DE10053432A1

DE10053432A1 - Selbstbindende MCrAlY-Pulver

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Publication number: DE10053432A1
Application number: DE10053432A
Authority: DE
Inventors: Frank J Hermanek
Original assignee: Praxair ST Technology Inc; Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair ST Technology Inc
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 2000-10-27
Publication date: 2001-07-12
Also published as: GB2356204A; GB0022168D0; GB2356204B; US6410159B1; JP2001131729A; JP3904383B2

Abstract

Werkstoff zur Verwendung bei der Ausbildung von Hochtemperatur-Überzügen, versehen mit einem MCrAlY-Pulver, wobei M ausgewählt ist aus der aus Eisen, Nickel, Kobalt, Eisenbasislegierungen, Nickelbasislegierungen und Kobaltbasislegierungen bestehenden Gruppe sowie einer Aluminiumlage, die das MCrAlY-Pulver überdeckt. Verfahren zum Ausbilden eines Hochtemperatur-Überzugs, wobei im Zuge des Verfahrens ein MCrAlY-Pulver bereitgestellt wird, wobei M aus der aus Eisen, Nickel, Kobalt, Eisenbasislegierungen, Nickelbasislegierungen und Kobaltbasislegierungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist und wobei das MCrAlY-Pulver einen Aluminiumüberzug aufweist, das MCrAlY-Pulver thermisch auf ein Substrat aufgespritzt wird und der Aluminiumüberzug mit dem MCrAlY-Pulver zur Reaktion gebracht wird, um das MCrAlY-Pulver metallurgisch zu binden und das Substrat zu beschichten.

Description

Diese Erfindung betrifft das Gebiet der gegenüber hohen Temperaturen und Oxidationen beständigen Überzüge. Insbesondere betrifft diese Erfindung MCrAlY-Pulver sowie ein Verfahren zum Ausbilden von gegenüber hohen Temperaturen beständigen, oxidationsfesten Überzügen.

Von Herstellern wurden Verbundwerkstoffe, die aluminiumplattiertes Nickel (NiAl) und eine 80/20- Nickel-Chrom-Legierung (NiCrAl) aufwiesen, über 30 Jahre lang als Unterschicht oder als Bindungs überzüge benützt, auf die andere Werkstoffe thermisch aufgespritzt wurden.

Für Hochtemperaturanwendungen werden spezielle thermische Spritzsysteme industriell eingesetzt, die eine metallische Unterschicht aufweisen, die mit einer Keramiklage überzogen ist. Dieses Überzugs system wird als ein "thermischer Barrierenüberzug" (TBC) bezeichnet.

Thermischer Barrierenüberzüge (TBC's) sind thermische Isolatoren, die das Wirts- oder Substratsmate rial vor den heißen Gasen schützt, die über diese hinwegströmen. Die metallische Unterschicht oder der Bindungsüberzug stammt aus einer Derivatfamilie von Legierungen, die als "MCrAlY" bezeichnet wer den. MCrAlY-Werkstoffe eignen sich aufgrund ihrer exzellenten Beständigkeit gegenüber Oxidation und heißer Korrosion. Diese Legierungen, bei welchen das "M" ein Metall bezeichnet, können entweder Eisen (Fe), Nickel (Ni) oder Kobalt (Co) oder Legierungen davon sein, wie z. B. Eisenbasislegierungen, Nickelbasislegierungen oder Kobaltbasislegierungen. Diese werden gewöhnlich als FeCrAlY-, NiCrAlY- oder CoCrAlY-Werkstoffe bezeichnet.

Beim thermischen Spritzen, beispielsweise mit einer Plasma- oder Verbrennungsgasvorrichtung, haften MCrAlY-Überzüge an dem Wirtsubstrat auf mechanische Weise an. Diese aus Pulvern hergestellten Überzüge verriegeln oder verkeilen sich an zuvor an der Substratoberfläche ausgeformten Unebenheiten, wobei keine metallurgische oder chemische Anlagerung erfolgt. Manchmal verlassen sich die Hersteller auf einen langwierigen nach dem Spritzen erfolgenden Hochtemperatur-Diffusionszyklus, um die adhäsive Festigkeit zu fördern. Mittels dieser Diffusionsbehandlung lassen sich Basismetallsubstrate ab schirmen, wenn diese einer Umgebung ausgesetzt werden. Ohne die Diffusion können korrosive Stoffe in den Überzug eindringen.

