DE102016215556A1

DE102016215556A1 - HEIßGASKORROSIONS- UND OXIDATIONSSCHUTZSCHICHT FÜR TIAL - LEGIERUNGEN

Info

Publication number: DE102016215556A1
Application number: DE102016215556.3A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Walter
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2016-08-19
Filing date: 2016-08-19
Publication date: 2018-02-22

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Oxidationsschutzschicht für TiAl-Legierungen, bei welchem ein Bauteil aus einer TiAl-Legierung mit mindestens 30 At.% Titan und mindestens 30 At.% Aluminium bereitgestellt wird, wobei mindestens ein Teil der Oberfläche des Bauteils mit einer Pulverpackung bedeckt wird, die einen Al-haltigen Al-Donator, einen Halogenid-haltigen Aktivator und einen Füllstoff umfasst, wobei das Bauteil mit der Pulverpackung einer Abscheidewärmebehandlung zum Ausbilden einer Al-reichen Schicht und anschließend einer Diffusionswärmebehandlung unterzogen wird. Außerdem betrifft die Erfindung ein mit einer entsprechenden Oxidationsschutzschicht versehenes Bauteil.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Heißgaskorrossions- und Oxidationsschutzschicht für TiAl-Legierungen sowie ein Bauteil aus einer TiAl-Legierung mit einer entsprechenden Schutzschicht, insbesondere ein Bauteil für eine Strömungsmaschine, wie eine Gasturbine oder ein Flugtriebwerk.
STAND DER TECHNIK
Titanaluminide und ihre Legierungen sind aufgrund der in diesen Werkstoffen enthaltenen intermetallischen Phasen, wie α₂-Ti₃Al und γ-TiAl, die den Werkstoffen eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig niedrigem spezifischen Gewicht verleihen, interessante Werkstoffe für unterschiedlichste Bauteile in der Luft- und Raumfahrt sowie im Motorenbau oder der chemischen Industrie. Allerdings ist ihr Einsatz bei Temperaturen im Bereich oberhalb von 750°C durch eine ungenügende Heißgas- und Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit der TiAl-Werkstoffe begrenzt, obwohl durch den hohen Aluminium-Gehalt die Ausbildung einer langsam wachsenden und somit schützenden Aluminiumoxidschicht erwartet werden könnte. Entsprechend sind aus dem Stand der Technik Versuche bekannt, die Heißgaskorrossions- und Oxidationsbeständigkeit zu verbessern, um höhere Einsatztemperaturen zu ermöglichen.
Da die TiAl-Legierungen aufgrund ihres hohen Aluminiumgehalts eigentlich in der Lage sein sollten eine langsam wachsende, schützende Aluminiumoxidschicht bei hohen Einsatztemperaturen auszubilden, wird beispielsweise versucht, durch Halogenimplantation in die Werkstoffoberfläche die Aluminiumoxidschichtbildung zu fördern und zu stabilisieren, da sich gezeigt hat, dass in der Oberfläche von TiAl-Legierungen vorliegende Halogene zur besseren Ausbildung einer schützenden Aluminiumoxidschicht beitragen können. Allerdings ist der Aufwand für Halogenimplantationen sehr hoch.
Demgegenüber ist es aus dem Stand der Technik ebenfalls bereits bekannt, bei Titanlegierungen, die wie Ti6Al4V um die 6 Gew.% Aluminium enthalten, die Oxidations- und Heißgaskorrosionsbeständigkeit durch Erhöhung des Aluminiumanteils in den Randbereichen eines entsprechenden Bauteils zu verbessern. Der Aluminiumanteil kann beispielsweise, wie in der DE 215 32 18 A1 beschrieben, durch Eindiffusion von Aluminium in die Oberfläche mittels einer Wärmebehandlung in einer Al-haltigen Pulverpackung erhöht werden. Allerdings ist eine weitere Erhöhung des Aluminiumanteils bei TiAl-Legierungen mit einem von Hause aus hohen Aluminiumgehalt nicht unbedingt erfolgversprechend.
