DE102016224546A1 - HOT GAS CORROSION AND OXIDATING PROTECTION LAYER FOR TIAL ALLOYS - Google Patents

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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 einem Schlicker bedeckt wird, der mindestens ein Pulver, das Aluminium und/oder Silizium aufweist, mindestens ein Bindemittel und mindestens eine Flüssigkeit umfasst, wobei das Bauteil mit dem aufgebrachten Schlicker zum Ausbilden einer Al-reichen Schicht einer Diffusionswärmebehandlung unterzogen wird. Außerdem betrifft die Erfindung ein mit einer entsprechenden Oxidationsschutzschicht versehenes Bauteil.The present invention relates to a method for producing an oxidation protection layer for TiAl alloys, in which a component of a TiAl alloy with at least 30 at.% Titanium and at least 30 at.% Aluminum is provided, wherein at least a part of the surface of the component a slurry comprising at least one powder comprising aluminum and / or silicon, at least one binder and at least one liquid, wherein the component with the applied slurry for forming an Al-rich layer is subjected to a diffusion heat treatment. In addition, the invention relates to a provided with a corresponding oxidation protection layer component.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

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.The present invention relates to a method for producing a hot gas corrosion and oxidation protective layer for TiAl alloys and to a component made of a TiAl alloy with a corresponding protective layer, in particular a component for a turbomachine, such as a gas turbine or an aircraft engine.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

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.Titanium aluminides and their alloys are interesting materials for a wide range of components in the aerospace industry due to the intermetallic phases contained in these materials, such as α 2 - Ti 3 Al and γ - TiAl, which give the materials high strength and low specific weight as well as in engine construction or the chemical industry. However, their use at temperatures in the range above 750 ° C is limited by insufficient hot gas and high temperature oxidation resistance of the TiAl materials, although the high aluminum content could be expected to form a slow growing and thus protective alumina layer. Accordingly, attempts are known from the prior art to improve the hot gas corrosion and oxidation resistance in order to allow higher operating temperatures.

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.Since the TiAl alloys should actually be able to form a slow-growing, protective aluminum oxide layer at high operating temperatures due to their high aluminum content, it is for example attempted to promote and stabilize aluminum oxide layer formation by halogen implantation into the material surface, since it has been found that halogens present on the surface of TiAl alloys can contribute to the formation of a protective aluminum oxide layer. However, the cost of halogen implantation is very high.

Demgegenüber ist es aus dem Stand der Technik ebenfalls bereits bekannt, bei Titanlegierungen, die wie Ti6A14V 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.In contrast, it is already known from the prior art to improve the oxidation and hot gas corrosion resistance of titanium alloys, such as Ti6A14V by the 6 wt.% Aluminum by increasing the aluminum content in the edge regions of a corresponding component. The aluminum content may, for example, as in the DE 215 32 18 A1 be increased by diffusion of aluminum into the surface by means of a heat treatment in an Al-containing powder pack. However, a further increase in the aluminum content of TiAl alloys with a high aluminum content is not necessarily promising.

Darüber hinaus sind verschiedene Verfahren zum Alitieren von Superlegierungen auf Basis von Nickel, Kobalt und Eisen bekannt, bei denen ein Al - haltiger Schlicker auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht wird, um nach dem Trocknen einer Diffusionswärmebehandlung unterzogen zu werden. Beispiele hierfür sind in der US 2015/0 361 545 A1 , US 4 310 574 A , WO 2010/3 49 18 A1 , WO 2005/03 58 19 A1 , US 6 805 906 B2 oder US 5 547 770 A zu finden.In addition, various methods for alitating superalloys based on nickel, cobalt and iron are known in which an Al-containing slurry is applied to the surface to be coated in order to be subjected to diffusion heat treatment after drying. Examples are in the US 2015/0 361 545 A1 . US 4 310 574 A . WO 2010/3 49 18 A1 . WO 2005/03 58 19 A1 . US Pat. No. 6,805,906 B2 or US 5 547 770 A to find.

