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WO2018184782A1 - Max-phasen als beschichtung, bauteil und verwendung - Google Patents

Max-phasen als beschichtung, bauteil und verwendung Download PDF

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WO2018184782A1
WO2018184782A1 PCT/EP2018/055440 EP2018055440W WO2018184782A1 WO 2018184782 A1 WO2018184782 A1 WO 2018184782A1 EP 2018055440 W EP2018055440 W EP 2018055440W WO 2018184782 A1 WO2018184782 A1 WO 2018184782A1
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layer
alc
component
coating
max phases
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PCT/EP2018/055440
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English (en)
French (fr)
Inventor
Nikolai Arjakine
Bernd Burbaum
Arturo Flores Renteria
Jacek Grodzki
Robert Herfurth
Matthias Jungbluth
Eike Kohlhoff
Thomas Lorenz
Khaled Maiz
Tobias MEIS
Torsten Neddemeyer
Werner Stamm
Britta Stöhr
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C30/00Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
    • C23C30/005Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process on hard metal substrates
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12Blades
    • F01D5/28Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288Protective coatings for blades
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00Manufacture
    • F05D2230/90Coating; Surface treatment
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00Materials; Properties thereof
    • F05D2300/10Metals, alloys or intermetallic compounds
    • F05D2300/17Alloys
    • F05D2300/175Superalloys
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/611Coating

Definitions

  • the invention relates to MAX phases as a coating, a component and a use of such components.
  • Components in high-temperature use and / or corrosive environments are often provided with protective coatings.
  • protective coatings For turbine components such as steam turbines or gas turbines, the corrosion and erosion protection layers are.
  • NiCoCrAlY coatings which contain both chromium (Cr) and aluminum (AI) as a reservoir for the formation of oxide layers, so-called thermally grown layers (TGO).
  • these protective layers may not be sufficient if, for. B. these layers as
  • the object is achieved by a layer according to claim 1, a component according to claim 4 and a use according to claim 7.
  • FIG. 1 shows a layer system 1 as an exemplary component 1 and FIG. 2 shows a list of superalloys.
  • a layer 7 of a MAX phase is applied (FIG. 1).
  • MAX phases have hexagonal carbides or nitrides with the general formula M m + i A n where n can be between 1 and 3.
  • M is an early transition metal such as scandium, titanium, vanadium, chromium, zirconium, niobium, molybdenum, hafnium and / or tantalum.
  • A is an A group metal, which is mostly purple and IVa or group 13 and 14 elements such as aluminum, silicon, phosphorus, sulfur, gallium, germanium, arsenic, cadmium, indium, tin, tellurium, lead and X. Carbon or nitrogen.
  • the MAX phases Cr 2 AlC, Mo 2 AlC, Zr 2 AlC, Nb 2 AlC, Ti 3 SiC 2 , Ti 3 AlC 2 , Ti 3 AlC are used.
  • Such layers 7 can be used in particular as overlay layers, i. H. the layer forms the outermost one
  • Layer of a coated component This may also be the third or fourth stage of turbine blades of a gas turbine, or at all turbine stages or foremost turbine stages of a steam turbine.
  • these coatings are advantageously used in the first or second row, since there is no TBC used and the layer of the MAX phase represents the outermost layer and the oxidation / corrosion is particularly strong.
  • TBC ceramic thermal barrier coating
  • the substrates 4 preferably have nickel- and / or cobalt-based superalloys, in particular as listed in FIG.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Durch die Verwendung von MAX-Phasen wird ein großes Reservoir an Aluminium oder Chrom zur Bildung von Oxidationsschutzschichten zur Verfügung gestellt.