OFFENBARUN DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Heißgaskorrosions- und Hochtemperaturoxidationsschutzschicht für Bauteile aus TiAl-Legierungen vorzuschlagen, die eine Erhöhung der Einsatztemperatur von Titanaluminiden und Legierungen daraus ermöglicht.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Zur Bildung einer Heißgaskorrosions- und Hochtemperaturoxidationsschutzschicht schlägt die Erfindung vor, im Randbereich einer TiAl-Legierung mit mindestens 30 At.-% Titan und mindestens 30 At.-% Aluminium trotz des bereits vorliegenden hohen Al-Anteils eine aluminiumreiche Schicht mit einem Aluminiumanteil von mindestens 50 Gew.% und insbesondere mindestens 55 Gew.% auszubilden. Die Schicht kann erfindungsgemäß durch ein Pulverpackverfahren ausgebildet werden, bei dem mindestens ein Teil der Oberfläche des Bauteils, der mit der Schutzschicht versehen werden soll, in einer Pulverpackung eingepackt wird, welche einen aluminiumhaltigen Al-Donator, einen halogenidhaltigen Aktivator und eine Füllstoff umfasst, wobei das Bauteil mit der Pulverpackung einer Abscheidewärmebehandlung zum Ausbilden der aluminiumreichen Schicht und anschließend einer Diffusionswärmebehandlung unterzogen wird.
Der Al-Donator kann mit einem Anteil von 10 bis 30 Gew.%, insbesondere 15 bis 20 Gew.%, in der Pulverpackung enthalten sein und aus reinem Al-Pulver oder aus Pulver aus Al-haltigen Legierungen beziehungsweise Pulvermischungen aus Al-Pulver mit Pulver anderer Metallpulver gebildet sein. Beispielsweise kann der Al-Donator durch reines Aluminiumpulver oder Pulvermischungen von Aluminiumpulver mit Chrompulver, Kobaltpulver und/oder Siliziumpulver gebildet sein. Die verwendeten Metallpulver können durch technisch reine Pulver der jeweiligen chemischen Elemente gebildet sein, also technisch notwendige oder unvermeidbare Begleitelemente aufweisen. Darüber hinaus können Pulver verwendet werden, die Partikel aus Legierungen von Aluminium mit Chrom und/oder Kobalt und/oder Silizium aufweisen.
Die Halogenide können in der Pulverpackung mit einem Anteil von 0,1 Gew.% bis 3 Gew.% enthalten sein und durch Metallhalogenide und insbesondere Chloride und/oder Fluoride gebildet sein, beispielsweise durch Ammoniumchlorid oder Ammoniumfluorid.
Darüber hinaus kann die Pulverpackung als Füllstoff Aluminiumoxid aufweisen.
Die Abscheidewärmebehandlung, bei der das Bauteil mit der zumindest teilweise auf der Oberfläche des Bauteils aufgebrachten Pulverpackung geglüht wird, um eine Al-reiche Schicht zu erzeugen, kann bei einer Temperatur von 500°C bis 1100°C, insbesondere 600°C bis 900°C und vorzugsweise bei 750°C bis 800°C für ein bis 4 Stunden, insbesondere 2 bis 3 Stunden unter einer Schutzatmosphäre durchgeführt werden. Die Schutzatmosphäre kann durch eine Argon- oder Wasserstoffatmosphäre gebildet sein.
Nach der Abscheidewärmebehandlung kann das Bauteil mit der aluminiumreichen Schicht, die durch Eindiffusion des Aluminiums aus der Pulverpackung entstanden ist, nach Entfernung der Pulverpackung einer Diffusionswärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 800°C und 1000°C, insbesondere bei 900°C für 5 bis 10 Stunden, insbesondere 6 Stunden unter technischen Vakuumbedingungen unterzogen werden. Unter technischen Vakuumbedingungen wird ein Vakuum verstanden, welches mit üblichen technischen Maßnahmen erzielt werden kann.
Die aluminiumreiche Schicht, die auf dem Bauteil aus einer TiAl-Legierung insbesondere durch die oben beschriebene Vorgehensweise gebildet werden kann und einen Aluminiumanteil von mindestens 50 Gew.% und insbesondere mehr als 55 Gew.% aufweisen kann, kann eine Schichtdicke von mindestens 20 µm, vorzugsweise mindestens 50 µm besitzen.
In der aluminiumreichen Schutzschicht können weiterhin Titan und Legierungsbestandteile der TiAl-Legierung enthalten, die bei der Herstellung in die aluminiumreiche Schicht eindiffundieren.
