WO2017162411A1 - Verfahren zur bearbeitung eines bauteils, das mit einer wärmedämmschicht versehen ist - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method for processing a component which is provided with a thermal barrier coating.
  • a thermal barrier coating applied thereto are known in the prior art in a wide variety of configurations, for example in the form of hot gas components of a gas turbine or the like.
  • the substrate of such components is usually formed by a superalloy, in particular by a nickel, cobalt or iron base.
  • the thermal barrier coating is usually made of ceramic materials, such as partially stabilized zirconium or gadolinium zirconate.
  • an adhesive layer may be provided between them, for example MCrAlX, where M is iron, cobalt and / or nickel and X is yttrium or other rare earth metals.
  • CMAS low melting point eutectic alloys
  • the CMAS deposits can melt and infiltrate the thermal barrier coating, often causing cracking or even spalling of the thermal barrier coating.
  • the present invention provides a method of the aforementioned type, which is characterized in that at least on areas of the thermal barrier coating, a non-metallic, at least one oxidation-capable component having protective layer is applied. At the latest during the intended use of the component in an ambient air atmosphere at high temperatures, the oxidized at least one oxidation-capable component of the protective layer. The formed oxides, in turn, react with CMAS deposits that form to increase the melting point of the CMAS deposits, thereby reducing the infiltration and reaction of the CMAS deposits into the thermal barrier coating. In this way, cracking and flaking of the thermal barrier coating are at least reduced, which is associated with an extension of the service life of the component.
  • the protective layer comprises aluminum phosphate.
  • the use of aluminum phosphate has proven to be particularly effective and unproblematic.
  • the protective layer preferably comprises at least one element selected from the group magnesium (Mg), zirconium (Zr), titanium (Ti), tantalum (Ta), niobium (Nb), hafnium (Hf), silicon (Si), boron (B) , Germanium (Ge) and / or gallium (Ga) in non-metallic bond.
  • the protective layer is applied in a thickness which corresponds to a maximum of 0.2 times the thickness of the thermal barrier coating.
  • the protective layer is applied in a thickness of at most 20 ⁇ , whereby a sufficient protection against the negative effects of CMAS deposits. Thicknesses beyond this upper limit do not appear to have an additional positive effect.
  • the protective layer is applied by a slurry, vapor deposition, spraying or using a brush.
  • the protective layer after its application in another
  • Step oxidized This has the advantage that the protective oxide layer is already present at the beginning of the intended use of the component and does not have to be formed first.
  • the oxidation can be carried out, for example, by heating the component in an oxidation-demanding environment such as air or the like. Likewise, the oxidation can also be caused electrochemically.
  • the component is a hot gas component of a gas turbine, such as a guide or rotor blade.
  • the method according to the invention may be carried out as part of a new production of a component or on an already existing component, such as in the context of repair work.
  • the component 1, which in the present case is a hot gas component of a gas turbine, such as a guide or rotor blade, comprises a substrate 2.
  • the substrate 2 is made of a nickel, cobalt or iron-based superalloy.
  • an adhesive layer 3 is applied, consisting of MCrAlX where M is iron, cobalt and / or nickel and X is yttrium or other rare earth metals.
  • a thermal barrier coating 4 is provided, which is made of ceramic material, presently partially stabilized zirconium, of course, other materials are conceivable.
  • the thermal barrier coating 4 serves during the intended use of the component 1 to protect the substrate 2 from the negative effects of high temperatures.
  • the adhesive layer 3 improves the adhesion between the substrate 2 and the thermal barrier coating 4. It should be noted, however, that the adhesive layer 3 can basically also be dispensed with.
  • a non-metallic, at least one oxidation-capable constituent protective layer 5 is applied to the outside of the thermal barrier coating 4.
  • the protective layer 5 in the present case comprises aluminum phosphate, the oxidisable constituent being formed by aluminum.
