DE10358813A1 - Quasi-crystalline alloy used in the production of a component of a gas turbine or compressor comprises a composition containing aluminum, nickel, ruthenium and transition metal - Google Patents
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Abstract
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL TERRITORY
Die vorliegende Erfindung betrifft quasikristalline oder als Approximant vorliegende Verbindungen, ein Verfahren zu deren Herstellung sowie Verwendungen derartiger Verbindungen insbesondere im Zusammenhang mit der Beschichtung von hohen Temperaturen ausgesetzten Bauteilen.The The present invention relates to quasi-crystalline or as approximant present compounds, a process for their preparation and Uses of such compounds in particular in context with the coating of high temperature exposed components.
Wärmedämmschichten zum Schutz von Bauteilen, welche hohen Temperaturen und korrosiven Umgebungen ausgesetzt sind, sind von enormer Bedeutung beispielsweise im Bereich von Gasturbinen, um die Lebensdauer derartiger Bauteile zu erhöhen. Normalerweise werden als derartige Wärmedämmschichten (TBC, thermal barrier coating) Zirkonoxide (ZrO2) verwendet, welche durch Yttriumoxide (Y2O3) stabilisiert sind, wobei so genannte Y-stabilisierte Zirkonlegierungen entstehen (YSZ, yttria stabilized zirconia). Die Auftragung von derartigen keramischen YSZ-Schichten auf ein metallisches Substrat geschieht normalerweise unter Verwendung von Verfahren wie Plasmaspray (APS, Air plasma spray) oder Elektronenstahl-Dampfabscheidung (EB-PVD, Electron beam physical vapour deposition), vgl. dazu z.B. Beele W., Marijnissen G., van Lieshout A., (1999), Surf. Coat. Tech., 120-121, 61. Der Vorteil derartiger Beschichtungen besteht in ihrer ausgeprägten Fähigkeit, hohe thermische Gradienten auszuhalten und die darunter liegenden Schichten aus Basismaterial mit niedrigerem Schmelzpunkt von den Regionen mit hohem Wärmefluss und/oder hoher Temperatur zu isolieren. Um die Haftungswirkung zwischen der keramischen Schicht und dem Substrat zu erhöhen respektive um einen Schutz des Substrats vor Oxidation gewährleisten zu können, ist wenigstens eine Zwischenschicht aus MCrAlY (wobei M=Co, Ni oder Co/Ni) oder aus anderen Ni-Alumininiden oder eine Kombination davon erforderlich, wie bereits mehrfach berichtet wurde.Thermal barrier coatings for protecting components exposed to high temperatures and corrosive environments are of enormous importance, for example in the field of gas turbines, in order to increase the service life of such components. Normally, as such thermal barrier coating (TBC) zirconium oxides (ZrO 2 ) are used, which are stabilized by yttrium oxides (Y 2 O 3 ), so-called Y-stabilized zirconium alloys arise (YSZ, yttria stabilized zirconia). The application of such ceramic YSZ layers to a metallic substrate is normally done using methods such as plasma spray (APS, Air Plasma Spray) or electron beam vapor deposition (EB-PVD), cf. for example, Beele W., Marijnissen G., van Lieshout A., (1999), Surf. Coat. Tech., 120-121, 61. The advantage of such coatings is their marked ability to endure high thermal gradients and to isolate the underlying layers of lower melting point base material from the regions of high heat flux and / or high temperature. In order to increase the adhesion between the ceramic layer and the substrate, respectively, in order to ensure protection of the substrate from oxidation, at least one intermediate layer of MCrAlY (where M = Co, Ni or Co / Ni) or other Ni alumininides or a Combination required, as has already been reported several times.
Quasikristalline Materialien (QC, quasicrystals) wurden seit ihrer Entdeckung durch Shechtman als metastabile, ikosahedrale Quasikristalle mit dreidimensionaler Quasiperiodizität in Vielzahl von Arbeiten untersucht. Quasikristalle im engeren Sinne sind Phasen, welche eine 5, 10 oder 12-zählige Rotationssymmetrie aufweisen, welche mit der Symmetrie des Translationsgitters von klassischen Kristallphasen nicht vereinbar sind.quasicrystalline Materials (QC, quasicrystals) have been through since their discovery Shechtman as metastable, icosahedral quasicrystals with three-dimensional quasiperiodicity studied in a variety of works. Quasicrystals in the narrower sense are phases which have a 5, 10 or 12-fold rotational symmetry, which with the symmetry of the translation lattice of classical Crystal phases are incompatible.
Approximanten von Quasikristallen sind translationsperiodische intermetallische Verbindungen, welche Diffraktionsmuster mit 5-, 8-, 10-oder 12-facher Pseudosymmetrie aufweisen. Auf die Entdeckung von Shechman folgte eine Anzahl von Publikationen, welche andere metastabile Quasikristalle beschrieben, die sich bei Temperung in die dem Gleichgewichtszustand entsprechende kristalline Phase umwandelten. Es wurde bereits eine grosse Anzahl von stabilen quasikristallinen Systemen unter Al-enthaltenden Legierungen entdeckt wie beispielsweise Al-Li-Cu, Al-Fe-Cu, Al-Cu-Ru, Al-Cu-Os, Al-Cu-Co, Al-Ni-Co, Al-Pd-Mn, Al-Pd-Ru, Al-Pd-Os. Gleichartiges Verhalten wurde aber auch in anderen Systemen wie Zn-Mg-RE (RE = Y, Gd, Tb, Dy, Er) and Ti(Cr, Mn)-Si-O beobachtet.approximants of quasicrystals are translational periodic intermetallic Compounds which diffraction patterns with 5, 8, 10 or 12 times Have pseudo-symmetry. Following the discovery of Shechman a number of publications containing other metastable quasicrystals described, which in tempering in the state of equilibrium corresponding crystalline phase converted. It already became one large number of stable quasicrystalline systems under Al-containing Alloys such as Al-Li-Cu, Al-Fe-Cu, Al-Cu-Ru, Al-Cu-Os, Al-Cu-Co, Al-Ni-Co, Al-Pd-Mn, Al-Pd-Ru, Al-Pd-Os. DC-like However, behavior was also observed in other systems such as Zn-Mg-RE (RE = Y, Gd, Tb, Dy, Er) and Ti (Cr, Mn) -Si-O.
Derartige quasikristalline Verbindungen sowie einige der zugehörigen Approximanten besitzen eine ungewöhnliche Kombination von interessanten Eigenschaften. Die am besten bekannte Eigenschaft von Quasikristallen besteht darin, nicht beklebbar und nicht benetzbar zu sein, was mögliche technologische Anwendungen nahelegen könnte, vgl. dazu Dubois J.-M., (1997), in New Horizons in Quasicrystals, ed. Goldman A. I. et al, World Scientific, 208. Auch der Elektronentransport ist einmalig in Quasikristallen sowie den Approximanten (Dubois J.-M., (1997), in New Horizons in Quasicrystals, ed. Goldman A. I. et al, World Scientific, 208).such quasicrystalline compounds as well as some of the corresponding approximants own an unusual one Combination of interesting properties. The best known Property of quasicrystals is not sticky and not to be wettable, what possible technological applications, cf. to Dubois J.-M., (1997), in New Horizons in Quasicrystals, ed. Goldman A.I. et al, World Scientific, 208. Electron transport is also unique in quasicrystals and the approximants (Dubois J.-M., (1997), in New Horizons in Quasicrystals, ed. Goldman A.I. et al, World Scientific, 208).
Für die Anwendung von Quasikristallen respektive Approximanten als TBCs bestehen aber die wichtigsten Eigenschaften in deren mechanischem Verhalten sowie der Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidation und Korrosion, in der thermischen Ausdehnung und in der Wärmeleitfähigkeit, in der guten Verarbeitbarkeit zu Beschichtungen, sowie in den Schmelzpunkten.For the application of quasicrystals or approximants as TBCs exist the most important properties in their mechanical behavior as well the resilience across from Oxidation and corrosion, in thermal expansion and in the thermal conductivity, in the good processability to coatings, as well as in the melting points.
