DE19926818A1 - Protective layer for turbine blades - Google Patents
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Abstract
MCrAlY-Schutzschichten (2) weisen nach ihrer Wärmebehandlung beta-, gamma'- und sigma-Phasen in einer gamma-Matrix auf. Die Volumenanteile der einzelnen Phasen verändern sich hierbei jedoch auch nach der Wärmebehandlung. Zudem kann es auch zu einer Vergröberung bestimmter Phasen kommen. Im Gegensatz dazu kommt es bei der erfindungsgemäßen MCrAlY-Schutzschicht (2) nach der Wärmebehandlung zu keinen Veränderungen mehr, da sie aus mindestens zwei metallischen Pulvern hergestellt wird. Jedes der Pulver kann wenigstens eine Phase der Schutzschicht (2) bilden, wobei mindestens ein chemisches Element der beiden Pulver in beiden Phasen vorhanden ist.After their heat treatment, MCrAlY protective layers (2) have beta, gamma 'and sigma phases in a gamma matrix. However, the volume fractions of the individual phases also change after the heat treatment. In addition, certain phases can become coarser. In contrast, the MCrAlY protective layer (2) according to the invention no longer changes after the heat treatment, since it is produced from at least two metallic powders. Each of the powders can form at least one phase of the protective layer (2), at least one chemical element of the two powders being present in both phases.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzschicht für Turbinenschaufeln gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a protective layer for turbine blades according to the Preamble of claim 1.
Turbinenschaufeln dieser Art werden in vielen Fällen aus einer Ni-Basislegierung her gestellt und zum Antrieb von Gasturbinen direkt mit heißen Verbrennungsgasen be aufschlagt. Sie sind dabei sowohl thermischen als auch mechanischen Beanspru chungen während des Betrieb der Gastrubine sowie Belastungszyklen ausgesetzt. Um die Turbinenschaufeln vor korrosiven chemischen Elementen und Verbindungen in Form von Schwefel, Ölaschen, Sauerstoff, Erdalkalien und Vanadium zu schützen, welche von den heißen Gasen mitgeführt werden, sind die Turbinenschaufeln mit ei ner Schutzschicht versehen. Hierfür werden MCrAlY-Schichten verwendet, wobei M stellvertretend für Ni, Co, Fe oder eine Kombination der genannten Elemente steht. Die Beschichtung wird aus einen Pulver hergestellt, das die oben genannten Metalle enthält. Die Hersteüung eines solchen Pulvers erfolgt beispielsweise durch Verdüsung aus dem schmelzflüssigen Zustand, wobei die Pulverpartikel anschließend sehr schnell abgekühlt werden. Das Ausbilden der Beschichtung auf einer Turbinenschau fel erfolgt mit Luft-Plasmaspritzen, Vakuum-Plasmaspritzen, Niederdruck- Plasmaspritzen oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen. Die Mikrostruktur der auf gebrachten Schicht resultiert auf dem Herstellungsprozeß des Pulvers, dem Spritzpro zeß, der chemischen Zusammensetzung und der Wärmebehandlung, wobei Art, Grö ße und Menge der Phasen nur geringfügig variiert werden können. Von Nachteil ist bei diesen bekannten Schichten, daß ihre mechanischen, thermomechanischen und phy sikalischen Eigenschaften durch bestimmte ungünstige Mikrostrukturen negativ beein flußt werden. So weisen MCrAlY-Schutzschichten nach ihrer Wärmebehandlung β-, γ'- und σ-Phasen in einer γ-Matrix auf. Es läßt sich bei diesen Schichten nicht vermeiden, daß sich die Volumenanteile der einzelnen Phasen nachträglich verändern bzw. sich bestimmte Phasen durch Ostwald Reifung vergröbern, was durch langsame Prozesse der Gleichgewichtseinstellungen verursacht wird.In many cases, turbine blades of this type are made from a Ni-based alloy and used to drive gas turbines directly with hot combustion gases hits. They are both thermal and mechanical stress exposed during the operation of the gastrubine and stress cycles. Around the turbine blades in front of corrosive chemical elements and compounds Protect the form of sulfur, oil ash, oxygen, alkaline earths and vanadium, which are carried by the hot gases are the turbine blades with egg protective layer. MCrAlY layers are used for this, M represents Ni, Co, Fe or a combination of the elements mentioned. The coating is made from a powder that contains the above metals contains. Such powder is produced, for example, by atomization from the molten state, the powder particles then very be cooled down quickly. Forming the coating on a turbine show fel is done with air plasma spraying, vacuum plasma spraying, low pressure Plasma spraying or high speed flame spraying. The microstructure of the brought layer results on the manufacturing process of the powder, the Spritzpro zeß, the chemical composition and the heat treatment, whereby Art, Grö The amount and amount of phases can only be varied slightly. A disadvantage is these known layers that their mechanical, thermomechanical and phy sical properties adversely affected by certain unfavorable microstructures to be flowed. For example, MCrAlY protective layers after their heat treatment have β-, γ'- and σ phases in a γ matrix. It cannot be avoided with these layers that the volume fractions of the individual phases change or change subsequently certain phases coarsen through Ostwald ripening, which through slow processes of balance settings is caused.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine MCrAlY-Schutzschicht für Turbinen schaufeln mit verbesserten Eigenschaften aufzuzeigen.The invention has for its object a MCrAlY protective layer for turbines show blades with improved properties.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the features of patent claim 1.
