EP0776985A1 - Verfahren zur Aufbringung einer metallischen Haftschicht für keramische Wärmedämmschichten auf metallische Bauteile - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to the field of materials technology. It relates to a method for applying a metallic adhesive layer for thermally sprayed ceramic thermal barrier coatings (TBC) to metallic components and to a metallic adhesive layer produced using this method.
- TBC thermally sprayed ceramic thermal barrier coatings
- the ceramic thermal insulation layers protect the coated metallic components from harmful thermal stresses, their complete presence is important for a sufficient service life of the components.
- Components coated in this way are used in particular in the field of combustion technology, for example for combustion chamber parts or gas turbine blades.
- the disadvantage of the metallic adhesive layers produced so far for ceramic thermal insulation layers is that they have insufficient roughness and therefore offer too little positive locking (undercuts), so that the layer thickness of the TBC layers is limited.
- Layer thicknesses of approximately 0.2 to 0.4 mm are known, layer thicknesses of approximately 0.3 mm being most frequently encountered. If they are thicker, the risk of flaking increases rapidly. If they are thinner, the thermal insulation effect quickly diminishes.
- recent developments are aimed at spraying coarse adhesive layers (approx. 0.6 mm), the necessary positive locking is missing.
- a roughness typical of known metallic adhesive layers is around 30 ⁇ m.
- the layers cannot be sprayed rougher, since the dimension of the powder particles to be melted is limited to approx. 10 to 50 ⁇ m depending on the coating process (different spraying temperatures and spray speeds) and the liquid powder particles flatten out when they hit the substrate (cf. B. Heine: " Thermally sprayed layers ", metal, 49th year, 1/1995, p.51-57).
- the layer thickness of the TBC ceramic layer can be increased by low-speed flame spraying, but such layers cannot withstand thermal shock.
- the invention tries to avoid all these disadvantages. It is based on the object of developing a metallic adhesive layer and a method for applying this adhesive layer for ceramic thermal insulation layers on a metallic base body, with which it is possible compared to the known prior art to subsequently thermally spray and fix ceramic thermal insulation layers of greater thickness.
- the layers should adhere stably and be insensitive to impact.
- the advantages of the invention include that these processes produce adhesive layers that are very rough compared to the prior art.
- the soldered or sintered metal powder particles represent very stable and form-fitting anchors for the TBC layer to be sprayed on, so that comparatively thick, stably adhering ceramic thermal insulation layers can be produced.
- the two powders are first mixed intensively and then this mixture is applied to the metallic surface of the base material. This results in a more uniform distribution of the powder particles and also shortens the process time.
- a thin layer of the adhesive powder is additionally applied to the adhesive layer by means of spraying processes, for example protective gas plasma spraying.
- spraying processes for example protective gas plasma spraying.
- solder material material of the same type as the base material and boron-free or low-boron solders are advantageously used as solder material. This reduces possible brittle phase formation.
- the method according to the invention can be used locally for repair purposes as well as for coating new parts.
- the metallic adhesive layer produced according to the invention consists of a solder layer wetting the surface of the metallic component with spherical or spiky adhesive powder particles firmly soldered therein, or additionally of a thin sprayed, in particular protective gas plasma-sprayed layer of the same type of material as the adhesive powder particles or of a layer onto the surface of the metallic component protective gas plasma-sprayed protective layer with adhesive powder particles sintered onto its surface.
- This metallic adhesive layer guarantees stable adhesion of the thermally sprayed ceramic thermal insulation layers, allows greater layer thicknesses and leads to good emergency running properties.
- the height of the adhesive powder particles is approximately as large as the layer thickness of the ceramic thermal insulation layer to be sprayed on. This makes the layer almost insensitive to impacts, because impacts are essentially absorbed by metal.
- a guide vane of a gas turbine as an example of a metallic component 1 to be coated. It consists of the metallic base material (substrate) 2, in this case the alloy IN 939 with the following chemical composition: Bal. Ni; 22.5% Cr; 19.0% Co; 2.0% W; 1.0% Nb; 1.4% Ta; 3.7% Ti; 1.9% Al; 0.1 Zr; 0.01 B; 0.15 C.
- the blade is provided with a corrosion and oxidation layer on the gas-carrying surfaces (MCrAlY, e.g. SV201473: Bal. Ni; 25% Cr; 5% Al; 2.5% Si; 0.5% Y; 1 % Ta).
- this blade is coated on the leading edge, the pressure side of the blade and on the channel walls with an approximately 0.3 mm thick thermal insulation layer made of ytrium-stabilized zirconium oxide with the following composition: Bal. ZrO 2 incl 2.5% HfO 2 ; 7-9% Y 2 O 3 ; ⁇ 3% others.
- the gas turbine guide vane After an operating time of 25,000 hours, the gas turbine guide vane is reconditioned. It is ascertained that the thermal insulation layer is no longer present due to thermal overloading and erosion at the leading edge of the sheet and on the channel wall (see hatched areas in FIG. 1). Since the shovel did no further damage is not a total re-coating for cost reasons, but a partial repair of the thermal insulation layer is sought. Due to the fact that a particularly strong attack of the TBC occurs systematically at the points described above, the TBC layer should not only be of the same thickness, but should be made as thick as possible.
- the ceramic layer is more flexibly bonded to the metallic substrate 2 by grading the transition between metal and ceramic using a special adhesive layer.
- the blade 1 is cleaned of coarse dirt (combustion residues) in the water vapor jet. Then any adhering deposits are removed using soft sandblasting (e.g. fine aluminum powder, 2 bar blasting pressure, 20 cm distance). The still intact ceramic thermal insulation layer must not be removed.
- soft sandblasting e.g. fine aluminum powder, 2 bar blasting pressure, 20 cm distance.
- the blade parts that are not to be coated are covered, for example with a sheet metal template, and the surfaces to be coated are blasted (e.g. fine silicon carbide, blasting pressure 4 bar, distance 40 mm), so that any TBC residues and any oxides are removed.
