DE1446108B2 - Bauteile aus einer Superlegierung mit einem Diffusionsuberzug - Google Patents

Description

Es sind chromhaltige sogenannte Superlegierungen mit einem hohen Gehalt an Nickel und/oder Kobalt bekannt, die zwar extrem hohen Temperaturen ausgesetzt werden können, deren Oberfläche aber nicht die erforderliche Oxydations- bzw. Erosionsfestigkeit hat, wenn sie, insbesondere bei hohen Temperaturen, während eines in der Praxis erforderlichen längeren Zeitraumes höchsten Beanspruchungen ausgesetzt werden.

Die in bekannter Weise erhaltenen Diffusionsüberzüge ergeben zwar eine Erhöhung des Oxydationsund Erosionswiderstandes dieser Legierungen, jedoch wird das gewünschte Optimum nicht erreicht. Versucht man, den Korrosionswiderstand derartiger Legierungen durch einen Überzug, z. B. aus Aluminium, durch Eintauchen in ein Aluminiumbad zu erhöhen, hat der oxydationsfeste Aluminiumüberzug, insbeson^ dere unter schwierigen thermischen Stoßbelastungen und bei thermischer Deformation, weniger als die optimale Haftfähigkeit.

Vorliegender Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, vorstehend angegebene Nachteile der bekannten Legierungen zu überwinden. Dies geschieht gemäß der Erfindung durch gegenüber Temperaturen von über 1000° C widerstandsfähige Bauteile aus einer chromhaltigen Superlegierung auf der Basis Nickel und/oder Kobalt, die gekennzeichnet sind durch einen diese umhüllenden Diffusionsüberzug, der mittels einer Chrom und Aluminium in einem Verhältnis von 2 bis 4 :1 enthaltenden Packung und, wie an sich bekannt, in einer Halogen und Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre hergestellt worden ist.

Die erfindungsgemäßen Bauteile haben eine gut und gleichmäßig haftende Oberflächenschicht, die auch bei den heute üblichen hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen oxydations- und erosionsfest ist.

Aus der britischen Patentschrift 314 314 sind Gegenstände aus Eisen bekannt, die mit einem äußeren, durch Diffusion aufgebrachten Überzug aus Chrom und Aluminium bestehen.

Aus A.N.Minkewitsch, »Chemisch-Thermische Oberflächenbehandlung von Stahl«, VEB-Verlag Technik Berlin, 1953, S. 335 bis 340 bzw. 355 bis 361, ist bekannt, das Alitieren und Chromieren von Stahl- und Gußeisen im Diffusionsverfahren durch Einpacken in entsprechende Packungen und Durchleiten eines Halogens oder eines anderen für zweckmäßig erachteten Gases durchzuführen.

Dieser Stand der Technik ließ keine Rückschlüsse auf die Möglichkeit zu, daß die Oxydations- und Erosionsfestigkeit von ausSuperlegierungenbestehenden Bauteilen durch Überzüge aus Chrom und Aluminium auch gegenüber extrem hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen verbessert werden kann.

Beispiele von Superlegierungen sind:

Kohlenstoff 0,12%

Chrom 19%

Kobalt 19%

Eisen 1 %

Molybdän 4%

Aluminium 3 %

Titan 3%

Rest Nickel

60 Legierung mit hohem Kobaltgehalt:

Kohlenstoff 0,50%

Chrom 24,50%

Nickel 10,50%

Wolfram 7,40%

Eisen 1%

Kobalt 55%

Unter Superlegierungen sind auch noch hitzebeständige-Stahllegierungen und solche Legierungen zu verstehen, die etwa gleiche Anteile an Nickel, Kobalt und Eisen aufweisen.

Eine für die Zwecke der Erfindung in Frage kommende Packung enthält etwa 69 Gewichtsprozent Aluminiumoxid als inerten Füllstoff, 22 Gewichtsprozent Chrommetall, 8 Gewichtsprozent Aluminiummetall und 1 Gewichtsprozent elementares Jod. Eine solche Packung mit den in sie eingebetteten Bauteilen wird in bekannter Weise in einen Behälter eingebracht und 4 bis 20 Stunden auf Temperaturen zwischen etwa 1000 und 1150⁰C erhitzt. Der Behälter besteht vorzugsweise aus Metall, dessen Nahtstellen durch ein schmelzbares Material, wie eine Kieselsäureverbindung mit niedrigem Schmelzpunkt, abgeschlossen sind,. um ein zu starkes Entweichen der Diffusionswerkstoffe während der Erhitzung und ein zu starkes Eindringen von Luft in die Packung während der Abkühlung zu verhindern.

Wenn dünnere Überzüge bzw. Gehäuse gebildet werden sollen, wird die Erhitzung bei den niedrigeren Temperaturen und/oder während kürzerer Zeitspannen innerhalb der angegebenen Bereiche durchgeführt; wenn dagegen dickere Überzüge gewünscht werden, wird der Diffusionsvorgang bei höheren Temperaturen und/oder während längerer Zeiträume durchgeführt. Auf diese Weise ist eine genaue Steuerung der Dicke der Diffusionsschicht möglich.