Bei der erfindungsgemäßen Schutzschicht werden die eingangs genannten Nachteile durch den Einsatz von speziellen Pulvermischungen vermieden. Für die Ausbildung der erfindungsgemäßen MCrAlY-Schutzschicht wird von wenigstens zwei Pulvern ausgegangen, die mit Hilfe eines thermischen Spritzprozesses so aufgetragen wer den, daß auf den Begrenzungsflächen einer Turbinenschaufel ein zusammenhängen der Überzug ausgebildet wird. Die beiden Pulver haben erfindungsgemäß unter schiedliche chemische Zusammensetzungen. Für die Ausbildung der erfindungsge mäßen Schutzschicht werden bevorzugt ein erstes Pulver mit einer ersten Phase und ein zweites Pulver mit einer zweiten Phase verwendet, wobei die Schutzschicht diese beiden Phasen bei der Anwendungstemperatur ebenfalls aufweist. Die Pulver werden zudem so ausgewählt, daß mindestens ein gleiches chemisches Element in beiden Pulvern enthalten ist. Beispielsweise wird ein erstes Pulver mit einer Zusammenset zung verwendet, welches die Bildung einer Ni-Basis γ-Matrix ermöglicht, während das zweite Pulver eine Zusammensetzung aufweist, aus der intermetallische Aluminid- Phasen von Ni, Fe, Pt oder Ru gebildet werden. Nach einer Wärmebehandlung weist die Schutzschicht eine Mikrostruktur mit einer Ni-Basis γ-Matrix und einer solchen β-Phase auf.The disadvantages mentioned at the outset become in the protective layer according to the invention avoided by using special powder mixtures. For training the MCrAlY protective layer according to the invention is composed of at least two powders who applied with the help of a thermal spraying process that that are related to the boundary surfaces of a turbine blade the coating is formed. The two powders have according to the invention different chemical compositions. For the training of the fiction The protective layer is preferably a first powder with a first phase and used a second powder with a second phase, the protective layer this also has two phases at the application temperature. The powders are also selected so that at least one chemical element in both Powders are included. For example, a first powder with a set tongue used, which enables the formation of a Ni-base γ matrix, while the second powder has a composition from which intermetallic aluminide Phases of Ni, Fe, Pt or Ru are formed. After heat treatment points the protective layer is a microstructure with a Ni-based γ matrix and such β phase.
Erfindungsgemäß kann die Schutzschicht auch so ausgebildet werden, daß sie unter der Betriebstemperatur, die in einer Gasturbine auftritt, eine Mikrostruktur mit β-, γ-, γ'-Phasen aufweist. Für die Herstellung diese Schicht werden ebenfalls zwei Pulver verwendet, die beide jeweils zwei Phasen aufweisen. Dabei wird das erste Pulver so gewählt, daß seine Zusammensetzung für die Bildung einer β- und einer γ-Phase ge eignet ist, wenn es der Anwendungstemperatur ausgesetzt ist. Das zweite Pulver wird so gewählt, daß seine Zusammensetzung die Bildung einer γ- und einer γ'- Phase unter den gleichen Anwendungsbedingungen ermöglicht. Nach der Wärmebehandlung der Schicht stellt sich die gewünschte dreiphasige Mikrostruktur ein.According to the invention, the protective layer can also be formed so that it is under the operating temperature that occurs in a gas turbine, a microstructure with β-, γ-, γ 'phases. Two powders are also used to make this layer used, both of which have two phases. The first powder is like this chosen that its composition for the formation of a β and a γ phase ge is suitable when it is exposed to the application temperature. The second powder is chosen so that its composition the formation of a γ and a γ 'phase under the same conditions of use. After the heat treatment the desired three-phase microstructure is established in the layer.
