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Patent Searching and Data


Title:
CONTOUR-FOLLOWING PROTECTIVE COATING FOR COMPRESSOR COMPONENTS OF GAS TURBINES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/005460
Kind Code:
A1
Abstract:
Disclosed is a coating system for a substrate, said system comprising a first, second and third layer. In said system, the first layer is designed as an adhesion promoter layer, the second layer is a ductile metal layer with a columnar structure and the uppermost, third layer is a ceramic oxide layer with a high hardness value. The substrate is ideally an element of a compressor component of a stationary gas turbine. Also disclosed is a method for producing the coating system.

Inventors:
ANNEN MICHAEL (DE)
BARNIKEL JOCHEN (DE)
FLORES RENTERIA ARTURO (DE)
GHICOV ANDREI (DE)
HESSEL SASCHA (DE)
NEDDEMEYER TORSTEN (DE)
RAMM JÜRGEN (CH)
Application Number:
EP2016/063557
Publication Date:
January 12, 2017
Filing Date:
June 14, 2016
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (80333, DE)
OERLIKON SURFACE SOLUTIONS AG PFÄFFIKON (9477, CH)
International Classes:
C23C28/00; C23C14/14; C23C14/16; C23C14/34; F01D5/28
Domestic Patent References:
WO2010094256A12010-08-26
WO2010012701A12010-02-04
Foreign References:
DE102010028558A12011-11-10
EP2754733A12014-07-16
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (80506, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Beschichtungssystem (1) für ein korrosiv beanspruchtes Substrat (2) mit einer Oberfläche (2a), mindestens umfas¬ send eine erste (3), zweite (4) und dritte Schicht (5), be der

- die zwischen der Oberfläche des Substrats (2a) und der zweiten Schicht (4) angeordnete erste Schicht (3) als Haftvermittlerschicht ausgebildet ist,

- die zweite Schicht (4) eine duktile metallische Schicht mit einer Kolumnarstruktur ist, und

- die auf der vom Substrat (2) weggewandten Seite der zweiten Schicht angeordnete dritte Schicht (5) eine ke¬ ramische Oxidschicht mit einer Härte von mindestens 20 GPa ist.

2. Beschichtungssystem (1) nach Anspruch 1,

bei dem die erste Schicht (3) Chrom oder Chromnitrid auf¬ weist.

3. Beschichtungssystem (1) nach Anspruch 1 oder 2,

bei dem die Kolumnarstruktur der zweiten Schicht (4) aus einer Aluminium-haltigen Legierung besteht.

4. Beschichtungssystem (1) nach einem der vorherigen

Ansprüche,

bei dem die dritte Schicht (5) Aluminiumoxid und/oder

Chromoxid und / oder ein Aluminium-Chrom-Oxid in Mischkris- tallstruktur aufweist.

5. Beschichtungssystem (1) nach einem der vorherigen

Ansprüche,

bei dem die Härte der dritten Schicht (5) etwa 25 GPa be¬ trägt .

6. Beschichtungssystem (1) nach einem der vorherigen

Ansprüche,

bei dem das Substrat (2) ein Bestandteil eines

Verdichterbauteils einer Gasturbine ist.

7. Beschichtungssystem (1) nach Anspruch 6,

bei dem das Substrat (2) Bestandteil eines

Verdichterbauteils einer stationären Gasturbine ist.

8. Verdichterbauteil einer Gasturbine mit einem Beschich¬ tungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

9. Verfahren zum Herstellen eines Beschichtungssystems für ein korrosiv beanspruchtes Substrat,

umfassend drei Schichten gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Material aller Schichten durch physikalische Gas- phasenabscheidung aufgetragen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9,

wobei das Material der Schichten durch kathodische Funken¬ verdampfung und / oder durch Sputtern aufgetragen wird.

Description:
Konturtreue Schutzschicht für Verdichterbauteile

von Gasturbinen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mehrschichtiges Be- schichtungssystem für ein korrosiv beanspruchtes Substrat.

