DE1928508C - Verwendung einer bei hoher Temperatur oxydationsbestandigen Legierung als Schutzuberzug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Legie rung bestehend aus 14 bis 30% Aluminium, 0,01 bis 1 % Yttrium, Scandium, Thoriu n, Lanthan und/oder Seltene Ilrdmeialle, bis 45% Chr^rn, bis 10% Kobalt, Eisen, Molybdän. Niob, Tantal oder Wolfram. Rest Nickel, zur Herstellung für bei hohen Tempera türen gegen Oxydation beständige Schutzüberzüge auf Bauteilen von Gasturbinen.

Bekanntlich sind Jie Metalle Molybdän, Niob, Tan tal und Wolfram unter dem Samielbegriff »refractory metals« bzw. feuerfeste Metalle oder Metalle mit hohem Schmelzpunkt zusammengefaßt (Condensed Chemical Dictionary, 7th Edition, Reinhold Publishing Corp., New York, 1966).

Legierungsschutzüberzüge verwendet man Vorzugs weise bei den sogenannten Nickel-Superlegierungen. Diese Legierungen sind Nickel Chrom-Legierungen, denen zur Erzielung einer intermetallischen Verbin dung Aluminium und Titan zugesetzt sind. Außer dem enthalten diese Legierungen Kobalt zur Erhöhung der Lösungstemperatur der intermetallischen Verbindung sowie Wolfram oder Tantal zur Verbindungsfestigung und KohlenstofT, Bor oder Zirkonium zur Verbesserung der Verformbarkeit. Da derartige Legierungen in Umgebungen und bei Beanspruchungen, wie sie Turbinenschaufel unterliegen, eine progresiive Abnahme an Grundmaterial aufweisen, versieht «nan sie mit Schutzüberzügen, deren Oxydations-Ero-•ions-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 Reaktionspartner stark verringert (USA.-Patentschrift 3,102,044).

Obwohl durch derartige Aluminidschutzüberzüge die Lebensdauer der aus Superlegierungen bestehenden Grundmaterialien erhöht wird, mußte man feststellen, daß der Schutzüberzug lokal abplatzt. Die Ursache besteht in den thermisch induzierten Spannungen an der Metall-Oxyd-Trennfläche, die beispielsweise durch Thermoschocks bedingt sind, die an den dynamisch extrem beanspruchten Werkstücken dadurch entstehen, daß beispielsweise die heißen Verbrennungsgase mit kalter Sekundärluft gemischt v/erden.

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% Alu s minium, 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.

ίο Cer und andere seltene Erdmetalle vorgesehen (britische Patentschrift 617,819).

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

Zum Stand der Technik gehört auch eine hochwarmfeste, oxydations und thermoschockbeständige Nik

Hi 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

2i 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

M> aus 5 bis 45% Chrom. 0 bis 25% Aluminium, 0 bis 1% Seltene Erdmetalle. Rest Nickel besteht (britische Patentschrift 734.210). Auch diese Legierung wird nicht als Schutzüberzugslegierung bei mit hohen Temperaturen beaufschlagten dynamischen Systemen ver wendet.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb in der Auffindung einer Legierung, mit der Gasturbinenschaufeln aus Nickel-Superlegierun gen zur Schaffung einer langzeitigen Oxydations-Ero sions-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. Vorteilhaf terweise liegt dabei die Stärke des Schutzüberzuges zwischen 2,54 χ 10"'und 12,7 X 10~³cm.

Als Grundmaterial wird beispielsweise eine Nickel-Superlegierung mit der Bezeichnung B-1900 verwende:, die aus 8% Chrom, 10% Kobalt, 1% Titan, 6% Molybdän, 4,3% Tantal, 0,11% Kohlenstoff, 0,015% Bor, 0,07% Zirkonium, Rest Nickel besteht.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung der ein-

n gangs 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 thsrmoschockunempfindlich 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 Schuizüberz.ugslegierung, 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 s 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 in auf 25% reduziert. Einen sehr günstigen Ausgleich zwischen den chemischen und physikalischen Eigenschaften des Überzugs e.hält 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 Diffustons- und Wärmekorrosionsverhalten des Schutzüberzuges. ²⁽¹

Anhand der Zeichnung sowie der nachstehenden Kei'piele 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 jo 1150^cC.

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.

Beispiel 3

Eine durch Schmelzen vorbeieitete Legierung für den Schutzüberzug hat die Zusammensetzung 28% Chrom, 14% Aluminium, 0,4% Yttrium, Rest Nikkei. Durch Elektronenstrahiver ...mpfung wird diese Legierung in einer 104,35// starken Schicht als Schutzüberzug auf eine Probe aus B 1900 aufgebracht. Dieses Probestück wird unter dynamischer Beanspruchung einer oxydierend und erodierend wirkenden 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 rieht festgestellt werden.

Weiterhin wurden entsprechend den vorstehenden Beispielen folgende Schutzüberzugslegierungen untersucht :

Beispiel 1

Di'reh Schmelzen im Lichtbogen wird eine Legierung aus 26% Al, 0,1?.% Y, Rest Ni aufbereitet. Diese Legierung wird auf ein Grundmaterial aus einer B-1900-Legierung in einer Stärke von 63,5 μ 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 I uft erzeuf t wurde, zunächst 115 Stunden lang bei 1093° C und dann 37 Stunden 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//

3S

40

45

!0 16% Aluminium, 0.5% Yttrium, Rest Nickel
25% Aluminium, 0,5% Yttrium, Rest Nickel
30% Aluminium, 0,5% Yttrium, Pest 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,

R.est Nickel
15% Chrom, 12% Aluminium, 4% Tantal,

0,25% Scandium, Rest Nickel

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verwendung einer Legierung, bestehend aus 14 bis 30% Aluminium, 0,01 bis 1% Yttrium, Scandium, Thorium, Lanthan und oder Seltenen Erdmetallen, 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 χ 10³-cm betrag,.