- a sheet metal template e.g. fine silicon carbide, blasting pressure 4 bar, distance 40 mm
- the alloy NB 150 (Bal.Ni; 15% Cr; 3.5% B; 0.1% C) is used as the solder material a melting point of 1055 ° C and a soldering range of 1065 to 1200 ° C used.
- approximately equal amounts by weight of adhesive powder 4 and solder powder 5 are advantageous. Of course, other proportions can also be selected.
- the packing density of the particles is not of crucial importance, because dense packing is suitable, but less dense packing is also sufficient.
- FIG. 2 shows schematically a cross section of the different layers after application.
- the surface coated in this way can now be brought into the soldering furnace horizontally, vertically or overhead.
- the solder 5 and the adhesive powder 4 remain in place until the solder has melted and has wetted and soldered the substrate surface and the surface of the adhesive powder particles.
- the soldering is carried out in a high vacuum oven at 5x10 -6 mbar, 1080 ° C and a holding time of 15 min.
- Fig. 3 shows schematically a cross section of the different layers after the soldering process.
- the solder 5 has completely wetted the surface to be repaired and the adhesive powder particles 4 are firmly soldered.
- the surface looks metallic matt silvery shiny.
- the diffusion zone is only very small due to the short soldering time and the relatively low soldering temperature.
- the blade is again covered with a template and provided with a 0.5 mm thick ceramic thermal insulation layer 6, here made of calcium-stabilized zirconium oxide (MetaCeram 28085), the zirconium oxide being applied using a known flame spraying process.
- a ceramic thermal insulation layer 6 here made of calcium-stabilized zirconium oxide (MetaCeram 28085), the zirconium oxide being applied using a known flame spraying process.
- Fig. 4 shows schematically the layer structure according to the flame spraying process.
- the fastening of the zirconium oxide can be compared to a push button technique.
- the zirconium oxide has a strong form fit and many undercuts, in contrast to conventional adhesive geometries, which at best only have a small form fit.
- the anchoring of the zirconium oxide (TBC) layer on the component is very stable.
- flame spraying is therefore also suitable for spraying the TBC layers onto the adhesive layers according to the invention. The latter has the advantage that portable coating devices can be used for this.
- Another advantage of the invention is the high thermal shock resistance of the layers.
- Process-coated metallic component 1 was then thermocycled in a hot gas stream (heating at about 50 degrees / min gas temperature, 2 minutes holding at 1000 ° C., cooling at 100 degrees / s gas temperature to 500 ° C.). Even after 70 cycles, the layer has not yet come off.
- Another advantage is the excellent emergency running properties of the TBC layers thermally sprayed onto the adhesive layer according to the invention.
- the ceramic layer 6, in this case the zirconium oxide only flakes off above the adhesive powder 4. Due to the large positive fit, the TBC layer 6 does not fall out between the adhesive powder particles 4, so that the ceramic thermal insulation layer 6 is retained at least in the thickness of the adhesive powder particles 4 (approx. 200 ⁇ m). This is shown schematically in FIG. 5. This result leads to the assumption that both the leading edge and the The duct wall of the repaired guide vane can withstand the removal of the thermal insulation layer longer than the thinner and less anchored original thermal insulation layer.
- Fig. 6 shows a perspective view of a thermal insulation panel for hot gas flow, which is to be provided in the new state with a thermally sprayed thermal insulation layer as thick as possible.
- the thermal insulation board consists of the alloy MAR M 247, which has the following chemical composition: Bal. Ni; 8.2-8.6% Cr; 9.7-10.3% Co; 0.6-0.8% Mo; 9.8-10.2% W; 2.9-3.1% Ta; 5.4-5.6% Al; 0.8-1.2% Ti; 1.0-1.6% Hf; 0.14-0.16% C).
- the metallic component 1 to be coated is blasted with relatively coarse silicon carbide (particle diameter ⁇ 200 ⁇ m) in an oxide-free and rough manner (10 to 30 ⁇ m).
- the surface to be coated is then thinly coated with organic binder 3, for example with a brush.
- Under a trickling device for coarse spherical adhesive powder 4 (SV 20 14 73 with the following chemical composition: Bal.Ni; 25% Cr; 5% Al; 2.5% Si; 0.5% Y; 1% Ta) with a grain diameter of
- the plate 1 to be coated is moved back and forth 150 to 300 ⁇ m until a uniform distribution of the highly corrosion-resistant adhesive powder 4 has taken place on the adhesive layer.
- the individual powder particles should be 0.3 to 0.6 mm apart.
- Amdry Alloy DF 5 which has a high Al content with a slightly reduced B content in addition to the high Cr content, is selected as the solder.
- the exact composition is as follows: Bal. Ni; 13% Cr; 3% Ta; 4% Al; 2.7% B; 0.02% Y.
- the solder 5 is also applied evenly to the surface to be soldered using a suitable trickling device. It is also possible to mix adhesive powder 4 and solder 5 and then to sprinkle the mixture onto the surface coated with the cement binder 3 in one process step.
- the soldering takes place in a high vacuum oven at 1100 ° C and 15 min holding time.
- a thin layer 7 (approx. 50 ⁇ m) SV 20 14 73 is applied by means of protective gas plasma spraying.
- this also results in fine toothing, which further increases the adhesive strength of thick TBC layers in thermal shock.
- Fig. 7 shows schematically the formation of these layers.
- a 1.5 mm thick ytrium-stabilized zirconium oxide layer is then sprayed as a TBC layer 6 using a known air plasma spraying method.
- the component coated in this way proved to be resistant to thermal shock in a thermal shock test in a sand bed (1000 ° C. to room temperature).
- a cooled guide vane made of the material CM 247 LC DS (chemical composition: Ba. Ni; 8.1% Cr; 9.2% Co; 0.5% Mo; 9.5% W; 3.2% Ta; 0.7% Ti; 5.6% Al; 0.01% Zr; 0.01% B; 0.07% C; 1.4% Hf), can be provided with a 0.7 to 0.8 mm thick TBC layer when new.
- the blade is coated with the powder ProXon 21031 (nickel-based alloy) in the entire channel area using protective gas plasma spraying, about 0.2 mm thick (sprayed with low oxygen).
