EP1891249A1 - Schichtsystem für ein bauteil mit wärmedämmschicht und metallischer erosionsschutzschicht, verfahren zur herstellung und verfahren zum betreiben einer dampfturbine - Google Patents

Schichtsystem für ein bauteil mit wärmedämmschicht und metallischer erosionsschutzschicht, verfahren zur herstellung und verfahren zum betreiben einer dampfturbine

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Publication number
EP1891249A1
EP1891249A1 EP06725133A EP06725133A EP1891249A1 EP 1891249 A1 EP1891249 A1 EP 1891249A1 EP 06725133 A EP06725133 A EP 06725133A EP 06725133 A EP06725133 A EP 06725133A EP 1891249 A1 EP1891249 A1 EP 1891249A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
layer system
barrier coating
thermal barrier
erosion protection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06725133A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Barnikel
Friedhelm Schmitz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP06725133A priority Critical patent/EP1891249A1/de
Publication of EP1891249A1 publication Critical patent/EP1891249A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y10T428/12611—Oxide-containing component

Definitions

  • Coating system for a component with a thermal barrier coating and a metal erosion protection layer method for the production and method for operating a steam turbine
  • the invention relates to a component with a thermal barrier coating and a metal erosion control layer according to claim 1, a method for the production according to claim 31 and a method for operating a steam turbine according to claim 32.
  • Thermal barrier coatings applied to components are known in the gas turbine art such as e.g. in EP 1 029 115 are described.
  • Thermal barrier coatings allow components to be used at higher temperatures than the base material allows, or to extend service life.
  • Known base materials (substrates) for gas turbines allow operating temperatures of a maximum of 1000 0 C to 1100 0 C, whereas a coating with a thermal barrier coating allows operating temperatures of up to 1350 ° C.
  • US 2003/0152814 A1 discloses a thermal barrier coating system comprising a substrate of a superalloy, an aluminum oxide layer on the substrate and a ceramic as an outer ceramic thermal barrier coating.
  • EP 0 783 043 A1 discloses an erosion protection layer consisting of aluminum oxide or silicon carbide on a ceramic thermal barrier coating.
  • US Patent 5,683,226 discloses a component of a steam turbine whose erosion resistance is improved.
  • US 4,405,284 discloses an outer metallic layer which is significantly more porous than the underlying ceramic thermal barrier coating.
  • EP 0 783 043 A1 discloses in the discussion of the state of the art that an erosion-resistant coating is built up in two layers, namely an inner metallic layer and an outer ceramic layer.
  • US 5,740,515 discloses a ceramic thermal barrier coating on which is applied an outer hard ceramic silicide coating.
  • WO 00/70190 discloses a component in which an outer metallic layer is applied, which comprises aluminum, which serves to increase the oxidation resistance of the component.
  • the object is achieved by a component according to claim 1, by a method according to claim 31 and by a method according to claim 32.
  • a metallic erosion control layer is of particular advantage because it is elastically and plastically deformable due to its ductility.
  • the thermal barrier coating does not necessarily serve only the
  • thermo-mechanical stresses can be avoided or at least reduced.
  • Figure 6, 7, 8 further embodiments of a trained component according to the invention.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a layer system 1 designed according to the invention for a component.
  • layer system 1 and component are used interchangeably when the component has the layer system 1.
  • the component 1 is preferably a component of a gas or steam turbine 300, 303 (FIG. 4), in particular a steam inflow region 333 of a steam turbine 300, a turbine blade 342, 354, 357 (FIG. 4) or a housing part 334, 335, 366 (Fig. 4, 5) and consists of a substrate 4 (support structure) and a heat insulating layer applied thereto 7 and an outer metallic erosion protection layer 13 on the thermal barrier coating 7. Between the substrate 4 and the thermal barrier coating 7 at least one metallic bonding layer 10 is arranged , The bonding layer 10 serves to protect against corrosion and / or oxidation of the substrate 4 and / or for better bonding of the thermal barrier coating 7 to the substrate 4. This is the case in particular if the thermal barrier coating 7 is made of ceramic and the substrate 4 is made of a metal consists.
  • the erosion protection layer 13 consists of a metal or a metal alloy and protects the component from erosion and / or wear, as is the case in particular with steam turbines 300, 303 ( Figure 4), which are subject to scaling, is the case and in which average flow velocities of about 50 m / s (ie 20 m / s - 100 m / s) and pressures of 350 to 400 bar occur.
  • the density of the thermal barrier coating 7 is preferably 80% - 95% of the theoretical density, wherein the density p of the metallic erosion control layer 13 is preferably at least 96%, preferably 98% of the theoretical density.
  • metal is meant not only elemental metals, but also alloys, mixed crystals or intermetallic compounds.
  • the bonding layer 10 and the erosion protection layer 13 according to the invention have the same or similar composition.
  • both layers 10, 13 have the same elements in the same proportions (identity), preferably of an MCrAlX alloy or of SC 21, SC 23 or SC 24.
  • identity preferably of an MCrAlX alloy or of SC 21, SC 23 or SC 24.
  • Similar composition means that both layers 10, 13 have the same elements, but with slightly different proportions, ie differences of at most 3% per element (for example, layer 10 has chromium content of 30%, the layer 13 can have chromium contents of at least 27% (30-3) or at most 33% (30 + 3) and up to at least one additional element can be present up to at least 1% by weight.
  • the SC 21 consists of (in wt%) 29% - 31% nickel, 27% - 29% chromium, 7% - 8% aluminum, 0.5% - 0.7% yttrium, 0.3% - 0.7 % Silicon and balance cobalt.
  • the SC 23 consists of (in wt%) 11% - 13% cobalt, 20% - 22% chromium, 10.5% - 11.5% aluminum, 0.3% - 0.5% yttrium, 1.5% - 2.5% rhenium and the rest nickel.
  • the SC 24 consists of (in wt%) 24% - 26% cobalt, 16% - 18% chromium, 9.5% - 11% aluminum, 0.3% - 0.5% yttrium, 1.0% - 1 , 8% rhenium and the rest nickel.
  • the wear / erosion protection layer 13 preferably consists of alloys based on iron, chromium, nickel and / or cobalt or, for example, NiCr 80/20 or NiCrSiB with admixtures of boron (B) and silicon (Si) or NiAl (for example: Ni: 95wt%, Al 5wt%).
  • a metallic erosion protection layer 13 in steam turbines 300, 303 can be used since the operating temperatures in steam turbines in the steam inflow region 333 are at 450 ° C., 550 ° C., 650 ° C., 750 ° C. or 850 ° C.
