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Title:
COMPONENT AND METHOD FOR PRODUCING A PROTECTIVE COATING ON A COMPONENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2000/070190
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a component (80) which can be subjected to hot steam and which has a metallic base body (81) to which a protective layer (82) is bonded by diffusion. Said protective layer (82) increases the base material's resistance to oxidation, comprises aluminum, and has a thickness (D) of less than 50 $g(m)m. The invention also relates to a method for producing a protective coating which increases the component's (80) resistance to oxidation.

Inventors:
Schmitz, Friedhelm (Elisabethstrasse 39 Dinslaken, D-46537, DE)
Application Number:
PCT/EP2000/004319
Publication Date:
November 23, 2000
Filing Date:
May 12, 2000
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Wittelsbacherplatz 2 München, D-80333, DE)
Schmitz, Friedhelm (Elisabethstrasse 39 Dinslaken, D-46537, DE)
International Classes:
C22C21/02; C23C2/12; C23C10/22; C23C24/10; C23C26/00; F01D5/28; F22B37/04; F22B37/10; (IPC1-7): F01D5/28; C22C21/02; C23C2/12; C23C10/22; C23C24/10
Domestic Patent References:
1994-03-31
1994-04-14
Foreign References:
EP0379699A11990-08-01
EP0743374A11996-11-20
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1998, no. 01, 30. Januar 1998 (1998-01-30) & JP 09 228018 A (NISSHIN STEEL CO LTD), 2. September 1997 (1997-09-02)
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34 München, D-80506, DE)
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34 München, D-80506, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. l.
2. Bauteil (80), welches heißem Dampf aussetzbar ist, mit ei nem metallischen Grundkörper (81), an den eine Schutzschicht (82) zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit des Grundwerk stoffs angebunden ist, welche Schutzschicht (82) Aluminium aufweist und eine Dicke (D) von unter 50 um besitzt.
3. Bauteil (80) nach Anspruch 1, bei dem die Dicke (D) der Schutzschicht (82) unter 20 um, insbesondere unter 10 um, be trägt.
4. Bauteil (80) nach Anspruch'oder 2, bei dem die Dicke (D) der Schutzschicht (82) zwischen 5 um bis 10 um beträgt.
5. Bauteil (80) nach Anspruch 1,2 oder 3, bei dem die Schutzschicht (82) einen Anteil von über 50 Gew. % Aluminium enthält.
6. Bauteil (80) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Schutzschicht (82) neben dem Aluminium auch Eisen und Chrom aufweist.
7. Bauteil (80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schutzschicht (82) neben Aluminium auch Silizium, insbesondere bis 20 Gew. %, aufweist.
8. Bauteil (80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Grundwerkstoff ein Chromstahl ist.
9. Bauteil (80) nach Anspruch 7, bei dem der Chromstahl zwi schen 0,5 Gew. ^ bis 2,5 Gew. % Chrom oder zwischen 8 Gew.', bis 12 Gew. Chrom, insbesondere zwischen 9 Gew. 10 und 10 Gew.'" aufweist.
10. Bauteil (80) nach Anspruch 7 oder 8, bei dem der Grund werkstoff (81) martensitisch, ferritischmartensitisch oder ferritisch ist.
11. Bauteil (80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches eine Komponente einer Dampfturbine (20,123,125) ist, insbesondere ein Schmiedeteil oder ein Gußteil.
12. Bauteil (80) nach Anspruch 10, welches eine Turbinen schaufel (113,114), ein Ventil (76), eine Turbinenwelle (101,32), eine Radscheibe einer Turbinenwelle, ein Verbin dungselement, wie Schraube, eine Gehäusekomponente, eine Rohrleitung (70,64) oder åhnliches ist.
13. Bauteil (80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches eine Komponente eines Dampferzeugers (30), insbeson dere ein Dampferzeugerrohr (27), ist.
14. Verfahren zur Herstellung einer Schutzbeschichtung zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit auf einem Bauteil (80), welches heißem Dampf aussetzbar ist, mit einem metallischen Grundkörper (81), der einen Grundwerkstoff aufweist, wobei a) eine unter 50um dicke aluminiumpigmenthaltige Schicht (82) aufgebracht, und b) das Bauteil (80) auf einer vorgegebenen Temperatur, die unterhalb der Anlaßtemperatur des Grundwerkstoffes liegt, zur Reaktion der Aluminium enthaltenden Schutzschicht (82) mit dem Grundwerkstoff (81) gehalten wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Bauteil (80) mit der Schicht (82) bei der vorgegebenen Temperatur im Bereich der Schmelztemperatur von Aluminium, insbesondere zwischen 650°C und 720°C, gehalten wird.
16. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem das Bauteil (80) der vorgegebenen Temperatur mindestens 5 Minuten, vor zugsweise über 15 Minuten, ausgesetzt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem die Schicht (82) mit einer Dicke (D) zwischen 5 um und d 30 um, insbesondere zwischen 10 um und 20 um, aufgebracht wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem die Schicht (82) als anorganischer Hochtemperaturlack aufgebracht wird.
19. Verfahren nach einem der Anspruche 13 bis 16, bei dem die Schicht (82) durch Tauchaluminierung aufgebracht wird.
Description:
Beschreibung Bauteil sowie Verfahren zur Herstellung einer Schutzbe- schichtung auf einem Bauteil Die Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere ein einem heißen Dampf aussetzbares Bauteil, mit einem metallischen Grundkörper, der eine Schutzbeschichtung zur Erhöhung der 0- xidationsbeständigkeit des Grundwerkstoffes aufweist. Die Er- findung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung ei- ner Schutzbeschichtung zur Erhöhung der Oxidationsbeständig- keit auf einem Bauteil, welches heißem Dampf aussetzbar ist, mit einem metallischen Grundkörper, der einen Grundwerkstoff aufweist.