Quasikristalline Verbindungen der genannten Art verfügen über eine grosse Härte, haben aber einen ernsthaften Nachteil: bis zu einer Temperatur von ein paar 100 Grad Celsius sind diese Materialien sehr zerbrechlich. Diese exzessive Zerbrechlichkeit schränkt technologische Anwendungen von quasikristallinen Materialien ein (Wollgarten M., Saka H., (1997), in New Horizons in Quasicrystals, ed. Goldman A. I. et al, World Scientific, 320). Das Problem der Zerbrechlichkeit konnte überwunden werden, indem quasikristalline Legierungen als Beschichtungen oder als Bestandteile von Verbundmaterialien, zum Beispiel mit B2-Phasen basierten Legierungen (QC + B2) verwendet wurden. Die geringe Bruchzähigkeit unter aggressiven Reibungsbedingungen stellt eine andere ernsthafte Beschränkung für die Verwendung von quasikristallinen Materialien dar, diese Beschränkung konnte aber durch die Zufügung einer vergleichsweise duktilen Phase überwunden werden (Sordelet D. J., Besser M. F., Logsdon J. L., (1998), Mat. Sci. and Engineering, A255, 54).Quasicrystalline compounds of the type mentioned have a high hardness, but have a serious drawback: up to a temperature of a few 100 degrees Celsius, these materials are very fragile. This excessive fragility limits technological applications of quasicrystalline materials (Wollgarten M., Saka H., (1997), New Horizons in Quasicrystals, ed. Goldman AI et al, World Scientific, 320). The problem of fragility could be overcome by using quasi-crystalline alloys as coatings or as constituents of composite materials, for example, B2-phase based alloys (QC + B2). The low fracture toughness under aggressive friction conditions However, this limitation has been overcome by the addition of a relatively ductile phase (Sordelet DJ, Better MF, Logsdon JL, (1998), Mat. Sci. and Engineering, A255, 54).
Auf der anderen Seite werden quasikristalline Verbindungen bei Temperaturen T > 0.5Tm (Tm ist die Schmelztemperatur) plastisch verformbar und verlieren ihre Härte (Dubois J.-M., (1997), in New Horizons in Quasicrystals, ed. Goldman A. I. et al, World Scientific, 208. Ein erster experimenteller Nachweis der plastischen Verformbarkeit von Quasikristallen wurde für dekagonales, quasikristallines Al70 Pd21Mn9 erbracht. Proben aus quasikristallinem, ikosahedralem (i) i-Al-Cu-Fe können bei hoher Temperatur homogen bis zu 130 % verformt werden. Dieses Weichwerden scheint für die Verwendung von quasikristallinen Materialien als TBCs bei erhöhten Temperaturen Vorteile aufzuweisen.On the other hand, quasicrystalline compounds are plastically deformable at temperatures T> 0.5T m (T m is the melting temperature) and lose their hardness (Dubois J.-M., (1997), in New Horizons in Quasicrystals, ed. Goldman AI et al, World Scientific, 208. An initial experimental proof of the plastic deformability of quasicrystals was obtained for decagonal, quasicrystalline Al 70 Pd 21 Mn 9. Samples of quasicrystalline, icosahedral (i) i-Al-Cu-Fe can be homogeneously grown at high temperature This softening appears to have advantages for the use of quasicrystalline materials as TBCs at elevated temperatures.
Um die Stabilität bezüglich Korrosion zu erhöhen, kann die Zusammensetzung verändert werden. So zeigen Pulver aus quasikristallinem Material und der kristallinen β Phase um Al63Cu25Fe12 herum parabolische Oxidation bei Temperaturen im Bereich von 300 bis 800 °C (Sordelet D. J., Gunderman L. A., Besser M. F., Akinc A. B., (1997), in New Horizons in Quasicrystals, ed. Goldman A. I. et al, World Scientific, 296). Dabei wurde vermutet, dass die quasikristallinen Bestandteile langsamer als die entsprechenden kristallinen Phasen oxidieren. Die mit thermischen Sprayverfahren aufgetragene i-Al-Cu-Fe Phase wurde am resistentesten, wenn Chrom hinzu gegeben wurde (Dubois J.-M., (1997), in New Horizons in Quasicrystals, ed. Goldman A. I. et al, World Scientific, 208). Äusserst niedrige parabolische Oxidation von Beschichtungen aus quasikristallinem Al-Cu-Fe-Cr wurde bei Temperaturen im Bereich von 750-800 °C bestätigt (Kong J., Zhou C., Gong S., Xu H., (2003), Surf. Coat. Technol., 165, 281). Röntgen-Fotoelektronenspektroskopische Messungen (XPS, X-ray photoelectron spectroscopy) bei Raumtemperatur zeigten, dass trockener Sauerstoff nur das Al in Quasikristallen oxidiert (Jenks C. J., Pinhero P. J., Chang A.-L., Andregg J. W., Besser M. F., Sordelet D. J., Thiel P. A., (1997), in New Horizons in Quasicrystals, ed. Goldman A. I. et al, World Scientific, 157). Im Fall von Al-Cu-Fe beginnt die Oxidation von Cu, wenn feuchte Luft zugesetzt wird.In order to increase the stability with respect to corrosion, the composition can be changed. For example, powders of quasicrystalline material and the crystalline β phase around Al 63 Cu 25 Fe 12 exhibit parabolic oxidation at temperatures in the range of 300 to 800 ° C (Sordelet DJ, Gunderman LA, Better MF, Akinc AB, (1997), New Horizons in Quasicrystals, Ed. Goldman AI et al, World Scientific, 296). It was assumed that the quasicrystalline constituents oxidize more slowly than the corresponding crystalline phases. The thermal spray applied i-Al-Cu-Fe phase became the most resistant when chromium was added (Dubois J.-M., (1997), New Horizons at Quasicrystals, ed. Goldman AI et al, World Scientific, 208). Extremely low parabolic oxidation of quasicrystalline Al-Cu-Fe-Cr coatings was confirmed at temperatures in the range of 750-800 ° C (Kong J., Zhou C., Gong S., Xu H., (2003), Surf. Coat., Technol., 165, 281). X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) at room temperature showed that dry oxygen oxidizes only the Al in quasicrystals (Jenks CJ, Pinhero PJ, Chang A.-L., Andregg JW, Better MF, Sordelet DJ, Thiel PA, (1997), in New Horizons in Quasicrystals, ed. Goldman AI et al, World Scientific, 157). In the case of Al-Cu-Fe, the oxidation of Cu begins when moist air is added.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE, thermal expansion coefficients) von Quasikristallen könnte mit jenem von Stählen oder Superlegierungen vergleichbar sein. So ist beispielsweise der Wärmeausdehnungskoeffizient einer Legierung des Typs Al70Cu9Fe10.5Cr10.5 ungefähr 15.6 × 10–6 K–1 zwischen 20 °C and 550 °C und 18.6 × 10–6 K–1 zwischen 550 °C and 800 °C (Archambault P., (1997), in New Horizons in Quasicrystals, ed. Goldman A. I. et al, World Scientific, 232).The thermal expansion coefficients (CTE) of quasicrystals could be comparable to those of steels or superalloys. For example, the thermal expansion coefficient of an Al 70 Cu 9 Fe 10.5 Cr 10.5 alloy is approximately 15.6 × 10 -6 K -1 between 20 ° C and 550 ° C and 18.6 × 10 -6 K -1 between 550 ° C and 800 ° C (Archambault P., (1997), New Horizons in Quasicrystals, ed. Goldman AI et al, World Scientific, 232).
Typische thermische Eigenschaften von Quasikristallen bei Raumtemperatur sind in Tabelle 1 zusammengefasst, wobei erkannt werden kann, dass die thermischen Eigenschaften von Quasikristallen nahe bei jenen isolierender Metalloxide liegen (Archambault P., (1997), in New Horizons in Quasicrystals, ed. Goldman A. I. et al, World Scientific, 232).typical thermal properties of quasicrystals at room temperature are summarized in Table 1, where it can be seen that the thermal properties of quasicrystals close to those insulating metal oxides (Archambault P., (1997), in New Horizons in Quasicrystals, ed. Goldman A.I. et al, World Scientific, 232).