OFFENBARUN DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

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.It is therefore an object of the present invention to propose a hot gas corrosion and high-temperature oxidation protection layer for components made of TiAl alloys, which makes it possible to increase the service temperature of titanium aluminides and alloys thereof.

TECHNISCHE LÖSUNGTECHNICAL SOLUTION

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a method having the features of claim 1 and a component having the features of claim 10. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

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 45 Gew.% und insbesondere mindestens 50 Gew.% auszubilden. Die Schicht kann erfindungsgemäß durch ein Schlickerauftragsverfahren ausgebildet werden, bei dem mindestens ein Teil der Oberfläche des Bauteils, der mit der Schutzschicht versehen werden soll, mit einem Schlicker versehen wird, welcher mindestens ein Pulver, das Aluminium und/oder Silizium aufweist, mindestens ein Bindemittel und mindestens eine Flüssigkeit umfasst, wobei das Bauteil mit dem aufgebrachten Schlicker zum Ausbilden einer Al - reichen Schicht einer Diffusionswärmebehandlung unterzogen wird.In order to form a hot gas corrosion and high-temperature oxidation protection layer, the invention proposes, in the edge region of a TiAl alloy with at least 30 at.% Titanium and at least 30 at.% Aluminum, despite the already present high Al content, an aluminum-rich layer with an aluminum content of at least 45% by weight and in particular at least 50% by weight. According to the invention, the layer can be formed by a slip application method in which at least a part of the surface of the component to be provided with the protective layer is provided with a slip comprising at least one powder comprising aluminum and / or silicon, at least one binder and at least one liquid, wherein the component with the applied slurry is subjected to a diffusion heat treatment for forming an Al-rich layer.

Das für den Schlicker verwendete Pulver kann als Mischung von Metallpulvern und/oder als Legierungspulver vorliegen. Sofern es sich um eine Mischung von Metallpulvern handelt, können die Metallpulver aus Pulvern gebildet sein, die durch technisch reine metallische Elemente gebildet sind, wie Aluminiumpulver und Siliziumpulver. Unter technisch reinen metallischen Elementpulvern werden derartige Pulver verstanden, die lediglich das entsprechende jeweilige metallische Element aufweisen und weitere unvermeidbare Begleitelemente. Bei den Legierungspulvern kann es sich um Pulver aus Aluminium - Silizium - Legierungen handeln, wobei auch mehrere Legierungspulver gemischt sein können oder ein Legierungspulver Teil einer Pulvermischung sein kann. Das Verhältnis von Aluminium zu Silizium im Pulver kann von einem Verhältnis von 10 zu 90 bis zu 90 zu 10 Anteilen von Aluminium und Silizium in Gew. % reichen.The powder used for the slurry may be present as a mixture of metal powders and / or as an alloy powder. If it is a mixture of metal powders, the metal powders can be formed from powders which are formed by technically pure metallic elements, such as aluminum powder and silicon powder. Under technical Pure metallic element powders are understood to mean powders of this type which have only the corresponding respective metallic element and further unavoidable accompanying elements. The alloy powders may be powders of aluminum-silicon alloys, it being also possible for a plurality of alloy powders to be mixed or for an alloy powder to be part of a powder mixture. The ratio of aluminum to silicon in the powder may range from a ratio of 10 to 90 to 90 to 10 parts of aluminum and silicon in weight percent.

Das im Schlicker enthaltene Bindemittel kann ein anorganisches Bindemittel sein.The binder contained in the slurry may be an inorganic binder.

Zusätzlich können Füllstoffe, wie beispielsweise Al2O3, SiO2 oder Al2SiO2 mit einem Anteil von 10 bis 20 Gew. % im Schlicker enthalten sein. Die im Schlicker vorhandene Flüssigkeit kann durch Wasser und/oder Alkohol gebildet sein.In addition, fillers, such as Al 2 O 3 , SiO 2 or Al 2 SiO 2 may be present in a proportion of 10 to 20 wt.% In the slip. The liquid present in the slurry can be formed by water and / or alcohol.

