DE1924071B1

DE1924071B1 - Metallischer UEberzug fuer Nickel- und Kobalt-Basislegierungen und Verwendung des metallischen UEberzuges fuer Gasturbinen-Maschinenteile

Info

Publication number: DE1924071B1
Application number: DE19691924071
Authority: DE
Inventors: Johannes Grafwallner; Talboom Jun Frank Peter
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1968-05-23
Filing date: 1969-05-12
Publication date: 1970-07-30
Also published as: GB1261262A; BE732802A; US3542530A; CH535833A; SE345146B; FR2016754A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf metallische Überzüge und hierfür erforderliche Überzugsmittelzusammensetzungen und spezieller auf eine Überzugsmittelzusammensetzung aus Eisen, Chrom, Aluminium und Yttrium, die sich durch besondere Brauchbarkeit zur Erzielung von Hochtemperatur-Oxydationswiderstandsfähigkeit auf Nickelbasis- und Kobaltbasis-Superlegierungen auszeichnet. Diese Überzüge sind für Gasturbinen-Maschinenteile verwendbar.

In der USA.-Patentschrift 1 995 923 werden Legierungen aus dem Eisen-Chrom-Aluminium-System beschrieben, die einige Jahre erhältlich waren und besonders für Hochtemperaturheizelemente verwendet wurden. Jedoch ist erst kürzlich gefunden worden, daß die Zugabe von kleinen Mengen Yttrium zusammen mit dem Aluminium eine vorzügliche Oxydationswiderstandsfähigkeit bewirkt, eine verbesserte Bearbeitbarkeit und bessere Oxydfilme auf den Eisen-Chrom-Legierungen liefert. In der USA.-Patentschrift 3 027 252 wird beispielsweise eine Legierung, bestehend aus 20 bis 95 Gewichtsprozent Chrom, 0,5 bis 4 Gewichtsprozent Aluminium, 0,5 bis 3 Gewichtsprozent Yttrium und Rest Eisen, beschrieben. In der USA.-Patentschrift 3 294 826 ist eine etwa ähnliche Legierung aus 0 bis 15 Gewichtsprozent Chrom, 0,5 bis 12 Gewichtsprozent Aluminium, 0,1 bis 3 Gewichtsprozent Yttrium und Rest Eisen angegeben.

Im Grunde genommen beziehen sich die bekannten zum Stand der Technik gehörenden Legierungen darauf, gute Hochtemperaturlegierungen mit nicht nur guter Oxydationswiderstandsfähigkeit, sondern auch guter struktureller Festigkeit und Bearbeitbarkeit zu erhalten, so daß die chemische Zusammensetzung der verschiedenen zugehörigen Legierungen auf dieser Grundlage aufgestellt worden ist. Die Kriterien für eine Überzugsmittelzusammensetzung müssen jedoch zweckdienlich unterschiedlich sein von denen, die für

ίο strukturelle Legierungen gelten. Dies ist durch Teste bestätigt worden, bei denen festgestellt worden ist, daß die bekannten Legierungsformulierungen in bezug auf den zu liefernden Langzeit-Oberflächenschutz auf Nickelbasis- und Kobaltbasis-Superlegierungen unbe-

friedigend sind, wenn sie hierfür als Überzüge in dem interessierenden Temperaturbereich in den gebräuchlichen Gasturbinenmaschinen verwendet wurden.

