EP2186926A1 - Turbinenkomponente mit einer Beschichtung - Google Patents

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EP2186926A1
EP2186926A1 EP08020081A EP08020081A EP2186926A1 EP 2186926 A1 EP2186926 A1 EP 2186926A1 EP 08020081 A EP08020081 A EP 08020081A EP 08020081 A EP08020081 A EP 08020081A EP 2186926 A1 EP2186926 A1 EP 2186926A1
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EP
European Patent Office
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aluminum
coating
turbine component
silicon
containing suspension
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Withdrawn
Application number
EP08020081A
Other languages
English (en)
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Inventor
Christian Böhme
Vladislav Dr. Kolarik
Friedhelm Schmitz
Werner Dr. Stamm
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Siemens AG
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Siemens AG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/082—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat without intermediate formation of a liquid in the layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C24/082—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat without intermediate formation of a liquid in the layer
    • C23C24/085—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides
    • C23C24/087—Coating with metal alloys or metal elements only
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades

Definitions

  • the invention relates to a turbine component with a coating. Furthermore, the invention relates to a method for coating a turbine component
  • protective coatings are sometimes applied to the hottest components of turbines.
  • Such coatings are based in part on the principle that diffused aluminum from an applied and cured coating in the base material. In this way, a good connection to the material to be protected is achieved and in later operation, a layer of Al 2 O 3 are formed, which protects the material from oxidation.
  • the invention has for its object to provide a turbine component with a coating that can be made so pronounced that the associated turbine component all operating conditions even over a long service life.
  • a turbine component is provided with a coating which is designed as an aluminum and / or silicon-containing suspension whose aluminum and / or silicon particles or pigments have a diameter of less than 10 .mu.m, in particular less than 2 microns ,
  • both thin and thick and at the same time particularly uniform or uniform diffusion layers can be formed.
  • the resulting oxide layers protect the underlying base material particularly well and for a long time. Therefore, in the turbine components according to the invention of ferritic and austenitic materials, a sufficiently long protection of the base material can also be achieved in steam having a temperature of more than 600 ° C. and a high flow velocity.
  • the aluminum and / or silicon particles have a maximum diameter of 1 ⁇ m. In this way, particularly uniform coatings can be created.
  • the coating is furthermore preferably formed with a layer thickness of more than 10 ⁇ m.
  • the base material used for the turbine components according to the invention is preferably a ferritic heat-resistant material.
  • Such materials are eg materials with 1% CrMoV, such as GS-17CrMoV5-11 or 10% Cr, such as P91, X12CrMoWVNbN10-1-1.
  • an austenitic heat-resistant material is used, such as, for example, X8CrNiNb16-13.
  • the coating according to the invention is preferably designed to be particularly uniform, namely, particularly preferably, already without aftertreatment with a roughness Ra of less than 2 ⁇ m.
  • an aluminum- and / or silicon-containing suspension is applied whose aluminum and / or silicon particles have a diameter of less than 10 ⁇ m, in particular less than 2 ⁇ m.
  • the aluminum and / or silicon-containing suspension is preferably applied in several layers in the method according to the invention.
  • the aluminum and / or silicon pigments used according to the invention are advantageously dispersed in a solvent before application.
  • the aluminum and / or silicon-containing suspension is preferably baked after application.
  • the baking preferably takes place below or above the melting point of aluminum or silicon.
  • On the burn-in will be beneficial in dispenses with that case that results from the operating temperature of the component sufficiently good and rapid diffusion bonding of the coating to the base material.
  • the baking takes place at a temperature of between 300 ° C and 750 ° C, preferably between 400 ° C and 700 ° C, d. H. below the last heat treatment temperature.
  • Fig. 1 is a part of a designed as a pipe turbine component 10 is shown.
  • the turbine component 10 is designed on its functional surface with a coating 12 which is formed with an aluminum- and silicon-containing suspension.
  • the suspension has aluminum and silicon particles 14 with a diameter of consistently less than 2 .mu.m, in particular of not more than 1 .mu.m.
  • the coating 12 is formed with a layer thickness of between 14 .mu.m and 20 .mu.m and applied to a ferritic heat-resistant base material 16.
  • a ferritic heat-resistant base material 16 In a variant, not shown, an austenitic heat-resistant material is provided as base material.
  • the roughness Ra of the coating is approximately 1 ⁇ m without aftertreatment.
  • FIG. 2 an associated method 18 for coating the turbine component 10 is illustrated by means of which the coating 12 according to FIG Fig. 1 has been applied.
  • the method 18 comprises successive steps 20, 22 and 24.
  • Step 20 relates to dispersing the particles or pigments 14 in a solvent.
  • Step 22 describes applying a layer of the aluminum- and silicon-containing suspension to the surface of the turbine component 10 and step 24 drying the applied layer temporarily.
  • the steps 22 and 24 are repeated a total of seven times, so that seven superimposed layers result in an entire coating 12.
  • said layers are baked in a step 26.
  • the baking takes place at a temperature of between 400 ° C and 700 ° C, but always about 20 ° C below the last annealing temperature of the alloy.