  • the order of the protective layer 5 takes place in a thickness which corresponds to a maximum of 0.2 times the thickness of the thermal barrier coating 4. More specifically, the
  • Protective layer 5 in the present case applied in a thickness of 15 ⁇ , wherein thicknesses in the range of 2 to 20 ⁇ basically be considered advantageous.
  • the order of the protective layer 5 can be done for example by a slip, vapor deposition, spraying or using a brush during the manufacture of the component 1 or subsequently in the context of repair work or the like.
  • an oxidation of the protective layer 5 or of the oxidisable constituent contained therein is not carried out in a separate process step but during the intended use of the component 1 in ambient air atmosphere at high temperatures. This variant is particularly advantageous in that no additional costs are associated with the oxidation.
  • the protective layer 5 can also be used in a separate process step are oxidized, for example, by heating the component in an oxidation-demanding environment such as air, electrochemical or the like.
  • the formed oxides react during the intended use of the component 1 with forming CMAS deposits in such a way that the melting point of the CMAS deposits is increased, whereby the infiltration and the reaction of the CMAS deposits in or with the thermal insulation layer 4 are reduced , In this way, cracking and flaking of the thermal barrier coating 4 are at least reduced, which is associated with an extension of the life of the component.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Bauteils (1), das mit einer Wärmedämmschicht (4) versehen ist, wobei zumindest auf Bereichen der Wärmedämmschicht (4) eine nichtmetallische, wenigstens einen oxidationsfähigen Bestandteil aufweisende Schutzschicht (5) aufgetragen wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Bearbeitung eines Bauteils, das mit einer Wärmedämmschicht versehen ist
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Bauteils, das mit einer Wärmedämmschicht versehen ist . Bauteile, deren Substrat durch eine auf diesem aufgetragene Wärmedämmschicht vor den negativen Einflüssen hoher Temperaturen geschützt ist, sind im Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt, beispielsweise in Form von Heißgaskomponenten einer Gasturbine oder derglei- chen. Das Substrat solcher Bauteile wird meist durch eine Su- perlegierung gebildet, insbesondere durch eine solche auf Nickel-, Cobalt- oder Eisenbasis. Die Wärmedämmschicht besteht meist aus keramischen Materialien, wie beispielsweise aus teilstabilisiertem Zirkon oder Gadoliniumzirkonat . Zur Ver- besserung der Haftung zwischen dem Substrat und der Wärmedämmschicht kann zwischen diesen eine Haftschicht vorgesehen werden, beispielsweise aus MCrAlX, wobei M für Eisen, Cobalt und/oder Nickel und X für Yttrium oder andere Seltenerdmetalle steht.
Während des Betriebs von Heißgaskomponenten lagern sich auf der Wärmedämmschicht aufgrund von in der Umgebungsluft enthaltenen Substanzen Verunreinigungen ab, die bei hohen Temperaturen auch als CMAS bezeichnete eutektische Legierungen mit geringem Schmelzpunkt bilden können, die Calciumoxid, Magnesiumoxid, Aluminiumoxid und Siliziumoxid enthalten. Oberhalb der eutektischen Temperatur können die CMAS-Ablagerungen schmelzen und die Wärmedämmschicht infiltrieren, was häufig zu Rissbildungen oder gar zum Abplatzen der Wärmedämmschicht führt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs ge- nannten Art bereitzustellen, mit dem die negative Beeinflussung der Wärmedämmschicht durch CMAS-Ablagerungen verringert werden kann. Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest auf Bereichen der Wärmedämmschicht eine nichtmetallische, wenigstens einen oxidationsfä- higen Bestandteil aufweisende Schutzschicht aufgetragen wird. Spätestens während der bestimmungsgemäßen Verwendung des Bauteils in Umgebungsluftatmosphäre bei hohen Temperaturen oxi- diert der wenigstens eine oxidationsfähige Bestandteil der Schutzschicht. Die gebildeten Oxide reagieren wiederum mit sich ausbildenden CMAS-Ablagerungen derart, dass der Schmelz- punkt der CMAS-Ablagerungen heraufgesetzt wird, wodurch die Infiltration und die Reaktion der CMAS-Ablagerungen in bzw. mit der Wärmedämmschicht verringert werden. Auf diese Weise werden Rissbildungen und Abplatzungen der Wärmedämmschicht zumindest reduziert, was mit einer Verlängerung der Lebens- dauer des Bauteils einhergeht.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Schutzschicht Aluminiumphosphat auf. Die Verwendung von Aluminiumphosphat hat sich als besonders effektiv und unprob- lematisch erwiesen.