Die Menge des inerten Füllstoffes in der Packung ist nicht von kritischer Bedeutung; es können auch andere inerte Füllmaterialien als Tonerde verwendet werden; Tonerde ist bevorzugt. Es können auch andere Salzbildner als Jod verwendet werden, wenn sie bei den erforderlichen Arbeitsbedingungen einen dampfförmigen Salzbildner abgeben. Zusätzlich zu elementarem Jod ergibt die Verwendung von Ammoniumjodid und Ammoniumfluorid besonders befriedigende Ergebnisse. Im allgemeinen soll die Menge Aluminium, bezogen auf die Packung, 3 bis 20% betragen, wobei das Chrom in einer etwa 2- bis 4fachen Aluminiummenge vorliegen soll.

Die erfindungsgemäß vorgesehenen Diffusionsüberzüge weisen im Vergleich mit bekannten Diffusionsüberzügen wie aber auch mit Schutzüberzügen aus Chrom oder aus Aluminium überraschende Eigenschaften auf; sie sind z. B. bei hohen Arbeitstemperaturen ganz besonders zäh und verformungsfähig, was hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischer Stoßbeanspruchung und thermischer Verformung besonders wichtig ist, denen Bauteile ausgesetzt werden können.

Die vorteilhaften Eigenschaften der Diffusionsüberzüge ergeben sich aus folgenden Vergleichsversuchen. Ein Bauteil aus einer Legierung mit hohem Kobaltgehalt weist eine Lebensdauer von nicht mehr als 10 Stunden auf, wenn er dauernd einer Temperatur von etwa 1100⁰C unterworfen wird, während bei

Claims (1)

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   dieser Temperatur die gleiche Legierung mit einem 1350° C und einer entsprechenden Abkühlung auf Schutzüberzug lediglich aus Aluminium eine Lebens- Raumtemperatur ohne Fehlerwiderstand, während dauer von nur ungefähr 20 bis 30 Stunden hat; ein ein gleicher Bauteil aus einer Legierung mit hohem Überzug lediglich aus Chrom gewährleistet einen Kobaltgehalt bei der gleichen Versuchsfolge etwa zweinoch geringeren Schutz als der Aluminiumüberzug. 5 hundertsechzig dieser Temperaturfolgen überstand. Demgegenüber besitzt die gleiche Legierung mit Keiner dieser Bauteile wurde in dieser Beziehung hohem Kobaltgehalt und einem Diffusionsüberzug durch einen Überzug aus Aluminium allein verbessert; gemäß der Erfindung eine Lebensdauer von minde- durch einen Überzug aus Chrom allein wurde nur stens 150 Stunden, wenn sie dauernd einer Tempe- eine sehr geringfügige Verbesserung erzielt. Demratur von HOO⁰C ausgesetzt wird. Eine Legierung io gegenüber überstanden jedoch Bauteile mit hohem mit hohem Nickelgehalt ohne einen Schutzüberzug, Nickel- bzw. Kobaltgehalt, die einen erfindungssei es aus Chrom oder Aluminium, besitzt eine gemäßen Diffusionsüberzug hatten, mindestens tau-Lebensdauer von bis zu 100 Stunden bei 1100° C, send solcher Erhitzungs- und Abkühlungsvorgänge und diese Lebensdauer wird nur wenig oder gar nicht ohne Auftreten von Fehlern,
   erhöht, wenn die Legierung nur einen Schutzüberzug 15 _p ,
   aus Aluminium oder nur aus Chrom hat; bei einem ^{a en ans}P^ruc ·
   Schutzüberzug gemäß der Erfindung steigt die Lebens- Gegenüber Temperaturen von über 1000⁰C dauer auf 150 Stunden und mehr. widerstandsfähige Bauteile aus einer chromin ähnlicher Weise überraschend verbesserte Ergeb- haltigen Superlegierung auf der Basis Nickel nisse werden auch bei thermischen Stoßbeanspruchun- 20 und/oder Kobalt, gekennzeichnet durch gen erzielt, was für viele Zwecke so wesentlich ist wie einen diese umhüllenden Diffusionsüberzug, der erhöhte Temperaturfestigkeit, z. B. bei Verwendung mittels einer Chrom und Aluminium in einem von Bauteilen in Flugzeug-Gasturbinen. Es zeigte Verhältnis von 2 bis 4:1 enthaltenden Packung sich, daß eine Legierung mit hohem Nickelgehalt und, wie an sich bekannt, in einer Halogen und etwa hundertdreißig schnellen Wechseln einer Er- 25 Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre hergestellt hitzung von Raumtemperatur auf etwa 1050 bis worden ist.