Bauteile von Gasturbinen sind einem Korrosionsmedium ausgesetzt. Zum Schutz dieser Bauteile vor Korrosion werden Be- schichtungen aufgebracht. So wird für Verdichterbauteile von Gasturbinen, besonders von stationären Gasturbinen, ein Aluminiumpartikel-haltiger Hochtemperaturlack eingesetzt. Be- schichtungen dieser Art weisen jedoch eine geringe Integralhärte auf (ca. 50 HV) . Dadurch ist auch die Erosionsbeständigkeit (z.B. gegen Partikelerosion oder Tropfenschlag- erosion) relativ niedrig. Die geringe Integralhärte ist vor allem auf die weichen Aluminium-Partikel in der Beschichtung zurückzuführen. Die Bauteile müssen wegen der niedrigen Erosionsbeständigkeit nach bestimmten Zeitintervallen auf Erosion untersucht und, falls erforderlich, entschichtet, ge- prüft und mit der gleichen Beschichtung neubeschichtet wer ¬ den. Dieses Vorgehen ist zeitaufwändig und arbeitsintensiv. Es besteht darum die Aufgabe, die Erosionsbeständigkeit von Bauteilen von Gasturbinen zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch ein Beschichtungssystem mit den

Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Aus ¬ führungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen. Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Beschichtungs ¬ system für ein korrosiv beanspruchtes Substrat mit einer Oberfläche, mindestens umfassend eine erste, zweite und dritte Schicht, bei der

- die zwischen der Oberfläche des Substrats und der zweiten Schicht angeordnete erste Schicht als Haft ¬ vermittlerschicht ausgebildet ist, - die zweite Schicht eine duktile metallische Schicht mit einer Kolumnarstruktur ist, und

- die auf der vom Substrat weggewandten Seite der zwei- ten Schicht angeordnete dritte Schicht eine kerami ¬ sche Oxidschicht mit einer Härte von mindestens 20 GPa ist.

Das erfindungsgemäße Beschichtungssystem ist vorteilhaft, weil es verglichen mit herkömmlichen Beschichtungen weniger wartungsanfällig ist und die Wartungs- und Reparaturinter ¬ valle großzügiger gewählt werden können. Dadurch ist das System ökonomisch effektiver, da weniger Kosten und weniger Zeit für seine Wartung aufgewendet werden müssen. Neben einer er- höhten Erosionsbeständigkeit weist die erfindungsgemäße Be- schichtung mindestens ähnliche Schwingungsrisskorrosions- eigenschaften auf wie ein Aluminiumpartikel-haltiger Hochtemperaturlack . Die Härteangabe in der Einheit GPa bezieht sich auf den

Druck, den die Beschichtung dem Eindringen eines Gegenstands entgegensetzen kann.

Die Ausbildung der ersten Schicht als Haftvermittlerschicht sorgt für eine höhere Haftung zwischen Grundwerkstoff und der zweiten Schicht des Beschichtungssystems. Bevorzugt weist die erste Schicht des Beschichtungssystems Chrom oder Chromnitrid auf . Die zweite Schicht schützt das Substrat vorteilhaft katho ¬ disch durch seine Funktion als Opferanode. Die Duktilität der zweiten Schicht dient vorteilhaft zum Abfangen von Dehnungen bei schwingender Belastung, ohne dass Risse in der Schicht auftreten. Die Kolumnarstruktur der zweiten Schicht dient vorteilhaft zum Ausgleich von Eigenspannungen, die durch die dritte Schicht verursacht werden. Bevorzugt besteht die Ko ¬ lumnarstruktur der zweiten Schicht aus einer Aluminium- haltigen Legierung, z.B. einer Legierung umfassend Aluminium und Chrom.

Die dritte Schicht des erfindungsgemäßen Beschichtungssystems weist vorzugsweise Aluminiumoxid und / oder Chromoxid und / oder ein Aluminium-Chrom-Oxid in Mischkristallstruktur auf. Sie kann auch vollständig aus diesen Oxiden bestehen. Durch die Oxide ist die dritte Schicht beständig gegen Oxidation, da sie bereits aus mindestens einem Oxid besteht und damit bei hohen Temperaturen eingesetzt werden kann. Die dritte Schicht hat eine sehr dichte Struktur. Die dritte Schicht wirkt u.a. vorteilhaft als Korrosionsschutz für die zweite Schicht. Weiterhin wirkt die dritte Schicht auf Grund ihrer keramischen Beschaffenheit isolierend, wodurch vorteilhaft galvanische Effekte unterbunden werden. Weiterhin ist die dritte Schicht wesentlich härter als der Grundwerkstoff und wirkt deshalb für die darunter liegenden Lagen und den Grundwerkstoff vorteilhaft als Schutz gegen Erosion, besonders ge ¬ gen Tropfenschlag- und Partikelerosion. Vorzugsweise beträgt die Härte der dritten Schicht etwa 25 GPa.