- This powder has excellent resistance to oxidation and corrosion due to its high aluminum and chromium content.
- a thin layer of binder 3 is applied to this roughly sprayed oxidation and corrosion protection layer 8.
- a coarse adhesive powder 4 with a particle diameter of approximately 100 to 200 ⁇ m of the same composition is sprinkled on it.
- the coating is then carried out in a high vacuum furnace under solution annealing conditions for CM 247 LS DS (several hours at 1220 to 1250 ° C).
- the profile suction side and the areas of the cooling air holes in the guide vane are then covered.
- the pressure side and the channel walls, which are coated with adhesive layer powder 4 are now coated using a known flame spraying system CastoDyn DS 8000 with MetaCeram 28085 (zirconium oxide / calcium stabilized) approx. 0.8 to 0.7 mm thick.
- a cooled guide vane made of CM 247 LC DS is also to be provided with a thermal barrier coating.
- a solder of the same type is used for soldering the coarse adhesive powder particles 4 made of ProXon 21031 4 CM 247 with an addition of 6% Cr; 3% Si; 2% Al and 0.5% B used.
- the order is placed as described above, i.e.
- the 150 to 200 ⁇ m adhesive powder 4 is sprinkled on the thin cement-binder layer 3 and the solder powder 5 in abundance.
- the blade is then subjected to a heat treatment in which the base material 2 is solution-annealed and the solder 5 is partially melted .
- An approximately 0.5 to 0.6 mm thick, Y-stabilized zirconium oxide thermal insulation layer is then applied to this blade surface prepared on the profile pressure side and the channel walls using a known air plasma spraying process.
- thermal shock tests showed that the thermal insulation layer fastened in this way is superior to a conventionally produced layer. Even if a piece of the TBC layer bursts off for various reasons, this layer remains between the adhesive powder particles and thus guarantees good emergency running properties. If, on the other hand, the TBC layer flakes off in the case of conventionally coated blades, only minimal residues remain on the substrate, which in no case have a heat-insulating property. In addition, this example has shown that it is cheap to use boron-free or almost boron-free Solder to be used, since brittle phase formation with W-borides is hardly possible.
- FIG. 9 finally shows a micrograph of a plate coated with the adhesive layer according to the invention.
- the base material 2 is MAR M 247, NB 150 was used as lot 5 and the adhesive powder particles 4 consist of NiAl95 / 5.
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Abstract
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstofftechnik. Sie betrifft ein Verfahren zur Aufbringung einer metallischen Haftschicht für thermisch gespritzte keramische Wärmedämmschichten (TBC) auf metallische Bauteile sowie eine nach diesem Verfahren hergestellte metallische Haftschicht.
- Normalerweise lassen sich Metall und Keramik wegen der unterschiedlichen Wärmesausdehnungskoeffizienten nicht miteinander verbinden.
- Bekannt ist, dass zur Lösung dieses Problemes eine duktile Zwischenschicht zwischen die zu verbindenden Teile gebracht wird, welche die Differenzdehnungen bei unterschiedlichen Temperaturen elastisch-plastisch ausgleicht (vgl. W. J. Brindley, R. A. Miller: "TBcs for better engine efficiency", Nasa Lewis Research Center Cleveland, Advanced Materials & Progress 8/1989, S.29-33). Diese als Haftschichten bezeichnete Zwischenschichten werden üblicherweise mittels bekannter Flammspritzverfahren, Plasmaspritzverfahren oder Detonationsspritzverfahren aufgebracht. Sie ermöglichen eine metallurgisch-mechanische Bindung an das metallische Bauteil und eine rein mechanische Bindung der ebenfalls thermisch gespritzten Keramikschicht an die Haftschicht, wobei diese Verbindung ausgesprochen schlagempfindlich und thermoschockempfindlich ist.
- Da die keramischen Wärmedämmschichten die beschichteten metallischen Bauteile vor schädlichen Wärmespannungen schützen, ist deren lückenloses Vorhandensein wichtig für eine ausreichende Lebensdauer der Bauteile. Derartig beschichtete Bauteile werden insbesondere im Gebiet der Verbrennungstechnik eingesetzt, beispielsweise für Brennkammerteile oder Gasturbinenschaufeln.
- Der Nachteil der bisher erzeugten metallischen Haftschichten für keramische Wärmedämmschichten besteht darin, dass sie eine ungenügende Rauhigkeit aufweisen und damit zu wenig Formschluss (Hinterschneidungen) bieten, so dass die Schichtdicke der TBC-Schichten begrenzt ist. Bekannt sind Schichtdicken von ca. 0,2 bis 0,4 mm, wobei Schichtdicken von etwa 0,3 mm am häufigsten anzutreffen sind. Sind sie dicker, so steigt die Gefahr des Abplatzens rapide an. Sind sie dünner, so lässt die Wärmedämmwirkung schnell nach. Neuere Entwicklungen gehen zwar dahin, gröbere Haftschichten (ca. 0,6 mm) zu spritzen, jedoch fehlt der nötige Formschluss.
- Eine für bekannte metallische Haftschichten typische Rauhigkeit (Unterschied Spitze-Tal) liegt bei etwa 30 µm. Rauher können die Schichten nicht gespritzt werden, da die Dimension der aufzuschmelzenden Pulverteilchen je nach Beschichtungsverfahren (unterschiedliche Spritztemperaturen und Spritzgeschwindigkeiten) auf ca. 10 bis 50 µm begrenzt ist und die flüssigen Pulverteilchen beim Auftreffen auf das Substrat abflachen (vgl. B. Heine: "Thermisch gespritzte Schichten", Metall, 49. Jahrgang, 1/1995, S.51-57).
- Einer naheliegenden Abhilfe mittels gröberem Aufrauhen durch Sandstrahlen bzw. mittels Veränderung der Flammspritzparameter sind aber Grenzen gesetzt. Beispielsweise kann durch Niedergeschwindigkeitsflammenspritzen zwar die Schichtdicke der TBC-Keramikschicht erhöht werden, aber derartige Schichten halten keinen Thermoschock aus.