  • a temperature of 750 ° C is used.
  • Metallic erosion protection layers 13 in gas turbines on a ceramic thermal barrier coating 7 within the first stage of the turbine or within the combustion chamber do not executed, since metallic erosion protection layers 13 as an outer layer, the service temperatures of up to 1350 0 C can not stand.
  • the bonding layer 10 for protecting a substrate 4 against corrosion and oxidation at a high temperature has, for example, substantially the following elements (parts by weight percentage wt%): 11.5% to 20.0% chromium, 0.3% to 1 , 5% silicon, 0.0% to 1.0% aluminum,
  • the metallic bonding layer 10 consists of 12.5% to 14.0% chromium, 0.5% to 1.0% silicon, 0.1% to 0.5% aluminum,
  • the composition of the iron-based attachment layer 10 exhibits particularly good properties, so that the attachment layer 10 is outstandingly suitable for application to ferritic substrates 4.
  • the thermal expansion coefficients of the iron-based attachment layer 10 exhibits particularly good properties, so that the attachment layer 10 is outstandingly suitable for application to ferritic substrates 4.
  • Substrate 4 and bonding layer 10 can be matched to each other very well (only up to 10% difference) or even equal, so that there is no thermal stress induced Construction between substrate 4 and bonding layer 10 comes (thermal mismatch), which could cause a spalling of the bonding layer 10.
  • the composition of the outer erosion control layer 13 is selected to have a high ductility.
  • High ductility in this context means that elongation at break of 5% (an elongation of 5% leads to the formation of cracks) at the service temperature.
  • Such an erosion protection layer 13 with such a ductility can be present directly on a substrate 4 or on a ceramic thermal barrier coating 7, wherein the composition of the bonding layer 10 then no longer plays a role.
  • the heat-insulating layer 7 is in particular a ceramic layer, which, for example, consists at least partially of zirconium oxide (partially stabilized or fully stabilized by yttrium oxide and / or magnesium oxide) and / or at least partially of titanium oxide and, for example, is thicker than 0.1 mm.
  • thermal barrier coatings 7 which consist of 100% either zirconium oxide or titanium oxide can be used.
  • the ceramic layer 7 can be applied by known coating methods such as atmospheric plasma spraying (APS), vacuum plasma spraying (VPS), low-pressure plasma spraying (LPPS) and by chemical or physical coating methods (CVD, PVD).
  • the substrate 4 is preferably a steel or other iron-based alloy (for example 1% CrMoV or 10-12% chromium steels) or a nickel- or cobalt-based superalloy.
  • the substrate 4 is a ferritic base alloy, a steel or a nickel or cobalt-based superalloy, in particular a 1% CrMoV steel or a 10 to 12% chromium steel.
  • ferritic substrates 4 of the layer system 1 consist of a
  • the thermal barrier coating 7 at least partially has a certain open and / or closed porosity.
  • the erosion protection layer 13 preferably has a higher density than the thermal barrier coating 7, so that it 13 has a higher erosion resistance.
  • the metallic erosion protection layer 13 has a very low porosity and in particular has a lower roughness, so that a good resistance to erosive erosion is achieved.
  • the lower porosity and roughness of the metallic erosion control layer can be achieved by various techniques:
  • the bonding layer 10, which is located between the substrate and the thermal barrier coating is designed to have a sufficiently high roughness with undercuts to achieve good bond strength of the thermal barrier coating to the tie layer 10.
  • a substantially coarser powder can be used during the injection process.
  • FIG. 2 shows a porous thermal insulation layer 7 with a gradient of porosity.
  • the layer 7 can be used in the region of greater porosity for thermal insulation and, where appropriate, for erosion protection in the area of lower porosity.
  • the bonding layer 10 preferably has a greater porosity than in the region of an outer surface or the contact surface with the erosion protection layer 13.
  • the erosion protection layer 13 is preferably applied only locally and preferably there on the component 1, where the angle of impact of eroding particles on the component 1 between 60 ° and 120 °, preferably between 70 ° and 110 ° or preferably by 80 ° and 100 °. It is particularly useful to coat the sites that have an angle of incidence of 90 ° +/- 2 ° of the eroding particles. In this almost vertical impact of eroding particles on the surface of a component 1, a metallic erosion protection layer 13 offers the best
  • the vertical on the surface of the component 1 represents the axis 90 °.
  • FIG. 4 shows by way of example a steam turbine 300, 303 with a turbine shaft 309 extending along a rotation axis 306.
  • the steam turbine has a high-pressure turbine section 300 and a medium-pressure turbine section 303, each having an inner housing 312 and an outer housing 315 enclosing this.
  • the high-pressure turbine part 300 is designed, for example, in Topfbauart.
  • the medium-pressure turbine section 303 is double-flow. It is also possible for the medium-pressure turbine section 303 to be single-flow.
  • a bearing 318 is arranged between the high-pressure turbine section 300 and the medium-pressure turbine section 303, wherein the turbine shaft 309 in the bearing 318 a Storage area 321 has.
  • the turbine shaft 309 is supported on another bearing 324 adjacent to the high pressure turbine sub 300.
  • the high-pressure turbine section 300 has a shaft seal 345.
  • the turbine shaft 309 is sealed off from the outer housing 315 of the medium-pressure turbine section 303 by two further shaft seals 345.
  • the turbine shaft 309 in the high-pressure turbine section 300 has the high-pressure impeller blading 354, 357.
  • the middle-pressure blast turbine 303 has a central steam inflow region 333.
  • the turbine shaft 309 Associated with the steam inflow region 333, the turbine shaft 309 has a radially symmetrical shaft shield 363, a cover plate, on the one hand for dividing the steam flow into the two flows of the medium-pressure turbine section 303 and for preventing direct contact of the hot steam with the turbine shaft 309.
  • the turbine shaft 309 has in the medium-pressure turbine section 303 a second blading area 366 with the medium-pressure blades 354, 342.
  • the hot steam flowing through the second blading area 366 flows out of the medium-pressure turbine section 303 from a discharge connection 369 to a downstream low-pressure turbine, not shown.
  • the turbine shaft 309 is composed of two sub-turbine shafts 309a and 309b, which are fixedly connected to one another in the region of the bearing 318.
  • FIG. 5 shows an enlarged view of a region of the steam turbine 300, 303.
  • the steam turbine 300, 303 is in the region of the inflow region 333 of an outer housing 334, abut the temperatures between 250 ° to 350 0 C.
  • Erosion protection layer 13 applied on the inside 336 (on the outside 337, for example, not).
