DE19753876A1 - Eisenaluminidbeschichtung und Verfahren zum Aufbringen einer Eisenaluminidbeschichtung - Google Patents

Eisenaluminidbeschichtung und Verfahren zum Aufbringen einer Eisenaluminidbeschichtung

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DE19753876A1
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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung geht aus von einer Eisenaluminidbeschichtung nach dem Oberbe­ griff des ersten Anspruches.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Aufbringen einer Eisenalumi­ nidbeschichtung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruches.
Stand der Technik
Aus der EP 0 625 585 B1 ist eine Fe-Cr-Al-Legierung mit hoher Oxidationsbe­ ständigkeit bekanntgeworden. Aus dieser Legierung wurden Folien für Kataly­ satorträger in katalytischen Konvertern hergestellt.
Beschichtungen die aus dieser Legierung hergestellt wurden zeigten aber insbe­ sondere bei hohen Temperaturen und als Beschichtung von thermisch bean­ spruchten Elementen von thermischen Strömungsmaschinen ungenügende Oxi­ dationseigenschaften.
Um Wärmedämmschichten auf Schaufeln, Hitzeschilder, usw., von thermischen Strömungsmaschinen und Brennkammern aufzubringen wird auf diese Elemente üblicherweise eine Bindeschicht aufgebracht, die im Vakuum-Plasma-Verfahren aufgetragen wird. Nachteile dieser Bindeschichten sind, daß bei Anwendung­ stemperaturen über 900°C die Bindeschicht üblicherweise versagt und die Wär­ medämmschicht abfällt sowie die ungenügende Oxidationsbeständigkeit der Bin­ deschicht.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Eisenaluminidbeschichtung der eingangs genannten Art das Oxidationsverhalten zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des ersten Anspruches erreicht.
Kern der Erfindung ist es also, daß die Eisenaluminidbeschichtung folgende Zu­ sammensetzung aufweist:
5-35 Gew.-% Aluminium
15-25 Gew.-% Chrom
0.5-10 Gew.-% von Molybdän, Wolfram, Tantal und Niob
0-0.3 Gew.-% Zirkon
0-1 Gew.-% Bor
0-1 Gew.-% Yttrium
Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Beimengungen und Verunreinigun­ gen.
Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß die Be­ schichtung einen guten Oxidationswiderstand aufweist, dies insbesondere bei Temperaturen über 1000°C. Die Verwendung von intermetallischen Phasen hat zudem den Vorteil, das die Beschichtung auch bei hohen Temperaturen nicht ver­ sagt, dies ist insbesondere ein Vorteil wenn die Schicht als Bindeschicht für eine Wärmedämmschicht verwendet wird. Die Eisenaluminidbeschichtung ist somit hervorragend geeignet als Beschichtung und Bindeschicht für thermisch bean­ spruchte Elemente von thermischen Strömungsmaschinen.
Die Duktil-Spröd-Übergangstemperatur DBTT (engl.: Ductile Brittle Transition Temperature) liegt bei den erfindungsgemäßen Beschichtungen tiefer als bei herkömmlichen Ni-Basis-Beschichtungen, was sehr vorteilhaft für die Anwendung als Beschichtung ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Un­ teransprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In den Zeichnungen sind Meßbeispiele schematisch dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 die Gewichtsänderung in Bezug zur Oberfläche [Δm/A] bei 1050°C über die Zeit in Minuten;
Fig. 2 die Gewichtsänderung [Δm] bei 1300°C über die Zeit in Minuten.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Es wurden Beschichtungen auf der Basis von intermetallischen Phasen auf der Basis von Eisenaluminiden entwickelt. Ein bevorzugter Bereich ist:
5-35 Gew.-% Aluminium
15-25 Gew.-% Chrom
0.5-10 Gew.-% von Molybdän, Wolfram, Tantal und Niob
0- 0.3 Gew.-% Zirkon
0-1 Gew.-% Bor
0-1 Gew.-% Yttrium
Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Beimengungen und Verunreinigun­ gen.