In verschiedenen technischen Gebieten werden Bauteile heißem Dampf, insbesondere Wasserdampf, ausgesetzt. Dies trifft bei- spielsweise für Bauteile in Dampfanlagen, insbesondere in Dampfkraftwerken zu. Im Rahmen der Steigerung der Effizienz von Dampfkraftwerken wird unter anderem durch Anhebung der Dampfparameter (Druck und Temperatur) eine Erhöhung des Wir- kungsgrades erreicht. Zukünftige Entwicklungen werden hierbei Drücke bis zu 300 bar und Temperaturen bis zu über 650 °C aufweisen. Zur Realisierung solch erhöhter Dampfparameter sind geeignete Werkstoffe mit hoher Festigkeit im Zeitstand- bereich bei erhöhten Temperaturen erforderlich.

Da austenitische Stähle aufgrund ungünstiger physikalischen Eigenschaften, wie hoher Wärmedehnungskoeffizient und niedri- ger Wärmeleitfähigkeit, hierbei an ihre Grenzen stoßen wer- den, werden derzeit verschiedene Varianten von zeitstandfes- ten, ferritisch-martensitischen Stählen mit Chromgehalten von 9 Gew. % bis 12 Gew. % entwickelt.

Aus der EP 0 379 699 A1 geht ein Verfahren zur Erhöhung des Korrosions-und Oxidationswiderstandes einer Schaufel einer thermischen Maschine, insbesondere eine Verdichterschaufel

eines Axialkompressors, hervor. Das Grundmaterial der Ver- dichterschaufel besteht hierbei aus einem ferritisch-marten- sitischen Werkstoff. Auf das Grundmaterial wird eine feste haftende Oberflächenschutzschicht bestehend aus 6 bis 15 Gew. % Silizium, Rest Aluminium nach dem Hochgeschwindigkeits- verfahren mit einer Partikelgeschwindigkeit von mindestens 300 mls auf die Oberfläche des Grundmaterials aufgespritzt.

Auf diese Metall-Schutzschicht wird nach einem herkömmlichen Lackspritzverfahren ein Kunststoff, beispielsweise Polytetra- fluoräthylen, aufgetragen, welcher Kunststoff die Deckschicht (äußere Schicht) der Schaufel bildet. Mit dem Verfahren wird eine Schutzschicht auf einer Schaufel bereitgestellt, die ei- nen erhöhten Korrosions-und Erosionswiderstand bei Anwesen- heit von Wasserdampf und vergleichsweise mäßigen Temperaturen (450 °C) aufweist, wie sie für Verdichterschaufeln relevant sind.