Tabelle 1. Vergleich der thermischen Eigenschaften von Quasikristallen bei Raumtemperatur mit anderen Materialien Table 1. Comparison of thermal properties of quasicrystals at room temperature with other materials
Die Zunahme der Wärmeleitfähigkeit von Quasikristallen für zunehmende Temperatur ist gross (im Gegensatz zum Verhalten von keramischen Verbindungen) infolge der Zunahme des elektronischen Beitrags zu den Transporteigenschaften bei Temperaturen oberhalb 300 K.The Increase in thermal conductivity of quasicrystals for increasing temperature is high (in contrast to the behavior of ceramic compounds) as a result of the increase in electronic Contribution to the transport properties at temperatures above 300 K.
Die
Beschichtbarkeit sowie industrielle Anwendungen von quasikristalline
Phasen wurden bereits mehrfach berichtet (vgl. bereits zitierte
Quellen sowie u.a.
Eine weitere Arbeit (Lang C. I., Sordelet D. J., Besser M. F., Shechtman D., Biancaniello F. S., Gonzalez E. J., (1998), J. Mater. Res., 15 (9), 1894) beschreibt die Herstellung von quasikristallinen Beschichtungen der Zusammensetzung Al70Pd20Mn10 mit Plasma-Sprayverfahren sowie eine weitere Untersuchung der Verarbeitbarkeit und der Eigenschaften von quasikristallinen Al-Cu-Fe und Al-Cu-Fe-Cr Beschichtungen. Dabei wurde geschlossen, dass (i) die thermische Diffusivität von quasikristallinen Beschichtungen empfindlich auf den Gehalt an kristallinen Phasen reagiert; (ii) die Härte von quasikristallinen Beschichtungen hängt nicht in starkem Masse von der Phasenstruktur ab und (iii) die Anwesenheit eines beträchtlichen Teiles an kristalliner Phase verbessert den Reibungskoeffizienten von quasikristallinen Beschichtungen.Another work (Lang CI, Sordelet DJ, Better MF, Shechtman D., Biancaniello FS, Gonzalez EJ, (1998), J. Mater. Res., 15 (9), 1894) describes the preparation of quasi-crystalline coatings of composition Al 70 Pd 20 Mn 10 with plasma spray process and further investigation of the processability and properties of quasi-crystalline Al-Cu-Fe and Al-Cu-Fe-Cr coatings. It was concluded that (i) the thermal diffusivity of quasicrystalline coatings is sensitive to the content of crystalline phases; (ii) the hardness of quasicrystalline coatings does not greatly depend on the phase structure and (iii) the presence of a substantial portion of crystalline phase improves the coefficient of friction of quasi-crystalline coatings.
Die
Herstellung von kommerziellen Beschichtungen aus Al-Cu-Fe-Cr wurde
bereits beschrieben und Plasma-Sprayverfahren bei niedrigem Druck
(LPPS) wurden ebenfalls bereits verwendet, um Beschichtungen auf
Basis von Al-Cu-Fe-Cr QC herzustellen (Kong J., Zhou C., Gong S.,
Xu H., (2003), Surf. Coat. Technol., 165, 281). Eine interessante
Methode zur Herstellung einer quasikristallinen Beschichtung unter Verwendung eines
beweglichen Drahtes für
die thermische Abscheidung wurde ebenfalls beschrieben (
Für das quasikristalline System Al-Cu-Fe wurde ausserdem die Abscheidung unter Verwendung von Elektronenstahl-Dampfabscheidung (EB-PVD, Electron beam physical vapour deposition) beschrieben, und für den Fall von Ni-quasikristallinen Verbundstoffen Elektroabscheidung.For the quasicrystalline System Al-Cu-Fe was also used for deposition electron beam vapor deposition (EB-PVD, Electron beam physical vapor deposition), and in the case of Ni-quasicrystalline Composites electrodeposition.
Die ersten Vorschläge zur Verwendung von quasikristallinen Materialien waren zur Beschichtung von Cu, Al Legierungen oder Cu Legierungen zur Herstellung von Kochgeräten, reibungsarmen Lagern, abnutzungsarmen Oberflächen und Referenzoberflächen. Die in diesem Zusammenhang verwendeten Materialien enthalten wenigstens 40 Gewichts- % der ikosahedralen (i-) und/oder der dekagonalen (D-) zu Phase und entsprechen der allgemeinen Formel AlaCubFecXdIe, wobei X eines oder mehrere der Elemente ausgewählt aus V, Mo, Ti, Zr, Nb, Cr, Mn, Ru, Rh, Ni, Mg, W, Si sowie der seltenen Erden entspricht, I für Unreinheiten steht sowie e ≤ 2, 14 ≤ b ≤ 30, 7 ≤ c ≤ 20, 0 ≤ d ≤ 10, mit c + d ≤ 10.The first proposals for the use of quasicrystalline materials have been in the coating of Cu, Al alloys or Cu alloys for cooking equipment, low friction bearings, low wear surfaces and reference surfaces. The materials used in this context contain at least 40% by weight of the icosahedral (i) and / or the decagonal (D) to phase and correspond to the general formula Al a Cu b Fe c X d I e , where X is one or more the elements selected from V, Mo, Ti, Zr, Nb, Cr, Mn, Ru, Rh, Ni, Mg, W, Si and the rare earths, I is impurities and e ≤ 2, 14 ≤ b ≤ 30, 7 ≤ c ≤ 20, 0 ≤ d ≤ 10, with c + d ≤ 10.
Wärmedämmschichten
bestehend aus einem Material mit wenigstens einem höchsstschmelzenden (refractory)
Oxid mit niedriger Wärmeleitfähigkeit
und wenigstens einer quasikristallinen Legierung (2–30 % Vol.
Anteile ), wurden ebenfalls bereits beschrieben (
Hitzeschutzsysteme
enthaltend quasikristalline Materialien werden in
Daneben
wurde ein schnelles Quenchen für
die Herstellung von Al-basierten quasikristallinen Legierungen des
Typs AlxLyMz vorgeschlagen, welche eine grosse Stärke und
Rigidität
aufweisen ohne jegliche Oxide, wobei [L = Mn oder Cr, M = Ni, Co
oder Cu (wenigstens eines davon); x + y + z = 100, 75 ≤ x ≤ 95, 2 ≤ y ≤ 15, 0.5 ≤ z ≤ 4] (
Der
Hauptnachteil der quasikristallinen Stukturen nach dem Stand der
Technik für
deren Verwendung als Beschichtungen im Hochtemperaturbereich ist
normalerweise deren ungenügend
hoher Schmelzpunkt. Die meisten bekannten quasikristallinen Phasen
schmelzen unterhalb von 100 0 °C
(beispielsweise ist die Solidus-Temperatur von Al73Ni14Co13 bei 940 °C, Al70Pd21Mn3 schmilzt
bei 860 °C,
Al62Cu20Co15Si3 bei 920 °C (Wolf B.,
Bambauer K.-O., Paufler P., (2001), Mat. Sci. and Engineering, A298,
284), Al63.5Cu24Fe12.5 bei 950 °C (Dubois J.-M., Archambault
P., Colleret B., (1996),
DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION THE INVENTION
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine neue quasikristalline oder als Approximant vorliegende Verbindung zur Verfügung zu stellen. Die Verbindung soll dabei vorteilhafte Eigenschaften aufweisen, wie sie insbesondere im Zusammenhang mit der Verwendung als Beschichtung von von heissen Gasen umströmten Bauteilen, welche beispielsweise in Gasturbinen eingesetzt werden, erforderlich sind. So soll die Verbindung respektive die Klasse von Verbindungen eine entsprechende Festigkeit und Dichte aufweisen, soll eine niedrige thermische Leitfähigkeit aufweisen, eine hohe Stabilität in Bezug auf Oxidation aufweisen, und das Verhalten in Bezug auf die Wärmeausdehnung sollte ähnlich sein wie jenes typischer Substrate, wie beispielsweise Substrate aus Superlegierungen.Of the The invention is therefore based on the object, a new quasicrystalline or as a approximated compound available put. The compound should have advantageous properties, as specifically related to use as a coating of hot gases flowing around Components which are used, for example, in gas turbines, required are. This is how the connection and the class should be of compounds have a corresponding strength and density, should have a low thermal conductivity, a high stability in terms of oxidation, and behavior in relation to the thermal expansion should be similar be like those typical substrates, such as substrates made of superalloys.
