DE102018217284A1 - Verbesserung des Niedertemperatur-Oxidationswiderstands von Chromstahl, Bauteil und Verfahren - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmebehandlung eines Chromstahls (4), insbesondere eines 9%-10% Chromstahls, der bei 673K bis 823K eingesetzt wird, bei dem vorab eine Oxidation in einem Ofen, vorzugsweise an Luft, durchgeführt wird, bei dem die Temperatur der Voroxidation mindestens 20K, insbesondere mindestens 30K höher liegt als im Einsatzbereich, vorzugsweise größer gleich 873K beträgt, wodurch sich eine reine Chromoxidschicht (20) bildet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wärmebehandlung zur Verbesserung des Oxidationswiderstands bei chromhaltigen Stählen, die bei Niedertemperaturen eingesetzt werden, ein Bauteil sowie Verfahren zum Betreiben einer Turbine.
  • Aufgrund ihrer niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten werden martensitische 9-10% Stähle in Gasturbinen der neuesten Generation für Gehäusebauteile verwendet. Die Betriebstemperaturen einiger dieser Bauteile liegen in einem Temperaturbereich, in dem es schon zu Bildung von Oxiden kommen kann. Der Gehalt an Chrom in dieser Werkstoffgruppe reicht bei den Betriebstemperaturen (673K bis 823K) jedoch nicht aus, um eine schützende Chromoxidschicht zu bilden, weil die Nachdiffusion des Chromes aus dem Werkstoff zur Grenzfläche Metall-Atmosphäre bei den niedrigen Temperaturen nicht effektiv ist. Dadurch bildet sich anstelle des schützenden Cr2O3 ein mehrschichtiges System aus Fe2O3 und Spinellen. Im fortlaufenden Betrieb der Maschine wachsen diese und können zu großflächigem Abplatzungen führen. Derartige Oxidpartikel können den Betrieb der Gasturbine durch Verstopfung von filigranen Kühlkanälen empfindlich stören und sind daher unerwünscht.
  • Zur Vermeidung der Oxidabplatzungen an Bauteilen, die im Bereich zwischen 673K bis 823K betrieben werden, stehen neben der Umstellung auf Werkstoffe mit höherem Co-Gehalt an Chrom (Cr) eine Vielzahl von Oberflächenbeschichtungsverfahren und Prozesse zur Änderung der Oberflächen Zusammensetzung zur Verfügung. Dazu zählen unter anderem Chromieren und Alitieren, sowie thermische Spritzschichten mit Materialien wie NiCr8020; NiA15; FeCrAlY usw. Auch sind Hochtemperaturlacke und Farben erhältlich, die als Beschichtung eine Oxidation des Grundwerkstoffes verhindern sollen.
  • Alle diese Optionen haben gemein, dass die Fertigungsdauer der Bauteile erheblich verlängert wird und zusätzliche Material-, Prozess-, und Qualitätskosten entstehen. Ein weiterer Nachteil ist die Gefahr, dass von abplatzenden Schichtbestandteilen eine ähnliche Gefährdung ausgehen könnte, wie durch die zu vermeidenden Oxidpartikel selbst.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, einem Bauteil gemäß Anspruch 3 und einem Verfahren gemäß Anspruch 4.
  • In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
  • Die vorzugsweise entfetteten und gereinigten Bauteile werden bei einer Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 873K bis 923K +- 10K in einem atmosphärischen Ofen (elektrisch oder gasbeheizt mit Luftüberschuss) voroxidiert.
  • Bei der Einstellung der Brenner ist darauf zu achten, dass mit Luftüberschuss gefeuert wird, damit für die Bildung des schützenden Cr2O3 auch genügend Sauerstoff vorhanden ist. Wenn mit einem fetten oder genau stöchiometrischen Brennstoffgemisch verbrannt wird, könnte sich die schützende Schicht nicht ausbilden, weil kein Sauerstoff mehr zur Verfügung steht.