In dem Artikel"Werkstoffkonzept für hochbeanspruchte Dampf- turbinen-Bauteilem, von Christina Berger und Jürgen Ewald im Siemens Power Journal 4/94, S. 14-21, wurden die Werkstoffei- genschaften für geschmiedete sowie gegossene Chromstähle un- tersucht. Die Zeitstandfestigkeit von Chromstählen mit 2 bis 12 Gew. % Chrom sowie Zusätzen von Molybdän, Wolfram, Niob und Vanadium nimmt hierbei mit steigender Temperatur kontinuier- lich ab. Für den Einsatz bei Temperaturen von über 550 bis 600 °C sind geschmiedete Wellen angegeben mit einem Anteil von 10 bis 12 Gew. % Chrom, 1 % Molybdän, 0,5 bis 0,75 Gew. % Nickel, 0,2 bis 0,3 Gew. % Vanadium, 0,12 bis 0,23 Gew. % Koh- lenstoff und optional 1 Gew. % Wolfram. Aus Chromstahl her- stellte Gußteile finden Verwendung in Ventilen einer Dampf- turbine, Außen-und Innengehäuse von Hochdruck-, Mittel- druck-, Niederdruck-und Sattdampfturbinen. Für Ventile und Gehäuse bei Temperaturen von 57--0 bis 600 °C finden 10 bis 12 Gew. % Chrom enthaltende Stähle Anwendung, die daneben 0,12 bis 0,22 Gew. % Kohlenstoff, 0,65 bis 1 Gew. % Mangan, 1 bis 1,1 Gew. % Molybdän, 0,7 bis 0,85 Gew. % Nickel, 0,2 bis 0,3

Gew. % Vanadium oder auch 0,5 bis 1 Gew. % Wolfram enthalten können.

In dem Artikel"Steam Turbine Materials : High Temperature Forgings"von C. Berger et al., 5 h Int. Conf. Materials for Advanced Power Engineering, Liège, Belgium, Okt. 3-6,1994, wird ein Überblick über die Entwicklung von zeitstandfesten 9 bis 12 Gew. % Chrom enthaltenen CrMoV-Stählen gegeben. Diese Stähle finden hierbei in Dampfkraftanlagen, wie konventionel- len Dampfkraftwerken und nuklearen Kraftwerken Anwendung. Aus solchen Chromstählen hergestellte Bauteile sind beispielswei- se Turbinenwellen, Gehäuse, Bolzen, Turbinenschaufeln, Rohr- leitungen, Turbinenradscheiben und Druckgefäße. Einen weite- ren Überblick über die Entwicklung neuer Werkstoffe, insbe- sondere 9-12 Gew. % Chromstähle gibt der Artikel"Material de- velopment for high temperature-stressed components of turbo- machinesB von T.-U. Kern et al. in Stainless Steel World, Oct. 1998, S. 19-27.

Weitere Anwendungsbeispiele von Chromstählen mit 9 Gew. % bis 13 Gew. % Chrom sind beispielsweise in der US-PS 3,767,390 an- gegeben. Der hierin verwendete martensitische Stahl findet Anwendung bei Dampfturbinenschaufeln und den die Gehäusehälf- ten einer Dampfturbine zusammenhaltenden Bolzen.

In der EP 0 639 691 Al ist eine Trbinenwelle für eine Dampf- turbine angegeben, die 8 bis 13 Gew. % Chrom, 0,05 bis 0,3 Gew. % Kohlenstoff, kleiner 1 % Silizium, kleiner 1 % Mangan, kleiner 2 % Nickel, 0,1 bis 0,5 Gew. % Vanadium, 0,5 bis 5 Gew. % Wolfram, 0,025 bis 0,1 Gew. % Stickstoff bis 1,5 Gew. % Molybdän, sowie zwischen 0,03 bis 0,25 Gew. % Niob oder 0,03 bis 0,5 Gew. % Tantal oder kleiner 3 Gew. % Rhenium, kleiner 5 Gew. % Kobalt, kleiner 0,05 Gew. % Bor mit einer martensi- tischen Struktur aufweist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauteil, welches heißem Dampf aussetzbar ist, mit einem metallischen Grundkörper an-

zugeben, welches eine gegenüber dem metallischen Grundkörper erhöhte Oxidationsbeständigkeit aufweist. Eine weitere Aufga- be der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Schutzbeschichtung zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit des Grundwerkstoffes auf einem Bauteil anzugeben.

Erfindungsgemäß wird die auf ein Bauteil gerichtete Aufgabe dadurch gelöst, daß das Bauteil an dem Grundwerkstoff eine Schutzschicht aufweist, welche eine Dicke von unter 50 um be- sitzt und Aluminium aufweist.

Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, daß bei hohen Einsatztemperaturen eines Grundwerkstoffes, beispiels- weise in Dampfkraftwerken, neben einer erhöhten Zeitstand- festigkeit auch eine erhöhte Anforderung an die Oxidations- beständigkeit im Dampf erforderlich ist. Die Oxidation der Grundwerkstoffe nimmt hierbei mit steigender Temperatur zum Teil deutlich zu. Dieses Problem der Oxidation wird durch die Absenkung des Chromgehaltes in den zum Einsatz kommenden Stählen noch verschärft, da Chrom als Legierungselement einen positiven Einfluß auf die Zunderbeständigkeit besitzt. Mit einem geringeren Chromgehalt kann es somit zu einer Erhöhung der Zundergeschwindigkeit kommen. Beispielsweise kann es bei Dampferzeugerrohren durch dicke Oxidationsschichten auf der Dampfseite zu einer Verschlechterung des Wärmeübergangs vom metallischen Grundwerkstoff zum Dampf und damit zu einer Tem- peraturerhöhung der Rohrwand und zur Verminderung der Lebens- dauer der Dampferzeugerrohre kommen. Bei Dampfturbinen könnte es beispielsweise zum Festzundern von Schraubenverbindungen und Ventilen sowie einer Zusatzbeanspruchung durch Zunder- wachstum in Schaufelnuten oder durch Abplatzen von Zunder an Schaufelaustrittskanten zur Kerbspannungserhöhung kommen.

Aufgrund einer negativen Beeinflussung der mechanischen Ei- genschaften des Grundwerkstoffes scheidet die Möglichkeit, die Zunderbeständigkeit durch . nderung der Legierungszusam- mensetzung des Grundwerkstoffes durch zunderverminderte Ele-

mente wie Chrom, Aluminium und/oder Silizium in einer Erhöh- ten Konzentration aus. Mit der Erfindung hingegen, welche ei- ne dünne mit Aluminium angereicherte Zone des Grundwerkstof- fes aufweist, wird bereits eine Erhöhung der Oxidationsbe- ständigkeit des Grundwerkstoffes um bis zu über einer Größen- ordung erreicht. Weiterhin können hierdurch fertig bearbeite- te Bauteile problemlos geschützt werden, indem sie eine sol- che Oxidationsbeschichtung erhalten. Aufgrund der geringen Dicke der Schutzschicht findet auch keine negative Beein- flussung des Grundwerkstoffes in seinen mechanischen Eigen- schaften statt. Die Schutzschicht ist hierbei zu einem großen Teil, ggf. vollständig, durch die Diffusion von Aluminium in den Grundwerkstoff bzw. auch umgekehrt entstanden. Eine ent- sprechende Diffusion des Aluminiums in den Grundwerkstoff hinein und von Elementen des Grundwerkstoffes in eine Alumi- niumschicht hinein kann im Rahmen einer Wärmebehandlung un- terhalb der Anlaßtemperatur des Grundwerkstoffes stattfinden, so daß keine neue Wärmebehandlung des Bauteils erforderlich ist. Gegebenenfalls kann eine solche Diffusion auch beim Ein- satz des Bauteils bei den dort herrschenden Temperaturen er- folgen. Infolge der metallischen Bindung zwischen dem Alumi- nium und den Legierungselementen des Grundwerkstoffes wird eine hohe Haftfestigkeit erzielt. Zudem weist die Schutz- schicht eine hohe Härte auf, so daß ebenfalls eine hohe Ab- riebfestigkeit gegeben ist. Darüber hinaus kann eine beson- ders gleichmäßige Ausbildung der Schichtdicke der Schutz- schicht auch an wenig zugänglichen Stellen durch einfache Aufbringungsverfahren erreicht werden.

Die Dicke der Schutzschicht liegt hierbei vorzugsweise unter 20 Fm, insbesondere unter 10 pm. Sie kann vorzugsweise zwi- schen 5 bis 10 Am betragen.

Der Anteil von Aluminium beträgt in der Schutzschicht hierbei vorzugsweise über 50 Gew. %.

Die Schutzschicht weist vorzugsweise neben Aluminium auch Ei- sen und Chrom auf, diese können beispielsweise aus einem Grundwerkstoff in die Schutzschicht eindiffundiert sein oder mit einer aluminiumhaltigen Schicht auf den Grundwerkstoff aufgebracht worden sein. Weiterhin kann die Schutzschicht ne- ben Aluminium auch Silizium, insbesondere bis zu 20 Gew. %, aufweisen. Durch eine entsprechende Zumischung von Silizium können die Härte der Schutzschicht sowie andere mechanische Eigenschaften gezielt eingestellt werden.