Die
Lösung
dieser Aufgabe wird dadurch erreicht, dass die Verbindung eine nominale
Zusammensetzung der folgenden Art:
Aufweist, wobei M wenigstens eines der Elemente ausgewählt aus der Gruppe: Ir, Pt, Rh, Pd, Cr, V, W, Mo, Nb, Ta, Ti, Hf, Zr, Re, Fe, Co, Y, seltene Erde, Si, B ist. Ausserdem gilt, dass w = 68–75, 0 < x ≤ 25, 0 < y ≤ 25, 0 < z ≤ 20, und wenigstens 30 Massen-% der Verbindung liegen als quasikristalline Struktur oder als Approximant vor.Having, where M is at least one of the elements selected from the group: Ir, Pt, Rh, Pd, Cr, V, W, Mo, Nb, Ta, Ti, Hf, Zr, Re, Fe, Co, Y, rare Earth, Si, B is. In addition, w = 68-75, 0 <x ≤ 25, 0 <y ≦ 25, 0 <z ≦ 20, and at least 30% by mass of the compound is a quasicrystalline structure or as a approximant.
Der Kern der Erfindung besteht somit in der überraschenden Erkenntnis, dass die Zugabe von höchstschmelzenden Metallen zu einer dekagonalen Phase des Typs Al-Ni-Ru zu einer Legierung mit wesentlich höherem Schmelzpunkt und den genannten vorteilhaften Eigenschaften führt. Vorzugsweise wird dabei der Anteil an Al im folgenden Bereich eingestellt: w = 71 – 74. Weiterhin vorzugsweise wird der Anteil an Ni in folgendem Bereich eingestellt: x = 10 – 20. Weiterhin vorzugsweise wird der Anteil an Ru in folgendem Bereich eingestellt: y = 7 – 15. Der Anteil an M wird bevorzugt in einem Bereich von 1 < z ≤ 10 eingestellt.Of the The core of the invention thus consists in the surprising finding that the addition of top-melting Metals to a decagonal phase of the type Al-Ni-Ru to an alloy with much higher Melting point and the aforementioned advantageous properties. Preferably the proportion of Al is set in the following range: w = 71 - 74. Further preferably, the content of Ni in the following range set: x = 10 - 20. Further, preferably, the proportion of Ru in the following range set: y = 7 - 15. The content of M is preferably set in a range of 1 <z ≦ 10.
Weiterhin bevorzugte Einstellungen der Parameter sind wie folgt: wenn M = Co, dann z ≤ 15; wenn M = Fe, dann z ≤ 10; wenn M ausgewählt ist aus der Gruppe: Ir, Pt, Rh, Pd oder einer Mischung davon, dann z ≤ 15, vorzugsweise z ≤ 10; wenn M ausgewählt ist aus der Gruppe Cr, V, W, Mo, Nb, Ta, Ti, Hf, Zr, Re, oder einer Mischung davon, dann z ≤ 5, vorzugsweise z ≤ 2; wenn M ausgewählt ist aus der Gruppe Y, Si, B oder einer Mischung davon, dann z ≤ 3, vorzugsweise z ≤ 1.Farther preferred settings of the parameters are as follows: if M = Co, then z ≤ 15; if M = Fe, then z ≤ 10; if M is selected is from the group: Ir, Pt, Rh, Pd or a mixture thereof, then z ≤ 15, preferably z ≤ 10; if M selected is from the group Cr, V, W, Mo, Nb, Ta, Ti, Hf, Zr, Re, or one Mixture thereof, then z ≤ 5, preferably z ≤ 2; if M is selected is from the group Y, Si, B or a mixture thereof, then z ≤ 3, preferably z ≤ 1.
In Bezug auf den Schmelzpunkt erhält man besonders gute Resultate, wenn eine nominale Zusammensetzung einer der folgenden Formeln: Al72Ni11Ru12Ir5; Al74Ni11Ru10Ir5, oder eine Mischung davon verwendet wird.With regard to the melting point, particularly good results are obtained when a nominal composition has one of the following formulas: Al 72 Ni 11 Ru 12 Ir 5 ; Al 74 Ni 11 Ru 10 Ir 5 , or a mixture thereof is used.
Grundsätzlich ist es möglich, dass weiterhin in geringen Bestandteilen multinäre Phasen vorliegen, insbesondere auf Basis von intermetallischen Verbindungen. Bei derartigen intermetallischen Verbindungen kann es sich um Approximanten der dekagonalen Phase handeln, insbesondere des Typs Al13Ru14 und/oder Al2Ni3.In principle, it is possible that multinear phases continue to be present in small constituents, in particular based on intermetallic compounds. Such intermetallic compounds may be approximants of the decagonal phase, in particular of the type Al 13 Ru 14 and / or Al 2 Ni 3 .
Eine bevorzugte Verwendung einer derartigen Verbindung respektive einer Kombination von derartigen Verbindungen besteht darin, sie in Form einer Beschichtung auf ein Substrat aufzubringen. Diese Schicht kann entweder als einzelne Schicht aufgetragen sein, oder aber in einem Mehrschichtaufbau, wobei die Verbindung in mehreren Lagen oder alternativ nur in der äussersten Schicht vorhanden sein kann.A preferred use of such a compound or a Combination of such compounds is to shape them a coating applied to a substrate. This layer can be applied either as a single layer, or in one Multi-layer construction, wherein the compound in multiple layers or alternatively only in the outermost Layer can be present.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft entsprechend einen Schichtaufbau, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass auf einem Substrat, insbesondere einem metallischen Werkstoff oder einer Superlegierung, eine quasikristalline Beschichtung, wie sie oben geschildert wird, insbesondere als Oberflächenbeschichtung aufgebracht ist.A further preferred embodiment of the present invention accordingly relates to a layer structure which is characterized in that on a substrate, in particular a metallic material or a superalloy, a quasicrystalline coating, as described above, is applied in particular as a surface coating.
Bei einem derartigen Mehrschichtaufbau sollte vorteilhafterweise zwischen dem Substrat und der quasikristallinen Beschichtung wenigstens eine als Diffusionsbarriere (insbesondere für Al, aber auch für andere Bestandteile), wirkende Zwischenschicht angeordnet sein. In diesem Zusammenhang stellt sich heraus, dass für diesen spezifischen Typ der Oberflächenbeschichtung Zwischenschichten aus einem reinen höchstschmelzenden Metall wie insbesondere bevorzugt Ru, Ir, Re, Pt etc. vorteilhaft verwendet werden können. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die wenigstens eine Zwischenschicht als eine Schicht aus einer Feststofflösung aus einem höchstschmelzenden Metall, wie insbesondere bevorzugt Ru, Ir, Re etc., mit B2-struktur-basierten intermetallischen Verbindungen enthaltend 26–60 Atom-% Al auszugestalten, wobei eine derartige Zwischenschicht bevorzugt eine Schmelztemperatur aufweist, welche wenigstens 400 °C oberhalb der Betriebstemperatur der Beschichtung liegt (d. h. 400 °C oberhalb der Temperatur der diese Oberfläche umströmenden Gase bei Verwendung beispielsweise in Gasturbinen).at Such a multi-layer structure should advantageously between at least one of the substrate and the quasicrystalline coating as a diffusion barrier (in particular for Al, but also for other constituents), acting intermediate layer may be arranged. In this context turns out that for this specific type of surface coating interlayers from a pure supreme melting Metal such as particularly preferred Ru, Ir, Re, Pt, etc. advantageous can be used. Alternatively or in addition Is it possible, the at least one intermediate layer as a layer of a solid solution a melting pot Metal, such as in particular preferably Ru, Ir, Re etc., with B2-structure-based intermetallic Compounds containing 26-60 Atom% Al to design, with such an intermediate layer preferred has a melting temperature which is at least 400 ° C above the operating temperature of the coating is (i.e., 400 ° C above the temperature of this surface flowing around Gases when used for example in gas turbines).
