Verbesserter Wärmeschutz Wärmedämmende Beschichtungen Für Turbinen:

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Wärmedämmende Beschichtungen für Turbinen: Verbesserter Wärmeschutz MITCHELL DORFMAN CHRIS DAMBRA SULZER METCO ■ Wärmedämmende Beschichtungen werden zur thermischen Isolation von Gasturbinenbauteilen verwendet, die extrem hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Da diese Beschichtungen aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit den Wärmedurchgang erschweren, werden die Metallober- Seit dreißig Jahren werden wärmedämmende Beschichtungen zur Verlängerung der Lebensdauer von industriellen Gasturbinen, Flugzeugtriebwerken und Schiffsdieselmotoren eingesetzt. Sulzer Metco verbessert laufend die dazu verwendeten Werkstoffe, Einrichtungen und Verfahren, um die erfolgreiche Anwendung solcher Beschichtungen weiter voranzubringen. flächen weniger erhitzt. Niedrigere Metalltemperaturen erhöhen den Widerstand gegen Kriechen und Ermüdung bei gleichzeitig reduzierter Oxidations- und Korrosionsneigung und verlängern damit die Lebensdauer der Bauteile signifikant. Wärmedämmschichten erlauben den Maschinenherstellern • Kosteneinsparungen durch Verwendung weniger exotischer Werkstoffe für Maschinenkomponenten und • eine Erhöhung des Wirkungsgrads durch höhere Verbrennungstemperaturen bei reduzierter Kühlströmung. Heute sind dank neu entwickelter Pulverzusammensetzungen, Spritzpistolenkonstruktionen, Steuerungen und Handhabungssysteme Wärmedämmschichten reproduzierbar geworden. Zur Verfügung steht eine breite Palette wärmedämmender Beschichtungen mit einzigartigen Gefügeausbildungen und Eigenschaften, die an die spezifischen Erfordernisse der Luft- und Raumfahrt- und der Gasturbinen-Industrie angepasst werden können (Bild 1■). 1■ Wärmedämmende Beschichtungen helfen, die Lebensdauer von Flugzeugtriebwerken und industriellen Gasturbinen zu verlängern. Das Bild zeigt einen Teil einer Verbrennungskammer einer Gasturbine, auf die eine 1,5 mm dicke Wärmedämmschicht aus Zirkondioxid mit Yttriumoxid-Stabilisierung aufgespritzt wurde. 10 SULZER TECHNICAL REVIEW 4/2001 PLASMAGESPRITZTE BESCHICHTUNGEN Wärmedämmschichten bestehen aus einer oxidationsbeständigen Haft- bzw. Zwischenschicht und einer thermisch isolierenden keramischen Deckschicht. Beide werden durch Plasmaspritzen aufgetragen. Heutiger Stand der Technik bei diesen WärmedämmSchichtsystemen ist eine dichte und oxidfreie MCrAlY-Haftschicht (M steht für Nickel und/oder Kobalt) und eine poröse, definiert mikrorissige, mit 7–8 Gewichtsprozent Yttriumoxid stabilisierte Zirkondioxid-Deckschicht (Bild 2■). Frühere Systeme bestanden entweder aus NiAl- oder NiCr-Zwischenschichten und keramischen Zirkondioxid-Deckschichten, die mit 24 Gew.-% Magnesiumoxid oder 5 Gew.-% Kalziumoxid stabilisiert waren. Die Wirkung von Kalzium-, Magnesium- und Yttriumoxid besteht in einer Stabilisierung des kristallografischen Gefüges, wodurch größere Volumenänderungen während der Aufheizung und der Abkühlung des beschichteten Bauteils verhindert werden. Zu den Werkstoffen, welche die heutigen Anforderungen an Zwischenschichtsysteme erfüllen, gehören z.B. die Sulzer-Metco-Produkte Amdry 995C, 9951 and 9954. 4041 2■ Dieses Schliffbild zeigt eine MCrAlY-Haft- bzw. Zwischenschicht und eine mit Yttriumoxid stabilisierte Zirkondioxid-Deckschicht. Substrat Haft- bzw. Zwischenschicht Deckschicht chungen führen in aller Regel zu einer Verschlechterung der geforderten Schichtqualität. 