Bevorzugt weist die Schutzschicht zumindest ein Element ausgewählt aus der Gruppe Magnesium (Mg) , Zirkon (Zr) , Titan (Ti) , Tantal (Ta) , Niob (Nb) , Hafnium (Hf) , Silizium (Si) , Bor (B) , Germanium (Ge) und /oder Gallium (Ga) in nichtmetallischer Bindung auf.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schutzschicht in einer Dicke aufgetragen, die maxi- mal der 0,2 -fachen Dicke der Wärmedämmschicht entspricht.
Vorteilhaft wird die Schutzschicht in einer Dicke von maximal 20μπι aufgetragen, wodurch ein hinreichender Schutz vor den negativen Einflüssen von CMAS-Ablagerungen gewährleistet wird. Dicken über diese Obergrenze hinaus scheinen keine zusätzliche positive Wirkung zu entfalten. Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird die Schutzschicht durch einen Schlicker, Aufdampfen, Aufsprühen oder unter Verwendung eines Pinsels aufgetragen.
Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schutzschicht nach ihrem Auftrag in einem weiteren
Schritt oxidiert . Dies hat den Vorteil, dass die schützende Oxidschicht bereits zu Beginn der bestimmungsgemäßen Verwendung des Bauteils vorhanden ist und nicht erst ausgebildet werden muss. Die Oxidation kann beispielsweise durch Erwärmen des Bauteils in einer oxidationsfordernden Umgebung wie Luft oder dergleichen erfolgen. Ebenso kann die Oxidation auch elektrochemisch hervorgerufen werden.
Vorteilhaft ist das Bauteil eine Heißgaskomponente einer Gas- turbine, wie beispielsweise eine Leit- oder Laufschaufei .
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das erfindungsgemäße Verfahren im Rahmen einer Neuherstellung eines Bauteils oder an einem bereits existierenden Bauteil durchgeführt werden, wie beispielsweise im Rahmen von Reparaturarbeiten.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungs- form des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich, die eine Querschnittansicht eines Bauteils zeigt.
Das Bauteil 1, bei dem es sich vorliegend um eine Heißgaskomponente einer Gasturbine handelt, wie beispielsweise eine Leit- oder Laufschaufei , umfasst ein Substrat 2. Das Substrat 2 ist aus einer Superlegierung auf Nickel-, Cobalt- oder Eisenbasis hergestellt. Auf die Außenfläche des Substrats 2 ist vorliegend eine Haftschicht 3 aufgetragen, die aus MCrAlX ausgebildet ist, wobei M für Eisen, Cobalt und/oder Nickel und X für Yttrium oder andere Seltenerdmetalle steht. An der Außenseite der Haftschicht 3 ist eine Wärmedämmschicht 4 vorgesehen, die aus keramischem Material hergestellt ist, vor- liegend aus teilstabilisiertem Zirkon, wobei natürlich auch andere Materialien denkbar sind. Die Wärmedämmschicht 4 dient während der bestimmungsgemäßen Verwendung des Bauteils 1 dazu, das Substrat 2 vor den negativen Einflüssen hoher Temperaturen zu schützen. Die Haftschicht 3 verbessert die Haftung zwischen dem Substrat 2 und der Wärmedämmschicht 4. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass auf die Haftschicht 3 grundsätzlich auch verzichtet werden kann.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird an der Außenseite der Wärmedämmschicht 4 eine nicht metallische, wenigstens einen oxidationsfähigen Bestandteil aufweisende Schutzschicht 5 aufgetragen. Die Schutzschicht 5 weist vorliegend Aluminiumphosphat auf, wobei der oxidationsfähige Bestandteil durch Aluminium gebildet wird. Der Auftrag der Schutzschicht 5 erfolgt in einer Dicke, die maximal der 0,2 -fachen Dicke der Wärmedämmschicht 4 entspricht. Genauer gesagt wird die