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung, wie sie oben geschildert wurde, respektive eines genannten Schichtaufbaus. Das Verfahren zeichnet sich dabei dadurch aus, dass die erfindungsgemässe Verbindung unter Verwendung von thermischen Sprayverfahren wie APS, Elektroplating, oder Dampfabscheidung wie EB-PVD, oder gegebenenfalls einer Kombination dieser Verfahren, oder anderen galvanischen Verfahren aufgebracht wird. Die Eigenschaften der endgültigen Schicht können verbessert werden, indem die einzelne Schicht oder der Schichtaufbau anschliessend getempert wird. Bevorzugt findet die Temperung vor dem Sprayen oder der Pulverisierung statt.Farther The present invention relates to a process for the preparation a coating, as described above, respectively one said layer structure. The process is characterized thereby from that the inventive Compound using thermal spray techniques such as APS, Electroplating, or vapor deposition such as EB-PVD, or optionally a combination of these methods, or other galvanic methods is applied. The properties of the final layer can be improved be followed by the individual layer or the layer structure subsequently is tempered. Preference is given to tempering before spraying or the pulverization takes place.
Nicht zuletzt betrifft die vorliegende Erfindung auch noch eine Verwendung einer derartigen Verbindung, bevorzugt als Beschichtung oder Schichtaufbau, als Werkstoff für ein Bauteil, welches hohen Temperaturen ausgesetzt ist, und welches insbesondere heissen Gasen ausgesetzt ist respektive von heissen Gasen umströmt wird. Dabei kann es sich um ein Bauteil einer Gasturbine oder eines Kompressors handeln, insbesondere bevorzugt um eine Laufschaufel oder Leitschaufel einer Gasturbine oder eines Kompressors.Not Finally, the present invention also relates to a use such a compound, preferably as a coating or layer structure, as a material for a component which is exposed to high temperatures, and which especially hot gases is exposed respectively from hot Gases flow around becomes. This may be a component of a gas turbine or a Compressor act, particularly preferably a blade or guide vane of a gas turbine or a compressor.
Vorzugsweise wird die Verbindung als Beschichtung insbesondere bevorzugt der direkt den heissen Gasen ausgesetzten Oberfläche verwendet, wobei gegebenenfalls unterhalb der Beschichtung eine weitere Funktionsschicht insbesondere zur Haftvermittlung oder zur Barrierewirkung, insbesondere als Diffusionsbarriere, vorliegt. Insbesondere bei der Verwendung als Beschichtung für Gasturbinenanwendungen erweist es sich als vorteilhaft, die Beschichtung eine Dicke von im Bereich von 10–400 μm, insbesondere bevorzugt im Bereich von 100 bis 200 μm aufweisen zu lassen.Preferably the compound is particularly preferred as the coating used directly exposed to the hot gases surface, where appropriate below the coating another functional layer in particular for adhesion or barrier action, in particular as a diffusion barrier, is present. Especially when used as a coating for gas turbine applications it proves to be advantageous, the coating has a thickness of in the range of 10-400 microns, in particular preferably in the range from 100 to 200 μm.
Weitere bevorzugte Verbindungen, Beschichtungen, Verfahren und Verwendungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.Further preferred compounds, coatings, methods and uses are in the dependent claims described.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGURENSHORT EXPLANATION THE FIGURES
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:The Invention is intended below with reference to embodiments in connection closer with the drawings explained become. Show it:
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS TO PERFORM THE INVENTION
Die thermische Belastung sowie die Oxidation von Laufschaufeln oder Leitschaufeln in Gasturbinen unter dem Einfluss hoher Temperaturen in Kombination mit den oxidativen respektive korrosiven Bedingungen reduziert die mögliche Lebensdauer respektive die mögliche maximale Auslegung der Temperatur des Prozesses der Verbrennung, was auf der einen Seite die Effizienz der Turbine reduziert und auf der anderen Seite die Unterhaltskosten erhöht. Nach dem Stand der Technik sind im Zusammenhang mit der Beschichtung von derartig belasteten Komponenten Materialien wie beispielsweise mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkondioxid (Yttria stabilized ZrO2, abgekürzt YSZ) bekannt. Derartige Beschichtungen werden als keramische Wärmedämmschichten bezeichnet. Trotz ihrer ungenügenden mechanischen Stabilität respektive Integrität, trotz des hohen spezifischen Gewichts und obwohl derartige Schichten für Sauerstoff im wesentlichen durchlässig sind, sind diese Materialien nach wie vor einzigartig für den Schutz der Oberflächen des Basismetalls insbesondere der Laufschaufeln respektive Leitschaufeln der ersten Stufe von Niederdruck-Gasturbinen. Dort treten bekanntermassen die besonders hohen Temperaturen im Bereich von 900 bis 950 Grad Celsius auf. Die ungekühlten dritten und vierten Stufen können unter Zuhilfenahme von Titan-Legierungen hergestellt werden, welche ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Dichte aufweisen aber einen Schutz vor Oxidation respektive Korrosion erforderlich machen.The thermal stress as well as the oxidation of blades or vanes in gas turbines under the influence of high temperatures in combination with the oxidative or corrosive conditions reduces the possible life and the maximum possible interpretation of the temperature of the combustion process, which on the one hand the efficiency of the turbine reduced and on the other hand the maintenance costs increased. According to the prior art, materials such as yttria-stabilized zirconia (Yttria stabilized ZrO 2 , abbreviated YSZ) are known in connection with the coating of such loaded components. Such coatings are referred to as ceramic thermal barrier coatings. Despite their inadequate mechanical stability and integrity, despite the high specific gravity, and although such layers are substantially permeable to oxygen, these materials are still unique in protecting the surfaces of the base metal, particularly the first stage buckets and vanes of low pressure gas turbines , There are known to be the particularly high temperatures in the range of 900 to 950 degrees Celsius. The uncooled third and fourth stages can be made with the aid of titanium alloys which have a good strength to density ratio but require protection against oxidation or corrosion.
Problematisch an diese Verbindungen ist unter anderem, dass die Wärmeausdehnung der metallischen und der keramischen Teile unterschiedlich ist, dass Mischungen aus unterschiedlichen Oxiden (unter anderem Spinelle) insbesondere an der Grenzfläche zwischen der YSZ und der darunterliegenden Schicht, entstehen können. Ausserdem kann schädliche Interdiffusion stattfinden.Problematic Among these compounds is, inter alia, that the thermal expansion the metallic and the ceramic parts are different, that mixtures of different oxides (among others spinels) especially at the interface between the YSZ and the underlying layer. Moreover can be harmful Interdiffusion take place.
Die vorgeschlagenen Verbindungen, welche sich für die Beschichtung von derartigen Bauteilen eignen, basieren auf quasikristallinen (QC, quasicrystalline) Verbindungen des Typs Al-Ni-Ru-M (wobei M wenigstens eines der Elemente ausgewählt aus der Gruppe von Edelmetallen wie Ir, Pt, Rh, Pd, Übergangsmetallen wie Cr, V, W, Mo, Nb, Ta, Ti, Hf, Zr, Re, Fe, Co, Y, sowie seltene Erden, und Si, B). Quasikristalle sind nicht-periodische intermetallische Phasen mit dekagonaler (D-Phase ) oder ikosahedraler (i-Phase) Symmetrie. Approximanten von Quasikristallen sind echte intermetallische Verbindungen mit Strukturen, die jenen von Quasikristallen ähnlich sind.The proposed compounds which are suitable for the coating of such Components are based on quasicrystalline (QC, quasicrystalline) Compounds of the type Al-Ni-Ru-M (where M is at least one of the elements selected from the group of precious metals such as Ir, Pt, Rh, Pd, transition metals such as Cr, V, W, Mo, Nb, Ta, Ti, Hf, Zr, Re, Fe, Co, Y, as well as rare earths, and Si, B). Quasicrystals are non-periodic intermetallic phases with decagonal (D-phase) or icosahedral (i-phase) symmetry. Approximants of Quasicrystals are true intermetallic compounds with structures, similar to those of quasicrystals are.