Durch die Ausbildung einer entsprechenden aluminiumreichen Schutzschicht kann erreicht werden, dass die Heißgaskorrosions- und Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit von TiAl-Legierungen, die im Gefüge überwiegend γ-TiAl und/oder α₂-Ti₃Al aufweisen, deutlich verbessert wird, ohne dass die mechanischen Eigenschaften der TiAl-Legierungen in unzulässiger Weise beeinträchtigt würden.
Beispielsweise konnte auf einer TiAl-Legierung mit 43 bis 48 At.% Aluminium, sowie 2 bis 8 At.% Niob, 0,5 bis 2 At.% Molybdän sowie 0 bis 2 At.% Chrom, 0 bis 0,5 At.% Bor und 0 bis 0,5 At.% Silizium sowie Rest Titan eine aluminiumreiche Schicht mit 55 bis 60 Gew.% Aluminium, 30 bis 35 Gew.% Titan sowie Anteilen von weniger als 8 Gew.% Niob und weniger als 5 Gew.% Molybdän mit einer Schichtdicke von 35 µm erzeugt werden. Die Abscheidewärmebehandlung mit einer Pulverpackung aus 15 Gew.% Al-Pulver, 2 Gew.% Ammoniumchlorid und Rest Aluminiumoxid erfolgte bei 760°C für 2 Stunden unter Wasserstoffatmosphäre mit einer nachfolgenden Diffusionswärmebehandlung bei 900°C für sechs Stunden unter Vakuumatmosphäre. Ein entsprechendes Bauteil mit einer derartig ausgebildeten Schicht zeigt bei einer Oxidationsbehandlung bei 900°C für 200 Stunden eine gute Oxidationsbeständigkeit.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2153218 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Oxidationsschutzschicht für TiAl-Legierungen, bei welchem ein Bauteil aus einer TiAl-Legierung mit mindestens 30 At.% Titan und mindestens 30 At.% Aluminium bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Oberfläche des Bauteils mit einer Pulverpackung bedeckt wird, die einen Al-haltigen Al-Donator, einen Halogenid-haltigen Aktivator und einen Füllstoff umfasst, wobei das Bauteil mit der Pulverpackung einer Abscheidewärmebehandlung zum Ausbilden einer Al-reichen Schicht und anschließend einer Diffusionswärmebehandlung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Al-Donator mit einem Anteils von 10 bis 30 Gew.%, insbesondere 15 bis 20 Gew.% in der Pulverpackung vorliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Al-Donator durch Al-Pulver oder Pulver aus Legierungen aus mindestens einem Metall mit Aluminium oder Pulvermischungen aus Al-Pulver und mindestens einem Metallpulver gebildet ist, wobei das mindestens eine Metall oder das Metall der Metallpulver aus einer Gruppe ausgewählt sind, die Cr, Co und Si umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halogenide mit einem Anteil von 0,1 Gew.% bis 3 Gew.% in der Pulverpackung vorliegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halogenide durch Metallhalogenide und/oder Chloride und/oder Fluoride, insbesondere durch mindestens ein Element aus der Gruppe gebildet werden, die NH₄Cl und NH₄F umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff durch Aluminiumoxid gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidewärmebehandlung bei einer Temperatur von 500°C bis 1100°C, insbesondere 600°C bis 900°C, vorzugsweise 750°C bis 800°C für 1 h bis 4 h, insbesondere 2 h bis 3 h unter einer Schutzatmosphäre, insbesondere einer Ar- oder Wasserstoff-Atmosphäre durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionswärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 800°C und 1000°C, insbesondere bei 900°C für 5 h bis 10 h, insbesondere 6 h unter Vakuumbedingungen durchgeführt wird.
Bauteil aus einer TiAl-Legierung, insbesondere hergestellt mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauteil aus einer TiAl-Legierung mit mindestens 30 At.% Ti und mindestens 30 At.% Al hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens in einem Oberflächenbereich des Bauteils eine Al-reiche Schicht mit einem Al-Anteil von 50 Gew.% oder mehr, insbesondere von 55 Gew.% oder mehr ausgebildet ist.
Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Al-reiche Schicht eine Schichtdicke von mindestens 20 µm, vorzugsweise mindestens 50 µm aufweist.