Das Pulver kann mit einem Anteil von 20 bis 50 Gew.%, insbesondere bis 30 bis 40 Gew.% und/oder die Flüssigkeit kann mit einem Anteil von 50 bis 80 Gew.%, insbesondere 60 bis 70 Gew.% im Schlicker vorliegen.The powder may be present in a proportion of 20 to 50% by weight, in particular to 30 to 40% by weight, and / or the liquid may be present in the slip in a proportion of 50 to 80% by weight, in particular 60 to 70% by weight.

Insgesamt kann das Silizium mit einem Anteil von 3 bis 30 Gew.%, insbesondere 5 bis 15 Gew.% im Schlicker vorgesehen sein.Overall, the silicon may be provided with a proportion of 3 to 30% by weight, in particular 5 to 15% by weight, in the slip.

Vor der Diffusionswärmebehandlung kann der Schlicker getrocknet werden. Hierzu kann das Bauteil mit dem Schlicker in einem Ofen bei einer Temperatur von 120 °C bis 220 °C getrocknet werden. Hierbei kann eine normale Umgebungsatmosphäre vorliegen oder es können Vakuumbedingungen oder eine Inertgasatmosphäre, insbesondere eine Argonatmosphäre, eingestellt werden. Die Diffusionswärmebehandlung kann bei einer Temperatur von 500°C bis 1100°C , insbesondere bei 900°C, für 5 bis 10 Stunden, insbesondere 6 Stunden, unter Vakuumbedingungen, oder in einer Inertgasatmosphäre, wie einer Argonatmosphäre, durchgeführt werden.Before the diffusion heat treatment, the slurry can be dried. For this purpose, the component can be dried with the slurry in an oven at a temperature of 120 ° C to 220 ° C. In this case, a normal ambient atmosphere may be present or vacuum conditions or an inert gas atmosphere, in particular an argon atmosphere, may be set. The diffusion heat treatment may be carried out at a temperature of from 500 ° C to 1100 ° C, especially at 900 ° C, for 5 to 10 hours, especially 6 hours, under vacuum conditions, or in an inert gas atmosphere, such as an argon atmosphere.

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 45 Gew.% und insbesondere mehr als 50 Gew.% aufweisen kann, kann eine Schichtdicke von mindestens 20 µm, vorzugsweise mindestens 50 µm besitzen.The aluminum-rich layer, which can be formed on the component from a TiAl alloy in particular by the procedure described above and can have an aluminum content of at least 45% by weight and in particular more than 50% by weight, can have a layer thickness of at least 20 μm, preferably have at least 50 microns.

In der aluminiumreichen Schutzschicht können weiterhin Titan und Legierungsbestandteile der TiAl - Legierung enthalten, die bei der Herstellung in die aluminiumreiche Schicht eindiffundieren.The aluminum-rich protective layer may further contain titanium and alloy constituents of the TiAl alloy, which diffuse into the aluminum-rich layer during production.

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.The formation of a corresponding aluminum-rich protective layer makes it possible to achieve a marked improvement in the hot gas corrosion and high-temperature oxidation resistance of TiAl alloys, which predominantly have γ-TiAl and / or α 2 -Ti 3 Al in the microstructure, without the mechanical properties of the TiAl alloys would be unduly compromised.

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 50 bis 55 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 Diffusionswärmebehandlung erfolgte 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.For example, on a TiAl alloy with 43 to 48 at.% Aluminum, and 2 to 8 at.% Niobium, 0.5 to 2 at.% Molybdenum and 0 to 2 at.% Chromium, 0 to 0.5 at. % Boron and 0 to 0.5 at.% Silicon and the balance titanium an aluminum-rich layer with 50 to 55 wt.% Aluminum, 30 to 35 wt.% Titanium and proportions of less than 8 wt.% Niobium and less than 5 wt. % Molybdenum be produced with a layer thickness of 35 microns. The diffusion heat treatment was carried out at 900 ° C for six hours under a vacuum atmosphere. A corresponding component with a layer formed in this way shows good oxidation resistance for 200 hours in the case of an oxidation treatment at 900 ° C. for 200 hours.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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  • US 5547770 A [0005]US 5547770 A [0005]

Claims (12)