Beispielsweise die U.S. Patente Nr. 3 322 515 und 3 436 246 offenbaren Ni₅Al/NiCr₅Al-Verbundwerk stoffe, die eine Befestigung von Überzügen fördern. Diese Verbundwerkstoffe bilden metallurgisch gebundene oder "selbstgebundene" Werkstoffe. Beim Austreten aus der thermischen Spritzvorrichtung reagieren die beiden Materialien exothermisch unter Erzeugung einer "überhitzten" Flüssigkeit, die beim Auftreffen mit einem metallischen Substrat eine metallurgische Bindung eingeht. Unglücklicherweise fehlt beiden Materialien die für Anwendungen bei Temperaturen von über 650°C (1200°F) erforder liche Langzeitoxidationsfestigkeit und Heißkorrosions-Beständigkeit.

Wie oben erwähnt, dienen MCrAlY-Werkstoffe naturgemäß als ausgezeichnete "Barrieren-/Bindungs"- Materialien bei thermischen Barrierenüberzügen (TBC-Anwendungen). Kommerzielle Anwendungen dieser TBC-Werkstoffe beinhalten die Verwendung bei Diesel- und Gasturbinenmaschinen. Als "Barrie ren-Bindungs"-Überzüge sorgen MCrAlY-Werkstoffe für eine "Verankerung" oder "Bindung" für nachfolgend abgeschiedene Stoffe, üblicherweise keramische Überzüge.

Zusätzlich bilden die Aluminium- und Chrombestandteile einen Oxidfilm oder eine "Barriere", die das weniger edle Substrat gegenüber einer heißkorrosiven Betriebsumgebung schützt. Wenn die Gase durch die Grenzfläche zwischen Überzug und Substrat eindringen, könnte eine Verschlechterung des weniger edlen Substrats eintreten und schließlich zu einem Abblättern und Ablösen des Überzugs führen. Daher würde ein fest haltender MCrAlY-Überzug die nutzbare Lebensdauer des Überzugs verlängern.

Aufgrund der Aluminiumoxid- und Chromoxid-Schutzfilme, die von MCrAlY-Werkstoffen gebildet werden, können diese auch nach einem Diffusionszyklus als eigenständige Überzüge verwendet werden. Diese eigenständigen Überzüge sorgen für Beständigkeit sowohl gegenüber Oxidation als auch gegen über Heißkorrosions-Angriffen.

MCrAlY-Überzüge eignen sich auch als "reibungstolerante" Abscheidungen bei Gasweg-Dichtungs systemen (Abmessungs- oder Toleranzsteuerungssystemen). Reibungstolerante MCrAlY-Überzüge wer den auf statischen Komponenten (Dichtungssegmenten) in dem Turbinenabschnitt von Turbotriebwer ken verwendet. Während dem Betrieb des Triebwerks längen und scheuern die rotierenden, heißen Schaufeln den Überzug. Dieser Eingriff bewirkt, dass sowohl der MCrAlY-Werkstoff als auch die Schaufelspitzen verschmutzen. Der Überzug wird herausgebohrt und die Schaufelspitzen verschleißen sich, d. h. die Schaufeln verlieren einen Teil ihrer ursprünglichen Länge. Ein Materialverlust von jeder beliebigen der Komponenten vergrößert den Abstand zwischen diesen. Vergrößerte Abstände führen zu einem erhöhten Luftdurchstrom und schließlich zu einem Verlust bei der Triebwerkseffizienz. Falls die MCrAlY-Dichtungen abreibbar wären und nicht reibungstolerant, würde die Schaufel das abreibbare Material wegschneiden, ohne die Schaufel zu beschädigen. Ferner würde das abreibbare Material engere Toleranzen zwischen den Schaufelspitzen und Dichtungssegmenten einhalten. Dies würde nicht nur die Triebwerksleistung verbessern, sondern auch den Bedarf senken, die Schaufel zu reparieren oder zu ersetzen.