- Rauhgewindedrehen oder Einfräsen von Nuten in die zu beschichtenden Oberflächen, wie von B. Heine in o.g. Artikel zur Haftungsförderung bei angestrebten Schichtdicken von grösser 1 mm angegeben werden, sind aufwendig und lassen sich bei komplizierter geometrischer Werstückform nur schwer realisieren.
- Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine metallische Haftschicht und ein Verfahren zur Aufbringung dieser Haftschicht für keramische Wärmedämmschichten auf einem metallischen Grundkörper zu entwickeln, mit dem es gegenüber dem bekannten Stand der Technik möglich ist, anschliessend keramische Wärmedämmschichten grösserer Dicke thermisch zu spritzen und zu befestigen. Dabei sollen die Schichten stabil haften und unempfindlich gegen Schlageinwirkung sein.
- Erfindungsgemäss wird dies bei einem Verfahren zur Aufbringung einer metallischen Haftschicht für thermisch gespritzte keramische Wärmedämmschichten auf metallische Bauteile, wobei die zu beschichtende Oberfläche in einem ersten Verfahrensschritt gereinigt wird, so dass eine fett- und oxidfreie metallische Oberfläche vorliegt, dadurch erreicht,
- a) dass in einem zweiten Verfahrensschritt ein Binder auf die metallische Oberfläche aufgebracht wird,
- b) dass in einem dritten Verfahrensschritt auf den Binder gleichmässig metallisches Haftpulver aufgebracht wird,
- c) dass in einem vierten Verfahrensschritt auf den Binder gleichmässig Lotpulver, welches eine geringere Teilchengrösse als das Haftpulver aufweist, aufgebracht wird, und
- d) dass nach Trocknung des Binders eine Wärmebehandlung zwecks Lötung erfolgt.
- Erfindungsgemäss wird dies bei einem Verfahren zur Aufbringung einer metallischen Haftschicht für thermisch gespritzte keramische Wärmedämmschichten auf metallische Bauteile, wobei die zu beschichtende Oberfläche in einem ersten Verfahrensschritt gereinigt wird, so dass eine fett- und oxidfreie metallische Oberfläche vorliegt, und in einem zweiten Verfahrensschritt mittels Schutzgasplasmaspritzen eine oxidationsund korrosionsfeste Schicht auf der metallischen Oberfläche erzeugt wird, dadurch erreicht,
- a) dass in einem dritten Verfahrensschritt ein Binder auf die oxidations- und korrosionsfeste Schicht aufgebracht wird,
- b) dass auf den Binder gleichmässig ein grobes Haftpulver der gleichen Zusammensetzung wie die oxidations- und korrosionsfeste Schicht aufgebracht wird, und
- c) dass nach Trocknung des Binders eine Wärmebehandlung (Lösungsglühen) zwecks Bildung einer Sinterverbindung zwischen dem metallischen Bauteil und der Schicht bzw. zwischen der Schicht und dem Haftpulver erfolgt.
- Die Vorteile der Erfindung bestehen u.a. darin, dass mit diesen Verfahren Haftschichten erzeugt werden, die gegenüber dem Stand der Technik sehr rauh sind. Die aufgelöteten bzw. angesinterten Metallpulverteilchen stellen dabei sehr stabile und formschlüssige Verankerungen für die aufzuspritzende TBC-Schicht dar, so dass vergleichsweise dicke, stabil haftende keramische Wärmedämmschichten erzeugt werden können.
- Es ist besonders zweckmässig, wenn anstelle des zeitlich nacheinander erfolgenden Aufbringens des metallischen Haftpulvers und des Lotpulvers beide Pulver zunächst intensiv gemischt werden und danach dieses Gemisch auf die metallische Oberfläche des Grundmaterials aufgebracht wird. Dadurch wird eine gleichmässigere Verteilung der Pulverteilchen erreicht und ausserdem die Verfahrenszeit verkürzt.
- Ferner ist es vorteilhaft, wenn nach erfolgter Lötung zusätzlich auf die Haftschicht eine dünne Schicht des Haftpulvers mittels Spritzverfahren, beispielsweise Schutzgasplasmaspritzen, aufgetragen wird. Das ergibt zwischen der groben Verankerungsmöglichkeit zusätzlich die Möglichkeit einer feinen Verzahnung, was die Haftfestigkeit von dicken TBC-Schichten unter Thermoschockbedingungen weiter steigert.
- Schliesslich werden mit Vorteil als Lotmaterial artgleiches Material wie das Grundmaterial und borfreie bzw. borarme Lote verwendet. Dadurch wird eine mögliche Sprödphasenbildung verringert.
- Das erfindungsgemässe Verfahren kann sowohl örtlich für Reperaturzwecke als auch zur Beschichtung von Neuteilen verwendet werden.
- Die erfindungsgemäss hergestellte metallische Haftschicht besteht je nach angewandter Verfahrensvariante aus einer die Oberfläche des metallischen Bauteiles benetzenden Lotschicht mit darin fest verlöteten sphärisch oder spratzig ausgebildeten Haftpulverteilchen oder zusätzlich aus einer dünnen gespritzen, insbesondere schutzgasplasmagespritzten Schicht aus artgleichem Material wie die Haftpulverteilchen oder aus einer auf die Oberfläche des metallischen Bauteiles schutzgasplasmagespritzten Schutzschicht mit an deren Oberfläche angesinterten Haftpulverteilchen. Diese metallische Haftschicht garantiert ein stabiles Haften der thermisch gespritzten keramischen Wärmedämmschichten, erlaubt grössere Schichtdicken und führt zu guten Notlaufeigenschaften.
- Es ist ausserdem vorteilhaft, wenn die Höhe der Haftpulverteilchen etwa so gross ist wie die Schichtdicke der thermisch aufzuspritzenden keramischen Wärmedämmschicht. Dadurch wird die Schicht nahezu schlagunempfindlich, weil Schläge im Wesentlichen metallisch aufgefangen werden.