Der Grundwerkstoff des Bauteils ist vorzugsweise ein Chrom- stahl. Dieser kann zwischen 0,5 Gew. % bis 2,5 Gew. % Chrom, sowie auch zwischen 8 Gew. % bis 12 Gew. % Chrom, insbesondere zwischen 9 Gew. % und etwa 10 Gew. Chrom, aufweisen. Neben Chrom kann ein solcher Chromstahl, Manqan zwischen 0,1 bis 1,0 vorzugsweise 0,45 Gew. %, aufweisen. Er kann ebenfalls Kohlenstoff zwischen 0,05 und 0,25 Gew. %, Silizium kleiner 0,6 Gew. %, vorzugsweise etwa C, 1 Gew. % ; Molybdän zwischen 0,5 bis 2 Gew. %, vorzugsweise etwa 1 Gew. % ; Nickel bis 1,5 Gew. %, vorzugsweise 0,74 Gew. % ; Vanadium zwischen 0,1 und 0,5 Gew. %, vorzugsweise etwa 0,18 Gew. % ; Wolfram zwischen 0,5 bis 2 Gew. %, vorzugsweise 0,8 Gew. % ; Niob bis 0,5 Gew. %, vorzugs- weise etwa 0,045 Gew. % ; Stickstoff kleiner 0,1 Gew. %, vor- zugsweise etwa 0,05 Gew. % sowie gegebenenfalls einen Zusatz von Bor kleiner 0,1 Gew. %, vorzugsweise etwa 0,05 Gew. %, auf- weisen.

Der Grundwerkstoff ist vorzugsweise martensitisch, oder fer- ritisch-martensitisch oder ferritisch.

Das die dünne Schutzschicht aufweisende Bauteil ist vorzugs- weise eine Komponente einer Dampfturbine oder eine Komponente eines Dampferzeugers, insbesondere ein Dampferzeugerrohr. Das Bauteil kann ein Schmiedeteil oder ein Gußteil sein. Ein Bau- teil einer Dampfturbine kann hierbei eine Turbinenschaufel, ein Ventil, eine Turbinenwelle, eine Radscheibe einer Turbi- nenwelle, ein Verbindungselement, wie eine Schraube, ein Bol-

zen, eine Mutter etc., eine Gehäusekomponente (Innengehäuse, Leitschaufelträger, Außengehäuse), eine Rohrleitung oder ähn- liches sein.

Die auf ein Verfahren zur Herstellung einer Schutzbeschich- tung zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit auf einem Bau- teil, welches heißem Dampf aussetzbar ist, gerichtete Aufgabe wird dadurch gelöst, daß auf einen metallischen Grundkörper, der einen Grundwerkstoff aufweist, eine unter 50 m dicke a- luminiumpigmenthaltige Schicht aufgebracht wird, und das Bau- teil auf einer Temperatur, die unterhalb der Anlaßtemperatur des Grundwerkstoffes liegt, gehalten wird, so daß eine Reak- tion des Aluminiums mit dem Grundwerkstoff zur Ausbildung ei- ner aluminiumenthaltenden Schutzschicht stattfindet.

Die aluminiumenthaltende Schicht wird hierbei vorzugsweise zur Durchführung der Diffusion auf einer Temperatur im Be- reich der Schmelztemperatur von Aluminium, insbesondere zwi- schen 650 °C und 720 °C gehalten. Die Temperatur kann auch niedriger liegen. Es kann gegebenenfalls auch die Diffusion während des Einsatzes des Bauteils in einer Dampfanlage bei der dann dort herrschenden Einsatztemperatur erfolgen.

Das Bauteil wird der entsprechenden Temperatur zur Durchfüh- rung der Reaktion mindestens 5 Min., vorzugsweise über 15 Min., gegebenenfalls auch einige Stunden lang, ausgesetzt.

Die das Aluminium enthaltende Schicht wird vorzugsweise mit einer Dicke, insbesondere mittleren Dicke, zwischen 5 Am und 30 p-m, insbesondere zwischen 10 pu und 20 Am aufgebracht.

Das Aufbringen der dünnen aluminiumpigmenthaltigen Schicht erfolgt beispielsweise durch einen anorganischen Hochtempera- turlack. Die Schicht kann mittels Aufsprühen aufgebracht wer- den, wodurch auch an wenig zuganglichen Stellen eine entspre- chende Schutzbeschichtung des Bauteils erreichbar ist. Eine Wärmebehandlung des Bauteils zur Durchführung der Reaktion zwischen Grundwerkstoff und Beschichtung, kann beispielsweise im Ofen oder auch durch andere geeignete Wärmequellen erfol-

gen. Nach Durchführung der Wärmebehandlung der aufgebrachten aluminiumpigmenthaltigen Schicht kann eine im wesentlichen geschlossene, ca. 5 bis 10 llm dicke Fe-A1-Cr-haltigen Schutz- schicht entstehen, also in Form einer intermetallischen Ver- bindung zwischen Aluminium und dem Grundwerkstoff. Durch Auf- bringen der Schicht auf einen Chromstahl wird eine wesentli- che Verbesserung des Zunderverhaltens des Grundwerkstoffes erreicht. Aufgrund eines hohen Aluminiumgehaltes, insbesonde- re von über 50 Gew. %, in der durch Reaktion der Aluminiumpig- mente mit dem Grundwerkstoff entstandenen Schutzschicht, ins- besondere eine Diffusionsschicht, ist die Oxidations- beständigkeit des Bauteils deutlich ernöht. Die so ent- standene Schutzschicht weist eine hohe Härte (Vickers-Härte HV) von beispielsweise etwa 1200 auf.