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Abstract

Bei einer Turbinenkomponente (10) wird eine Beschichtung (12), die als eine aluminium- und/oder siliziumhaltige Suspension gestaltet ist, mit Aluminium- und oder Siliziumpartikel (14) geschaffen, deren Durchmesser kleiner als 10 µm ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Turbinenkomponente mit einer Beschichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Beschichten einer Turbinenkomponente
  • Beim Betrieb von Turbinen, insbesondere Gas- und/oder Dampfturbinen, werden heutzutage zur Steigerung der Effizienz von zugehörigen Dampfkraftwerken die Prozessparameter wie Druck und Temperatur angehoben und auf diese Weise der Wirkungsgrad erhöht. Um solche erhöhten Prozessparameter realisieren zu können, werden Werkstoffe mit hoher Zeitstandfestigkeit für den Bau der Turbinen verwendet. Diese Werkstoffe besitzen jedoch wegen ihrer Optimierung auf höchstmögliche Festigkeit keine genügende Oxidationsbeständigkeit in einer Dampfatmosphäre.
  • Es werden daher zum Teil Schutzbeschichtungen auf die am heißesten werdenden Komponenten von Turbinen aufgebracht. Solche Beschichtungen beruhen teilweise auf dem Prinzip, dass aus einer aufgebrachten und ausgehärteten Beschichtung Aluminium in den Grundwerkstoff diffundiert. Auf diese Weise soll eine gute Anbindung an den zu schützenden Werkstoff erreicht und im späteren Betrieb eine Schicht aus Al2O3 gebildet werden, die den Werkstoff vor Oxidation schützt.
  • Bekannte Beschichtungen sind aber dennoch in der Regel in ihrer Ausprägung derart ungenügend, dass sie im strömenden Dampf nicht in allen Fällen eine genügend lange Lebensdauer der zugehörigen Turbinenkomponente gewährleisten.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Turbinenkomponente mit einer Beschichtung zu schaffen, die derart ausgeprägt hergestellt werden kann, dass die zugehörige Turbinenkomponente allen Betriebsbedingen auch über eine lange Lebensdauer hinweg gerecht wird.
  • Die Aufgabe ist mit einer Turbinenkomponente gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Gemäß der Erfindung ist eine Turbinenkomponente mit einer Beschichtung geschaffen, die als eine aluminium- und/oder siliziumhaltige Suspension gestaltet ist, deren Aluminium-und/oder Siliziumpartikel bzw. -pigmente einen Durchmesser von kleiner als 10 µm, insbesondere kleiner als 2 µm, haben.
  • Mit der erfindungsgemäßen Lösung können sowohl dünne als auch dicke und zugleich besonders gleichmäßige bzw. gleichförmige Diffusionsschichten ausgebildet werden. Die sich damit ergebenden Oxidschichten schützen den darunter befindlichen Grundwerkstoff besonders gut und lange. Daher lässt sich bei den erfindungsgemäßen Turbinenkomponenten aus ferritischen und austenitischen Werkstoffen auch in Dampf mit einer Temperatur von mehr als 600°C und hoher Strömungsgeschwindigkeit ein ausreichend langer Schutz des Grundwerkstoffs erzielen.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weisen die die Aluminium- und/oder Siliziumpartikel einen Durchmesser von maximal 1 µm auf. Auf diese Weise können besonders gleichförmige Beschichtungen geschaffen werden.
  • Um den gewünschten dauerhaften Schutz der erfindungsgemäßen Turbinenkomponenten zu erzielen, ist ferner bevorzugt die Beschichtung mit einer Schichtdicke von mehr als 10 µm ausgebildet.
  • Als Grundwerkstoff wird für die erfindungsgemäßen Turbinenkomponenten bevorzugt ein ferritischer warmfester Werkstoff verwendet. Solche Werkstoffe sind z.B. Werkstoffe mit 1% CrMoV, wie etwa GS-17CrMoV5-11 oder mit 10%Cr, wie etwa P91, X12CrMoWVNbN10-1-1.
  • Alternativ wird als Grundwerkstoff der erfindungsgemäßen Turbinenkomponenten ein austenitischer warmfester Werkstoff verwendet, wie z.B. X8CrNiNb16-13.