  • Dadurch entsteht an der Bauteiloberfläche eine selbstschützende, dünne, insbesondere 2µm - 6µm dicke und dichte Chromoxid-Schicht, weil die Nachdiffusion von Chrom in diesem Temperaturbereich erheblich leichter vonstattengeht als im Betriebstemperaturbereich der Bauteile. Die Bildung einer nicht schützenden durchlässigen Schicht aus Eisenoxid und Spinellen wird verhindert. Die Bauteile können nach erfolgter Behandlung auch bei den geringeren Temperaturen betrieben werden und sind durch die Chromoxidschicht geschützt.
    • - Erhebliche Zeit und Kostenersparnis bei der Fertigung der Bauteile im Vergleich zu allen Beschichtungsprozessen;
    • - die Gefahr des Abplatzens einer sonstigen aufgebrachten Schicht wird komplett vermieden;
    • - Vermeidung von Turbinenschäden durch verstopfte Kühlluftkanäle, kurze Lieferzeiten; kostengünstiger und weltweit verfügbarer Prozess;
    • - alternativ zur Behandlung an Luft kann die Voroxidation auch in geregelten Atmosphären erfolgen, beispielsweise in Prozessgasen mit erhöhtem Sauerstoffgehalt;
    • - die Bauteile können in Vorbereitung des Voroxidationsprozesses mit einem Strahlprozess (Sandstrahlen, Kugelstrahlen usw.) behandelt werden, der die Voroxidationswirkung durch Bereitstellung von Diffusionspfaden in Form von Versetzungen verbessert.
  • Die 1 zeigt die Vorgehensweise bzw. den Einsatz nach dem Stand der Technik, wohingegen die 2 die erfindungsgemäße Vorgehensweise beinhaltet.
  • 1 zeigt ein Substrat 4` aus einem chromhaltigen Stahl, der direkt im Betrieb bei Temperaturen von 673K bis 823K eingesetzt wird. Dadurch bildet sich an der Oberfläche 23` eine Oxidationsschicht 7' aus einer unteren chromreichen Eisenoxidschicht 10` und einer äußeren Eisenoxidschicht 13` aus. Dies führt zu Abplatzungen 16`.
  • Erfindungsgemäß erfolgt eine Voroxidation des Substrats 4 bei einer Temperatur höher als im Einsatz, d.h. hier vorzugsweise > 873K. Während dieser Wärmebehandlung bildet sich eine reine Chromoxidschicht 20 aus, so dass es im späteren Betrieb bei 673K bis 823K zu keinen Abplatzungen kommt.

Claims (6)

  1. Wärmebehandlung eines Chromstahls (4), insbesondere eines 9%-10% Chromstahls, der bei 673K bis 823K eingesetzt wird, bei dem vorab eine Oxidation in einem Ofen, vorzugsweise an Luft, durchgeführt wird, bei dem die Temperatur der Voroxidation mindestens 20K, insbesondere mindestens 30K höher liegt als im Einsatzbereich, vorzugsweise größer gleich 873K beträgt, wodurch sich eine reine Chromoxidschicht (20) bildet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Strahlprozess, insbesondere Sandstrahlen oder Kugelstrahlen, vor der Voroxidation mit dem Substrat (4) durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem in Luftüberschuss oxidiert wird.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem ein Brenner des Ofens so eingestellt wird, dass mit Luftüberschuss gefeuert wird, damit für die Bildung des schützenden Cr2O3 auch genügend Sauerstoff vorhanden ist.
  5. Bauteil (1), insbesondere hergestellt nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, aus einem Substrat (4) mit einem chromhaltigen Stahl, insbesondere eines 9%-10% Chromstahls, das eine reine Chromoxidschicht (20) (Cr2O3) aufweist, insbesondere mit einer Dicke von 2µm bis 6µm.
  6. Verfahren zum Betreiben einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine, die Bauteile (1), insbesondere Rotorscheiben aus Chromstahl, aufweist, die (1) eine maximale Einsatztemperatur von 823K aufweisen, wobei das Bauteil (1) gemäß Anspruch 5 für das Bauteil (1) verwendet wird, oder das oder deren Bauteile (1) nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4 wärmebehandelt wurde.
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