Viele Jahre lang haben die Turbotriebwerksindustrie sowie die Hersteller industrieller Gasturbinen diese Eigenschaften und Funktionen hinsichtlich der Abreibbarkeit angestrebt. Beispielsweise beruht das U.S. Patent Nr. 3 084 064 auf einem mechanischen Gemisch einer metallischen Komponente mit einem wei cheren Material, wie beispielsweise Kohlenstoff oder Graphit. Die weichere Komponente bildet einen Leerraum, welcher der Abreibbarkeit der Überzüge zuträglich ist. Hersteller müssen MCrAlY-Werk stoffe als dichte Überzüge aufbringen, um die korrosive Gasinfiltration zu vermindern. Ferner führt eine parametrische Manipulation zwecks einer Verminderung der MCrAlY-Überzugsdichte und zwecks Ver besserung der Abreibbarkeit zu losen Abscheidungen, die sowohl eine schlechte Adhäsion als auch eine inadäquate Kohäsion zeigen.

Es ist Aufgabe dieser Erfindung, einen MCrAlY-Überzug zu schaffen, der sich fest mit seinem Substrat verbindet, ohne einem Hochtemperatur-Diffusionszyklus unterworfen zu werden.

Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, einen MCrAlY-Überzug zu schaffen, der als eine TBC- Barrieren-/Bindungslage oder als eine eigenständige, gegenüber Hochtemperaturoxidation und Heiß korrosion beständige Lage dienen kann.

Ferner ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, einen abreibbaren MCrAlY-Überzug für Toleranzsteue rungsanwendungen (Dichtungsanwendungen) zu schaffen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Werkstoff geschaffen, der sich zur Ausbildung von Hoch temperaturüberzügen eignet. Der Werkstoff enthält ein MCrAlY-Pulver, wobei M ausgewählt ist aus der aus Eisen, Nickel, Kobalt, Eisenbasislegierungen, Nickelbasislegierungen und Kobaltbasislegierun gen bestehenden Gruppe. Eine Aluminiumlage überdeckt das MCrAlY-Pulver.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Hochtemperaturüberzug unter Verwendung eines MCrAlY-Pulvers geschaffen, wobei M ausgewählt ist aus der aus Eisen, Nickel, Kobalt, Eisenbasis legierungen, Nickelbasislegierungen und Kobaltbasislegierungen bestehenden Gruppe, und ein Alumi niumüberzug jedes Teilchen des MCrAlY-Pulvers überdeckt. Durch thermisches Spritzen des MCrAlY- Pulvers in Richtung auf ein Substrat wird der Aluminiumüberzug zur Reaktion mit dem MCrAlY- Pulver gebracht, um das MCrAlY-Pulver metallurgisch zu binden und das Substrat zu beschichten.

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine mikrophotographische Aufnahme bei einer Vergrößerung von 500X eines Querschnittes von aluminiumbeschichteten MCrAlY-Kernteilchen im polierten Zustand, die mit einer Agglo meration eines Aluminiumpulvers beschichtet sind.

Fig. 2 eine mikrophotographische Aufnahme bei einer Vergrößerung von 500X eines Querschnittes von polierten, mit Aluminium beschichteten MCrAlY-Kernteilchen, die mit einer Agglomeration von Aluminiumpulver beschichtet und gesintert sind;

Fig. 3 eine mikrophotographische Aufnahme bei einer Vergrößerung von 250X eines NiCrAlY- Pulvers, welches mittels Pulveraluminierens beschichtet wurde;

Fig. 4 eine mikrophotographische Aufnahme bei einer Vergrößerung von 500X einer Grenzfläche eines Barrieren-/Bindungsüberzugs von NiCrAlY + Al, welches auf ein etwas aufgerautes Substrat thermisch aufgespritzt wurde; und

Fig. 5 eine mikrophotographische Aufnahme eines exothermischen MCrAlY-Duplexüberzugs bei einer Vergrößerung von 75X, der aus einer dichten haftenden Barrieren-Bindungsunterlage und einer darüber aufgebrachten offenen, abreibbaren Abscheidung eines Pulvers von NiAlCrY + Al besteht.

Gemäß der Erfindung werden mit Aluminium plattierte MCrAlY-Werkstoffe entweder als selbstbinden der "Barrieren/Bindungs"-Überzug oder als abreibbarer Toleranzsteuerüberzug verwendet. Im Zuge des Verfahrens reagiert ein feines Aluminiumpulver exotherm mit einem Metalloxid, um das Pulver zu bin den. Außerdem verfügt es über eine komplexe Legierung, das MCrAlY, die mit Aluminiumpulver oder einem Aluminiumüberzug "gepaart" ist. Beim thermischen Spritzen bildet das MCrAlY einen fest anhaftenden, metallurgisch gebundenen Barrieren-Bindungsüberzug als thermischer Barrierenüberzug (TBC) oder für andere Umgebungsanwendungen. Aufgrund der während dem Spritzen erzeugten hohen Temperaturen ergibt sich durch die exotherme Reaktion ein Verschweißen zwischen den Teilchen. Somit können durch selektive Parametermanipulation Überzüge mit einer vorbestimmten Dichte (eine offene oder poröse Struktur) aufgebracht werden, woraus sich ein Produkt ergibt, welches ein gesteuertes Abriebsvermögen aufweist. Diese porösen Überzüge haben eine Porosität von mindestens etwa 5% nach Volumen und bilden ohne weiteres Überzüge mit Porositäten zwischen etwa 5 und 25% nach Volumen.