  • the thermal barrier coating 7 is present locally only on the inner housing 335 (and not in the blading area 366, for example).
  • the heat input into the inner housing 335 is reduced, so that the thermal expansion behavior is influenced.
  • the entire deformation behavior of the inner housing 335 and the Dampfeinström Anlagens 333 can be controlled. This can be done by a variation of the thickness of the thermal barrier coating 7 or the application of different materials at different locations on the surface of the inner housing 335.
  • the porosity at different locations of the inner housing 335 may be different.
  • the thermal barrier coating 7 may be applied locally, for example in the inner housing 335 in the region of the inflow region 333.
  • the thermal barrier coating 7 can be applied locally only in the blading region 366 (FIG. 6). Especially in the inflow region 333, the use of an erosion protective layer 13 is required.
  • thermal barrier coating 7 TBC with erosion protection layer 13 is present in the inflow region 333, a Thermal insulation layer 7 without erosion protection layer in the blading area 366 and / or the turbine blades be present.
  • FIG. 7 shows a further exemplary embodiment of a component 1 according to the invention.
  • the thickness of the thermal barrier coating 7 in the inflow region 333 is made thicker than in the blading region 366 of the steam turbine 300, 303.
  • the heat input and thus the thermal expansion and thus the expansion behavior of the inner housing 334, consisting of the inflow region 333 and the blading region 366, are adjusted in a controlled manner.
  • thermal barrier coating 7 is applied here in the entire hot region, ie globally, and has the erosion protection layer 13.
  • FIG. 8 shows a further example of application for the use of a thermal barrier coating 7.
  • the component 1, in particular a housing part, is here a valve housing 31, into which a hot steam flows through an inlet channel 46.
  • the inflow passage 46 causes a mechanical weakening of the valve housing.
  • the valve housing 31 consists for example of a pot-shaped housing part 34 and a lid 37.
  • a valve consisting of a valve plug 40 and a spindle 43 is present.
  • the valve housing 31 would expand axially more strongly in the region of the channel 46, so that tilting of the cover with the spindle 43 occurs, as shown by dashed lines indicated.
  • the valve cone 34 no longer sits properly, so that the tightness of the valve is reduced.
  • thermal barrier coating 7 serves to control the deformation behavior and thus to ensure the tightness of the valve.
  • the thermal barrier coating 7 in turn has the erosion protection layer 13.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Bauteile (333, 366) einer Dampfturbine (300, 303) mit einer Wärmdämmschicht (7) und einer metallischen Erosionsschutzschicht (13) auf der Wärmedämmschicht 10 (7), wobei die Erosionsschutzschicht (13) das gleiche Material aufweist wie die metallische Anbindungsschicht (10).

Description

SchichtSystem für ein Bauteil mit Wärmedämmschicht und metallischer Erosionsschutzschicht, Verfahren zur Herstellung und Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine
Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer Wärmedämmschicht und einer metallischen Erosionsschutzschicht nach Anspruch 1, ein Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 31 und ein Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine nach Anspruch 32.
Wärmedämmschichten, die auf Bauteilen aufgebracht werden, sind aus dem Bereich der Gasturbinen bekannt, wie sie z.B. in der EP 1 029 115 beschrieben sind.
Wärmedämmschichten erlauben es, Bauteile bei höheren Temperaturen einzusetzen, als es der Grundwerkstoff zulässt, oder die Einsatzdauer zu verlängern. Bekannte Grundwerkstoffe (Substrate) für Gasturbinen ermögli- chen Einsatztemperaturen von maximal 10000C bis 11000C, wohingegen eine Beschichtung mit einer Wärmedämmschicht Einsatztemperaturen von bis zu 1350 °C ermöglicht.
Die Einsatztemperaturen von Bauteilen in einer Dampfturbine sind deutlich niedriger, sodass dort solche Anforderungen nicht gestellt werden.
Aus der EP 1 029 104 A ist bekannt, eine keramische Erosionsschutzschicht auf eine keramische Wärmedämmschicht einer Gas- turbinenschaufel aufzubringen.
Aus der DE 195 35 227 Al ist bekannt, eine Wärmedämmschicht in einer Dampfturbine vorzusehen, um Werkstoffe mit schlechteren mechanischen Eigenschaften, die aber kostengünstiger sind, für das Substrat, auf das die Wärmedämmschicht aufgebracht wird, verwenden zu können. Die US-PS 5,350,599 offenbart eine erosionsresistente keramische Wärmedämmschicht.
Die US 2003/0152814 Al offenbart ein WärmedämmschichtSystem bestehend aus einem Substrat aus einer Superlegierung, einer Aluminiumoxidschicht auf dem Substrat und einer Keramik als äußere keramische Wärmedämmschicht.
Die EP 0 783 043 Al offenbart eine Erosionsschutzschicht be- stehend aus Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid auf einer keramischen Wärmedämmschicht.
Die US-PS 5,683,226 offenbart eine Komponente einer Dampfturbine dessen Erosionswiderstand verbessert wird.
Die US 4,405,284 offenbart eine äußere metallische Schicht, die erheblich poröser ist als die unterliegende keramische Wärmedämmschicht .
Die EP 0 783 043 Al offenbart in der Diskussion des Standes der Technik, dass eine erosionsresistente Beschichtung zwei- lagig aufgebaut ist, nämlich aus einer inneren metallischen Schicht und einer äußeren Keramikschicht.
Die US 5,740,515 offenbart eine keramische Wärmedämmschicht, auf der eine äußere, harte keramische Silizidbeschichtung aufgebracht ist.
Die WO 00/70190 offenbart ein Bauteil, bei dem eine äußere metallische Schicht aufgebracht wird, die Aluminium aufweist, die zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit des Bauteils dient .
Aufgrund von Verunreinigungen in einem Medium und/oder hohen Strömungsgeschwindigkeiten des strömenden Mediums, das an
Bauteilen mit einer Wärmedämmschicht vorbeiströmt, kommt es zu einer starken Erosion der Wärmedämmschicht. Daher ist es Aufgabe der Erfindung ein Bauteil, ein Verfahren zur Herstellung des Bauteils und eine sinnvolle Verwendung des Schichtsystems aufzuzeigen, das dieses Problem überwindet .
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1, durch ein Verfahren gemäß Anspruch 31 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 32.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Bauteile aufgelistet. Die in den Unteransprüchen aufgelisteten Maßnahmen können in vorteilhafter Art und Weise beliebig miteinander verknüpft werden.