In
diesem Zusammenhang zeigt
Die Basiszusammensetzung der vorliegenden dekagonalen Phase ist Al73Ni16Ru11. Der Al Gehalt in derartigen Beschichtungen kann in einem Bereich von 68 Atom% bis 75 Atom% variieren. Das zusätzliche Element M kann in einem Gehalt von bis zu 10 Atom% (respektive 20 Atom% für M = Kobalt) vorliegen, wobei Ni und/oder Ru durch M ersetzt werden kann. Daneben können die vorgeschlagenen quasikristallinen Verbindungen respektive Beschichtungen daraus oder Ausgangsmaterial dafür kleinere Anteile von multinären Phasen auf Basis von intermetallische Verbindungen enthalten, welche als Approximanten der dekagonalen Phase betrachtet werden können. In Frage kommen dafür zum Beispiel Al13Ru4 und/oder Al3Ni2. In der vorliegenden Beschreibung werden sowohl die reinen dekagonalen Phasen des Typs Al-Ni-Ru-M als auch deren relevante Approximanten als quasikristallen oder quasikristalline Phasen bezeichnet.The basic composition of the present decagonal phase is Al 73 Ni 16 Ru 11 . The Al content in such coatings can vary in the range of 68 at% to 75 at%. The additional element M can be present in a content of up to 10 atom% (or 20 atom% for M = cobalt), wherein Ni and / or Ru can be replaced by M. In addition, the proposed quasicrystalline compounds, or coatings thereof or starting material therefor, may contain minor proportions of multinary phases based on intermetallic compounds, which may be considered as approximating the decagonal phase. For example, Al 13 Ru 4 and / or Al 3 Ni 2 are suitable. In the present specification, both the pure decagonal phases of the type Al-Ni-Ru-M and their relevant approximants are referred to as quasi-crystals or quasicrystalline phases.
Selbstverständlich können in diesem Zusammensetzungen Unreinheiten von anderen Elementen in niedrigen Anteilen vorkommen, wie dies bei der normalen Verarbeitung der Legierungen kaum vermieden werden kann.Of course, in this compounds impurities from other elements in low Shares occur as in the normal processing of the alloys can hardly be avoided.
Ausserdem muss bemerkt werden, dass andere Elemente, welche die vorteilhaften Eigenschaften der vorgeschlagenen Verbindungen nicht beeinflussen, ebenfalls in der Legierung vorhanden sein können, ohne dass dadurch aus der Erfindung herausgeführt würde.Moreover It must be noted that other elements which are the most advantageous Do not affect the properties of the proposed compounds, may also be present in the alloy without thereby brought out of the invention would.
Vorzugsweise wird als Startmaterial für die Abscheidung einer Beschichtung eine reine dekagonale Al-Ni-Ru-M Phase verwendet, welche über eine entsprechende Temperung einer gegossenen Legierung der zugehörigen Zusammensetzung erhalten werden kann.Preferably is used as starting material for the deposition of a coating a pure decagonal Al-Ni-Ru-M Phase uses which over a corresponding tempering of a cast alloy of the associated composition can be obtained.
Die vorgeschlagenen dekagonalen Al-Ni-Ru-M Legierungen und deren Approximanten verfügen über eine Vielzahl von nützlichen Eigenschaften, wie beispielsweise:
- (1) niedrige Wärmeleitfähigkeit, wie sie für Quasikristalle charakteristisch ist,
- (2) schützendes parabolisches Oxidationsverhalten,
- (3) vergleichsweise hohe Schmelzpunkte verglichen mit anderen Al-enthaltenden Quasikristallen,
- (4) Wärmeausdehnungskoeffizienten, welche mit jenen von Superlegierungen respektive Substraten von Superlegierungen vergleichbar sind,
- (5) erhöhte Dichte welche die Abscheidung von dichteren Beschichtungen durch thermische Sprayverfahren erlaubt.
- (1) low thermal conductivity characteristic of quasicrystals
- (2) protective parabolic oxidation behavior,
- (3) comparatively high melting points compared to other Al-containing quasicrystals,
- (4) coefficients of thermal expansion comparable to those of superalloys and superalloy substrates, respectively;
- (5) increased density which allows the deposition of denser coatings by thermal spray methods.
Werden derartige Verbindungen als Beschichtungen beispielsweise von Bauteilen verwendet, welche hohen Temperaturen sowie korrosiver Umgebung ausgesetzt sind, so können sowohl eine wesentliche Erhöhung der Leistungsfähigkeit und der Lebensdauer als auch eine Reduktion der Unterhaltskosten für derartige Komponenten erreicht werden. Eine Beschichtung aus dem vorgeschlagenen Material kann durch ein thermisches Sprayverfahren hergestellt werden. Alternativ ist es möglich, spezielle so genannte "extended electroplating"-Methoden, gegebenenfalls in mehreren Stufen, zu verwenden.Become Such compounds as coatings, for example, of components used which exposed to high temperatures as well as corrosive environment are, so can both a substantial increase the efficiency and the lifetime as well as a reduction of the maintenance costs for such components be achieved. A coating of the proposed material can be made by a thermal spray method. alternative Is it possible, special so-called "extended electroplating "methods, if necessary in several stages.
Vorzugsweise befindet sich unterhalb der Schicht aus dem vorgeschlagenen quasikristallinen Material eine Zwischenschicht.Preferably is below the layer of the proposed quasicrystalline Material an intermediate layer.
Im Zusammenhang mit derartigen Zwischenschichten muss erwähnt werden, dass auch bei Beschichtungen nach dem Stand der Techniken derartige Diffusionsbarrieren bereits bekannt sind. Ein grosser Unterschied in der Nicht-Gleichgewichtszusammensetzung (insbesondere in Bezug auf den Al Gehalt) zwischen einer quasikristallinen Beschichtung und dem darunterliegenden Substrat kann zu Problemen mit Interdiffusion führen. Eine Verlängerung der Lebensdauer einer quasikristallinen Beschichtung kann entsprechend erreicht werden, indem zwischen Substrat und Oberflächenbeschichtung eine Diffusionsbarriere eingebracht wird. So berichtet beispielsweise Sanchez A., Garcia de Blas F. J., Algaba J. M., Alvarez J., Valles P., Garcia-Poggio M. C., Aguero A., (1999), in Quasicrystals, ed. by Dubois J.-M. et al, 447 über eine Mischung einer quasikristallinen Phase des Typs Al71Co13Fe8Cr8 mit Y2O3 oder mit NiAl + Y2O3.In connection with such intermediate layers, it must be mentioned that such diffusion barriers are also already known in coatings according to the prior art. A large difference in non-equilibrium composition (particularly in terms of Al content) between a quasicrystalline coating and the underlying substrate can lead to problems with interdiffusion. An extension of the lifetime of a quasicrystalline coating can be achieved accordingly by introducing a diffusion barrier between the substrate and the surface coating. For example, Sanchez A., Garcia de Blas FJ, Algaba JM, Alvarez J., Valles P., Garcia-Poggio MC, Aguero A., (1999), in Quasicrystals, ed. By Dubois J.-M. et al, 447 on a mixture of a quasicrystalline phase of the type Al 71 Co 13 Fe 8 Cr 8 with Y 2 O 3 or with NiAl + Y 2 O 3 .
Nachteilig
an derartigen Zwischenschichten ist die Tatsache, dass derartige
keramische Schichten die mechanischen Stabilität des gesamten Mehrschichtaufbaus
reduzieren. Im Zusammenhang mit solchen Diffusionsbarrieren muss
auf derartige Barrieren für
Superlegierungen beschichtet mit MCrAlY(X), PtAl und NiAl erwähnt werden
Im
vorliegenden Fall wird eine derartige Zwischenschicht aus einem
reinen höchstschmelzenden
Metall (so genanntes refractory metal) wie beispielsweise Ru, Ir,
Re etc. oder einer Kombination davon hergestellt. Möglich sind
auch Festkörperlösungen auf
Basis derartige Metalle mit B2-Struktur-basierten intermetallischen Verbindungen
enthaltend 26 Atom% bis 60 Atom% Al. Die B2-Struktur-basierten intermetallischen
Verbindungen verfügen über hohe
Schmelzpunkte, welche eine niedrige Diffusionsgeschwindigkeit der
Spezies innerhalb der Legierung gewährleisten. In einigen Fällen liegt
ausserdem ein Gleichgewicht zu beiden angrenzenden Schichten vor.