Description

MAX-Phasen als Beschichtung, Bauteil und Verwendung
Die Erfindung betrifft MAX-Phasen als Beschichtung, ein Bau- teil und eine Verwendung von solchen Bauteilen.
Bauteile im Hochtemperatureinsatz und/oder korrosiver Umgebung werden oft mit Schutzschichten versehen. Bei Turbinenbauteilen wie bei Dampfturbinen oder Gasturbinen sind das Korrosions- und Erosionsschutzschichten.
Bei Gasturbinen ist diese Schutzfunktion insbesondere ein Oxidationsschutz . Dabei werden NiCoCrAlY-Beschichtungen ver- wendet, die sowohl Chrom (Cr) als auch Aluminium (AI) als Reservoir zur Bildung von Oxidschichten, sogenannten thermisch gewachsenen Schichten (TGO) , aufweisen.
In bestimmten Fällen kann der Aluminiumgehalt dieser Schutz - schichten nicht ausreichen, wenn z. B. diese Schichten als
Overlay-Schichten verwendet werden oder aufgrund der Wechselwirkung aufgrund Diffusion mit dem Substrat höhere Aluminiumgehalte in der Beschichtung nicht sinnvoll erscheinen. Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen .
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Schicht gemäß Anspruch 1, ein Bauteil nach Anspruch 4 und eine Verwendung gemäß An- spruch 7.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die Idee besteht darin, MAX-Phasen als Schicht zu verwenden. Die Figur 1 zeigt ein Schichtsystem 1 als beispielshaftes Bauteil 1 und Figur 2 eine Liste von Superlegierungen .
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbei - spiele der Erfindung dar.
Auf einem Substrat 4 ist eine Schicht 7 aus einer MAX-Phase aufgebracht (Fig. 1) .
MAX-Phasen weisen hexagonale Karbide oder Nitride auf mit der allgemeinen Formel Mm+iAn wobei n zwischen 1 und 3 sein kann. M ist ein frühes Übergangsmetall wie Scandium, Titan, Vanadium, Chrom, Zirkon, Niob, Molybdän, Hafnium und/oder Tantal. A ist ein A-Gruppen-Metall , also größtenteils lila und IVa oder Gruppe 13 und 14 Elemente, wie zum Beispiel Aluminium, Silizium, Phosphor, Schwefel, Gallium, Germanium, Arsen, Kadmium, Indium, Zinn, Tellur, Blei und X ist Kohlenstoff oder Stickstoff .
Vorzugsweise werden die MAX-Phasen Cr2AlC, Mo2AlC, Zr2AlC, Nb2AlC, Ti3SiC2, Ti3AlC2, Ti3AlC verwendet.
Durch den hohen Aluminium- und Chromanteil besteht ein großes Reservoir für die Bildung von Oxidationsschutzschichten .
Solche Schichten 7 können insbesondere als Overlay-Schichten verwendet werden, d. h. die Schicht bildet die äußerste
Schicht eines beschichteten Bauteils. Dies kann auch die dritte oder vierte Stufe von Turbinenschaufeln einer Gasturbine sein, oder auch auf allen Turbinenstufen oder vordersten Turbinenstufen einer Dampfturbine.
Bei dem Einsatz von Schweröl bei der Befeuerung von Gasturbinen werden diese Beschichtungen vorteilhafterweise in der ersten oder zweiten Reihe eingesetzt, da dort keine TBC verwendet wird und die Schicht aus der MAX-Phase die äußerste Schicht darstellt sowie die Oxidation/Korrosion besonders stark ist. Die Aufbringung einer keramischen Wärmedämmschicht (TBC) auf die Schicht 7 mit der MAX-Phase ist auch denkbar. Das sind dann besondere Materialien wie Zr02, insbesondere teilstabilisierte Zr02 oder DVC-TBC.
Die Substrate 4 weisen vorzugsweise nickel- und/oder kobaltbasierte Superlegierungen auf, insbesondere wie in Figur 2 aufgelistet .

Claims

Patentansprüche
1. Schicht (7) ,
die zumindest eine MAX-Phase aufweist.
2. Schicht nach Anspruch 1,
bei dem die MAX-Phase eine aluminium- und/oder chromhaltige und/oder siliziumhaltige MAX-Phase darstellt.
3. Schicht nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem die MAX-Phase Cr2AlC, Mo2AlC, Zr2AlC, Nb2AlC,
Ti3SiC2, Ti3AlC2, Ti3AlC aufweist.
4. Bauteil (1) ,
aufweisend eine Schicht (7) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3,
insbesondere ein Turbinenbauteil.
5. Bauteil nach Anspruch 4,
bei dem das Substrat (4) eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung aufweist.
6. Bauteil nach Anspruch 4 oder 5,
bei dem die Schicht (7) die äußerste Schicht darstellt.
7. Verwendung eines Bauteils (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 4, 5 oder 6 für den Einsatz in einer Gastur- bine im Betrieb mit Schweröl.
PCT/EP2018/055440 2017-04-05 2018-03-06 Max-phasen als beschichtung, bauteil und verwendung WO2018184782A1 (de)

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