  • Um die gewünschten Schutzeffekte zu erzielen, ist die erfindungsgemäße Beschichtung bevorzugt besonders gleichförmig gestaltet, nämlich besonders bevorzugt bereits ohne Nachbehandlung mit einer Rauhtiefe Ra von kleiner 2 µm.
  • Entsprechend wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Beschichten einer Turbinenkomponente als Beschichtung eine aluminium- und/oder siliziumhaltige Suspension aufgetragen, deren Aluminium- und oder Siliziumpartikel einen Durchmesser von kleiner als 10 µm, insbesondere von kleiner als 2 µm, haben.
  • Um die oben genannten Schichtdicken der erfindungsgemäßen Beschichtung zu erreichen, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt die aluminium- und/oder siliziumhaltige Suspension in mehreren Schichten aufgetragen.
  • Zwischen dem Aufbringen der einzelnen Schichten erfolgt ferner besonders bevorzugt eine Zwischentrocknung der aluminium-und/oder siliziumhaltigen Suspension.
  • Die erfindungsgemäß genutzten Aluminium- und/oder Siliziumpigmente werden vor dem Auftragen vorteilhaft in einem Lösungsmittel dispergiert.
  • Damit von Anfang an eine stabile Ankopplung der erfindungsgemäßen Beschichtung an den Grundwerkstoff gewährleistet ist, wird die aluminium- und/oder siliziumhaltige Suspension nach dem Aufbringen bevorzugt eingebrannt. Das Einbrennen erfolgt bevorzugt unterhalb oder oberhalb des Schmelzpunktes von Aluminium bzw. Silizium. Auf das Einbrennen wird vorteilhaft in jenem Fall verzichtet, dass sich durch die Betriebstemperatur des Bauteils eine hinreichend gute und rasche Diffusionsanbindung der Beschichtung an den Grundwerkstoff ergibt.
  • Besonders vorteilhaft erfolgt das Einbrennen bei einer Temperatur von zwischen 300°C und 750°C, vorzugsweise zwischen 400°C und 700°C, d. h. unterhalb der letzten Wärmebehandlungstemperatur.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1
    eine geschnittene perspektivische Ansicht eines Teils eines Ausführungsbeispiels einer Turbinenkomponente gemäß der Erfindung und
    Fig. 2
    ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Beschichten der Turbinenkomponente gemäß Fig. 1.
  • In Fig. 1 ist ein Teil einer als Rohr gestalteten Turbinenkomponente 10 dargestellt.
  • Die Turbinenkomponente 10 ist an ihrer Funktionsoberfläche mit einer Beschichtung 12 gestaltet, die mit einer aluminium-und siliziumhaltigen Suspension gebildet ist. Die Suspension weist Aluminium- und Siliziumpartikel 14 mit einem Durchmesser von durchgängig kleiner als 2 µm, insbesondere von maximal 1 µm auf.
  • Die Beschichtung 12 ist mit einer Schichtdicke von zwischen 14 µm und 20 µm ausgebildet und auf einem ferritischen warmfesten Grundwerkstoff 16 aufgebracht. Bei einer nicht dargestellten Variante ist als Grundwerkstoff ein austenitischer warmfester Werkstoff vorgesehen. Die Rauhtiefe Ra der Beschichtung beträgt ohne Nachbehandlung ca. 1 µm.
  • In Fig. 2 ist ein zugehöriges Verfahren 18 zum Beschichten der Turbinenkomponente 10 veranschaulicht, mittels dem die Beschichtung 12 gemäß Fig. 1 aufgebracht worden ist.
  • Das Verfahren 18 umfasst aufeinanderfolgende Schritte 20, 22 und 24. Der Schritt 20 betrifft ein Dispergieren der Partikel bzw. Pigmente 14 in einem Lösungsmittel. Der Schritt 22 beschreibt ein Aufbringen einer Schicht der aluminium- und siliziumhaltigen Suspension auf die Oberfläche der Turbinenkomponente 10 und der Schritt 24 eine Zwischentrocknung der aufgebrachten Schicht. Die Schritte 22 und 24 werden insgesamt siebenmal wiederholt, so dass sieben übereinander angeordnete Schichten eine gesamte Beschichtung 12 ergeben.
  • Nach dem derartigen Aufbringen der aluminium- und siliziumhaltigen Suspension werden die genannten Schichten in einem Schritt 26 eingebrannt. Das Einbrennen erfolgt bei einer Temperatur von zwischen 400°C und 700°C, jedoch stets ca. 20°C unter der letzten Vergütungstemperatur der Legierung.