Als Beispiel kommen B2 Al-Ni-Ru-M Phasen in Frage. Ausserdem könnten derartige
B2 Phasen bei entsprechenden Zusammensetzungen eine zusätzliche
schützende
Wirkung entfalten, wie dies beispielsweise in der
Die thermodynamische Lösung besteht im vorliegenden Fall somit darin, Phasen aus dem relevanten Phasendiagramm zu verwenden, welche in einem Gleichgewicht mit den γ + γ'-Phasen des Substrats und der dekagonalen Phase der Oberflächenbeschichtung steht. Vorzugsweise gibt es ein Gleichgewicht bezüglich beider Grenzflächen. Kinetisch kann die Interdiffusion durch die Verwendung eines höchstschmelzenden Metalls oder einer darauf basierenden Legierung verzögert werden infolge der niedrigen Mobilität der Spezies bei den Betriebstemperaturen. Vorzugsweise verhindert eine derartige Legierung für eine Zwischenschicht die Diffusion sowohl kinetisch als auch thermodynamisch.The thermodynamic solution In this case, it consists of phases from the relevant phase diagram which is in equilibrium with the γ + γ 'phases of the substrate and the decagonal phase of the surface coating stands. Preferably is there a balance between both Interfaces. Kinetically, interdiffusion can be achieved by using a high melting point Delayed metal or an alloy based thereon due to the low mobility species at operating temperatures. Preferably prevented such an alloy for an interlayer diffusion both kinetically and thermodynamically.
Es muss ganz allgemein bemerkt werden, dass die beschriebene Verwendung der vorgeschlagenen quasikristallinen Verbindungen als thermische Barriere für Gasturbinen zur Illustration dient, und nicht als Einschränkung beigezogen werden soll. Die vorgeschlagenen Verbindungen können ganz allgemein als Schutzschichten in Bezug auf Wärme oder Korrosion verwendet werden, dies z.B. in entsprechenden industriellen Anwendungen sowie Anwendungen im Haushaltsbereich. In Frage kommen beispielsweise auch Turbokompressoren, Düsentriebwerke, Öfen und Ähnliches.It must be generally noted that the use described the proposed quasicrystalline compounds as thermal Barrier for Gas turbines are used for illustration, and not as a limitation shall be. The proposed compounds can be used quite generally as protective layers in terms of heat or corrosion, e.g. in appropriate industrial applications as well as household applications. In question, for example also turbochargers, jet engines, stoves and the like.
Ein
möglicher
Schichtaufbau ist in
Der vorgeschlagene Mehrschichtaufbau kann unter Zuhilfenahme unterschiedlicher Verfahren hergestellt werden. Sowohl die quasikristalline Beschichtung als auch die Diffusionsbarriere können unter Verwendung von Sprayverfahren oder von galvanischen Verfahren (so genanntes Electroplating) gefolgt durch eine Aluminisierung hergestellt werden. Im letzteren Falle sollte die quasikristalline Schicht auf der Oberfläche von vorabgeschiedener Diffusionsbarriere aufgebracht werden, welche einen mittleren Al Anteil im Vergleich mit der quasikristalline Schicht und dem Substrat aus Superlegierungen aufweist.Of the proposed multilayer structure can with the help of different Process are produced. Both the quasicrystalline coating as well as the diffusion barrier can be made using spray methods or followed by electroplating be prepared by aluminising. In the latter case should the quasicrystalline layer on the surface of pre-deposited Diffusion barrier are applied, which has a mean Al Proportion in comparison with the quasicrystalline layer and the substrate made of superalloys.
Der vorgeschlagene Schichtaufbau aus 2 Schichten kann an Stelle eines klassischen Aufbaus aus YSZ und einer Verbindungsschicht (BC, bond coat) verwendet werden, wobei beide Funktionen (bond coat und TBC, thermal barrier coating) erfüllt werden. Derartige Beschichtungen ohne keramische Schichten verfügen über eine wesentlich grössere Resistenz gegenüber mechanischen Rissen als die Beschichtungen nach dem Stand der Technik. Alternativ können die vorgeschlagenen quasikristallinen Legierungen auch mit anderen keramischen Diffusionsbarrieren verwendet werden. Es ist auch möglich, die vorgeschlagenen Verbindungen ohne Diffusionsbarriere zu verwenden, dann empfiehlt es sich aber, das entsprechende Bauteil nur niedrigeren Temperaturen auszusetzen, damit der Beitrag von Interdiffusion nicht wesentlich wird. Unter speziellen Bedingungen kann eine derartige quasikristalline Legierung auch mit 5 einer keramischen Isolationsschicht überzogen werden um eine höhere oder abgestuftere thermische Schutzwirkung für das Basismaterial zu gewährleisten.Of the proposed layer structure of 2 layers can instead of a classical construction of YSZ and a connecting layer (BC, bond coat), both functions (bond coat and TBC, thermal barrier coating) become. Such coatings without ceramic layers have a much bigger Resistance to mechanical cracks than the prior art coatings. Alternatively you can the proposed quasicrystalline alloys also with others ceramic diffusion barriers are used. It is also possible that to use proposed compounds without a diffusion barrier, but then it is recommended, the corresponding component only lower temperatures suspend, so that the contribution of interdiffusion is not material becomes. Under special conditions, such a quasicrystalline Alloy also coated with a ceramic 5 insulation layer become a higher one or to ensure graduated thermal protection effect for the base material.
Die Herstellung einer Beschichtung wird im folgenden beschrieben, wobei als Ausgangspunkt eine Beschichtung aus Al73Ni16Ru11 verwendet wird. Ausserdem wird eine Zwischenschicht mit einer B2 basierten Al-Ni-Ru Struktur auf Basis von Al50Ni40Ru10 angegeben.The preparation of a coating is described below, starting with a coating of Al 73 Ni 16 Ru 11 is used. In addition, an intermediate layer with a B2-based Al-Ni-Ru structure based on Al 50 Ni 40 Ru 10 is given.
Die
quasikristallinen Verbindungen des Typs Al-Ni-Ru-M sowie jene nach
dem Stand der Technik (Al-Co-Ni) wurden in einem Lichtbogen mit
einer nicht abschmelzenden Wolfram-Elektrode unter Argonatmosphäre mit einem
Titan-Sauerstoffgetter auf einem wassergekühlten Kupferherd hergestellt.
Die so gegossenen Legierungen wurden unter 15 Argon bei 900 °C während einer
Woche getempert. Die ursprünglichen
Zusammensetzungen, die Regimes der Temperung und die Resultate der
Charakterisierung sind in Tabelle 2 und in
Wie aus Tabelle 3 ersichtlich ist, konnten insbesondere zufriedenstellend verdichtete dekagonalen Legierungen ohne mechanische Risse unter Verwendung des HIP-Verfahrens (hot isostatic pressure) hergestellt werden.As from Table 3, could be particularly satisfactory compacted decagonal alloys without mechanical cracks Use of the HIP method (hot isostatic pressure).
Tabelle 3: Parameter von HIP* Table 3: Parameters of HIP *
Einzelne Poren von Beispiel 1 in Tabelle 3 können zwar durch HIP in Masse reduziert werden, aber gewisse mechanische Defekte verbleiben. Entsprechend wurden die dekagonalen Proben für die physikalischen Messungen unter Verwendung des in Tabelle 3 unter Nr. 2 angegebenen Verfahrens (CIP, cold isostatic pressure) verwendet.Separate Although pores of Example 1 in Table 3 can be ground by HIP be reduced, but certain mechanical defects remain. Corresponding were the decagonal samples for the physical measurements using the in Table 3 below No. 2 (CIP, cold isostatic pressure).
Die Legierungen wurden unter Verwendung von Pulver-Röntgendiffraktion (Scintag X- ray Pulverdiffraktometer mit einem Ge Detektor unter Verwendung von Cu-Strahlung) gemessen. Scanning electron microscopy (SEM) wurde im Back-scattering mode bei 10 kV Beschleunigungsspannung auf einem Hitachi S-900 "in-lens" Feldemissions-Rasterelektromikroskop unter Verwendung eines Standard Everhard-Thornley SE Detektors und eines YAG type BSE Detektors gemessen. Energiedispersive Röntgenspektroskopie (energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS) wurde bei 15–30 kV Bescheinigungsspannung auf einem "LEO 1530" Gerät unter Verwendung der Software VOYAGER durchgeführt. Mikroprobenanalyse (Electron micro probe analysis, EPMA) wurde auf einem "CAMECA SX50" Mikroanalysator durchgeführt.The Alloys were measured using powder X-ray diffraction (Scintag X-ray powder diffractometer with a Ge detector using Cu radiation). Scanning electron microscopy (SEM) was used in back-scattering mode at 10 kV accelerating voltage on a Hitachi S-900 "in-lens" field emission scanning electron microscope using a standard Everhard-Thornley SE detector and of a YAG type BSE detector. Energy dispersive X-ray spectroscopy (energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS) was at 15-30 kV certification voltage on a "LEO 1530" device under Using the software VOYAGER performed. Microprobe analysis (Electron microprobe analysis, EPMA) was performed on a "CAMECA SX50" microanalyzer.