200 µm Die Verbindungsschichten sind wichtig für die Gesamtlebensdauer der Wärmedämm-Schichtsysteme, da Elemente wie Chrom und Aluminium bei hohen Temperaturen einerseits hervorragend schützende und anderseits gut haftende oxidische Schichten ausbilden, die eine zuverlässige Anbindung des keramischen Werkstoffs mit der MCrAlY-Zwischenschicht ermöglichen. REPRODUZIERBARE PULVEREIGENSCHAFTEN Qualitativ hochwertige Spritzpulver sind eine Voraussetzung für anforderungsgerechte und reproduzierbare Schichtgefüge und damit für das zuverlässige Ertragen hoher Beanspruchungen. Hierbei ist es von sehr großer Bedeutung, dass die Spritzpulver in Abhängigkeit von einer bestimmten Anwendung und nach Entwicklung einer geeigneten Beschichtungsprozessführung in stets gleich bleibender Beschaffenheit zur Verfügung gestellt werden. Kunden wie die Hersteller von Gasturbinen spezifizieren aus diesem Grund Pulvereigenschaften sehr detailliert. Neben vielen anderen Parametern beeinflusst insbesondere das vom Werkstoffhersteller eingesetzte Pulverherstellungsverfahren die Eigenschaften. EIGENSCHAFTEN KERAMISCHER SPRITZPULVER Die Verteilung der Pulverkorngrößen ist ein wichtiges Merkmal, das die Eigenschaften der aufgebrachten Schichtsysteme beeinflusst. Die Pulverteilchen sollten in einer bestimmten Größenverteilung vorliegen, um das richtige Aufschmelzen in der Plasmaflamme bei vorgegebenen Prozessbedingungen sicherzustellen. Grundsätzlich ergeben größere Pulverkörner tendenziell porösere Schichtsysteme, feinere Pulverkörner hingegen führen eher zu dichteren Schichtsystemen. Spezifikationsabwei- HERSTELLUNGSVERFAHREN KERAMISCHER PULVER Die Art des durch den Pulverlieferanten angewendeten Herstellungsverfahrens beeinflusst die Eigenschaften des keramischen Pulvers. Derzeit werden keramische Spritzpulver hauptsächlich in vier verschiedenen Ausführungen hergestellt: • Sprühgetrocknet • Gesintert und gebrochen • Geschmolzen und gebrochen • Sprühgetrocknet und geschmolzen Bei den sprühgetrockneten und anschließend geschmolzenen Pulvern kombiniert man die Vorzüge gesinterter und geschmolzener Produkte mit den gut fließenden, 3■ Diese rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt die kugelige Form von mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkondioxid-Pulver, das mit dem HOSPVerfahren (hollow oven spherical powder) hergestellt wurde. SULZER TECHNICAL REVIEW 4/2001 11 gleichmäßigen Formen der sprühgetrockneten Pulver. Im Fall einer speziellen Prozessführung während der Pulverherstellung ist ein bestimmter Anteil der Pulverkörner in der Gesamtfraktion hohlkugelig, was das Aufschmelzen im Plasmaspritzprozess erleichtert. Das Sulzer-Metco-Verfahren zur Herstellung dieser Pulver wird als HOSP-Prozess bezeichnet (hollow oven spherical powder, Bild 3■). Derart hergestellte Spritzpulver wie die Sulzer-Metco-Produkte Metco 204NS, 204NS-1, 204C-NS, 204B-NS und 204NS-G erfüllen viele Originalherstellerspezifikationen aus den Bereichen Luftfahrt und industrielle Gasturbinen. NEUENTWICKLUNGEN FÜR BESCHICHTUNGSANLAGEN Unabhängig von den Aktivitäten zur Entwicklung neuer Werkstoffe und Beschichtungsverfahren hat die Leistungsfähigkeit von Wärmedämm-Schichtsystemen in den letzten Jahren auch durch die Entwicklung neuer Anlagentechnik zugenommen. Durch die dadurch möglichen stabileren Beschichtungsprozesse ist die Qualität der Beschichtungen deutlich verbessert worden. Ergebnis sind höhere Produktivität, reduzierte Be- 4■ Die Triplex-Plasmaspritzpistole ist mit drei Kathoden ausgestattet, die durch unabhängige Stromquellen versorgt werden. Dies führt zu gleichmäßigeren Plasmatemperaturen und deshalb besseren Beschichtungen. 12 SULZER TECHNICAL REVIEW 4/2001 schichtungskosten und eine insgesamt hervorragende Zuverlässigkeit des Gesamtprozesses, woraus letztlich längere Standzeiten bis zur nächsten Reparatur oder Überholung resultieren. Zu der in den letzten Jahren neu entwickelten Anlagentechnik zählen: • Neue Plasmaspritzpistolen: Die Spritzpistole Triplex II von Sulzer Metco (Bild 4■) verbessert die Stabilität des Beschichtungsprozesses bei gleichzeitig sehr hoher Produktivität. Verglichen mit einer herkömmlichen Plasmaspritzpistole weist die Triplex II eine gleichmäßigere Temperatur im Plasmastrahl und niedrigere Geräuschpegel auf. Die Pistolenverschleißteile halten deutlich länger als bei herkömmlichen Spritzpistolen, was das Spritzen großer Teile