DE1928508B2

DE1928508B2 - Verwendung einer bei hoher Temperatur oxydationsbeständigen Legierung als Schutzüberzug

Info

Publication number: DE1928508B2
Application number: DE19691928508
Authority: DE
Inventors: George William; Pettit Frederick Sidney; Boone Donald Herbert; North Haven Conn. Goward (V.St.A.)
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1968-06-05
Filing date: 1969-06-04
Publication date: 1972-11-09
Also published as: FR2010164A1; CA918966A; DE1928508A1; JPS4844611B1; SE364074B; GB1259157A

Description

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Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Legierung bestehend aus 14 bis 30% Aluminium, 0,01 bis 1 % Yttrium, Scandium, Thorium, La .ithan und/oder seltene Erdmetalle, bis 45% Chrom, bis 10% Ko^: bait, Eisen, Molybdän, Niob, Tantal oder Wolfram, Rest Nickel, zur Herstellung für bei hohen Temperaturen gegen Oxydation beständige Schutzüberzüge auf Bauteilen von Gasturbinen.

Bekanntlich sind die Metalle Molyb 'An, Niob, Tantal und Wolfram unter dem Sammelbegriff »refractory metals« bzw. feuerfeste Metalle od r Metalle mit hohem Schmelzpunkt zusammengefaßt (Condensed Chemical Dictionary, 7th Edition, Reinhold Publishing Corp., New York, 1966).

Legierungsschutzüberzüge verwendet man vorzugsweise bei den sogenannten Nickel-Superlegierungen. Diese Legierungen sind Nickel-Chrom-Legierungen, denen zur Erzielung einer intermetallischen Verbindung Aluminium und Titan zugesetzt sind. Außerdem enthalten diese Legierungen Kobalt zur Erhöhung der Lösungstemperatur der intermetallischen Verbindung sowie Wolfram oder Tantal zur Verbindungsfestigung und Kohlenstoff, Bor oder Zirkon zur Verbesserung der Verformbarkeit. Da derartige Legierungen in Umgebungen und bei Beanspruchungen, wie sie Turbinenschaufeln unterliegen, eine progressive Abnahme an Grundmaterial aufweisen, versieht man sie mit Schutzüberzügen, deren Oxydations-Erosions-Verhalten besser ist als das der Nickel-Superlegierungen.

Die Verbindung des Überzuges mit dem Grundmaterial erfolgt durch die Bildung eines Aluminids, welches zur Bildung einer Oberflächenoxydschicht beiträgt, die die Transportgeschwindigkeiten der Reaktionsparther stark verringert (USA.-Patentschrift 3,102,044).

Obwohl durch derartige Ahmiinidschutzüberzüge die Lebensdauer der aus Supeiiegierungen bestehen- ι,ο den Grundmaterialien erhöht wird, mußte man feststellen, daß der Schutzüberzug !o:.al abplatzt. Die Ursache besteht in den thermisch induzierten Spannungen p.n der Metall-Oxyd-Trennfläche, die beispielsweise durch Thermoschocks bedingt sind, die an den λϊ dynamisch extrem beanspruchten Werkstücken da durch entstehen, daß beispielsweise die heißen Verbrennungsgasc mit kalter Sekundärluft gemischt werden.

Eine weitere bekannte Legierung, die bei mechanisch stark beanspruchten Werkstücken bei hohen Temperaturen die Korrosionsbeständigkeit verbessern soll, ist ein Zusammensetzung aus 7,7 bis 13,5 % Aluminium, 9 bis 25% Chrom, 0,1 bis 5,0% Molybdän und 0,1 bis 1,0% Kobalt, Rest Nickel. Zu Reinigungs- und Desoxydationszwecken sowie zur Korngrößensteuerung ist der Zusatz von bis zu 0,5 % Calcium, Magnesium, Barium, Bor, Strontium, Zink. Cer und andere seltene Erdmetalle vorgesehen (britische Patentschrift 617,819).

Diese Legierung ist als Schutzüberzug bei Gasturbinenschaufeln ebenfalls thermoschockempfindlich, das heißt sie platzt ab, außerdem tritt bei dieser Legie rung wegen des niedrigen Aluminiumgehaltes der Nachteil auf, daß die Schutzoxydschichi sich nicht auf der ganzen Oberfläche ausbildet.