Das MCrAlY-Pulverteilchen (welches auch als "Same" oder "Kern" bezeichnet wird) kann mit einem Bindemittel mit kleinsten Aluminiumflocken agglomeriert angelagert sein. Jeder starke Klebstoff, wie beispielsweise tierischer Klebstoff, Polyvinylchlorid oder Phenollack oder Harz wird die Teilchen agglomerieren. Fakultativ können die MCrAlY-Teilchen mittels Diffusion bei erhöhter Temperatur in einem Ofen mit inerter Gasatmosphäre, durch elektrolytische Abscheidung oder durch Gaszersetzung überzogen werden. Als vorteilhafte Verfahren zum Beschichten des Pulvers seien beispielsweise Pulver aluminisieren oder Dampfphasensintern bei einer Temperatur von etwa 625 bis 675°C über eine Zeit dauer von einer bis 10 Stunden genannt. Diese Diffusionsüberzüge umhüllen das MCrAlY für eine effektive exotherme Reaktion.

Elektrolytisches Abscheiden von Aluminium schließt Plattieren aus einem anorganischen Bad oder Salzbad auf das MCrAlY-Kernpulverteilchen ein. Beispielsweise ist es möglich, MCrAlY durch Was serstoffreduktion einer ammoniakhaltigen Lösung von Nickel und Ammoniumsulfat mit Aluminium zu beschichten. Diese Beschichtungsverfahren sind voraussichtlich jedoch viel kostspieliger als eine Agglomeration oder Diffusion.

Mittels Legieren oder Erhöhen des Aluminiumgehalts einer MCrAlY-Legierung während der anfäng lichen Fertigung wird es nicht möglich sein, dass die MCrAlY-Legierung exothermisch reagiert und "selbstbindend" ist oder dass sie in ein abriebfähiges Produkt mit kontrollierter Dichte thermisch ge spritzt werden kann. Für das Verfahren wird die sich ergebende überhitzte Flüssigkeit, die aus der exo thermen Reaktion von Aluminium mit Sauerstoff resultiert, zur Erzeugung einer metallurgischen Bin dung benötigt.

Mechanisches Mischen von MCrAlY mit großen Aluminiumflocken wird nicht die Ergebnisse hervorru fen, wie sie sich bei einem Verbundwerkstoff ergeben. Die exotherme Reaktion wird nicht eintreten, und wenn sie es täte, so wäre sie minimal. Außerdem wird der sich ergebende Überzug ein großes Volumen von freiem, nicht reagiertem Aluminium aufweisen, wodurch das Hochtemperaturvermögen des Über zugs begrenzt wird. Um eine exotherme Reaktion hervorzurufen, müssen die beiden Komponenten in innigen Kontakt miteinander kommen.

Die MCrAlY-Werkstoffe enthalten am zweckmäßigsten weniger als etwa 10 Gew.% Aluminium. Der niedrigere Aluminiumgehalt sorgt für einen stärkeren Aluminiumgradienten und damit für eine stärkere Triebkraft für die exotherme Reaktion. Zum Beschichten besonders geeignete Legierungen umfassen die folgenden von Praxair Surface Technologies, Inc. hergestellten Legierungen, die in der unten stehenden Tabelle 1 angegeben sind.

Tabelle 1

Co32Ni21Cr8A10,5Y	PRAXAIR CO-210
Co10Ni25Cr7A10,6Y	PRAXAIR CO-282
Fe30Cr5A10,5Y	PRAXAIR FE-151
Ni23Cr6A10,5Y	PRAXAIR NI-278
Ni20Cr9A10,2Y	PRAXAIR NI-292

PRAXAIR ist eine registrierte Marke der Praxair Techonolgy, Inc. Es sei darauf hingewiesen, dass andere MCrAlY-Zusammensetzungen in ähnlicher Weise wirken.