Da das bevorzugte Überzugsmittel ganz allgemein für Nickelbasis- und Kobaltbasis-Legierungen ver-

ao wendbar ist, wurde es mit der Zusammensetzung formuliert, die besonders wirksame Ergebnisse mit den Nickelbasis- und Kobaltbasis-Superlegierungen liefern. Unter Superlegierungen sollen solche festen, hochtemperaturbeständigen Materialien verstanden werden,

die besonders nützlich in der sehr stark beanspruchten Nachbarschaft wie bei Gasturbinenmaschinen verwendet werden. Repräsentative Vertreter dieser Superlegierungen sind solche, die in der Industrie mit der folgenden Zusammensetzung verwendet werden:

Legierung

Chemische
Zusammensetzung in Gewichtsprozent

INlOO
MAR-M-200
WI 52
MAR-M-302

Cr, 15Co, 4,5Ti, 5,5Al, 3 Mo, 0,17 C,
0,75 V, 0,075 Zr, 0,015 B, Rest Ni

9Cr, 10 Co, 2Ti, 5 Al, 12,5 W, 0,15 C,
INb, 0,05Zr, 0,015 B, Rest Ni

Cr, 1,75 Fe, 11 W, 2 (Nb + Ta), 0,45 C,
Rest Co

21,5 Cr, 1 Fe, 10 W, 9 Ta, 0,85 C 0,25 Zr,
Rest Co

Als charakteristisch für typische Superlegierungen kann als Basis angesehen werden, daß diese als feste Lösung von Nickel—Chrom oder Kobalt—Chrom mit üblichen Zusätzen von Aluminium, Titan und/oder widerstandsfähigen Metallen zur Lösungsverfestigung sowie Kohlenstoff, Bor und Zirkonium, um die Kriechbruchduktilität zu bewirken, vorliegen. Als Klasse angesehen, zeigen die Superlegierungen eine relativ gute Oxydationswiderstandsfähigkeit bei den Temperaturen, die im heißen Abschnitt einer Düsenantriebsvorrichtung auftreten. Da jedoch normalerweise ein Kompromiß in der Legierungszusammensetzung durchgeführt worden ist, um das beste Gleichgewicht zwischen der Festigkeit und der Oxydationswiderstandsfähigkeit und auch in anderen Eigenschaften zu erhalten, ist es die übliche Praxis, gewisse Teile, die aus diesen Superlegierungen geformt werden, um ihre Oxydations-, Sulfidations-, Erosions- und thermische Schock-Widerstandsfähigkeit zu verbessern, zu überziehen, um so ihre Gebrauchslebensdauer zu verlängern.

Die Fe-Cr-Al-Y-Legierungen, wie diese gemäß dem bekannten Stand der Technik in ihrer chemisch formulierten Art bekannt sind, besitzen, wenn sie als Überzug

auf Superlegierung-Gasturbinen-Maschinenteilen aufgebracht sind, unbefriedigende Eigenschaften. Während der kurzzeitigen Lebensdauer des Überzuges werden gute Ergebnisse erzielt, jedoch findet eine fortschreitende Verschlechterung dieses Überzuges

mit der Zeit bei erhöhter Temperatur statt.

Die Oberflächenbehandlung von Superlegierungen durch Abstrahlen ist in der Bearbeitungsvorschrift AMS 2430 beschrieben.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen

solchen metallischen Überzug für Nickel- und Kobalt-Basislegierungen zur Verfügung zu stellen, der nicht nur Kurzzeitoxydationswiderstandsfähigkeit besitzt, sondern eine langwirkende Schutzdauer liefert und somit für Gasturbinen-Maschinenteile mit erhöhter

Lebensdauer verwendbar ist.

Gegenstand der Erfindung ist ein metallischer Überzug für Nickel- und Kobalt-Basislegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus 20 bis 50°/₀

Claims

Chrom, 10 bis 20°/₀ Aluminium, 0,03 bis 2% Yttrium abschleifenden Abblasens erfolgt. Das Überziehen

und/oder seltenen Erdmetallen und restlich aus wird durch Vakuumabscheidung aus einer Schmelze

Eisen besteht. der Überzugsmittelzusammensetzung in einer Vakuum-

Eine spezielle bevorzugte Ausführungsform des kammer bei 10~* Torr oder besser erhalten. Als

metallischen Überzuges ist dadurch gekennzeichnet, 5 Schmelze wird in dem bevorzugten Verfahren die

daß dieser aus 20 bis 29% Chrom, 12 bis 14°/₀ folgende Schmelzzusammensetzung verwendet·: _;
Aluminium, 0,6 bis 0,9% Yttrium und restlich aus

Eisen besteht. Gewichtsprozent

Die bevorzugteste Ausführungsform des metalli- Kohlenstoff 0,02 maximal

sehen Überzuges ist dadurch gekennzeichnet, daß io Chrom 26 bis 28

dieser aus 25 bis 29% Chrom, 12 bis 14% Aluminium, _A1 . ._ _,. ...