- In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
- Es zeigen:
- Fig. 1
- eine perspektivische Darstellung einer zu beschichtenden Leitschaufel;
- Fig. 2
- einen schematischen Querschnitt durch die verschiedenen Schichten nach dem Applizieren;
- Fig. 3
- einen schematischen Querschnitt durch die verschiedenen Schichten nach dem Löten;
- Fig. 4
- einen schematischen Querschnitt durch die verschiedenen Schichten nach dem Flammspritzen der keramischen Wärmedämmschicht;
- Fig. 5
- einen schematischen Querschnitt durch die verschiedenen Schichten nach TBC-Beschichtung und seitlicher Druckbeanspruchung;
- Fig. 6
- eine perspektivische Darstellung einer zu beschichtenden Wärmedämmplatte;
- Fig. 7
- einen schematischen Querschnitt durch die verschiedenen Schichten nach dem Löten und Flammspritzen der Haftschicht;
- Fig. 8
- einen schematischen Querschnitt durch die verschiedenen Schichten eines weiteren Ausführungsbeispieles (angesintertes Haftpulver);
- Fig. 9
- ein Schliffbild einer metallischen Probe mit aufgelöteter Haftschicht.
- Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen und der Figuren 1 bis 9 näher erläutert.
- In Fig. 1 ist eine Leitschaufel einer Gasturbine als Beispiel für ein zu beschichtendes metallisches Bauteil 1 dargestellt. Sie besteht aus dem metallischen Grundmaterial (Substrat) 2, in diesem Falle aus der Legierung IN 939 der folgenden chemischen Zusammensetzung: Bal. Ni; 22,5% Cr; 19,0% Co; 2,0% W; 1,0% Nb; 1,4% Ta; 3,7% Ti; 1,9% Al; 0,1 Zr; 0,01 B; 0,15 C. Die Schaufel ist auf den gasführenden Flächen mit einer Korrosions- und Oxidationsschicht versehen (MCrAlY, z.B. SV201473: Bal. Ni; 25% Cr; 5% Al; 2,5% Si; 0,5% Y; 1% Ta). Ausserdem ist diese Schaufel auf der Eintrittskante, der Druckseite des Blattes und auf den Kanalwänden mit einer ca. 0,3 mm dicken keramischen Wärmedämmschicht aus Ytrium-stabilisiertem Zirkonoxid folgender Zusammensetzung beschichtet: Bal. ZrO2 incl 2,5% HfO2; 7-9% Y2O3; <3% andere.
- Nach einer Betriebszeit von 25 000 Stunden kommt die Gasturbinenleitschaufel zur Rekonditionierung. Dabei wird festgestellt, dass durch thermische Überbeanspruchung und Erosion an der Eintrittskante des Blattes und auf der Kanalwand die Wärmedämmschicht nicht mehr vorhanden ist (vgl. schraffierte Bereiche in Fig. 1). Da die Schaufel keine weiteren Schäden aufweist, wird aus Kostengründen keine totale Neubeschichtung, sondern eine partielle Reparatur der Wärmedämmschicht angestrebt. Auf Grund dessen, dass an den oben beschriebenen Stellen systematisch ein besonders starker Angriff der TBC erfolgt, sollte die TBC-Schicht nicht nur in gleicher Stärke, sondern möglichst dicker ausgeführt werden.
- Das gelingt mit dem erfindungsgemässen Verfahren, bei dem die keramische Schicht flexibler an das metallische Substrat 2 gebunden wird durch Gradieren des Übergangs Metall-Keramik unter Verwendung einer speziellen Haftschicht.
- Zunächst wird die Schaufel 1 im Wasserdampfstrahl von grobem Schmutz (Verbrennungsrückstände) gereinigt. Danach werden noch anhaftende Ablagerungen mittels weichem Sandstrahlen, (z.B. feines Aluminiumpulver, 2 bar Strahldruck, 20 cm Abstand) entfernt. Dabei darf die noch intakte keramische Wärmedämmschicht nicht abgetragen werden.
- Nun werden die nicht zu beschichtenden Schaufelteile abgedeckt, beispielsweise mit einer Blechschablone, und die zu beschichtenden Flächen werden blankgestrahlt (z.B. feines Siliziumcarbid, Strahldruck 4 bar, Abstand 40 mm), so dass jegliche TBC-Reste und eventuelle Oxide entfernt werden.
- Die so gereinigten, metallischen, sauberen, fett- und oxidfreien Oberflächen werden nun mit Hilfe eines Pinsels, Tupfers oder Sprayers dünn mit einem für die Lotpastenherstellung üblichen organischen Binder 3, sogenanntem Zement, beschichtet. Danach wird Haftpulver 4 des Typs NiAl95/5 mit einer Teichengrösse im Bereich von 100 bis 200 µm über die mit dem Binder 3 befeuchteten Stellen gestreut, bis etwa alle 0,5 mm solche Haftpulverteilchen 4 zu liegen kommen. Danach wird in gleicher Weise das viel feinere Lotpulver 5 (Teilchendurchmesser ca. 10-30 µm) gestreut. Als Lotmaterial wird die Legierung NB 150 (Bal. Ni; 15% Cr; 3,5% B; 0,1% C) mit einem Schmelzpunkt von 1055°C und einem Lötbereich von 1065 bis 1200°C verwendet. Vorteilhaft sind dabei etwa gewichtsmässig gleichgrosse Mengen von Haftpulver 4 und Lotpulver 5. Aber selbstverständlich können auch andere Mengenverhältnisse gewählt werden. Dabei ist die Packungsdichte der Teilchen nicht von ausschlaggebender Bedeutung, denn es sind dichte Packungen geeignet, aber auch weniger dichte Packungen sind schon ausreichend.
- Der Binder 3 trocknet nach kurzer Zeit (ca. 15 min) und hält das Haftpulver 4 und das Lot 5 fest auf dem Substrat 2. Fig. 2 zeigt schematisch einen Querschnitt der verschiedenen Schichten nach dem Applizieren.