Bevorzugt ist das Substrat, auf dem die drei Schichten aufge ¬ tragen werden, ein Bestandteil eines Verdichterbauteils einer Gasturbine. Besonders bevorzugt ist das Substrat ein Bestand- teil eines Verdichterbauteils einer stationären Gasturbine.

Das Verdichterbauteil kann z.B. eine Verdichterschaufel sein.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein

Verdichterbauteil einer Gasturbine mit einem erfindungsgemä- ßen Beschichtungssystem. Mit anderen Worten umfasst das erfindungsgemäße Verdichterbauteil einer Gasturbine ein Be ¬ schichtungssystem für ein korrosiv beanspruchtes Substrat mit einer Oberfläche, mindestens umfassend eine erste, zweite und dritte Schicht, bei der die zwischen der Oberfläche des Sub- strats und der zweiten Schicht angeordnete erste Schicht als Haftvermittlerschicht ausgebildet ist, die zweite Schicht eine duktile metallische Schicht mit einer Kolumnarstruktur ist, und die auf der vom Substrat weggewandten Seite der zweiten Schicht angeordnete dritte Schicht eine keramische Oxidschicht mit einer Härte von mindestens 20 GPa ist. Vor ¬ zugsweise ist die Gasturbine dabei eine stationäre Gastur ¬ bine .

Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Beschichtungssystems für ein korrosiv beanspruchtes Substrat, umfassend drei Schichten entsprechend des erfindungsgemäßen Beschichtungssystems, wobei das Material aller Schichten durch physikalische Gasphasenabscheidung

(physical vapour deposition , PVD) aufgetragen wird. Das Verfahren ist vorteilhaft, weil eine Wärmebehandlung, die beim Auftragen herkömmlicher Schichten durchgeführt werden muss, nicht erforderlich ist. Weiterhin weisen durch PVD aufgetra- gene Schichten eine vorteilhafte Oberflächenrauigkeit auf, die gute aerodynamische Eigenschaften bewirkt. Weiterhin ist das PVD Verfahren zum Beschichten vorteilhaft, weil die Dicke der Schicht bis zu 10 ym betragen kann und somit beschichtete Bauteile konturgetreu nachgebildet werden können, d.h. keine zusätzlichen Maskierungen notwendig sind.

Vorzugsweise werden die Schichten des Beschichtungssystems durch kathodische Funkenverdampfung und / oder durch Sputtern aufgetragen. Mit anderen Worten können die Schichten durch eines der genannten Verfahren oder durch eine Kombination beider Verfahren aufgetragen werden.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine Ausführungsform eines Beschichtungssystems.

Figur 2 ein elektronenmikroskopisches Bild der Ausführungs ¬ form gemäß Figur 1.

Figur 3 ein Fließdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens . In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform weist das Be- schichtungssystem 1 ein Substrat 2 mit einer Oberfläche 2a, einer ersten Schicht 3, einer zweiten Schicht 4 und einer dritten Schicht 5 auf. Das Substrat 2 weist mindestens ein Metall auf und kann eine Metalllegierung sein. Unter korrosiven Bedingungen kann das Substrat 2 anfällig für Korrosion sein .

