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Patent Searching and Data


Title:
OXIDATION PROTECTION FOR MAX PHASES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/192800
Kind Code:
A1
Abstract:
An improved oxidation protection for the use at high temperatures is ensured by a corresponding coating, in particular on the basis of aluminum of a product of a MAX phase.

Inventors:
KOHLHOFF, Eike (Fregestr. 50a, Berlin, 12161, DE)
BURBAUM, Bernd (Jenaer Str. 23, Falkensee, 14612, DE)
FLORES RENTERIA, Arturo (Dickhardtstraße 27, Berlin, 12161, DE)
MAIZ, Khaled (Christioph-Friedrich-Weg 16, Potsdam, 14476, DE)
NEDDEMEYER, Torsten (Jenaer Straße 20, Falkensee, 14612, DE)
ROSENBERG, Michael (Bürgerstraße 75, Dresden, 01127, DE)
STÖHR, Britta (Philippistr. 14, Berlin, 14059, DE)
Application Number:
EP2019/055827
Publication Date:
October 10, 2019
Filing Date:
March 08, 2019
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
C23C10/38; C04B41/85; C23C10/44; C23C10/48; F01D5/28
Foreign References:
EP3138829A12017-03-08
US20130052438A12013-02-28
DE102016215556A12018-02-22
US3443978A1969-05-13
Other References:
SMIALEK JAMES L: "Oxidation of Al2O3Scale-Forming MAX Phases in Turbine Environments", METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A: PHYSICAL METALLURGY & MATERIALS SCIENCE, ASM INTERNATIONAL, MATERIALS PARK, OH, US, vol. 49, no. 3, 12 October 2017 (2017-10-12), pages 782 - 792, XP036422722, ISSN: 1073-5623, [retrieved on 20171012], DOI: 10.1007/S11661-017-4346-9
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Claims:
Patentansprüche

1. Komponente,

aufweisend eine MAX-Phase,

zumindest als Matrix,

insbesondere bestehend aus zumindest einer MAX-Phase, ganz insbesondere bestehend aus nur einer MAX-Phase, die einen Oxidationsschutz auf der Basis einer Diffusions beschichtung in der Oberfläche der Komponente aufweist.

2. Verfahren zur Herstellung einer Komponente,

zumindest aufweisend zumindest eine MAX-Phase,

insbesondere bestehend aus zumindest einer MAX-Phase, ganz insbesondere bestehend aus nur einer MAX-Phase, bei dem die Komponente eine Diffusionsbeschichtung erhält, insbesondere alitiert, chromiert und/oder siliziert wird, insbesondere bei dem ein Pulverpackverfahren zur Beschich tung benutzt wird.

3. Komponente oder Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

die eine oder bei dem eine Diffusionsbeschichtung aus Alu minium (Al), Silizium (Si) und/oder Chrom (Cr) aufweist oder erzeugt wird.

4. Komponente oder Verfahren nach einem oder zwei der An sprüche 1, 2 oder 3,

bei dem die MAX-Phase Nb-Al-C aufweist,

insbesondere daraus besteht.

Description:
Oxidationsschutz für MAX-Phasen

Die Erfindung betrifft einen Oxidationsschutz für MAX-Phasen.

Im Wettlauf um stetig steigende Turbineneintrittstemperaturen (TIT) sind die Möglichkeiten konventioneller Schaufelkonzepte (Nickelbasislegierung + Anbindungsschicht + keramische

Schutzschicht (TBC)) mittlerweile weitgehend ausgeschöpft. Um einen weiteren Anstieg der TIT und damit der Gesamtanlagen effizienz realisieren zu können, müssen neuartige Schaufel konzepte und Hochtemperaturwerkstoffe untersucht werden. Auch eine Kühlung setzt enge Grenzen: abgesehen von der Schaufel spitze, muss der Grundwerkstoff aktuell auf Temperaturen ge kühlt werden, damit die Nickelbasislegierung über eine aus reichende Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit verfügt. Zu lässige Temperaturen >1273K würden dagegen eine deutliche Re duktion des Kühlluftmassenstroms erlauben und damit den Wir kungsgrad der Turbine steigern.

Die durch konventionelle Konzepte limitierte TIT wird derzeit in Kauf genommen in Verbindung mit effizienten Kühlkonzepten. Eine CMC Entwicklung soll die benötigte Kühlluft reduzieren, ist jedoch begrenzt auf 1473K bei der OX-OX Variante (Oxid- Matrix + Oxid-Fasern) , bei einer geringen Matrixfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit.