Ein MCrAlY-Pulver mit mindestens etwa einem Gewichtsprozent Aluminiumüberzug liefert in adäqua ter Weise exotherme Energie, um das Pulver metallurgisch zu binden (in dieser Beschreibung beziehen sich die Angaben hinsichtlich der Überzüge auf Gewichtsprozentsätze des Aluminiumüberzugs gegen über dem Gesamtgewicht des MCrAlY-Pulvers und des Aluminiumüberzugs). Ein Überzug von mehr als etwa 50 Gew.% wird schlechtere Hochtemperatureigenschaften haben. In vorteilhafter Weise enthält das MCrAlY-Pulver etwa 3 bis 30 Gew.% Aluminiumüberzug. Am stärksten bevorzugt bedeckt das Aluminium jedes MCrAlY-Teilchen.

Für Barrieren-Bindungsanwendungen enthält das MCrAlY-Pulver vorteilhafterweise etwa 2 bis 25 Gew.% Aluminiumüberzug. Zweckmäßig enthält es etwa 3 bis 20 Gew.% Aluminiumüberzug für Barrieren-Bindungsanwendungen, bei welchen eine Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit erforder lich ist. Am zweckmäßigsten enthalten diese Hochtemperatur-MCrAlY-Pulver etwa 4 bis 15 Gew.% Aluminiumüberzug.

Für abriebfähige Überzüge enthält das Pulver mindestens etwa 5 Gew.% Aluminiumüberzug zwecks einer starken exothermen Reaktion. Am stärksten bevorzugt enthält das Pulver etwa 10 bis 50 Gew.% Aluminiumüberzug zum Ausbilden von abriebfähigen MCrAlY-Überzügen.

Beispiel 1

Eine bestimmte Menge von NI-278-Pulver wurde mit 5 Gew.% 3 µm großen Aluminiumpartikeln und 2 Gew.% Bindemittel vermengt. Da die Kernteilchen eine begrenzte Oberfläche haben und Aluminium eine geringe Dichte aufweist, agglomerierten nur 4 bis 5,5% des Aluminiums mit dem Nickelbasispul ver. Das Aluminium wurde mit einem Bindemittel gemischt. Ein aus Phenollack oder Harz bestehendes Bindemittel bildete eine Aufschlämmung, zu der MCrAlY-Keime zugesetzt wurden. Das Gesamte wurde kontinuierlich verrührt oder gemischt, beispielsweise mit einem typischen Haushaltsmixer, bis das Bindemittel trocknete oder verdampfte. Es ergeben sich agglomerierte Teilchen, bei welchen die MCrAlY-Kerne mit kleinsten Aluminiumteilchen beschichtet sind.

Das sich aus dieser Verbindung ergebende Aggregat ist in Fig. 1 veranschaulicht. In der mikrophoto graphischen Aufnahme sind verschiedene unerwünschte Eigenschaften zu erkennen. In der rechten unte ren Ecke ist eine große Menge an freiem Aluminium. Freies Aluminium ist bei einem Überzug für erhöhte Temperaturen unerwünscht. Außerdem haftet nicht an allen Teilchen Aluminium an und dieje nigen, bei denen das der Fall ist, zeigen nur eine teilweise Plattierung. Es ist offensichtlich, dass die Morphologie des Ausgangspulvers sich für eine Beschichtung per Agglomeration nicht ideal eignet. Glatte kugelförmige Teilchen sind zum Plattieren mit Aluminiumflocken nicht vorteilhaft. Agglomera tionsverfahren erfordern komplementäre Pulver, die sich unter Bildung eines gleichförmigen Überzugs kombinieren.

Beispiel 2

Eine Menge an MCrAlY und Aluminium, welches die oben angegebene Größe hatte, wurde in einem Verhältnis von 95 : 5 gemäß dem Verfahren aus Beispiel 1 vermengt. Das Gemisch wurde in flache Schalen aus rostfreiem Stahl abgeschieden und in einem Ofen über eine Zeitdauer von 8 Stunden bei 640°C bis 650°C gesintert. Die Ofenatmosphäre war Argon bei einem Partialdruck von 725 Torr. An dere inerte oder reduzierende Atmosphären werden jedoch ebenfalls effektiv sein. Während des Sinte rungszyklus verdampfte das Aluminium und kondensierte auf den Oberflächen der MCrAlY-Keime. Fig. 2 veranschaulicht die Struktur der MCrAlY/Aluminium-Verbundpulverteilchen nach der Agglome ration gemäß dem obigen Verfahren und dem Sintern.