Das Aufbringen einer solchen dünnen aluminiumhaltigen Schicht kann alternativ auch durch einen angepaßten Tauchaluminie- rungsprozeß erfolgen. Die Änderung des Tauchaluminierungs- prozesses wird so durchgeführt, daß, entgegen der üblichen aluminiumhaltigen Schichtdicken von zwischen 20 und 400 ; jjm, eine entsprechende Verringerung der Schichtdicke erzielt wird. Durch das Schmelztauchverfahren hergestellte Aluminium- Schmelztauchschichten, bilden mit Eisen mehrere Phasen (Eta- Phase/Fe2Al5 ; Zeta-Phase/FeAl2, Teta-Phase/FeAl3). Bei dem herkömmlichen Schmelztauchen (Feueraluminieren) für einfache Stahlteile werden, entsprechend vorbehandelte, zu beschich- tende Bauteile in schmelzflüssigen Aluminium-oder Aluminium- legierungs-Bädern bei Temperaturen vom 650°C bis 800°C ge- taucht und nach einer Verweilzeit von 5 bis 60 Sek. wieder herausgezogen. Es bildet sich hierbei eine intermetallische Schutzschicht und eine darauf befindliche Aluminium-Deck- schicht. Diese mit herkömmlichem Feueraluminieren hergestell- ten Beschichtungen weisen allerdings die Gefahr auf, daß durch die aufliegende Aluminiumdeckschichten, Aluminium durch Dampfbeaufschlagung in den Wasserdampfkreislauf eingetragen wird, was unerwünschte Begleiterscheinungen wie schwer lösli- che Aluminiumsilikat-Ablagerungen hervorrufen konnte.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei- spiele werden das Verfahren sowie das die Schutzschicht auf- weisende Bauteil näher erläutert. Es zeigen teilweise schema- tisch und nicht maßstäblich : FIG 1 eine schematische Darstellung einer Dampfkraftanlage, FIG 2 einen schematischen Schnitt durch eine Dampfturbinenan- ordnung, und FIG 3 ein Schliffbild durch eine aluminiumhaltige Schutz- schicht.

FIG 1 zeigt eine Dampfkraftanlage 1 mit einer Dampfturbinen- anlage lb. Die Dampfturbinenanlage lb umfaßt eine Dampfturbi- ne 20 mit angekoppeltem Generator 22 und, in einem der Dampf- turbine 20 zugeordneten Wasser-Dampf-K~eislauf 24, einen der Dampfturbine 20 nachgeschalteten Kondensator 26 sowie einen Dampferzeuger 30. Der Dampferzeuger 30 ist als Abhitze-Durch- laufdampferzeuger ausgeführt und wird mit heißem Abgas einer Gasturbine la beaufschlagt. Der Dampferzeuger 30 kann alter- nativ auch als Kohle-, Öl-, Holz-etc. befeuerter Dampferzeu- ger ausgeführt sein. Der Dampferzeuger 30 weist eine Vielzahl von Rohren 27 auf, in denen der Dampf für die Dampfturbine 20 erzeugt wird und die eine Schutzschicht 82 (siehe Figur 3) zum Oxidationsschutz aufweisen können. Die Dampfturbine 20 besteht aus einer Hochdruckteil-Turbine 20a, einer Mittel- druckteil-Turbine 20b sowie einer Niederdruckteil-Turbine 20c, die über eine gemeinsame Welle 32 den Generator 22 an- treiben.

Die Gasturbine la umfaßt eine Turbine 2 mit angekoppeltem Luftverdichter 4 und eine der Turbine 2 vorgeschalteten Brennkammer 6, die an eine Frischluftleitung 8 des Luftver- dichters 4 angeschlossen ist. In die Brennkammer 6 der Turbi- ne 2 mündet eine Brennstoffleitung 10. Die Turbine 2 und der Luftverdichter 4 sowie ein Generator 12 sitzen auf einer ge- meinsamen Welle 14. Zum Zufuhren von in der Gasturbine 2 ent-

spanntem Arbeitsmittel AM oder Rauchgas ist eine Abgasleitung 34 an einen Eingang 30a des Durchlaufdampferzeugers 30 ange- schlossen. Das entspannte Arbeitsmittel AM (Heißgas) der Gas- turbine 2 verläßt den Durchlaufdampferzeuger 30 über dessen Ausgang 30b in Richtung auf einen nicht näher dargestellten Kamin.