Claims (12)

  1. Turbinenkomponente (10) mit einer Beschichtung (12),
    die als eine aluminium- und/oder siliziumhaltige Suspension gestaltet ist,
    deren Aluminium- und oder Siliziumpartikel (14) einen Durchmesser von kleiner als 10 µm haben.
  2. Turbinenkomponente nach Anspruch 1,
    bei der die Aluminium- und/oder Siliziumpartikel (14) einen Durchmesser von maximal 1 µm aufweisen.
  3. Turbinenkomponente nach Anspruch 1 oder 2,
    bei der die Beschichtung (12) mit einer Schichtdicke von mehr als 10 µm ausgebildet ist.
  4. Turbinenkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis 3, deren Grundwerkstoff (16) ein ferritischer warmfester Werkstoff ist.
  5. Turbinenkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis 3, deren Grundwerkstoff (16) ein austenitischer warmfester Werkstoff ist.
  6. Turbinenkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis 5, deren Beschichtung (12) ohne Nachbehandlung eine Rauhtiefe Ra von kleiner 2 µm aufweist.
  7. Verfahren (18) zum Beschichten einer Turbinenkomponente (10),
    bei dem als Beschichtung (12) eine aluminium- und/oder siliziumhaltige Suspension aufgetragen wird,
    deren Aluminium- und oder Siliziumpartikel (14) einen Durchmesser von kleiner als 10 µm haben.
  8. Verfahren nach Anspruch 7,
    bei dem die aluminium- und/oder siliziumhaltige Suspension in mehreren Schichten aufgetragen wird (22).
  9. Verfahren nach Anspruch 8,
    bei dem zwischen dem Aufbringen der einzelnen Schichten eine Zwischentrocknung (24) der aluminium- und/oder siliziumhaltigen Suspension erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
    bei dem die Aluminium- und/oder Siliziumpartikel (14) vor dem Auftragen in einem Lösungsmittel dispergiert werden (20).
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
    bei dem die aluminium- und/oder siliziumhaltige Suspension nach dem Aufbringen eingebrannt wird (26).
  12. Verfahren nach Anspruch 11,
    bei dem das Einbrennen (26) bei einer Temperatur von zwischen 300°C und 750°C, vorzugsweise zwischen 400°C und 700°C erfolgt.
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Citations (4)

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