Beispiel 3

In diesem Beispiel wird ein Pulveraluminisierungs- oder Dampfphasensinterungsverfahren ohne Agglo meration demonstriert. Ein Gemisch des Aluminiums und der Nickel 278-Legierung wurde hergestellt, in einen abgeschlossenen Behälter eingebracht und 8 Stunden lang bei einer Temperatur von 645°C (1193°F) erhitzt. Das Aluminium verdampfte und kondensierte auf der Oberfläche der benachbarten größeren Teilchen. Es ergaben sich aluminiumplattierte Teilchen. Diese Technik ergab das NiCrAlY + Al-Verbundpulver, das als NI-833 bezeichnet und in Fig. 3 dargestellt ist. Das Pulveralu miniseren des NI-278 änderte die Chemie und Größe des Pulvers. Die Bedingungen vorher und nachher sind in den Tabellen II bzw. III angegeben.

Tabelle II

Aus Tabelle II ist interessanterweise ersichtlich, dass sich die Größenverteilung nach dem Aluminisieren verengt und den Werkstoffanteil von unter 45 µm auf weniger als 1% reduziert hat.

Tabelle III liefert einen Vergleich der Pulverchemie vor und nach dem Pulveraluminisieren.

Tabelle III

Der Aluminiumgehalt des Pulvers stieg auf 4,59% an. Obschon dieser Wert geringer als die 5% des der Mischung zugefügten Aluminiums ist, findet sich das "verlorene" Material als Bedeckung der Wände des abgeschlossenen Aluminisierungsbehälters.

Tabelle IV zeigt den Hall-Fluss (nach ASTM B213) und die scheinbare Dichte (nach ASTM B212).

Tabelle IV

Beispiel 4 Plasma-Spritzen exothermischer MCrAlY-Werkstoffe

Der anfängliche Ansatz beim Spritzen der exothermischen MCrAlY-Werkstoffe bestand darin, die ge wöhnlichen 95/5 NiAl-Parameter zu benutzen. Diese erzeugen einen Überzug, der für jene Anwendun gen geeignet ist, die einen "Barrieren-/Bindungs"-Überzug erfordern. Ein "Barrierenüberzug" stellt den Oxidations- und Heißkorrosionsschutz bereit, wie er sich bei einem MCrAlY-Überzug ergibt. Dieser Überzug dient auch als ein "Bindungsüberzug", der eine Verankerungsfunktion erfüllt, auf dem ein Überzug befestigt werden könnte.

Für alle Beschichtungsarbeiten wurde eine SG-100 Plasmakanone von Praxair benutzt. Typische Betriebsparameter, die für den Auftrag eines 95/5 NiAl-Werkstoffes und die exotherme Al-plattierte MCrAlY-Legierung NI-278 benutzt wurden, sind in Tabelle V angegeben.

Tabelle V

Anode	2083-730
Kathode	2083a-720
Gasinjektor	2083-112
Strom	800 Amp
Primärgas (Ar)	51,0 l/min
Sekundärgas (He)	42,0 l/min
Trägergas (Ar)	4,7 l/min
Pulverzufuhrrate	36 g/min
Sprühabstand	102 mm

Die oben angegebenen Betriebsbedingungen ergaben einen dichten, gut bindenden Überzug, wie er in Fig. 4 veranschaulicht ist. Es sei darauf hingewiesen, dass der Überzug, wenn er auf einen sauberen und glatten Streifen aus rostfreiem Stahl 316 in einer Dicke von 0,127 mm (0,005 inch) aufgespritzt wurde, auch dann fest haftend verblieb, wenn der Streifen in einem Radius von 12,7 mm (0,5 inch) gebogen wurde. Weder blätterte der Überzug ab noch hob er sich vom Substrat ab. Eine metallographische Untersuchung bei großer Vergrößerung zeigte keine Hinweise auf freies Aluminium, wie es oftmals bei Überzügen zu finden ist, welche aus NiAl-agglomerierten Pulvern hergestellt sind.

Tabelle VI zeigt typische Eigenschaften einer aluminiumplattierter MCrAlY-Legierung NI-278, die als ein Barrieren-Bindungsüberzug im Plasmaverfahren aufgespritzt wurde.