Insbesondere bei Bauteilen von Turbinen, die zum Antrieb heißen Fluiden ausgesetzt sind, kommt es häufig durch Verzunderungen zu einem mechanischen Einschlag von abgelösten Zun- der-Teilchen auf eine spröde keramische Schicht, was zum Ausbrechen von Material, also zur Erosion führen könnte. Obwohl die keramische Schicht dafür ausgelegt ist, Thermoschocks zu überstehen, ist sie anfällig gegenüber der lokal sehr begrenzt auftretenden mechanischen Beanspruchung, da ein Ther- moschock globaler auf die gesamte Schicht einwirkt.
Daher ist eine metallische Erosionsschutzschicht von besonderem Vorteil, da sie aufgrund ihrer Duktilität elastisch und plastisch verformbar ist.
Die Wärmedämmschicht dient nicht notwendigerweise nur dem
Zweck den Bereich der Einsatztemperaturen nach oben zu verschieben, sondern die thermische Dehnung aufgrund der Temperaturunterschiede, die an dem Bauteil erzeugt werden bzw. anliegen, wird in vorteilhafter Weise vergleichmäßigt und/oder reduziert. So können thermomechanischen Spannungen vermieden bzw. zumindest reduziert werden. Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt.
Es zeigen Figur 1 Anordnungsmöglichkeiten einer erfindungsgemäßen Wärmedämmschicht eines Bauteils,
Figur 2, 3 einen Gradienten der Porosität innerhalb der Wärmedämmschicht eines erfindungsgemäß ausgebildeten Bauteils,
Figur 4, 5 eine Dampfturbine,
Figur 6, 7, 8 weitere Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen ausgebildeten Bauteils.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Schichtsystems 1 für ein Bauteil. Im Folgenden werden die Begriffe Schichtsystem 1 und Bauteil synonym verwendet, wenn das Bauteil das Schichtsystem 1 aufweist.
Das Bauteil 1 ist vorzugsweise ein Bauteil einer Gas- oder einer Dampfturbine 300, 303 (Fig. 4), insbesondere ein Dampfeinströmbereich 333 einer Dampfturbine 300, eine Turbinenschaufel 342, 354, 357 (Fig. 4) oder ein Gehäuseteil 334, 335, 366 (Fig. 4, 5) und besteht aus einem Substrat 4 (Tragstruktur) und einer darauf aufgebrachten Wärmedämmschicht 7 sowie einer äußeren metallischen Erosionsschutzschicht 13 auf der Wärmedämmschicht 7. Zwischen dem Substrat 4 und der Wärmedämmschicht 7 ist zumin- dest eine metallische Anbindungsschicht 10 angeordnet. Die Anbindungsschicht 10 dient zum Schutz vor Korrosion und/oder Oxidation des Substrats 4 und/oder zur besseren Anbindung der Wärmedämmschicht 7 an das Substrat 4. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Wärmedämmschicht 7 aus Kera- mik und das Substrat 4 aus einem Metall besteht.
Die Erosionsschutzschicht 13 besteht aus einem Metall oder einer Metalllegierung und schützt das Bauteil vor Erosion und/oder Verschleiß, wie es insbesondere bei Dampfturbinen 300, 303 (Fig. 4), die einer Verzunderung unterliegen, der Fall ist, und bei der mittlere Strömungsgeschwindigkeiten von etwa 50m/s (d.h. 20m/s - 100 m/s) und Drücke von 350 bis 400 bar auftreten.
Die äußere metallische Erosionsschutzschicht 13 (= äußerste Schicht) ist vorzugsweise dichter als die Wärmedämmschicht 7 ausgebildet . Dichter in diesem Zusammenhang bedeutet, dass die Porosität der äußeren metallischen Erosionsschutzschicht 13 absolut um mindestens 1%, insbesondere mindestens um 3% höher liegt als die der Wärmedämmschicht 7 (beispielsweise p(7) = 90%, d.h. p (13) > 91%, insbesondere > 93%). Die Dichte der Wärmedämmschicht 7 liegt vorzugsweise bei 80% - 95% der theoretischen Dichte, wobei die Dichte p der metallischen Erosionsschutzschicht 13 vorzugsweise bei mindestens 96%, vorzugsweise bei 98% der theoretischen Dichte liegt .
Unter Metall werden nicht nur elementare Metalle, sondern auch Legierungen, Mischkristalle oder intermetallische Verbindungen verstanden.
Die Anbindungsschicht 10 und die Erosionsschutzschicht 13 weisen erfindungsgemäß die gleiche oder ähnliche Zusammensetzung auf.
Gleiche Zusammensetzung bedeutet, dass beide Schichten 10, 13 dieselben Elemente mit denselben Anteilen aufweisen (Identität) , vorzugsweise aus einer MCrAlX-Legierung oder aus SC 21, SC 23 oder SC 24. Durch die vorzugsweise Verwendung der gleichen Zusammensetzung für die Erosionsschutzschicht 13 wird die Beschaffung vereinfacht und auch das Korrosionsverhalten des Substrats 4 deutlich verbessert.
Ähnliche Zusammensetzung bedeutet, dass beide Schichten 10, 13 dieselben Elemente aufweisen, aber mit leicht unterschiedlichen Anteilen, d.h. Unterschiede von maximal 3% pro Element (beispielsweise Schicht 10 hat Chrom-Anteil von 30%, dann kann die Schicht 13 Chrom-Anteile von minimal 27% (30 - 3) oder maximal 33% (30 + 3) aufweisen und dass bis zu lwt% zumindest ein weiteres Element vorhanden sein kann.
Die SC 21 besteht aus (in wt%) 29% - 31% Nickel, 27% - 29% Chrom, 7% - 8% Aluminium, 0,5% - 0,7% Yttrium, 0,3% - 0,7% Silizium und Rest Kobalt.
Die SC 23 besteht aus (in wt%) 11% - 13% Kobalt, 20% - 22% Chrom, 10,5% - 11,5% Aluminium, 0,3% - 0,5% Yttrium, 1,5% - 2,5% Rhenium und Rest Nickel.
Die SC 24 besteht aus (in wt%) 24% - 26% Kobalt, 16% - 18% Chrom, 9,5% - 11% Aluminium, 0,3% - 0,5% Yttrium, 1,0% - 1,8% Rhenium und Rest Nickel.
Vorzugsweise besteht die Verschleiß/Erosionsschutzschicht 13 aus Legierungen auf der Basis von Eisen, Chrom, Nickel und/oder Kobalt oder beispielsweise NiCr 80/20 oder NiCrSiB mit Beimengungen von Bor (B) und Silizium (Si) oder NiAl (bspw.: Ni: 95wt%, Al 5wt%) .