- Die so beschichtete Fläche kann nun horizontal, senkrecht oder über Kopf in den Lötofen gebracht werden. Das Lot 5 und das Haftpulver 4 bleiben an ihrem applizierten Platz, bis das Lot aufgeschmolzen ist und die Substratoberfläche und die Oberfläche der Haftpulverteilchen benetzt und verlötet hat. Die Lötung erfolgt in einem Hochvakuumofen bei 5x10-6 mbar, 1080°C und einer Haltezeit von 15 min.
- Fig. 3 zeigt schematisch einen Querschnitt der verschiedenen Schichten nach dem Lötvorgang. Das Lot 5 hat die zu reparierende Fläche gänzlich benetzt und die Haftpulverteilchen 4 sind fest verlötet. Die Oberfläche sieht metallisch matt silbrig glänzend aus. Die Diffusionszone ist wegen der kurzen Lötzeit und der relativ niedrigen Löttemperatur nur sehr klein.
- Nach dem Aufbringen der erfindungsgemässen metallischen Haftschicht wird die Schaufel wiederum mit einer Schablone abgedeckt und mit einer 0,5 mm dicken keramischen Wärmedämmschicht 6, hier aus Calzium-stabilisierten Zirkonoxid (MetaCeram 28085), wobei das Zirkonoxid mittels bekanntem Flammspritzverfahren aufgebracht wird, versehen.
- Fig. 4 zeigt schematisch den Schichtaufbau nach dem Flammspritzverfahren.
- Die Befestigung des Zirkonoxides lässt sich in etwa mit einer Druckknopftechnik vergleichen. Das Zirkonoxid weist einen starken Formschluss und viele Hinterschneidungen auf im Gegensatz zu bisher üblichen Haftgeometrien, welche bestenfalls nur einen kleinen Formschluss aufweisen. Damit ist die Verankerung der Zirkonoxid(TBC)-Schicht auf dem Bauteil sehr stabil. Für das Aufspritzen der TBC-Schichten auf die erfindungsgemässen Haftschichten ist somit neben dem Plasmaspritzen und dem Detonationsflammspritzen wie oben beschrieben auch das Flammspritzen geeignet. Letzteres hat den Vorteil, dass dafür transportable Beschichtungsgeräte eingesetzt werden können.
- Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der hohen Thermoschockunempfindlichkeit der Schichten. Das gemäss o.b. Verfahren beschichtete metallische Bauteil 1 wurde anschliessend in einem Heissgasstrom thermozykliert (Aufheizen mit etwa 50 Grad/min Gastemperatur, 2 min Halten bei 1000°C, Abkühlen mit 100 Grad/s Gastemperatur auf 500°C). Selbst nach 70 Zyklen ist noch keine Ablösung der Schicht aufgetreten.
- Ein anderer Vorteil besteht in den hervorragenden Notlaufeigenschaften der auf die erfindungsgemässe Haftschicht thermisch gespritzen TBC-Schichten. Bei Schlag- bzw. seitlicher Druckbeanspruchung platzt die keramische Schicht 6, also in diesem Falle das Zirkonoxid, nur oberhalb des Haftpulvers 4 ab. Zwischen den Haftpulverteilchen 4 fällt die TBC-Schicht 6 aufgrund des grossen Formschlusses nicht heraus, so dass die keramische Wärmedämmschicht 6 mindestens in der Dicke der Haftpulverteilchen 4 (ca. 200 µm) erhalten bleibt. Dies ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Dieses Ergebnis berechtigt zu der Annahme, dass sowohl die Eintrittskante als auch die Kanalwand der reparierten Leitschaufel dem Abtrag der Wärmedämmschicht länger widerstehen kann als die dünnere und weniger verankerte originale Wärmedämmschicht. Mit diesem Ausführungsbeispiel ist die prinzipielle Eignung der grob gelöteten Haftschichten für die Aufbringung thermisch gespritzter Wärmedämmschichten nachgewiesen. Bei der Verwendung der miteinander kombinierten Materialien ist darauf zu achten, dass die Oxidations- und Korrosionsfestigkeit von Haftpulver, Lot und Haftschicht möglichst grösser sind als die entsprechenden Werte des Grundmaterials.
- In den Fig. 6 und 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Fig. 6 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine Wärmedämmplatte zur Heissgasführung, die im Neuzustand mit einer möglichst dicken thermisch gespritzen Wärmedämmschicht versehen werden soll. Die Wärmedämmplatte besteht aus der Legierung MAR M 247, die folgende chemische Zusammensetzung aufweist: Bal. Ni; 8,2-8,6% Cr; 9,7-10,3% Co; 0,6-0,8% Mo; 9,8-10,2% W; 2,9-3,1% Ta; 5,4-5,6% Al; 0,8-1,2% Ti; 1,0-1,6% Hf; 0,14-0,16% C).
- Zunächst wird das zu beschichtende metallische Bauteil 1 mit relativ groben Siliziumcarbid (Partikeldurchmesser <200 µm) oxidfrei und rauh gestrahlt (10 bis 30 µm). Danach wird die zu beschichtende Oberfläche beispielsweise mit einem Pinsel dünn mit organischem Binder 3 bestrichen. Unter einer Rieselvorrichtung für grobes sphärisches Haftpulver 4 (SV 20 14 73 mit folgender chemischer Zusammensetzung: Bal. Ni; 25% Cr; 5% Al; 2,5% Si; 0,5% Y; 1% Ta) mit einem Korndurchmesser von 150 bis 300 µm wird die zu beschichtende Platte 1 hin- und herbewegt, bis auf der Klebeschicht eine gleichmässige Verteilung des hoch korrosionsfesten Haftpulvers 4 stattgefunden hat. Im Mittel sollten die einzelnen Pulverteilchen 0,3 bis 0,6 mm Abstand voneinander haben. Durch elekrostatische Aufladung ist es möglich, dass mehrere der Haftpulverteilchen 4 aneinander zu liegen kommen, was aber für ihre Funktion keinen Nachteil hat. Als Lot wird Amdry Alloy DF 5, welches zusätzlich zum hohen Cr-Gehalt einen hohen Al-Gehalt bei etwas reduziertem B-Gehalt aufweist, gewählt. Die genaue Zusammensetzung ist folgende: Bal. Ni; 13% Cr; 3% Ta; 4% Al; 2,7% B; 0,02% Y. Das Lot 5 wird ebenfalls mittels einer geeigneten Rieselvorrichtung gleichmässig auf die zu lötende Fläche aufgebracht. Es ist auch möglich, Haftpulver 4 und Lot 5 zu mischen und dann das Gemisch in einem Verfahrensschritt auf die mit dem Zement-Binder 3 eingestrichene Fläche aufzustreuen.