Der der Dampfturbine 20 nachgeschaltete Kondensator 26 ist über eine Kondensatleitung 35, in die eine Kondensatpumpe 36 geschaltet ist, mit einem Speisewasserbehälter 38 verbunden.

Der Speisewasserbehälter 38 ist ausgangsseitig über eine Hauptspeisewasserleitung 40, in die eine Speisewasserpumpe 42 geschaltet ist, mit einem im Durchlaufdampferzeuger 30 ange- ordneten Economizer oder Hochdruckvorwärmer 44 verbunden. Der Hochdruckvorwärmer 44 ist ausgangsseitig an einen für einen Durchlaufbetrieb ausgelegten Verdampfer 46 angeschlossen. Der Verdampfer 46 ist seinerseits ausgangsseitig über eine Dampf- leitung 48, in die ein Wasserabscheider 50 geschaltet ist, an einen Überhitzer 52 angeschlossen. Mit anderen Worten : Der Wasserabscheider 50 ist zwischen den Verdampfer 46 und den Oberhitzer 52 geschaltet.

Der Oberhitzer 52 ist ausgangsseitig über eine Dampfleitung 53 mit dem Dampfeinlaß 54 des Hochdruckteils 20a der Dampf- turbine 20 verbunden. Der Dampfauslaß 56 des Hochdruckteils 20a der Dampfturbine 20 ist über einen Zwischenüberhitzer 58 an den Dampfeinlaß 60 des Mitteldruckteils 20b der Dampftur- bine 20 angeschlossen. Dessen Dampfauslaß 62 ist über eine Überströmleitung 64 mit dem Dampfeinlaß 66 des Niederdruck- teils 20c der Dampfturbine 20 verbunden. Der Dampfauslaß 68 der Niederdruckteils 20c der Dampfturbine 20 ist über eine Dampfleitung 70 an den Kondensator 26 angeschlossen, so daß ein geschlossener Wasser-Dampf-Kreislauf 24 entsteht.

An den zwischen den Verdampfer 46 und den Überhitzer 52 ge- schalteten Wasserabscheider 50 ist eine Absaugleitung 72 für abgeschiedenes Wasser W angeschlossen. Zusätzlich ist an den

Wasserabscheider 50 eine mit einem Ventil 73 absperrbare Ablaßleitung 74 angeschlossen. Die Absaugleitung 72 ist aus- gangsseitig mit einer Strahlpumpe 75 verbunden, die primär- seitig mit aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf 24 der Dampfturbine 20 entnommenem Medium beaufschlagbar ist. Die Strahlpumpe 75 ist dabei primärseitig ausgangsseitig ebenfalls an den Was- ser-Dampf-Kreislauf 24 angeschlossen. Die Strahlpumpe 75 ist in eine eingangsseitig mit der Dampfleitung 53 und somit mit dem Austritt des Uberhitzers 52 verbundene, über ein Ventil 76 absperrbare Dampfleitung 73 geschaltet. Die Dampfleitung 78 mündet ausgangsseitig in eine den Dampfauslaß 56 des Hoch- druckteils 20a der Dampfturbine 20 mit dem Zwischenüberhitzer 58 verbindende Dampfleitung 90. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist die Strahlpumpe 75 somit mit aus dem Wasser- Dampf-Kreislauf 24 entnommenem Dampf D als Treibmittel betreibbar. Je nach Anforderung können Komponenten der Dampf- kraftanlage lb mit einer aluminiumhaltigen Schutzschicht mit einer Dicke kleiner 50 am versehen sein (s. FIG 3).