0,6 bis 0,9 % Yttrium und restlich aus Eisen besteht." Aluminium 12,5 bis 13,5

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Yttrium 0,65 bis 0,75

Verwendung des metallischen Überzuges, bestehend Phosphor 0,01 maximal

aus 25 bis 29% Chrom, 12 bis 14% Aluminium, 15 Schwefel 0 01 maximal

0,6 bis 0,9 »/ο Yttrium Rest Eisen für Gasturbinen- Sauerstoff 0,01 maximal

Maschinenteile aus Superlegierungen auf Nickel- _ . , „ . _nn , . _t

oder Kobaltbasis mit einer Schichtdicke des Über- Stickstoff 0,005 maximal

zuges von mindestens 7,62 · IO-³ cm. Wasserstoff 0,005 maximal

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft 20 Andere Elemente

die Verwendung des metallischen Überzuges in der Insgesamt 0,5 maximal

bevorzugtesten Form für den vorstehend angegebenen Eisen verbleibender

Zweck, jedoch mit einer Schichtdicke von 7,62 · Rest
IO-³ cm bis 12,70 · 10~³ cm.

Es wurde nun festgestellt, daß eine Legierung mit 25 Die Teile werden auf 954 ± 28° C für 5 bis 6 Minuder Zusammensetzung 20 bis 50 Gewichtsprozent ten, bevor die Abscheidung ausgelöst wird, vorer-Chrom, 10 bis 20 Gewichtsprozent Aluminium, 0,03 bis hitzt, und diese Temperatur wird während des Über-2 Gewichtsprozent Yttrium oder ein seltenes Erdmetall zugsvorganges aufrechterhalten. Die Abscheidungszeit wie Lanthan oder Scandium und im wesentlichen variiert etwas, aber sie wird so eingestellt, um die Eisen als Rest, nicht nur die Kurzzeitoxydationswider- 3° bevorzugte Überzugsschichtdicke von 7,62 · 10~³ bis Standsfähigkeit aufrechterhält, sondern auch eine 12,70 · 10~³ cm zu erhalten. Nachfolgendes Abkühlen langwirkende Schutzdauer liefert und auch an solchen auf unter 538° C wird in einer nichtoxydierenden Maschinenteilen, welche damit überzogen worden Atmosphäre mit einer Geschwindigkeit ausgeführt, sind. Studien ergaben, daß die herkömmlichen die dem Abkühlen an Luft entspricht. Nach der Legierungen, wenn sie als Überzüge verwendet 35 Überzugsstufe werden die Teile für 4 Stunden bei wurden, schnell in das Basismetall eindiffundierten 1038 ± 14° C im Vakuum wärmebehandelt,
unter Erschöpfung des Aluminiumgehaltes in dem Die Gegenstände werden dann mit trockenen Überzug bis zu einem Punkt, bei dem die Oxydations- Glaskugeln mit 17,78 · 10~³ bis 27,94 · 10~³ cm Durchschutzschicht sich nicht so schnell ergänzen konnte, messer mit einem Intensitätsäquivalent von 15 N wie das Oxyd in dem Hochgeschwindigkeitsstrahl 4° gestrahlt. Weitere Einzelheiten in bezug auf die weggetragen wurde. Gewöhnlich wird kein stabiles wesentlichen Vorschriften für dieses Bearbeitungs-Oxyd auf Schutzüberzügen unter etwa 3 bis 8 Gewichts- verfahren sind in der deutschen Patentanmeldung prozent Aluminium gebildet. Nur wenn der Alumi- P 19 24 092,7-24 beschrieben. Im allgemeinen wird niumgehalt des Überzuges auf mindestens um etwa das Abstrahlen in Übereinstimmung mit den bekann-10 Gewichtsprozent eingestellt wurde, wurde eine 45 ten Vorschriften der Bearbeitungsvorschrift AMS 2430 befriedigend lange Überzugsgebrauchsdauer erzielt. durchgeführt. Die Teile werden dann auf 1079 ± 14° C Gleichzeitig wurde eine verbesserte Überzugs- in trockenem Argon, trockenem Wasserstoff oder gebrauchsdauer mit relativ hohen Chromgehalten Vakuum erhitzt. Es wird 4 Stunden auf Temperatur festgestellt. Im allgemeinen sind die Minimumgehalte gehalten; danach wird unter der Schutzatmosphäre der Elemente Chrom, Aluminium, Yttrium oder 50 mit einer Geschwindigkeit, die der Abkühlung an seltenen Erdmetalle erforderlich, um die gewünschte Luft entspricht, abgekühlt.
Oxydationsfähigkeit in dem Überzug sicherzustellen. Die so behandelten Gasturbinenschaufeln und