Diese Mikrostruktur der erfindungsgemäßen MCrAlY-Schutzschicht besitzt gegenüber den bekannten Schichten dieser Art verbesserte Eigenschaften. Deshalb verändert sich die Schutzschicht nur geringfügig, wenn sie den Betriebstemperaturen einer Ga sturbine ausgesetzt wird. Nachteilige Phasentransformationen beispielsweise die Aus scheidung von σ-Phasen werden in jeden Fall vermieden.This microstructure of the MCrAlY protective layer according to the invention has the known layers of this type have improved properties. Therefore changed the protective layer only slightly if it corresponds to the operating temperatures of a Ga turbine is exposed. Adverse phase transformations, for example, the off A distinction between σ phases is avoided in any case.
Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.Further inventive features are characterized in the dependent claims.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von einer Zeichnung näher erläutert.The invention is explained below with reference to a drawing.
Die einzige zur Beschreibung gehörige Figur zeigt eine Turbinenschaufel 1, die mit ei nem Überzug 2 in Form einer MCrAlY-Schutzschicht versehen ist. M steht hierbei stellvertretend für Ni, Co, Fe oder einer Kombination dieser chemischen Elemente. Für die Ausbildung des Überzugs 2 wird ein erstes Pulver verwendet, aus dem sich eine γ- Matrix bildet. Desweiteren wird eine zweites Pulver benutzt, aus dem sich eine β- Phase bildet. Die beiden Pulver werden zusammen oder getrenrit voneinander auf die Turbinenschaufel 1 aufgetragen. Die Pulver (hier nicht dargestellt) werden so ausge wählt, daß mindestens ein gleiches chemisches Element in beiden Pulvern enthalten ist. Vorzugsweise wird ein erstes Pulver verwendet, das zur Bildung einer Ni-Basis γ- Matrix die chemischen Elemente Ni, Fe, Cr, Co, und Al enthält, während das zweite Pulver zur Bildung von intermetallischen Aluminid-Phasen von Ni, Fe, Pt oder Ru die chemischen Elemente Ni, Fe, Pt, Ru und Al aufweist. Die verwendeten Pulver weisen vorzugsweise eine Teilchengröße zwischen 1 µm bis 150 µm auf. Nach einer Wärme behandlung des Überzugs 2 weist dieser eine Mikrostruktur mit diesen Phasen auf. The only figure belonging to the description shows a turbine blade 1 which is provided with a coating 2 in the form of an MCrAlY protective layer. M stands for Ni, Co, Fe or a combination of these chemical elements. A first powder is used to form the coating 2 , from which a γ matrix is formed. Furthermore, a second powder is used, from which a β phase is formed. The two powders are applied together or separately from one another to the turbine blade 1 . The powders (not shown here) are selected so that at least one chemical element is contained in both powders. Preferably, a first powder is used which contains the chemical elements Ni, Fe, Cr, Co, and Al to form a Ni-based γ matrix, while the second powder to form intermetallic aluminide phases of Ni, Fe, Pt or Ru has the chemical elements Ni, Fe, Pt, Ru and Al. The powders used preferably have a particle size between 1 μm and 150 μm. After a heat treatment of the coating 2 , it has a microstructure with these phases.
Erfindungsgemäß kann die Schutzschicht auch so ausgebildet werden, daß sie unter der Betriebstemperatur, die in einer Gasturbine auftritt, eine Mikrostruktur mit β-, γ-, γ'-Phasen aufweist. Für die Herstellung diese Schicht werden ebenfalls zwei Pulver verwendet, die beide jeweils zwei Phasen bilden. Dabei wird das erste Pulver so ge wählt, daß seine Zusammensetzung für die Bildung einer β- und einer γ-Phase ge eignet ist, wenn es der Anwendungstemperatur ausgesetzt ist. Das zweite Pulver wird so gewählt, daß seine Zusammensetzung die Bildung einer γ- und einer γ'-Phase unter den gleichen Anwendungsbedingungen ermöglicht. Nach der Wärmebehandlung der Schicht stellt sich die gewünschte dreiphasige Mikrostruktur ein.According to the invention, the protective layer can also be formed so that it is under the operating temperature that occurs in a gas turbine, a microstructure with β-, γ-, γ 'phases. Two powders are also used to make this layer used, both of which form two phases. The first powder is so ge chooses its composition for the formation of a beta and a γ phase is suitable when it is exposed to the application temperature. The second powder is chosen so that its composition forms a γ and a γ 'phase under the same conditions of use. After the heat treatment the desired three-phase microstructure is established in the layer.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: ALSTOM, PARIS, FR |
|
| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| 8363 | Opposition against the patent | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee | ||
| 8331 | Complete revocation |