In FIG 2 ist in einem schematischen Längsschnitt ein Aus- schnitt durch eine Dampfturbinenanlage mit einer sich entlang einer Rotationsachse 102 erstreckenden Turbinenwelle 101 dar- gestellt. Die Turbinenwelle 101 ist aus zwei Teilturbinenwel- len lOla und lOlb zusammengesetzt, die im Bereich des Lagers 129b fest miteinander verbunden sind. Die Dampfturbinenanlage weist eine Hochdruck-Teilturbine 123 und eine Mitteldruck- Teilturbine 125 mit jeweils einem Innengehäuse 121 und einem dieses umschließenden Außengehause 122 auf. Die Hochdruck- Teilturbine 123 ist in Topfbauart ausgeführt. Die Mittel- druck-Teilturbine 125 ist zweiflutig ausgeführt. Es ist eben- falls möglich, daß die Mitteldruck-Teilturbine 125 einflutig ausgeführt ist. Entlang der Rotationsachse 102 ist zwischen der Hochdruck-Teilturbine 123 und der Mitteldruck-Teilturbine 125 ein Lager 129b angeordnet, wobei die Turbinenwelle 101 in dem Lager 129b einen Lagerbereich 132 aufweist. Die Turbinen- welle 101 ist auf einem weiteren Lager 129a neben der Hoch- druck-Teilturbine 123 aufgelagert. Im Bereich dieses Lagers

129a weist die Hochdruck-Teilturbine 123 eine Wellendichtung 124 auf. Die Turbinenwelle 101 ist gegenüber dem Außengehäuse 122 der Mitteldruck-Teilturbine 125 durch zwei weitere Wel- lendichtungen 124 abgedichtet. Zwischen einem Hochdruck- Dampfeinströmbereich 127 und einem Dampfaustrittsbereich 116 weist die Turbinenwelle 101 in der Hochdruck-Teilturbine 123 Laufschaufeln 113 auf. Axial in Strömungsrichtung des Dampfes ist jeder Reihe aus Laufschaufeln 113, eine Reihe aus Leit- schaufeln 130 vorgeschaltet. Die Mitteldruck-Teilturbine 125 weist einen zentralen Dampfeinströmbereich 115 auf. Dem Dampfeinströmbereich 115 zugeordnet, weist die Turbinenwelle 101 eine radialsymmetrische Wellenabschirmung 109, eine Ab- deckplatte, auf, welche einerseits zur Teilung des Dampfstro- mes in die beiden Fluten der Mitteldruck-Teilturbine 125 so- wie andererseits zur Verhinderung eines direkten Kontaktes des heißen Dampfes mit der Turbinenwelle 101 dient. Die Tur- binenwelle 101 weist in der MitteldrucK-Teilturbine 125 Mit- teldruck-Leitschaufeln 131 und Mitteldruck-Laufschaufeln 114 auf. Der aus der Mitteldruck-Teilturbine 125 aus einem Ab- strömstutzen 126 ausströmende Dampf gelangt zu einer dieser strömungstechnisch nachgeschalteten, nicht dargestellten Nie- derdruck-Teilturbine.

FIG 3 zeigt einen Ausschnitt eines Längsschnitts durch einen oberflächennahen Bereich eines Bauteils 80, einer Komponente einer Dampfturbinenanlage, wie beispielsweise einem Dampfer- zeugerrohr 27, einer Turbinenwelle 101, einem Turbinenaußen- gehäuse 122, einem Innengehäuse 121 (Leitschaufelträger), ei- ner Wellenabschirmung 109, einem Ventil oder ähnlichem. Das Bauteil 80 weist einen Grundwerkstoff 81, beispielsweise ei- nen Chromstahl mit 9 bis 12 Gew. % Chrom sowie ggf. weiteren Legierungselementen, wie Molybdän, Vanadium, Kohlenstoff, Si- lizium, Wolfram, Mangan, Niob und einem Rest aus Eisen auf.

Der Grundwerkstoff 81 geht in eine Schutzschicht 82 über, die Aluminium bis zu über 50 Gew. % aufweist. Die mittlere Dicke D der Schutzschicht 82 beträgt etwa 10 pm. Der gezeigte Aus- schnitt ist eine tausendfache mikroskopische Vergrößerung.

Der Grundwerkstoff 81 weist hierbei eine Vickers-Härte von etwa 300 und die Schutzschicht eine Vickers-Härte von etwa 1200 auf. Durch die Schutzschicht 82 wird die Oxidationsbe- ständigkeit und somit die Zunderfestigkeit des Bauteils 80, auch bei hohen Dampftemperaturen von bis zu über 650° C, deutlich erhöht, was die Lebensdauer des Bauteils 80 beim Einsatz in einer Dampfturbinenanlage bzw. dem Einsatz bei Dampfbeaufschlagung mit über 600° C deutlich erhöht. Die me- tallische Schutzschicht 82 bildet dabe zugleich die äußere Oberfläche (Deckschicht) des die Schutzschicht 82 aufweisen- den Bauteils 80. Die äußere Oberfläche der Schutzschicht 82 ist im Betrieb der Dampfturbinenanlage mit heißem Dampf be- aufschlagt.