Insbesondere kann eine metallische Erosionsschutzschicht 13 bei Dampfturbinen 300, 303 eingesetzt werden, da die Einsatztemperaturen in Dampfturbinen beim Dampfeinströmbereich 333 maximal bei 4500C, 5500C, 6500C, 7500C oder 8500C liegen.
Vorzugsweise wird eine Temperatur von 750 °C verwendet.
Für solche Temperaturbereiche gibt es genügend metallische Schichten, die einen hinreichend großen notwendigen Erosionsschutz über die Einsatzdauer des Bauteils 1 bei gleichzeitiger guter Oxidationsbeständigkeit aufweisen.
Metallische Erosionsschutzschichten 13 in Gasturbinen auf einer keramischen Wärmedämmschicht 7 innerhalb der ersten Stufe der Turbine oder innerhalb der Brennkammer werden nicht ausgeführt, da metallische Erosionsschutzschichten 13 als äußere Schicht die Einsatztemperaturen von bis zu 13500C nicht aushalten können.
Die Anbindungsschicht 10 zum Schutz eines Substrats 4 gegen Korrosion und Oxidation bei einer hohen Temperatur weist beispielsweise im wesentlichen folgende Elemente auf (Angabe der Anteile in Gewichtsprozent wt%) : 11,5% bis 20,0% Chrom, 0,3% bis 1,5% Silizium, 0,0% bis 1,0% Aluminium,
0,0% bis 0,7% Yttrium und/oder zumindest ein äquivalentes Metall aus der Gruppe umfassend Scandium und die Elemente der Seltenen Erden, Rest Eisen, Kobalt und/oder Nickel sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen .
Insbesondere besteht die metallische Anbindungsschicht 10 aus 12,5% bis 14,0% Chrom, 0,5% bis 1,0% Silizium, 0,1% bis 0,5% Aluminium,
0,0% bis 0,7% Yttrium und/oder zumindest ein äquivalentes Metall aus der Gruppe umfassend Scandium und die Elemente der Seltenen Erden, Rest Eisen und/oder Kobalt und/oder Nickel sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen.
Bevorzugt ist dabei, wenn der Rest bei diesen beiden Anbindungsschichten 10 nur Eisen ist.
Die Zusammensetzung der Anbindungsschicht 10 auf Eisenbasis zeigt besonders gute Eigenschaften, so dass die Anbindungsschicht 10 hervorragend zur Aufbringung auf ferritischen Substraten 4 geeignet ist. Dabei können die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von
Substrat 4 und Anbindungsschicht 10 sehr gut aneinander angeglichen werden (nur bis zu 10% Unterschied) oder sogar gleich sein, so dass es zu keinem thermisch verursachten Spannungs- aufbau zwischen Substrat 4 und AnbindungsSchicht 10 kommt (thermal mismatch) , der ein Abplatzen der Anbindungsschicht 10 verursachen könnte.
Dies ist besonders wichtig, da bei ferritischen Werkstoffen oft keine Wärmebehandlung zur Diffusionsanbindung durchgeführt wird, sondern die Anbindungsschicht 10 (ferritisch) größtenteils oder nur durch Adhäsion auf dem Substrat 4 haftet.
Die Zusammensetzung der äußeren Erosionsschutzschicht 13 wird so gewählt, dass sie eine hohe Duktilität aufweist. Hohe Duktilität in diesem Zusammenhang bedeutet, dass Bruchdehnung von 5% (eine Dehnung von 5% führt zur Bildung von Rissen) bei der Einsatztemperatur aufweist.
Eine solche Erosionsschutzschicht 13 mit einer solchen Duktilität kann direkt auf ein Substrat 4 vorhanden sein oder auf einer keramischen Wärmedämmschicht 7, wobei die Zusammensetzung der Anbindungsschicht 10 dann keine Rolle mehr spielt.
Die Wärmedämmschicht 7 ist insbesondere eine keramische Schicht, die beispielsweise zumindest teilweise aus Zirkon- oxid (teilstabilisiert oder vollstabilisiert durch Yttrium- oxid und/oder Magnesiumoxid) und/oder zumindest teilweise aus Titanoxid besteht und beispielsweise dicker als 0.1 mm ist. So können Wärmedämmschichten 7, die zu 100% entweder aus Zir- konoxid oder Titanoxid bestehen, verwendet werden.
Die keramische Schicht 7 kann mittels bekannter Beschich- tungsverfahren wie atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) , Vakuumplasmaspritzen (VPS) , Niedrigdruckplasmaspritzen (LPPS) sowie durch chemische oder physikalische Beschichtungsmetho- den aufgebracht werden (CVD, PVD) . Das Substrat 4 ist vorzugsweise eine Stahl- oder eine sonstige eisenbasierte Legierung (beispielsweise l%CrMoV oder 10 - 12% Chromstähle) oder eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung .
Insbesondere ist das Substrat 4 eine ferritische Basislegierung, ein Stahl- oder eine Nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung, insbesondere ein l%CrMoV-Stahl oder ein 10 bis 12prozentiger Chromstahl.
Weitere vorteilhafte ferritische Substrate 4 des Schichtsystems 1 bestehen aus einem
1% bis 2%Cr Stahl für Wellen (309, Fig. 4) : wie z.B. 30CrMoNiV5-ll oder 23CrMoNiWV8-8 oder
1% bis 2%Cr Stahl für Gehäuse (Fig. 4, bspw. 335) : G17CrMoV5-10 oder G17CrMo9-10 oder
10% Cr-Stahl für Wellen (309, Fig. 4) : Xl2CrMoWVNbNl 0-1-1 ,
10% Cr-Stahl für Gehäuse (Fig. 4, bspw. 335) : GXl2CrMoWVNbNl0-l-l oder GXl2CrMoVNbN9-l .
Für eine möglichst gute Wirkungsweise der Wärmedämmschicht 7 weist die Wärmedämmschicht 7 zumindest teilweise eine gewisse offene und/oder geschlossene Porosität auf.