Tabelle VI

Porosität	2-3%
Zugfestigkeit/Bindung keine Oberflächenpräparation	21,72 MPa (3150 psi)
Zugfestigkeit/Bindung auf aufgerauter Oberfläche	50,40 MPa (7310 psi)
Härte DPH₃₀₀ HR15T (HRB-Umwandlung)	210 84 (70-72)

Beispiel 5 abreibbare exothermische Al-plattierte MCrAlY-Legierungs-NI-278-Überzüge

Zusätzlich zu der Barrieren-/Bindungsfunktion wurde der Werkstoff gespritzt, um eine poröse, jedoch adhärente Abscheidung herzustellen. Die kohäsive Struktur (verbundene Teilchen) eignet sich zur Ver wendung als hochtemperaturfester, abreibbarer Versiegelungsüberzug von Turbinenschaufelspitzen. Die Prasair SG-100 Plasmakanone wurde dafür hergerichtet, bei externer Pulverzufuhr und unter Verwen dung von Wasserstoff-Sekundärgas zu spritzen. Empirisch wurden Bedingungen zum Auftragen eines adhärenten Überzugs mit geringer Dichte ermittelt. Das Ziel bestand darin, eine Abscheidung zu erhal ten, deren Porosität im Bereich von 15 bis 20% lag und die eine Rockwell 15Y-Härte von 73 ± 5 hatte. Es wird angenommen, dass ein Überzug, der diese Kriterien erfüllt, exzellente Reibungs-/Abreibbar keitseigenschaften besitzt. Dies basiert auf der Beobachtung, dass ein Überzug, der aus Silizium-Alumi nium besteht, welches mit einem Polyester gemischt ist, ähnliche Eigenschaften wie ein abreibbarer Spitzenversiegelungsüberzug aufweist und sich ähnlich wie dieser verhält. Da jedoch die Schmelztempe ratur im Bereich zwischen 1234°C und 2345°C (2253°F und 4253°F) liegt, sollte das esothermisch reaktive Ni-23Cr-6Al-0,5Y sich für eine Nutzung bei erhöhten Temperaturen eignen, insbesondere bei Temperaturen, die weit über einer Temperatur von 343°C (650°F) liegen, wenn man es mit einem be liebigen Produkt zu tun hat, welches Polyester enthält. Solch ein Überzug eignet sich für den heißen Abschnitt einer Gasturbinenmaschine.

Empirische Parameter für den abreibbaren Überzug sind in der untenstehenden Tabelle VII angegeben.

Tabelle VII

Anode	2083-175
Kathode	2083a-129
Gasinjektor	2083-112
Strom	500 Amp
Primärgas (Ar)	56,6 l/min
Sekundärgas (He)	6,0 l/min
Trägergas (Ar)	4,71/min
Pulverzufuhrrate	91 g/min
Sprühabstand	305 mm

Die direkten Zielwerte hinsichtlich Härte und Dichte wurden erreicht. In äußerst vorteilhafter Weise lag die Rockwell 15Y-Härte zwischen etwa 65 und 85.

Tabelle VIII gibt die Daten von mechanischen Überzugstests im Vergleich zu der Mischung aus Sili zium-Aluminium und aromatischem Polyester wieder. Außerdem sind in dieser Tabelle die Erosions- und Reibungstestdaten angegeben.

Tabelle VIII

Bezüglich dieser Tabelle wurde eine Erosion durch Bestrahlen der Beschichtungsoberfläche mit 600 g Aluminiumoxid von einer Siebgröße von 50 µm bei einer Geschwindigkeit von 61 m/s (200 ft/s) unter Anwendung eines Druckes von 172 kPa (25 psi) hervorgerufen. Das Abriebvermögen wurde bestimmt, indem der Überzug mit einer simulierten Turbinenschaufelspitze bei 1,27 µm/s (0,00005 inch/s) auf eine Gesamttiefe von 0,254 mm (0,010 inch) abgerieben wurde. Die beiden kombinierten Werte repräsentie ren den Überzug/Schaufelspitzen-Abrieb.

Die Mikrostruktur des Überzugs ist in Fig. 5 veranschaulicht, in welcher die dichte Barrieren-Bin dungsunterschicht benachbart dem Substrat sowie direkt über diesem der poröse Überzug zu sehen sind. Man beachte die gleichförmige Verteilung von Poren und den relativ kleinen Gehalt von ungeschmolze nem Material.