mit kleineren Stillstandszeiten erlaubt. Die typische Lebensdauer der Düsenelektrode beträgt rund 200 Stunden gegenüber rund 40 Stunden bei einer Standardpistole. Wegen der sehr gleichmäßigen Plasmaflamme sind die Auftragsraten normalerweise höher und die Beschichtungszeiten kürzer. Darüber hinaus hat Sulzer Metco die Pistole SM-F100 Connex für das Beschichten von Innendurchmessern mit keramischen Pulvern eingeführt; sie erlaubt maximale Produktivität bei innerer und äußerer Anwendung und wird für eine Leistung von 20 kW bei einem Mindest-Innendurchmesser von 100 mm empfohlen. • Prozesssteuerung mit geschlossenem Regelkreis und OnlineÜberwachung aller wesentlichen Prozessparameter: Sulzer Metco verfügt über hoch entwickelte integrierte thermische Spritzsysteme wie MultiCoat® Vision und UniCoat™ zur Regelung, Steuerung und Überwachung des Beschichtungsprozesses. Diese Systeme zeichnen – z.B. zur Qualitätskon- trolle – die Datenhistorie des Spritzvorgangs auf und erlauben nicht zuletzt eine Visualisierung des Prozesses. • Neuer Pulverförderer mit geschlossenem Regelkreis: Sulzer Metco verfügt über Pulverförderer, die das Pulver in gleichmäßiger und reproduzierbarer Weise dem Beschichtungsprozess zuführen. Das Trägergas und der VibratorLuftdruck z.B. des Pulverförderers Sulzer Metco 9MP-CL werden über einen geschlossenen Regelkreis mit einer Pulversteuerungsgenauigkeit von ±1% oder ±1 g/m vom Sollwert gesteuert. • Moderne Werkstück-Handhabungsgeräte und Roboter zum thermischen Spritzen: Der Einsatz von Robotern (Bild 5■) ermöglicht die Beibehaltung exakter Bewegungsparameter, was zu optimalem Spritzwirkungsgrad und Schichtaufbau führt. Beschichtungstemperaturen und Spritzgeschwindigkeiten werden ständig kontrolliert. Sulzer Metco verfügt heute über eine breite Auswahl mehrachsiger Roboter, die in die Produktionsabläufe der Kunden integriert werden können. WEITERE INNOVATIONEN Andere Verfahrensinnovationen sind: • Online-Teilchengeschwindigkeits-/Temperaturüberwachung • Verbesserte zerstörungsfreie Prüfmethoden • Bessere und/oder kostengünstigere Vor- und Nachbehandlungsmethoden. Ein Beispiel dafür ist das Protal-Verfahren von Sulzer Metco, bei dem die Vorbereitung der zu beschichtenden Werkstoffoberfläche und das thermische Spritzen in einem einzigen Arbeitsgang erfolgen. Ein Hochenergie-Laserimpuls entfernt den Sauerstoff von der Oberfläche, wodurch die Haftung der Spritzschichten auf dem Grundwerkstoff verbessert und die Standzeit der Oberfläche verlängert werden. Das Protal-Verfahren verkürzt die Beschichtungszeit und ist zudem umweltverträglich, da keine Lösemittel und Strahlmaterialien entsorgt werden müssen. ROBUSTE ANLAGENTECHNIK REDUZIERT STILLSTANDSZEITEN Der Bedarf für Werkstoffe und Systeme zur wärmedämmenden Beschichtung wird zweifellos zunehmen, insbesondere in Verbindung mit der Übertragung der Idee der Wärmedämmung vom Luft- und Raumfahrtmarkt auf industrielle Gasturbinen. Deren Bauteile sind normalerweise größer und manchmal auch komplexer geformt als Komponenten für die Luft- und Raumfahrt. Die Schichtdicken betragen gegenüber den relativ dünnen Schichtsystemen für die Luft- und Raumfahrtindustrie manchmal 1–2 mm, was einer Spritzzeit von 9–12 Stunden entspricht. Aus diesem Grund benötigen die heutigen Konstrukteure und Kunden robuste Geräte und Werkstoffe, die über längere Zeiten hinweg ein gleichmäßiges Beschichten ohne Stillstandszeiten ermöglichen. Sulzer Metco hat dieses Kundenbedürfnis erkannt und arbeitet an der Herausforderung, ihre Produkte und Verfahrenstechniken für die Zukunft ständig weiterzuentwickeln. Ω 5■ Die Anwendung von Robotern ermöglicht gleichmäßiges und reproduzierbares Beschichten komplex geformter Bauteile während vieler Stunden. INFO DIRECT Sulzer Metco (US) Inc. Mitchell Dorfman 1101 Prospect Avenue Westbury, NY 11590 USA Telefon +1 (1)516-338 22 51 Telefax +1 (1)516-338 24 88 E-Mail [email protected] SULZER TECHNICAL REVIEW 4/2001 13