Entsprechend konnte die Zusammensetzung der dekagonalen Al-Ni-Ru-M Phasen und dessen Approximanten eindeutig bestimmt werden.Corresponding could the composition of the decagonal Al-Ni-Ru-M phases and whose approximants are uniquely determined.
Die Phasenübergangstemperaturen wurden unter Verwendung der differenziellen thermischen Analyse (differential thermal analysis DTA) auf einem Gerät des Typs "Perkin Elmer DTA 7" bis zu einer Temperatur von 1500 °C in Al2O3-Tiegeln unter hochreinem Argon bei Heizraten respektive Kühlraten von 10 °C/min ermittelt. Die erhaltenen Daten sind in Tabelle 2 zusammengestellt.The phase transition temperatures were measured using differential thermal analysis (DTA) on a Perkin Elmer DTA 7 instrument up to a temperature of 1500 ° C in Al 2 O 3 crucibles under high purity argon at heating rates, respectively, cooling rates of 10 ° C / min. The data obtained are summarized in Table 2.
Die
Schmelzpunkte der dekagonalen Phasen von Al-Ni-Ru von ca. 1070 °C werden
durch die Zugabe von Iridium erhöht
(vgl.
Oxidationstests
wurden unter Luft bei 950 °C
und 1050 °C
durchgeführt.
Die isothermen kinetischen Messungen zeigen parabolische Oxidation
bei beiden Temperaturen, vgl. dazu
Es können keine bemerkenswerten Unterschiede im Oxidationsmechanismus von QC Al-Ni-Ru-M Legierungen bei 950 und 1050 °C beobachtet werden.It can no remarkable differences in the oxidation mechanism of QC Al-Ni-Ru-M alloys are observed at 950 and 1050 ° C.
Die
Laser Flash Methode wurde zur Messung der Wärmediffusivität in einem "TC-3000H/L SINKU-RIKO" Gerät verwendet,
wobei Proben mit einem Durchmesser von 10 mm unter einer Dicke von
1 mm ausgemessen wurden. Die dekagonalen Al-Ni-Ru-M Legierungen besitzen
eine niedrige Wärmeleitfähigkeit,
wie sie für
Quasikristalle typisch ist (vgl. dazu
Die Messung der Wärmeausdehnungskoeffizienten (coefficients of thermal expansion, CTE) wurden auf einem DIL 402C (push-rod) Dilatometer durchgeführt, welches von der Firma NETZSCH (Deutschland) hergestellt ist. Die Proben wurden zu Stäben eines Durchmessers von 5 mm und einer Länge von 5 mm zugeschnitten. Das Gerät wurde in einem Temperaturbereich von 20–1000 °C betrieben, wobei die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 5 °C/min verändert wurde. Die Reproduzierbarkeit wurde verifiziert, indem jede Probe 3 mal gemessen wurde. Die Messungen wurden unter Argonatmosphäre durchgeführt, um Oxidation zu vermeiden. Die gemessenen Koeffizienten waren nahe bei jenen, wie sie für die Ni-basierten Substrate aus Superlegierung typisch sind.The Measurement of thermal expansion coefficients (coefficients of thermal expansion, CTE) were measured on a DIL 402C (push-rod) dilatometer performed, which is manufactured by the company NETZSCH (Germany). The Samples became rods cut to a diameter of 5 mm and a length of 5 mm. The device was operated in a temperature range of 20-1000 ° C, the temperature with a speed of 5 ° C / min changed has been. The reproducibility was verified by adding each sample 3 times was measured. The measurements were carried out under argon atmosphere to To avoid oxidation. The measured coefficients were close with those as for the Ni-based superalloy substrates are typical.
Die Ausgangslegierung 2 (Al73Ni16Ru11) wurde für die Beschichtung in einem 75 kW und 2000 Hz Vakuuminduktionsschmelzofen unter 140 mbar partialem Druck von hochreinem 8.4 Ar in einem MgO-Tiegel bei einer Temperatur von ungefähr 1500 °C aufgeschmolzen. Nach dem Aufschmelzen wurde der Stab aus Legierung bei 950 °C während 160 h getempert, sodass sich eine reine dekagonale Phase bildete.The starting alloy 2 (Al 73 Ni 16 Ru 11 ) was melted for coating in a 75 kW and 2000 Hz vacuum induction melting furnace under 140 mbar partial pressure of high purity 8.4 Ar in a MgO crucible at a temperature of approximately 1500 ° C. After reflowing, the alloy rod was annealed at 950 ° C for 160 hours to form a pure decagonal phase.
Die Pulverisierung wurde unter Verwendung eines Gegenstromsystems zur Mahlung (counter-stream milling method) mit einem 100 AFG Gerät (HOSOKAWA ALPINE AG & Co. OHG, Deutschland ) unter Stickstoffatmosphäre vorgenommen. Die Zielparameter waren d50 = 30 μm, d100 = 63 μm, die Malvern Methode wurde für die Messung der Teilchengrössenverteilung verwendet.The pulverization was carried out using a countercurrent milling method with a 100 AFG instrument (HOSOKAWA ALPINE AG & Co. OHG, Germany) under a nitrogen atmosphere. The target parameters were d 50 = 30 μm, d 100 = 63 μm, the Malvern method was used for the measurement of the particle size distribution.
Die
Beschichtungen wurden unter Verwendung von Verfahren wie VPS, APS
and HVOF auf die Substrate aufgebracht, wobei die Substrate aus
Advanced CMSX-4 Ni-basierten
Superlegierungen bestanden. Die Dicke der Schichten variierte zwischen
100 nm bis 400 μm.
Eine Sandwich-Zweischicht VPS-Struktur (Al-Ni-Ru D Phasen ) + (Al-Ni-Ru B2-Struktur
basierte Legierung einer Zusammensetzung Al50Ni40Ru10) wurde ebenfalls
aufgebaut. Die entsprechenden Messungen sind in den
Tabelle 4. Gemessene Porosität und Härte von beschichteten QC Materialien Table 4. Measured porosity and hardness of coated QC materials
Die Geräte für die Messung der Mikrohärte waren wie folgt:
- 1. Zeiss Axioplan Microscope für die Aufnahme eines optischen Bildes.
- 2. Panasonic WV CD 50, CCD Kamera zur Aufnahme des Bildes.
- 3. SONY Monitor für das Display des digitalisierten Bildes.
- 4. ANTON PAAR MHT-4, Rechner zur Berechnung der Werte der Mikrohärte aus der Eingangslast und den gemessenen Diagonalen.
- 1. Zeiss Axioplan Microscope for taking an optical image.
- 2. Panasonic WV CD 50, CCD camera to take the picture.
- 3. SONY monitor for the display of the digitized image.
- 4. ANTON PAIR MHT-4, computer for calculating the values of the microhardness from the input load and the measured diagonals.
Zur Untersuchung der Beschichtungen wurde XRD (x-ray diffraction), SEM (Scanning electron microscopy), EDS (Electron diffraction spectroscopy), EPMA (Electron Probe Micro Analysis) und RW-WDX (Röntgenfluoreszenz-Spektrometrie, Philips PW-2400) Verfahren wurden verwendet.to Examination of the coatings was XRD (x-ray diffraction), SEM (Scanning electron microscopy), EDS (electron diffraction spectroscopy), EPMA (Electron Probe Micro Analysis) and RW-WDX (X-ray fluorescence spectrometry, Philips PW-2400) procedures were used.
Es
konnte gezeigt werden, dass die Beschichtungen (i) eine dekagonale
Struktur aufweisen, (ii) dicht sind, (iii) hart genug sind und (iv)
eine gute Haftung auf dem Substrate aus Superlegierung aufweisen
(
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