Aus diesem Grund werden MAX-Phasen als neuartige Werkstoffe für Turbinenkomponenten eingeführt. Während einige MAX-Phasen gute Oxidationseigenschaften besitzen, sind beispielsweise MAX-Phasen aus dem Nb-Al-C-System sehr anfällig für Oxida tion. So ist NbAlC nur bis 1196K für den dauerhaften Einsatz an Luft geeignet, für NbAlC liegen die Einsatztemperaturen an Luft sogar noch darunter. Gleichzeitig verfügen die ge nannten MAX-Phasen aber über hervorragende mechanische Hoch temperatureigenschaften: die Biegefestigkeit von NbAlC fällt auch bei 1673K nicht ab und das E-Modul verringert sich nur um 16% gegenüber des Raumtemperatur-Werts (bei 1853K um 21%) . Der Einsatz von MAX-Phasen als Hochtemperaturwerkstoff in der Turbine ist demnach vielversprechend, erfordert jedoch insbesondere im Nb-Al-C System einen effektiven Oxidations schutz .

Aktuell konzentrieren sich Untersuchungen vor allem auf MAX- Phasen, wie Ti2AlC oder Cr2AlC, die Al203-Deckschichten bilden und damit von Natur aus gute Oxidationseigenschaften aufwei sen. Eine technische Lösung für die Verbesserung der Oxidati onsbeständigkeit von Turbinenkomponenten aus MAX-Phasen ge hört bislang nicht zum Stand der Technik.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, oben genanntes Problem zu lösen .

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Komponente aus einer MAX- Phase gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 2.

Die Idee sieht vor, die Oxidationsbeständigkeit von MAX-Pha- sen-haltigen Komponenten wie Turbinenschaufeln oder Brenner bauteilen durch eine Diffusionsbeschichtung, insbesondere mittels einer Pulver-Packbeschichtung zu verbessern. Bei der Pulver-Packbeschichtung handelt sich um ein Diffusionsbe schichtungsverfahren der Innen- und Außenbeschichtung zum Schutz vor Heißgaskorrosion und Hochtemperaturoxidation. Da bei befinden sich die zu beschichtenden Bauteile zusammen mit einer Pulvermixtur in einer Retorte. Die zur Bauteilbeschich tung notwendigen Reaktionsgase bilden sich unter Temperatur einfluss in der Pulvermixtur und lassen auf der Bauteilober fläche die Diffusionsschicht entstehen. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die Oxidationsbeständigkeit einer Probe aus Nb4AlC3 insbesondere durch eine Pulver-Packbeschichtung mit Silizium, deutlich verbessern ließ. Der Prozess läuft vorzugsweise so:

Prozesstemperatur bei 1473K für 6 h bei einer Heizrate von 8K/min. Die Pulvermischung der "Packung" besteht aus 16 Gew.- % Si (99%, 400 mesh) , 4 Gew.-% NaF, und 80 Gew.-% AI2O3, wo bei Silizium (Si) Pulver als Silizium Quelle dient und NaF als Aktivierungsmaterial sowie AI2O3 als Füllmaterial.

Während die monolithischen Nb4AlC3-Proben sehr schlechte Oxi dationseigenschaften auch bei niedrigeren Temperaturen <873K aufwiesen, zeigten die siliziumbeschichteten Proben eine deutlich verbesserte Oxidationsbeständigkeit bis 1473K auf grund der Bildung einer schützenden Al203-Deckschicht bei hohen Temperaturen.

Angesichts dieser Forschungsergebnisse soll die Silizium-Pul ver-Packbeschichtung für MAX-Phasen-Turbinenkomponenten, ins besondere des Nb-Al-C-Systems , angewendet werden, um diese Komponenten mit einem ausreichenden Oxidationsschutz zu ver sehen und sie dadurch im Heißgaspfad der Turbine einsetzen zu können. Da die zahlreichen MAX-Phasen über unterschiedliche Oxidationseigenschaften verfügen, muss daneben auch die Pul ver-Packbeschichtung mit Aluminium oder Chrom betrachtet wer den. So kann die unterschiedliche chemische Zusammensetzung der einzelnen MAX-Phasen berücksichtigt werden und sich mit tels einer angepassten Pulver-Packbeschichtung mit Silizium (Si) , Aluminium (Al) und/oder Chrom (Cr) oder gemischten Pul vern individuell optimierte Heißgaskorrosions- und Hochtempe raturoxidationseigenschaften erreichen lassen.

Es wird ein Materialsystem vorgeschlagen für Heißgaskomponen ten mit Nb-Al-C als Grundwerkstoff. Als Oxidationsschutz-Be schichtung eignet sich insbesondere eine Alitierung. Das Alu minium (Al) bildet zusammen mit dem Nb-Al-C Grundmaterial eine schützende AI2O3 Deckschicht auf/in der Oberfläche der MAX-Phase bzw. Komponente. Zusammen mit einer TBC kann das Materialsystem höheren Temperaturen standhalten bei einem effektiven Oxidationsschutz. Aufgrund der guten Übereinstim mung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten für die einzel- nen Schichten ergeben sich höhere Lebensdauern für das Mate rialsystem.