Die Erosionsschutzschicht 13 weist vorzugsweise eine höhere Dichte als die Wärmedämmschicht 7 auf, damit sie 13 eine höhere Erosionsbeständigkeit aufweist. Die metallische Erosionsschutzschicht 13 hat eine sehr geringe Porosität und weist insbesondere eine geringere Rauhigkeit auf, sodass eine gute Beständigkeit gegen erosiven Abtrag erzielt wird. Die geringere Porosität und Rauhigkeit der metallischen Erosionsschutzschicht kann mit verschiedenen Techniken erzielt werden:
1. Verwendung eines Spritzpulvers beim thermischen Spritzen der Erosionsschutzschicht 13, das eine möglichst geringe Korngröße aufweist,
2. Verdichtung der äußeren metallischen Erosionsschutzschicht 13 nach dem Spritzen durch einen Strahlvorgang, beispielsweise durch Bestrahlen mit Glasperlen oder Stahlkies oder anderen mechanischen Verdichtungs- oder Glättungsverfahren (rollieren, gleitschleifen) ,
3. Verschließen der offenen Poren durch Penetrationsmittel,
4. Wärmebehandlung des gesamten Systems,
5. Aufschmelzen oder Umschmelzen der obersten Lage oder der kompletten metallischen Erosionsschutzschicht.
Im Gegensatz dazu wird die Anbindungsschicht 10, die sich zwischen dem Substrat und der Wärmedämmschicht befindet, so ausgeführt, dass sie eine ausreichend hohe Rauhigkeit mit Hinterschneidungen aufweist, um eine gute Haftfestigkeit der Wärmedämmschicht zu der Anbindungsschicht 10 zu erzielen. Dabei kann im Vergleich zur Erosionsschutzschicht 13 ein wesentlich gröberes Pulver beim Spritzvorgang benutzt werden.
Figur 2 zeigt eine poröse WärmedämmSchicht 7 mit einem Gradienten der Porosität.
In der Wärmedämmschicht 7 sind Poren 16 vorhanden. In Richtung einer äußeren Oberfläche nimmt die Dichte p der Wärmedämmschicht 7 zu. So kann die Schicht 7 im Bereich der größeren Porosität zur Wärmedämmung und im Bereich der geringeren Porosität gegebenenfalls auch zum Erosionsschutz verwendet werden. Somit besteht zu der AnbindungsSchicht 10 hin vorzugsweise eine größere Porosität als im Bereich einer äußeren Oberfläche oder der Kontaktfläche zu der Erosionsschutzschicht 13.
In Figur 3 verläuft der Gradient in der Dichte p der Wärmedämmschicht 7 entgegengesetzt zu dem in Figur 2.
Die Erosionsschutzschicht 13 wird vorzugsweise nur lokal aufgebracht und vorzugsweise dort auf dem Bauteil 1, wo der Auftreffwinkel von erodierenden Teilchen auf das Bauteil 1 zwischen 60° und 120°, vorzugsweise zwischen 70° und 110° oder vorzugsweise um 80° und 100° liegt. Besonders sinnvoll ist es, die Stellen zu beschichten, die einen Auftreffwinkel von 90° +/- 2° der erodierenden Teilchen aufweisen. Bei diesem nahezu senkrechten Auftreffen von erodierenden Teilchen auf die Oberfläche eines Bauteils 1 bietet eine metallische Erosionsschutzschicht 13 den besten
Erosionsschutz. Die Senkrechte auf der Oberfläche des Bauteils 1 stellt die Achse 90° dar.
In Figur 4 ist beispielhaft eine Dampfturbine 300, 303 mit einer sich entlang einer Rotationsachse 306 erstreckenden Turbinenwelle 309 dargestellt.
Die Dampfturbine weist eine Hochdruck-Teilturbine 300 und eine Mitteldruck-Teilturbine 303 mit jeweils einem Innengehäuse 312 und einem dieses umschließende Außengehäuse 315 auf. Die Hochdruck-Teilturbine 300 ist beispielsweise in Topfbauart ausgeführt. Die Mitteldruck-Teilturbine 303 ist zweiflutig ausgeführt. Es ist ebenfalls möglich, dass die Mitteldruck-Teilturbine 303 einflutig ausgeführt ist. Entlang der Rotationsachse 306 ist zwischen der Hochdruck-Teilturbine 300 und der Mitteldruck-Teilturbine 303 ein Lager 318 angeordnet, wobei die Turbinenwelle 309 in dem Lager 318 einen Lagerbereich 321 aufweist. Die Turbinenwelle 309 ist auf einem weiteren Lager 324 neben der Hochdruck-Teilturbine 300 aufgelagert. Im Bereich dieses Lagers 324 weist die Hochdruck-Teilturbine 300 eine Wellendichtung 345 auf. Die Turbi- nenwelle 309 ist gegenüber dem Außengehäuse 315 der Mitteldruck-Teilturbine 303 durch zwei weitere Wellendichtungen 345 abgedichtet. Zwischen einem Hochdruck-Dampfeinströmbereich 348 und einem Dampfaustrittsbereich 351 weist die Turbinenwelle 309 in der Hochdruck-Teilturbine 300 die Hochdruck- Laufbeschaufelung 354, 357 auf. Diese Hochdruck-Laufbeschaufelung 354, 357 stellt mit den zugehörigen, nicht näher dargestellten Laufschaufeln einen ersten Beschaufelungsbereich 360 dar. Die Mitteldruck-Teilturbine 303 weist einen zentralen Dampfeinströmbereich 333 auf. Dem Dampfeinströmbereich 333 zugeordnet weist die Turbinenwelle 309 eine radialsymmetrische Wellenabschirmung 363, eine Abdeckplatte, einerseits zur Teilung des Dampfstromes in die beiden Fluten der Mitteldruck-Teilturbine 303 sowie zur Verhinderung eines direkten Kontaktes des heißen Dampfes mit der Turbinenwelle 309 auf. Die Turbinenwelle 309 weist in der Mitteldruck-Teilturbine 303 einen zweiten Beschaufelungsbereich 366 mit den Mitteldruck-Laufschaufeln 354, 342 auf. Der durch den zweiten Beschaufelungsbereich 366 strömende heiße Dampf strömt aus der Mitteldruck-Teilturbine 303 aus einem Abströmstutzen 369 zu einer strömungstechnisch nachgeschalteten, nicht dargestellten Niederdruck-Teilturbine.
Die Turbinenwelle 309 ist aus zwei Teilturbinenwellen 309a und 309b zusammengesetzt, die im Bereich des Lagers 318 fest miteinander verbunden sind.
Insbesondere weist der Dampfeinströmbereich 333 eine Wärmedämmschicht 7 und eine Erosionsschutzschicht 13 auf. Figur 5 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs der Dampfturbine 300, 303.
Die Dampfturbine 300, 303 besteht im Bereich des Einströmbereichs 333 aus einem äußeren Gehäuse 334, an dem Temperaturen zwischen 250° bis 3500C anliegen.