Zum Stand der Technik gehört auch eine hochwarm feste, oxydations- und thermoschückbeständige Nik kel-Aluminium-Gußlegierung, die 14 bis 30% Alumi nium enthält. Zur Erhöhung der Festigkeit, zur Korn Verfeinerung oder für Desoxydationszwecke werden als Zusatzmetalle unter anderem geringe Mengen von seltenen Erdmetallen, Eisen, Molybdän, Niob und/oder Tantal vorgesehen (USA.-Patentschrift 2,910,356). Als Schutzüberzug bei Gasturbinenschau fein wird diese Legierung jedoch nicht eingesetzt.

Schließlich ist noch zur Herstellung von Turbinen schaufeln eine warmfeste Nickellegierung bekannt, die aus 5 bis 45% Chrom, 0 bis 25% Aluminium, 0 bis 1% seltene Erdmetalle, Rest N^;ckel besteht (britische Patentschrift 734,210). Auch diese Legierung wiru nicht als Schutzüberzugslegierung bei mit hohen Tem peraturen beaufschlagten dynamischen Systemen verwendet.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb in der Auffindung einer Legierung, mit der Gasturbinenschaufeln aus Nickel-Superlegierungen zur Schaffung einer langzeitigen Oxydations-Erosions-Beständigkeit unter extremen dynamischen Beanspruchungen überzogen werden können, ohne daß ein Abplatzen des Überzugs infolge Thermoschocks zu befürchten ist.

Diese Aufgabe wird durch die Verwendung der Legierung der eingangs genannten Art gelöst. Vorteilhafterweise liegt dabei die Stärke des Schutzüberzuges zwischen 2,54 χ 10"³und 12,7 X 10 ³cm.

Als Grundmaterial wird beispielsweise eine Nickel-Super! igierung mit der Bezeichnung B-1900 verwendet, die aus 8% Chrom, 10% Kobalt, 1% Titan, 6% Molybdän, 4,3% Tantal, 0,11% Kohlenstoff, 0,015% Bor, 0,07% Zirkon, Rest Nickel besteht.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung der eingangs genannten Legierung erhält man einen Schutzeffekt, der nicht mehr von einer Reaktion mit dem Grundmaterial abhängt. Vielmehr ist aufgrund der Zusammensetzung der Legierung dafür gesorgt, daß in einer stark oxydierenden Umgebung hoher Temperatur das die beste Schranke zum Verbrauch der Grundbestandteile bildende Oxyd geschaffen wird, das nahezu thermoschockunempfindlich ist.

Während der Aluminiumgehalt zur Bildung des Schutzoxyds dient, ist durch den Gehalt an Yttrium, Scandium, Thorium, Lanthan oder anderer seltener Erden, sowie Mischungen davon, dafür gesorgt, daß das Oxyd fest an dem Grundmaterial haftet, wobei der diesen Vorgängen zugrunde liegende Mechanismus bisher kaum bekannt ist.

Bevorzugt verwendet wird eine Schutzüberzugslegierung, die aus 14 bis 25% Aluminium, 15 bis 45% Chrom, 0,01 bis 0,5% Yttrium, Scandium, Thorium, Lanthan und/oder seltene Erdmetalle sowie aus bis zu 10% Kobalt, Eisen, Molybdän, Niob, Tantal oder Wolfram, Rest Nickel, besteht Der Chromgehalt erweist sich besonders günstig in Umgebungen, bei denen neben der Oxydation auch noch Sulfidation auftritt. Um der Bildung von spröden Aluminidphasen vorzubeugen, wird dabei der Aluminiumgehalt auf 25% reduziert. Einen sehr günstigen Ausgleich zwischen den chemischen und physikalischen Eigenschaften des Überzugs erhält man bei 15 bis 20% Aluminium, 20 bis 35% Chrom, 0,05 bis 0,3% Yttrium, Scandium, Thorium, Lanthan und/oder seltene " Erdmetalle, Rest Nickel.

Der Zusatz von Kobalt, Eisen, Molybdän, Niob, Tantal oder Wolfram begünstigt die mechanischen Eigenschaften sowie das Diffusions- un^ Wännekorrosionsverhalten des Schutzüberzuges.

Anhand der Zeichnung sowie der nachstehenden Beispiele wird die Erfindung näher erläutert.