- Die Lötung erfolgt im Hochvakuumofen bei 1100°C und 15 min Haltezeit. Vor dem anschliessenden Luftplasmaspritzen der Wärmedämmschicht 6 wird mittels Schutzgasplasmaspritzen eine dünne Schicht 7 (ca. 50 µm) SV 20 14 73 aufgetragen. Das ergibt neben der groben Verankerungsmöglichkeit (wie im Ausführungsbeispiel 1) noch zusätzlich eine feine Verzahnung, was die Haftfestigkeit von dicken TBC-Schichten im Thermoschock weiter steigert.
- Fig. 7 zeigt schematisch die Ausbildung dieser Schichten.
- Anschliessend wird mittels bekanntem Luftplasmaspritzverfahren eine 1,5 mm dicke Ytrium-stabilisierte Zirkonoxidschicht als TBC-Schicht 6 gespritzt.
- Das so beschichtete Bauteil erwies sich bei einem Thermoschocktest im Sandbett (1000°C auf Raumtemperatur) als thermoschockfest.
- Nach längerer Betriebszeit ist zwar die Lotschicht zwischen den grossen Haftpulverkörnern etwas wegkorrodiert, aber der Korrosionsangriff kann den tragenden Teil des Lothalses nicht nennenswert reduzieren.
- In einem dritten Ausführungsbeispiel soll eine gekühlte Leitschaufel, die aus dem Material CM 247 LC DS (chemische Zusammensetzung: Ba. Ni; 8,1% Cr; 9,2% Co; 0,5% Mo; 9,5% W; 3,2% Ta; 0,7% Ti; 5,6% Al; 0,01% Zr; 0,01% B; 0,07% C; 1,4% Hf) besteht, im Neuzustand mit einer 0,7 bis 0,8 mm dicken TBC-Schicht versehen werden.
- Dazu wird die Schaufel im ganzen Kanalbereich mittels Schutzgasplasmaspritzen mit dem Pulver ProXon 21031 (Legierung auf Nickelbasis) etwa 0,2 mm dick beschichtet (sauerstoffarm gespritzt). Dieses Pulver weist wegen seines hohen Aluminiumgehaltes und Chromgehaltes eine hervorragende Oxidations- und Korrosionsfestigkeit auf. Danach wird auf dieser rauh gespritzen Oxidations- und Korrosionschutzschicht 8 eine dünne Schicht Binder 3 aufgetragen. Darauf wird ein grobes Haftpulver 4 mit einem Teilchendurchmesser von etwa 100 bis 200 µm der gleichen Zusammensetzung gestreut. Die Beschichtung erfolgt dann im Hochvakuumofen bei Lösungsglühbedingungen für CM 247 LS DS (mehrere Stunden bei 1220 bis 1250°C). Dabei entsteht eine definierte metallurgische Bindung (Sinterverbindung 9) der Oxidations- und Korrosionsschutzschicht 8 am Grundmaterial 1. Die Schicht 8 verdichtet sich weiter und die groben Haftpulverteilchen 4 werden durch eine stabile Sinterbildung 9 auf der Schicht 8, die nunmehr gleichzeitig eine Schutz- und Haftschicht ist, gebunden.
- Fig. 8 verdeutlicht dies in einer schematischen Darstellung der einzelnen Schichten.
- Danach werden die Profilsaugseite und die Bereiche der Kühlluftbohrungen der Leitschaufel abgedeckt. Die Druckseite und die Kanalwände, die mit Haftschichtpulver 4 belegt sind, werden nun mittels bekanntem Flammspritzsystem CastoDyn DS 8000 mit MetaCeram 28085 (Zirkonoxid/Calzium-stabilisiert) ca. 0,8 bis 0,7 mm dick beschichtet.
- Selbst nach 1000 Thermozyklen im Fliessbett (Bedingungen: 1000°C/RT/1000°C, Zykluszeit: 6min) konnte keine Beschädigung der Beschichtung festgestellt werden.
- In einem vierten Ausführungsbeispiel soll ebenfalls eine gekühlte Leitschaufel aus CM 247 LC DS mit einer Wärmedämmschicht versehen werden. Als Lot 5 für die Befestigung der groben Haftpulverteilchen 4 aus ProXon 21031 wird ein artgleiches Pulver CM 247 mit einem Zusatz von 6 % Cr; 3% Si; 2% Al und 0,5% B verwendet. Der Auftrag erfolgt wie bereits oben beschrieben, d.h. auf die dünne Zement-Binder-Schicht 3 wird das etwa 150 bis 200 µm grosse Haftpulver 4 gestreut und darauf in reichlicher Menge das Lotpulver 5. Anschliessend wird die Schaufel einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der das Grundmaterial 2 lösungsgeglüht und das Lot 5 teilweise aufgeschmolzen wird. Dabei geht sowohl die γ'-Lösunq im Grundmaterial 2 vor sich als auch die feine γ'-Bildung in der Lötschicht, die in diesem Ausführungsbeispiel dicker aufgetragen wird und eine etwa 65 µm dicke Korrosions- und Oxidationsschicht bildet. Auf diese so vorbereitete Schaufeloberfläche an der Profildruckseite und den Kanalwänden wird nun mittels bekanntem Luftplasmaspritzverfahren eine ca. 0,5 bis 0,6 mm dicke Y-stabilisierte Zirkonoxid-Wärmedämmschicht aufgebracht.