An dem Einströmbereich 333 als Teil eines Innengehäuses 335 herrschen Temperaturen von 450° bis 800 °C.
Somit ergibt sich eine Temperaturdifferenz von mindestens
2000C. Auf das Innengehäuse 335, an dem die hohen Temperaturen anliegen, wird die Wärmedämmschicht 7 mit der
Erosionsschutzschicht 13 auf der Innenseite 336 aufgebracht (auf der Außenseite 337 beispielsweise nicht) . Die Wärmedämmschicht 7 ist lokal nur an dem Innengehäuse 335 vorhanden (und beispielsweise nicht im Beschaufelungsbereich 366) .
Durch die Aufbringung einer Wärmedämmschicht 7 mit der Erosionsschutzschicht 13 wird der Wärmeeintrag in das Innengehäuse 335 verringert, so dass das thermische Ausdehnungsverhalten beeinflusst wird. Dadurch kann das gesamte Verformungsverhalten des Innengehäuses 335 und des Dampfeinströmbereichs 333 kontrolliert eingestellt werden. Dies kann erfolgen durch eine Variation der Dicke der Wärmedämmschicht 7 oder die Aufbringung von verschiedenen Materia- lien an verschiedenen Stellen der Oberfläche des Innengehäuses 335.
Ebenso kann die Porosität an verschiedenen Stellen des Innengehäuses 335 verschieden sein. Die Wärmedämmschicht 7 kann lokal, beispielsweise im Innenge- häuse 335 im Bereich des Einströmbereichs 333 aufgebracht sein.
Ebenso kann die Wärmedämmschicht 7 nur im Beschaufelungsbereich 366 lokal aufgebracht sein (Fig. 6) . Besonderes im Einströmbereich 333 ist der Einsatz einer Ero- sionsschutzschicht 13 gefordert.
Wenn die Wärmedämmschicht 7 (TBC) mit Erosionsschutzschicht 13 im Einströmbereich 333 vorhanden ist, kann eine Wärmedämmschicht 7 ohne Erosionsschutzschicht im Beschaufelungsbereich 366 und/oder den Turbinenschaufeln vorhanden sein.
Figur 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauteils 1. Hier ist die Dicke der Wärmedämmschicht 7 im Einströmbereich 333 dicker ausgeführt als im Beschaufelungsbereich 366 der Dampfturbine 300, 303.
Durch die lokal unterschiedliche Dicke der Wärmedämmschicht 7 wird der Wärmeeintrag und damit die thermische Ausdehnung und somit das Ausdehnungsverhalten des Innengehäuses 334, beste- hend aus dem Einströmbereich 333 und dem Beschaufelungsbereich 366, kontrolliert eingestellt.
Da im Einströmbereich 333 höhere Temperaturen herrschen als im Beschaufelungsbereich 366 wird durch die dickere Wärmedämmschicht 7 im Einströmbereich 333 der Wärmeeintrag in das Substrat 4 stärker reduziert als im Beschaufelungsbereich
366, wo geringere Temperaturen herrschen. Somit kann der Wärmeeintrag sowohl im Einströmbereich 333 und anschließendem Beschaufelungsbereich 366 ungefähr gleich gehalten werden, so dass die thermische Ausdehnung ungefähr gleich ist.
Ebenso kann im Bereich des Einströmbereichs 333 ein anderes Material vorhanden sein als im Beschaufelungsbereich 366. Die Wärmedämmschicht 7 ist hier im gesamten heißen Bereich, also global, aufgebracht und weist die Erosionsschutzschicht 13 auf. Figur 8 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel für die Verwendung einer Wärmedämmschicht 7.
Das Bauteil 1, insbesondere ein Gehäuseteil, ist hier ein Ventilgehäuse 31, in das durch einen Einströmkanal 46 ein heißer Dampf einströmt.
Der Einströmkanal 46 bewirkt eine mechanische Schwächung des Ventilgehäuses . Das Ventilgehäuse 31 besteht beispielsweise aus einem topf- förmigen Gehäuseteil 34 und einem Deckel 37.
Innerhalb des Gehäuseteils 31 ist ein Ventil bestehend aus einem Ventilkegel 40 und einer Spindel 43 vorhanden. Infolge Bauteil-Kriechens kommt es zu einer ungleichförmigen axialen Verformung des Gehäuses 31 und Deckels 37. Das Ven- tilgehäuse 31 würde sich im Bereich des Kanals 46 axial stärker ausdehnen, so dass es zu einer Verkippung des Deckels mit der Spindel 43 kommt, wie gestrichelt angedeutet. Dadurch sitzt der Ventilkegel 34 nicht mehr richtig auf, so dass die Dichtheit des Ventils reduziert wird. Durch die Aufbringung einer Wärmedämmschicht 7 auf eine Innenseite 49 des Gehäuses 31 wird eine Vergleichmäßigung des Verformungsverhaltens erreicht, so dass sich beide Enden 52, 55 des Gehäuses 31 und des Deckels 37 gleichmäßig ausdehnen.
Insgesamt dient das Aufbringen der Wärmedämmschicht 7 dazu, das Verformungsverhalten zu kontrollieren und damit die Dichtheit des Ventils zu gewährleisten. Die Wärmedämmschicht 7 weist wiederum die Erosionsschutzschicht 13 auf.

Claims

Patentansprüche
1. Schichtsystem für ein Bauteil (1, 31, 334, 335, 342, 354, 357, 366) insbesondere für eine Dampfturbine (300, 303) , zumindest bestehend aus einem Substrat (4), einer metallischen Anbindungsschicht (10), einer Wärmedämmschicht (7) auf der metallischen Anbin- dungsschicht (10), insbesondere einer keramischen Wärmedämmschicht (7), und einer äußeren metallischen Erosionsschutzschicht (13) auf der Wärmedämmschicht (7),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anbindungsschicht (10) und die Erosionsschutzschicht (13) die gleiche oder ähnliche Zusammensetzung aufweisen.
2. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Material der Anbindungsschicht (10) und der Erosions- Schutzschicht (13) eine MCrAlX-Legierung ist.
3. Schichtsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
das Material der Anbindungsschicht (10) (in wt%), insbesondere auch das Material der Erosionsschutzschicht (13), aus
29% - 31% Nickel,
27% - 29% Chrom,
77%% -- 88%% Aluminium,
0,5% - 0,7% Yttrium,
0,3% - 0, 7% Silizium und Rest Kobalt besteht.