Die erste Schicht 3 ist auf der Oberfläche 2a angeordnet und weist eine Dicke von etwa 100 nm auf. Sie besteht bevorzugt aus Chrom oder Chromnitrid, kann in ihrer Eigenschaft als Haftvermittlerschicht aber auch andere Metalle bzw. eine an ¬ dere Zusammensetzung aufweisen, z.B. vom Typ MCrAlY. Die zweite Schicht 4 ist auf der ersten Schicht 3 angeordnet und weist eine Dicke im Bereich von 0,5 - 5,0 ym, bevorzugt von 1,0 - 3,0 ym auf. Die zweite Schicht 4 ist eine duktile metallische Schicht mit einer Kolumnarstruktur aus einer Alu ¬ miniumlegierung. Beispielhaft besteht die zweite Schicht 4 aus einer Aluminium und Chrom aufweisenden Legierung; alternativ kann die Legierung aber auch weitere oder andere Metalle als Chrom enthalten.

Die dritte Schicht 5 ist auf der zweiten Schicht 4 angeordnet und weist eine Dicke im Bereich von 0,5 - 10,0 ym, bevorzugt von 1,0 - 5,0 ym auf. Die dritte Schicht 5 ist eine harte ke ¬ ramische Oxidschicht mit einer sehr dichten Struktur. Das Ma ¬ terial der dritten Schicht 5 ist eine Mischung aus Chrom- und Aluminiumoxid, bevorzugt aus einer Mischkristallverbindung aus Aluminium-Chrom-Oxid und zusätzlichen Al-Cr-intermetalli- schen Verbindungen. Es können auch weitere Oxide und andere Verbindungen oder Elemente in der dritten Schicht 5 vorhanden sein. Die dritte Lage 5 ist beständig gegen Korrosion, da sie bereits aus Oxiden besteht. Dadurch schützt die dritte

Schicht 5 das Substrat 2 und die anderen Schichten gegen Kor ¬ rosion. Die keramischen Bestandteile verleihen der dritten Schicht 5 eine große Härte, die typischerweise bei bis zu 25 GPa liegt. Die dritte Schicht 5 ist damit wesentlich härter als das Substrat 2 und die anderen Schichten. Die große Härte wird effektiv gegen Erosion, besonders gegen Tropfenschlag- und Partikelerosion. Die Dicke des Beschichtungssystems kann insgesamt bis zu 20 ym betragen. Dabei können die einzelnen Schichten, besonders die zweite 4 und die dritte Schicht 5, auch eine höhere Dicke aufweisen als oben angegeben. Die in Fig. 2 gezeigte Einbettmasse 6 ist für metallographische Untersuchungen auf der dritten Schicht 5 aufgetragen. Die Einbettschicht weist anor ¬ ganische Oxide auf. Figur 2 ist eine Abbildung einer raster- elektronenmikroskopischen Aufnahme eines Beschichtungssystems 1, in der die erste Schicht 3 wegen ihrer geringen Dicke kaum wahrnehmbar ist.

Das Substrat 2 gehört bevorzugt zu einem Verdichterbauteil, bevorzugt zu einer Verdichterschaufel einer stationären Gas ¬ turbine. Es kann jedoch auch zu einem anderen Bauteil bzw. Komponente einer stationären Gasturbine oder einer anderen Gasturbine gehören.

Zum Herstellen des beschriebenen Beschichtungssystems 1 wird in einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Darstellung von Fig. 3 in einem ersten Schritt Sl ein Substrat 2 mit einer Oberfläche 2a bereitgestellt. In einem zweiten Schritt S2 wird das Material der ersten Schicht 3 durch physikalische Gasphasenabscheidung (physical vapor deposition , PVD) aufgetragen. In einem dritten Schritt S3 wird das Material der zweiten Schicht 4 ebenfalls durch PVD aufgetragen. In einem vierten Schritt S4 wird das Material der dritten Schicht 5 ebenfalls durch PVD aufgetragen.

Dabei wird als bevorzugte Methode der PVD eine kathodische Funkenverdampfung durchgeführt. Eine ebenfalls bevorzugte Me- thode ist Sputtern. Es ist ebenfalls bevorzugt, wenn die bei ¬ den Methoden miteinander kombiniert werden. Weitere mögliche anwendbare Methoden, die alternativ und / oder in Kombination mit den oben genannten Methoden verwendet werden können, sind thermisches Verdampfen, Elektronenstrahlverdampfen, Laserstrahlverdampfen oder Lichtbogenverdampfen.

Für einen Fachmann naheliegenden Abwandlungen und Änderungen der Erfindung fallen unter den Schutzumfang der Patentansprüche .