Schutzschicht 5 vorliegend in eine Dicke von 15 μπι aufgetragen, wobei Dicken in Bereich von 2 bis 20 μπι grundsätzlich als vorteilhaft angesehen werden. Der Auftrag der Schutzschicht 5 kann beispielsweise durch einen Schlicker, Aufdampfen, Aufsprühen oder unter Verwendung eines Pinsels während der Herstellung des Bauteils 1 oder nachträglich im Rahmen von Reparaturarbeiten oder dergleichen erfolgen. Gemäß eine ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Oxidation der Schutzschicht 5 bzw. des in dieser enthaltenen oxidationsfähigen Bestandteils nicht in einem gesonderten Verfahrensschritt sondern während des bestimmungsgemäßen Einsatzes des Bauteils 1 in Umgebungsluftatmosphäre bei hohen Temperaturen. Diese Variante ist insbesondere dahingehend von Vorteil, dass mit der Oxidation keine zusätzlichen Kosten verbunden sind. Gemäß einer zweiten Variante kann die Schutzschicht 5 aber auch in einem eigenen Verfahrens- schritt oxidiert werden, beispielsweise durch Erwärmen des Bauteils in einer oxidationsfordernden Umgebung wie Luft, elektrochemisch oder dergleichen. Die gebildeten Oxide reagieren während des bestimmungsgemäßen Einsatzes des Bauteils 1 mit sich ausbildenden CMAS- Ablagerungen derart, dass der Schmelzpunkt der CMAS- Ablagerungen heraufgesetzt wird, wodurch die Infiltration und die Reaktion der CMAS-Ablagerungen in bzw. mit der Wärmedämm- Schicht 4 verringert werden. Auf diese Weise werden Rissbildungen und Abplatzungen der Wärmedämmschicht 4 zumindest reduziert, was mit einer Verlängerung der Lebensdauer des Bauteils einhergeht. Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bearbeitung eines Bauteils (1), das mit einer Wärmedämmschicht (4) versehen ist, dadurch gekennzeich- net, dass zumindest auf Bereichen der Wärmedämmschicht (4) eine nichtmetallische, wenigstens einen oxidationsfähigen Bestandteil aufweisende Schutzschicht (5) aufgetragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (5) Aluminiumphosphat aufweist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (5) zumindest ein Element ausgewählt aus der Gruppe Magnesium (Mg) , Zirkon (Zr) , Titan (Ti) , Tantal (Ta) , Niob (Nb) , Hafnium (Hf) , Silizium (Si) , Bor (B) , Germanium (Ge) und /oder Gallium (Ga) in nichtmetallischer Bindung aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (5) in einer Dicke aufgetragen wird, die maximal der 0,2 -fachen Dicke der Wärmedämmschicht (4) entspricht.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (5) in einer Dicke von maximal 20μπι aufgetragen wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass die Schutzschicht (5) durch einen Schlicker, Aufdampfen, Auf- sprühen oder unter Verwendung eines Pinsels aufgetragen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (5) nach ihrem Auftrag in einem weiteren Schritt oxidiert wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) eine Heißgaskomponente einer Gasturbine ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses im Rahmen einer Neuherstellung eines Bauteils (1) oder an einem bereits existierenden Bau- teil (1) durchgeführt wird.
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