- Thermoschocktests ergaben, dass die so befestigte Wärmedämmschicht einer konventionell hergestellten Schicht überlegen ist. Selbst wenn aus unterschiedlichen Gründen ein Stück der TBC-Schicht wegplatzt, bleibt zwischen den Haftpulverteilchen diese Schicht erhalten und garantiert somit gute Notlaufeigenschaften. Platzt dagegen bei konventionell beschichteten Schaufeln die TBC-Schicht ab, so verbleiben auf dem Substrat nur minimale Reste, die auf keinen Fall eine wärmedämmende Eigenschaft aufweisen. Ausserdem hat sich in diesem Beispiel gezeigt, dass es günstig ist, borfreie bzw. fast borfreie Lote zu verwenden, da die Sprödphasenbildung mit W-Boriden kaum möglich ist.
- Fig. 9 zeigt abschliessend ein Schliffbild eines mit der erfindungsgemässen Haftschicht beschichteten Plättchens. Das Grundmaterial 2 ist MAR M 247, als Lot 5 wurde NB 150 verwendet und die Haftpulverteilchen 4 bestehen aus NiAl95/5.
-
- 1
- zu beschichtendes metallisches Bauteil
- 2
- metallisches Grundmaterial (Substrat)
- 3
- organischer Binder
- 4
- Haftpulver
- 5
- Lot
- 6
- keramische Schicht (TBC)
- 7
- schutzgasplasmagespritze Haftpulverschicht
- 8
- Oxidations- und Korrosionsschutzschicht
- 9
- Sinterbildung
Claims (13)
- Verfahren zur Aufbringung einer metallischen Haftschicht für thermisch gespritzte keramische Wärmedämmschichten (6) auf metallische Bauteile (1), wobei die zu beschichtende Oberfläche in einem ersten Verfahrensschritt gereinigt wird, so dass eine fett- und oxidfreie metallische Oberfläche vorliegt, dadurch gekennzeichnet,a) dass in einem zweiten Verfahrensschritt ein Binder (3) auf die metallische Oberfläche des Grundmaterials (2) aufgebracht wird,b) dass in einem dritten Verfahrensschritt auf den Binder (3) gleichmässig metallisches Haftpulver (4) aufgebracht wird,c) dass in einem vierten Verfahrensschritt auf den Binder (3) gleichmässig Lotpulver (5), welches eine geringere Teilchengrösse als das Haftpulver (4) aufweist, aufgebracht wird, undd) dass nach Trocknung des Binders (3) eine Wärmebehandlung zwecks Lötung erfolgt.
- Verfahren zur Aufbringung einer metallischen Haftschicht für thermisch gespritzte keramische Wärmedämmschichten (6) auf metallische Bauteile (1), wobei die zu beschichtende Oberfläche in einem ersten Verfahrensschritt gereinigt wird, so dass eine fett- und oxidfreie metallische Oberfläche vorliegt, und in einem zweiten Verfahrensschritt mittels Schutzgasplasmaspritzen eine oxidations- und korrosionsfeste Schicht (8) auf der metallischen Oberfläche erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet,a) dass in einem dritten Verfahrensschritt ein Binder (3) auf die oxidations- und korrosionsfeste Schicht (8) aufgebracht wird,b) dass auf den Binder (3) gleichmässig ein grobes Haftpulver (4) der gleichen Zusammensetzung wie die oxidations- und korrosionsfeste Schicht (8) aufgebracht wird,c) dass nach Trocknung des Binders (3) eine Wärmebehandlung (Lösungsglühen) zwecks Bildung einer Sinterverbindung (9) zwischen dem metallischen Bauteil (1) und der Schicht (8) bzw. zwischen der Schicht (8) und dem Haftpulver (4) erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Haftpulver (4) und das Lotpulver (5) intensiv gemischt und danach dieses Gemisch auf die metallische Oberfläche des Grundmaterials (2) aufgebracht wird.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass gewichtsmässig ein Mengenverhältnis von Haftpulver (4) zu Lotpulver (5) von 1:1 verwendet wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolgter Lötung auf die Haftschicht eine dünne Schicht (7) des Haftpulvers (4) mittels Spritzverfahren, vorzugsweise Schutzgasplasmaspritzen, aufgetragen wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lotmaterial (5) artgleiches Material wie das Grundmaterial (2) verwendet wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass borfreie bzw. borarme Lote (5) verwendet werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für örtlich begrenzte Reparaturzwecke angewendet wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für die Beschichtung von Neuteilen angewendet wird.
- Metallische Haftschicht für thermisch gespritzte keramische Wärmedämmschichten (6) auf metallischen Bauteilen (1), welche mit einem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht aus einer die Oberfläche des metallischen Bauteiles (1) benetzenden Lotschicht (5) mit darin fest verlöteten sphärisch oder spratzig ausgebildeten Haftpulverteilchen (4) besteht.
- Metallische Haftschicht für thermisch gespritzte keramische Wärmedämmschichten (6) auf metallischen Bauteilen (1), welche mit einem Verfahren nach Anspruch 5 hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht aus einer die Oberfläche des metallischen Bauteiles (1) benetzenden Lotschicht (5) mit darin fest verlöteten sphärisch oder spratzig ausgebildeten Haftpulverteilchen (4) sowie einer dünnen gespritzten, vorzugsweise schutzgasplasmagespritzten Schicht (7) aus artgleichem Material wie die Haftpulverteilchen (4) besteht.
- Metallische Haftschicht für thermisch gespritzte keramische Wärmedämmschichten (6) auf metallischen Bauteilen (1), welche mit einem Verfahren nach Anspruch 2 hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht aus einer auf die Oberfläche des metallischen Bauteiles (1) schutzgasplasmagespritzten Schutzschicht (8) mit an deren Oberfläche angesinterten Haftpulverteilchen (4) besteht.
- Metallische Haftschicht nach Anspruch 10 oder 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Haftpulverteilchen (4) der Schichtdicke der thermisch aufzuspritzenden keramischen Wärmedämmschicht (6) entspricht.
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