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 einem Schlicker bedeckt wird, der mindestens ein Pulver, das Aluminium und/oder Silizium aufweist, mindestens ein Bindemittel und mindestens eine Flüssigkeit umfasst, wobei das Bauteil mit dem aufgebrachten Schlicker zum Ausbilden einer Al - reichen Schicht einer Diffusionswärmebehandlung unterzogen wird.Process for producing an oxidation protection layer for TiAl alloys, in which a component of a TiAl alloy with at least 30 at.% Titanium and at least 30 at.% Aluminum is provided, characterized in that at least a part of the surface of the component with a slip which comprises at least one powder comprising aluminum and / or silicon, at least one binder and at least one liquid, wherein the component with the applied slurry is subjected to a diffusion heat treatment to form an Al-rich layer. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver als Mischung von Metallpulvern und/oder als Legierungspulver vorliegt.Method according to Claim 1 , characterized in that the powder is present as a mixture of metal powders and / or as alloy powder. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Aluminium und Silizium im Pulver in einem Bereich von 10 : 90 bis zu 90 : 10 liegt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the ratio of aluminum and silicon in the powder in a range of 10:90 to 90:10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein anorganisches Bindemittel ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the binder is an inorganic binder. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlicker weiterhin Füllstoffe, insbesondere Al2O3, SiO2 oder Al2SiO2, mit einem Anteil von 10 bis 20 Gew. % aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the slurry further comprises fillers, in particular Al 2 O 3 , SiO 2 or Al 2 SiO 2 , with a proportion of 10 to 20 wt.% Has. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit Wasser und/oder Alkohol umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the liquid comprises water and / or alcohol. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver mit einem Anteil von 20 bis 50 Gew.%, insbesondere bis 30 bis 40 Gew.% und/oder die Flüssigkeit mit einem Anteil von 50 bis 80 Gew.%, insbesondere 60 bis 70 Gew.% im Schlicker vorliegt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the powder in a proportion of 20 to 50 wt.%, In particular to 30 to 40 wt.% And / or the liquid in a proportion of 50 to 80 wt.%, In particular 60 to 70 wt.% Is present in the slip. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Silizium mit einem Anteil von 3 bis 30 Gew.%, insbesondere 5 bis 15 Gew.% im Schlicker vorliegt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that silicon is present in a proportion of 3 to 30 wt.%, In particular 5 to 15 wt.% In the slip. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlicker vor der Diffusionswärmebehandlung getrocknet wird, insbesondere bei einer Temperatur von 120 °C bis 220 °C unter Umgebungsatmosphäre oder Vakuumbedingungen oder in einer Inertgasatmosphäre, insbesondere Ar - Atmosphäre.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the slurry is dried before the diffusion heat treatment, in particular at a temperature of 120 ° C to 220 ° C under ambient or vacuum conditions or in an inert gas atmosphere, in particular Ar - atmosphere. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionswärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 500°C und 1100°C, insbesondere bei 900°C für 5 h bis 10 h, insbesondere 6 h unter Vakuumbedingungen oder in einer Inertgasatmosphäre, insbesondere Ar - Atmosphäre, durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the diffusion heat treatment at a temperature between 500 ° C and 1100 ° C, in particular at 900 ° C for 5 h to 10 h, in particular 6 h under vacuum conditions or in an inert gas atmosphere, in particular Ar - Atmosphere, is performed. 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 45 Gew.% oder mehr, insbesondere von 50 Gew.% oder mehr ausgebildet ist.A component of a TiAl alloy, in particular produced by the method according to one of the preceding claims, wherein the component is made of a TiAl alloy having at least 30 at.% Ti and at least 30 at.% Al, characterized in that at least one Surface area of the component is an Al - rich layer having an Al content of 45 wt.% Or more, in particular of 50 wt.% Or more is formed. Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Al - reiche Schicht eine Schichtdicke von mindestens 20 µm, vorzugsweise mindestens 50 µm aufweist.Component after Claim 9 , characterized in that the Al - rich layer has a layer thickness of at least 20 microns, preferably at least 50 microns.
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