Die MCrAlY/Aluminium-Verbundpulver eignen sich sowohl für Hersteller als auch für Verwender von Diesel- und Gasturbinenmaschinen. Diese Anwendungen umfassen Anwendungen bei Energieerzeugern, Fluggesellschaften, dem Militär, Instandsetzungsdepots und dergleichen. Darüber hinaus ist es möglich, dass der Überzug als Teil eines thermischen Barrierenüberzugsystems (TBC-Systems) oder als abreib barer Hochtemperaturwerkstoff zur Verwendung im Hochdruckturbinenabschnitt eines Turbinentrieb werks dient.

Claims

1. Werkstoff zur Verwendung bei der Ausbildung von Hochtemperatur-Überzügen, umfassend ein MCrAlY-Pulver, wobei M ausgewählt ist aus der aus Eisen, Nickel, Kobalt, Eisenbasislegierun gen, Nickelbasislegierungen und Kobaltbasislegierungen bestehenden Gruppe, sowie eine Alumi niumlage, die das MCrAlY-Pulver überdeckt.

2. Werkstoff nach Anspruch 1, bei welchem die Aluminiumlage aus Aluminium besteht, welches mittels eines Bindemittels an dem MCrAlY-Pulver angebracht ist.

3. Werkstoff nach Anspruch 1, bei welchem die Aluminiumlage aus einem Überzug besteht, der das MCrAlY-Pulver einhüllt.

4. Werkstoff nach Anspruch 1, bei welchem des MCrAlY-Pulver weniger als etwa 10 Gew.% Aluminium enthält.

5. Werkstoff nach Anspruch 1, bei welchem die Aluminiumlage etwa 1 bis 50 Gew.% des Gesamt gewichts des MCrAlY-Pulvers und der Aluminiumlage ausmacht.

6. Werkstoff nach Anspruch 1, bei welchem die Aluminiumlage etwa 3 bis 30 Gew.% des Gesamt gewichts des MCrAlY-Pulvers und der Aluminiumlage ausmacht.

7. Werkstoff nach Anspruch 1, der thermisch aufgespritzt ist, um einen metallurgisch gebundenen Überzug auszubilden.

8. Werkstoff nach Anspruch 7, bei welchem die Aluminiumlage etwa 4 bis 15 Gew.% des Gesamt gewichts des MCrAlY-Pulvers und der Aluminiumlage ausmacht.

9. Werkstoff nach Anspruch 1, der thermisch aufgespritzt ist, um eine kohäsive Struktur auszubilden, die sich als abreibbarer Überzug eignet.

10. Werkstoff nach Anspruch 9, bei welchem die Aluminiumlage etwa 10 bis 15 Gew.% der Gesamt menge des MCrAlY-Pulvers und der Aluminiumlage ausmacht.

11. Werkstoff nach Anspruch 9, bei welchem der abreibbare Überzug eine Porosität von mindestens etwa 5 Vol. % hat.

12. Werkstoff nach Anspruch 9, bei welchem der abreibbare Überzug eine Porosität von etwa 5 bis 25% nach Volumen und eine Rockwell 15Y-Härte von etwa 65 bis 85 hat.

13. Werkstoff nach Anspruch 1, bei welchem die Aluminiumlage mittels Dampfphasensintern auf dem MCrAlY-Pulver abgeschieden wurde.

14. Verfahren zum Ausbilden eines Hochtemperatur-Überzugs, wobei im Zuge des Verfahrens:

A) ein MCrAlY-Pulver bereitgestellt wird, wobei M aus der aus Eisen, Nickel, Kobalt, Eisen basislegierungen, Nickelbasislegierungen und Kobaltbasislegierungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist und wobei das MCrAlY-Pulver einen Aluminiumüberzug aufweist,
B) das MCrAlY-Pulver thermisch auf ein Substrat aufgespritzt wird, und
C) der Aluminiumüberzug mit dem MCrAlY-Pulver zur Reaktion gebracht wird, um das MCrAlY-Pulver metallurgisch zu binden und das Substrat zu beschichten.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem das MCrAlY-Pulver weniger als etwa 10 Gew.% Aluminium enthält.

16. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die Reaktion einen Bindungsüberzug erzeugt.

17. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die Reaktion einen oxidationsbeständigen MCrAlY- Barrierenüberzug bildet.

18. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem die Reaktion eine kohäsive Struktur bildet, die sich als abreibbarer Überzug eignet.