Turbinenlauf- oder -leitschaufel.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Da Bauteile im "heißen Abschnitt" von Gasturbinen sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sind, muß man zur Verbesserung der Maschinenleistung die Turbinenlauf- und -leitschaufeln vor diesen hohen Temperaturen geschützt werden. Hierzu versieht man diese Bauteile mit einer Wärmedämmschicht (TBC) und einem Kühlsystem, was zu niedrigeren Metalloberflächentemperaturen führt. In der Zeichnung ist ein Teil einer Gasturbinenlauf- oder -leitschaufel 12 mit einer Oberfläche 14 dargestellt. Diese Bauteile bestehen in der Regel aus einer Nickelbasis-Superlegierung, wenngleich die vorliegende Erfindung nicht auf irgendeine spezielle Art von Lauf- oder Leitschaufellegierung beschränkt ist.
Im ersten Schritt der Verfahrensweise zur Herstellung des erfindungsgemäßen Beschichtungssystems, der fakultativ ist, wird eine Diffusionsbarriereschicht 16 ausgebildet, die hauptsächlich zur Einschränkung der Interdiffusion zwischen der Haftvermittlerschicht und dem Substrat dient. Derartige Beschichtungen bestehen vorzugsweise aus Keramik oder Metall und sind vorzugsweise amorph (nicht kristallin). Übliche Diffusionsbarrierebeschichtungen sind Ta, Ni-Ta, Re oder Keramiken, wie z. B. Aluminiumoxid, können aber auch andere Elemente enthalten; die Dicke liegt üblicherweise im Bereich von 1 Mikrometer bis über 25 Mikrometer.
Im nächsten Schritt des Verfahrens wird die sogenannte unterliegende Schutzbeschichtung 18 aufgebracht, die dem Schutz vor Oxidation und Heißkorrosion dient. Bei dieser Beschichtung kann es sich um ein durch Niederdruck-Plasmaspritzen von Pulvermischungen aufgebrachtes Overlay, wie z. B. das oben schon erwähnte NiCoCrAlY-Overlay, das andere Elemente, wie z. B. Si, Ta und Re, enthalten kann, handeln. Diese Beschichtung bildet eine Schutzschicht und ist in der Regel 50 bis über 500 Mikrometer dick. Bei der Schutzbeschichtung 18 kann es sich anstelle der durch Niederdruck-Plasmaspritzen aufgebrachten Beschichtung auch um eine aufgedampfte Aluminid-Beschichtung (NiAl- oder CoAl-Beschichtung) oder Platinaluminid-Beschichtung handeln. Diese letzteren Beschichtungen sind in der Regel 10 Mikrometer bis 150 Mikrometer dick und werden normalerweise in Verbindung mit einer mittels Elektronenstrahl aufgebrachten Wärmedämmschicht aufgebracht. Die NiCoCrAlY-Schutzbeschichtungen werden normalerweise zusammen mit durch Luftplasmaspritzen aufgebrachten Wärmedämmschichten verwendet.
Im nächsten Schritt des Verfahrens der Herstellung des erfindungsgemäßen Beschichtungssystems wird die Haftvermittlerschicht 20 aus der Iridium-Niob-Legierung (Ir-Nb-Legierung) aufgebracht, die zur Verbindung der keramischen Wärmedämmschicht mit dem Substrat oder unterliegenden Zwischenschichten dient. Bei der Ir-Nb-Beschichtung handelt es sich um eine Legierung aus 60 bis 95 Atomprozent Iridium und 5 bis 40 Atomprozent Niob. Sie weist eine Dicke im Bereich von 1 bis 20 Mikrometer auf und kann nach einer beliebigen gewünschten Methode aufgebracht werden, wie z. B. durch Niederdruck-Plasmaspritzen oder Sputtern. Nach dem Aufbringen der Haftvermittlerschicht 20 aus der Ir-Nb-Legierung wird eine Wärmebehandlung durchgeführt, durch die die Legierung mit dem Substrat oder der Zwischenbeschichtung verbunden wird. Diese Wärmebehandlung erfolgt bei einer Temperatur im Bereich von 1000°C bis 1200°C und vorzugsweise 1080°C über einen Zeitraum von vier Stunden. Als nächstes kann man einen Voroxidationsschritt durchführen, um eine Oxidschicht auszubilden. Dieser Oxidationsschritt kann in einem Hochtemperaturofen an der Luft durchgeführt werden.
Nach dem Aufbringen, Wärmebehandeln und gegebenenfalls Voroxidieren der IR-Nb-Haftvermittlerschicht wird die abschließende TBC 22 durch Plasmaspritzen oder Elektronenstrahlaufdampfen aufgebracht. Die keramische Wärmedämmschicht besteht in der Regel aus einer Mischung aus ZrO₂ mit 6 bis 8 Gew.-% Y₂O₃-Stabilisator mit einer Dicke im Bereich von 100 Mikrometer bis über 1 Millimeter. Anstelle von Yttriumoxid (Y₂O₃) kann man als Stabilisator auch beispielsweise Cer und Scandiumoxid verwenden.
Das erfindungsgemäße Beschichtungssystem liefert eine Verbindung zwischen der TBC und dem Substrat, die hohen Temperaturen widersteht und eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit aufweist, wodurch die Langzeitleistung des Beschichtungssystems verbessert wird.

Claims

Beschichtungssystem für Turbinenlaufschaufel- oder -leitschaufelbauteile, enthaltend: a. eine auf die Bauteile aufgebrachte Haftvermittlerschicht aus einer Iridium-Niob-Legierung mit 60 bis 95 Atomprozent Iridium und 5 bis 40 Atomprozent Niob und b. eine über der Haftvermittlerschicht auf die Bauteile aufgebrachte keramische Wärmedämmschicht.
Beschichtungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Haftvermittlerschicht eine Dicke im Bereich von 1 bis 20 Mikrometer aufweist und die keramische Wärmedämmschicht eine Dicke im Bereich von etwa 100 Mikrometer bis über 1 Millimeter aufweist.
Beschichtungssystem nach Anspruch 1, bei dem die keramische Wärmedämmschicht aus einer Mischung aus Zirconiumoxid und einem Stabilisator besteht.
Beschichtungssystem nach Anspruch 3, bei dem die keramische Wärmedämmschicht aus Zirconiumoxid mit 6 bis 8 Gewichtsprozent Yttriumoxid besteht.
Beschichtungssystem nach Anspruch 3, das ferner zwischen der Haftvermittlerschicht und den Bauteilen eine Schutzbeschichtung aufweist.
Beschichtungssystem nach Anspruch 5, bei dem die Schutzbeschichtung aus der Gruppe bestehend aus durch Niederdruck-Plasmaspritzen aufgebrachte Metallpulver und aufgedampften Aluminiden ausgewählt ist.
Beschichtungssystem nach Anspruch 5, bei dem es sich bei der Schutzbeschichtung um durch Niederdruck-Plasmaspritzen aufgebrachte NiCoCrAlY-Metallpulver handelt.
Beschichtungssystem nach Anspruch 6, das ferner zwischen der Schutzbeschichtung und dem Bauteil eine Diffusionsbarrierebeschichtung aufweist.
Beschichtungssystem nach Anspruch 8, bei dem die Diffusionsbarrierebeschichtung aus der Gruppe bestehend aus Tantal, Nickel-Tantal, Rhenium und Aluminiumoxid ausgewählt ist.