In der Zeichnung ist in einem Diagramm das Oxydations-Erosions-Verhalten einer erfindungsgemäßen Legierung, bestehend aus 30% Aluminium, 0,5% Yttrium, Rest Nickel, im Vergleich zu einer Legierung, bestehend aus 30% Aluminium, Rest Nickel, und zu der B-1900-Legierung, deren Zusammensetzung vorstehend genannt ist, gezeigt Die eingetragenen Kurven ergeben sich bei einer Arbeitstemperatur von 1150⁰C.

starker Schutzüberzug aus einer Legierung, bestehend aus 30% Chrom, 12% Aluminium, 0,5% Scandium, Rest Nickel, nach der vorstehend beschriebenen Weise aufgedampft. Die so hergestellte Probe wird in einem durch Verbrennung von Propan erzeugten Gasstrom hoher Geschwindigkeit untersucht, wobei dem Gasstrom 0,4% Schwefel und 3,5 ppm Meersalz zur Imitation der Sulfidation zugesetzt werden. Bei einer Temperatur von 899° C des Gasstroms läßt sich bei der Probe nach 330 Stunden keine Korrosion feststellen, während ein Probestück aus der Legierung B-1900 sehr stark angegriffen ist.

Beispiei 3

Eine durch Schmelzen vorbereitete Legierung für den Schutzüberzug hat die Zusammensetzung 28% Chrom, 14% Aluminium, 0,4™ Yttrium, Rest Nikkei. Durch Elektronenstrahlverdampfung wird diese Legierung in einer 104,35 μ starken Schicht als Schutzüberzug auf eine Probe aus B-1900 aufge bricht Dieses Probestück wird unter dynamischer Beanspruchung einer oxydierend und erodierend wir kenden Atmosphäre bei 1093° C 208 Stunden lang ausgesetzt, wobei die Atmosphäre der Abgasatmosphäre entspricht, die bei der Verbrennung von Düsentreibstoff entsteht. Ein Angriff des Schutzüberzugs durch Oxydation konnte nicht festgestellt werden.

Weiterhin wurden entsprechend den vorstehenden Beispielen folgende Schutzüberzugslegierungen unter sucht:

Beispiel 1

Durch Schmelzen im Lichtbogen wird eine Legierung aus 26% Al, 0,12% Y, Rest Ni aufbereitet. Diese Legierung wird auf ein Grundmaterial aus einer B-1900-Legierung in einer Stärke von 63,5// aufgebracht, wobei das Aufbringen der Legierung durch »Aufschießen« mit Hilfe von Argonionen hoher Intensität erfolgt, wodurch man einen sehr dichten Überzug erhält. Das Aufschießen erfolgt in Vakuum, wobei der Partialdruck des Argons extrem niedrig ist. Das mit dem Schutzüberzug versehene Werkstück wird in einem Gasstrom, der durch Verbrennung von Propan in Luft erzeugt wurde, zunächst 115 Stunden lang bei 1O93°C und dann 37Stunden bei 1149° C angeordnet. Darauffolgende Untersuchungen des Werkstückes zeigen, daß Oxydations- oder Erosionserscheinungen nicht aufgetreten sind.

Beispiel 2
Auf ein Grundmaterial aus B-1900 wird ein 25,4 μ 16% Aluminium, 0,5 % Yttrium, Rest Nickel

25% Aluminium, 0,5% Yttrium, Rest Nickel
30% Aluminium, 0,5% Yttrium, Rest Nickel
16% Aluminium, 0,1% Scandium, Rest Nickel
30% Aluminium, 0,25% Scandium, Rest Nickel

12 % Aluminium, 0,85 % Yttrium, Rest Nickel
12% Aluminium, 0,6% Neodym, Rest Nickel
20% Chrom, 14,5% Aluminium, 0,5% Yttrium,

Rest Nickel
30% Chrom, 15% Aluminium, 0,1% Scandium,

Rest Nickel

15% Chrom, 15% Aluminium, 0,1% Scandium,

Rest Nickel

15% Ch'om, 12% Aluminium, 4% Tantal,
0,25% Scandium, Rest Nickel

Die Schutzüberzugslegierungen können durch Alitierung, durch Aufschmelzen, durch Aufdampfen, Aufspritzen als Plasma, mechanisch, durch Elektroly-5 se, Elektrophorese, Galvanisieren und dergleichen aufgebracht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer Legierung, bestehend aus 14 bis 30% Aluminium, 0,01 bis 1% Yttrium, Scandium, Thorium, Lanthan und/oder seltenen Erdmetailen, bis 45% Chrom, bis 10% Kobalt, Eisen, Molybdän, Niob, Tantal oder Wolfram, Rest Nickel, zur Herstellung für bei hohen Temperaturen gegen Oxydation beständige Schutzüberzüge auf Bauteilen von Gasturbinen.

2. Verwendung einer Legierung der Zusammensetzung nach Anspruch 1 zu dem Zweck nach Anspruch 1, wobei die Stärke des Schutzüberzuges 2,54 X 10³- bis 12,7 X I0³- cm beträgt

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