4. Schichtsystem eil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
das Material der Anbindungsschicht (10) (in wt%), insbesondere auch das Material der Erosionsschutzschicht (13), aus
11% 13% Kobalt,
20% 22% Chrom,
10,5% - 11,5% Aluminium,
0,3% - 0,5% Yttrium,
1,5% 2,5% Rhenium und Rest Nickel besteht.
5. Schichtsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
das Material der Anbindungsschicht (10) (in wt%), insbesondere auch das Material der Erosionsschutzschicht (13), aus
24% - 26% Kobalt,
16% - 18% Chrom,
9,5% - 11% Aluminium,
0,3% - 0,5% Yttrium,
1, 0% - 1, 8% Rhenium und Rest Nickel besteht.
6. Schichtsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
das Material der Anbindungsschicht (10) (in wt%), insbesondere auch das Material der Erosionsschutzschicht
(13), aus
11,5% - 20% Chrom,
0,3% - 1,5% Silizium, 0% - 1% Aluminium,
0% - 4% Yttrium sowie Rest Eisen besteht.
7. Schichtsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
das Material der Anbindungsschicht (10) (in wt%), insbesondere auch das Material der Erosionsschutzschicht (13), aus
12,5% - 14% Chrom, 0,5% - 1,0% Silizium, 0,1% - 0,5% Aluminium, 0% - 4% Yttrium, sowie Rest Eisen besteht.
8. Schichtsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Erosionsschutzschicht (13) und die Anbindungsschicht (10) aus einer eisen-, nickel-, chrom- oder kobaltbasierten Legierung, insbesondere NiCr80/20, bestehen.
9. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Erosionsschutzschicht (13) und die Anbindungsschicht (10) aus einer Nickel-Chrom-Legierung mit Beimengungen von Silizium (Si) und/oder Bor (B) (NiCrSiB) bestehen.
10. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Erosionsschutzschicht (13) und die Anbindungsschicht (10) aus einer Nickel-Aluminium-Legierung bestehen.
11. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass
die Anbindungsschicht (10) und die Erosionsschutzschicht (13) die gleiche Zusammensetzung aufweisen.
12. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Erosionsschutzschicht (13) eine geringere Porosität als die Wärmedämmschicht (7) aufweist, dass insbesondere der Unterschied in der Dichte zumindest 1%, insbesondere zumindest 3% beträgt.
13. Schichtsystem nach Anspruch 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass
die Erosionsschutzschicht (13) eine Dichte von mindestens
96%, insbesondere 98%, der theoretischen Dichte der Erosionsschutzschicht (13) aufweist .
14. Schichtsystem nach Anspruch 1, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass
die Dichte der Wärmedämmschicht (7) 80% - 95% der theoretischen Dichte der Wärmedämmschicht (13) beträgt.
15. Schichtsystem nach Anspruch 1, 12 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmedämmschicht (7) zumindest teilweise porös ist
16. Schichtsystem nach Anspruch 12, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmedämmschicht (7) einen Gradienten in der Porosität aufweist .
17. Schichtsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass
die Porosität der Wärmedämmschicht (7) im äußeren Bereich der Wärmedämmschicht (7) am größten ist.
18. Schichtsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass
die Porosität der Wärmedämmschicht (7) im äußeren Bereich der Wärmedämmschicht (7) am kleinsten ist.
19. Schichtsystem nach Anspruch 1, 2, 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass
das Material der metallischen Erosionsschutzschicht (13) eine hohe Duktilität aufweist, insbesondere eine Bruchdehnung von 5% aufweist.
20. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Schichtsystem (1) ein Gehäuseteil (31, 334, 335, 366) einer Gas- oder Dampfturbine (300, 303) ist.
21. Schichtsystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass
das Schichtsystem (1) ein Turbinengehäuse (366) oder ein Ventilgehäuse (31) ist.
22. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Schichtsystem (1) eine Turbinenschaufel (342, 354, 357) ist.
23. Schichtsystem nach Anspruch 1, 19, 20, 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass
die Erosionsschutzschicht (13) dort, insbesondere nur dort, auf dem Bauteil (1) vorhanden ist, wo ein Auftreffwinkel von erodierenden Teilchen auf das Bauteil (1) zwischen 60° - 120°, insbesondere zwischen 70° und 110° beträgt.
24. Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet,
dass das Schichtsystem (1) aus einem Substrat (4) besteht, auf dem (4) die Wärmedämmschicht (7) vorhanden ist, und dass das Substrat (4) aus einer nickel-, kobalt- oder insbesondere eisenbasierten Legierung gebildet ist.
25. Schichtsystem nach Anspruch 1, 12, 14 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmedämmschicht (7) zumindest teilweise, insbesondere ganz aus Zirkonoxid (ZrO2) besteht.
26. Schichtsystem nach Anspruch 1, 12, 14, 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmedämmschicht (7) zumindest teilweise, insbesondere ganz aus Titanoxid (TiO2) besteht.
27. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schichtsystem (1) im Einströmbereich (333) und im Beschaufelungsbereich (366) einer Dampfturbine (300, 303) aufgebracht ist.
28. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schichtsystem (1) nur im Einströmbereich (333) einer Dampfturbine (300, 303) aufgebracht ist.
29. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schichtsystem (1) nur im Beschaufelungsbereich (366) einer Dampfturbine (300, 303) aufgebracht ist.
30. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Anbindungsschicht (10) die Wärmedämmschicht (7) und die Erosionsschutzschicht (13) bei wieder aufgearbeiteten Bauteilen (1) aufgebracht ist.
31. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass
die Erosionsschutzschicht (13) nach dem Aufbringen auf die Wärmedämmschicht (17) verdichtet wird.
32. Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine (300, 303) wobei in der Dampfturbine (300, 303) ein Dampf mit erodierenden Teilchen strömt, die auf innere Oberflächen der Dampfturbine (303, 303) treffen, wobei zumindest die inneren Oberflächen der Dampfturbine
(300, 303) mit einem Schichtsystem (1), insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 31, versehen werden, auf die die Teilchen mit einem Winkel von 60° - 120°, insbesondere 70° - 110° auftreffen.
33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass
wobei die inneren Oberflächen der Dampfturbine (300, 303) mit einem Schichtsystem (1), insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 31, versehen werden, auf die die Teilchen mit einem Winkel von 80° - 100°, insbesondere um 90° auftreffen.
34. Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass
nur die inneren Oberflächen der Dampfturbine (300, 303) mit einem Schichtsystem (1), insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 31, versehen werden, auf die die Teilchen mit einem Winkel von 80° - 100°, insbesondere um 90° auftreffen.
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