Die maximalen Mengen der Legierungselemente sind -rippen besitzen eine Überzugsdicke, mit Ausschluß erforderlich zur Erzielung der physikalischen Eigen- der Diffusionszone, von 7,62 · 10~³ bis 12,70 · 10~³ cm.' schäften wie Festigkeit, Schmelzpunkt und Oxydhaft- 55 Die Diffusionszone für die Nickellegierungen beträgt festigkeit. Der Yttrium- oder seltener Erdmetallzusatz 2,54 · ΙΟ"³ bis 5,08 · 10~³ cm und für die Kobaltscheint dem schützenden Oxyd Stabilität zu verleihen. legierungen 12,7 · 10~* bis 38,1 · 10"* cm.
Als die beste Formulierung der Legierungsbestandteile in der Überzugsmittelzusammensetzung kann

eine Legierung mit 25 bis 29 Gewichtsprozent Chrom, 60 Patentansprüche:
12 bis 14 Gewichtsprozent Aluminium, 0,6 bis 0,9 Gewichtsprozent Yttrium, dem Rest Eisen bevorzugt 1. Metallischer Überzug für Nickel- und Kobaltwerden. Basislegierungen, dadurch gekennzeich-

Zum Überziehen der Nickelbasis- und Kobaltbasis- net, daß dieser aus 20 bis 50% Chrom, 10 bis

Turbinenschaufeln und-rippen sind die zu überziehen- 65 20% Aluminium, 0,03 bis 2% Yttrium und/oder

den Oberflächen zuerst sorgfältig von allem Schmutz, seltenen Erdmetallen und restlich aus Eisen

Fett und anderen beobachtbaren Fremdkörpern zu besteht,

befreien, worauf eine weitere Vorbereitung mittels 2. Metallischer Überzug nach Anspruch 1, da-

5 6

durch gekennzeichnet, daß dieser aus 20 bis 29°/₀ 4. Verwendung des metallischen Überzuges

Chrom, 12 bis 14% Aluminium, 0,6 bis 0,9% nach Anspruchs, bestehend aus 25 bis 29%

Yttrium und restlich aus Eisen besteht. Chrom, 12 bis 14% Aluminium, 0,6 bis 0,9 %

3. Metallischer Überzug nach Anspruch 1 und 2, Yttrium, Rest Eisen für Gasturbinen-Maschinen-

dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus 25 bis 5 teile aus Superlegierungen auf Nickel- oder Kobalt-

29% Chrom, 12 bis 14% Aluminium, 0,6 bis basis mit einer Schichtdicke des Überzuges von

0,9% Yttrium und restlich aus Eisen besteht. mindestens 7,62 < 10~³ cm.