Ein besonders bevorzugter Bereich ist:
10-25 Gew.-% Aluminium
15-20 Gew.-% Chrom
2-10 Gew.-% von Molybdän, Wolfram, Tantal und Niob
0.1-0.3 Gew.-% Zirkon
0.1-0.5 Gew.-% Bor
0.2-0.5 Gew.-% Yttrium
Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Beimengungen und Verunreinigun­ gen.
Durch die erfindungsgemäße Kombination der oben beschriebenen Elemente wird eine intermetallische Phase mit hervorragenden Oxidationseigenschaften und hoher Temperaturbeständigkeit erzeugt.
Die Beschichtungen können mittels CVD, PVD, Plasmaspritzen, usw., auf die thermisch beanspruchten Elementen von thermischen Strömungsmaschinen auf­ gebracht werden.
Aluminium ist unbedingt nötig um eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit zu erreichen. Wenn der Aluminiumgehalt unter 5 Gew.-% sinkt wird eine ungenügen­ de Oxidationsbeständigkeit erzielt, bei einem Aluminiumgehalt über 35 Gew.-% versprödet der Werkstoff. Der Aluminiumgehalt liegt somit zwischen 5 Gew.-% und 35 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 10 Gew.-% und 25 Gew.-%.
Chrom erhöht die Oxidationsbeständigkeit und verstärkt den Effekt von Aluminium auf die Oxidationsbeständigkeit. Wenn der Chromgehalt unter 15 Gew.-% sinkt wird eine ungenügende Oxidationsbeständigkeit erzielt, bei einem Chromgehalt über 25 Gew.-% wird der Werkstoff zu spröde. Der Chromgehalt liegt somit zwi­ schen 15 Gew.-% und 25 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 15 Gew.-% und 20 Gew.-%.
Molybdän, Wolfram, Tantal und Niob erhöhen ebenfalls die Oxidationsbeständig­ keit und verbessern die Morphologie der Oxydschicht und reduzieren die Interdif­ fusion zwischen der Beschichtung und dem Grundwerkstoff. Der Gesamtgehalt dieser Elemente sollte nicht unter 0.5 Gew.-% sinken und einen Gehalt von 10 Gew.-% nicht überschreiten. Der Gesamtgehalt von Molybdän, Wolfram, Tantal und Niob liegt somit zwischen 0.5 Gew.-% und 10 Gew.-%, vorzugsweise zwi­ schen 2 Gew.-% und 10 Gew.-%.
Zirkon erhöht die Oxidationsbeständigkeit und die Duktilität des Werkstoffes, wo­ bei der Zirkongehalt 0.3 Gew.-% nicht übersteigen sollte. Der Zirkongehalt liegt somit bei maximal 0.3 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0.1 Gew.-% und 0.3 Gew.-%.
Bor erhöht ebenfalls die Duktilität des Werkstoffes, der Borgehalt sollte 1 Gew.-% nicht übersteigen. Der Borgehalt liegt somit bei maximal 1 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0.1 Gew.-% und 0.5 Gew.-%.
Yttrium bildet Y2O3 und erhöht die Haftung der Beschichtung auf dem Grundwerk­ stoff, der Yttriumgehalt sollte 1 Gew.-% nicht übersteigen. Der Yttriumgehalt liegt somit bei maximal 1 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0.2 Gew.-% und 0.5 Gew.-%.
Ausführungsbeispiel 1
Tabelle 1
Es wurden knopfgroße Proben von ca. 20 mg durch Lichtbogenschmelzen aus den Legierungen 1 bis 5 der Tabelle 1 hergestellt. Die Proben wurden dreimal eingeschmolzen, um eine genügende Homogenität zu gewährleisten. Danach wurden die Proben bei 900°C isothermisch geschmiedet mit einer Querhaupt- Geschwindigkeit von 0.1 mm/s. Die Proben wurden dabei mit einem Deformati­ onsfaktor von 1.28 verformt. Danach wurden die Proben wärmebehandelt, d. h. sie wurden bei 1000°C eine Stunde gehalten und dann im Ofen abgekühlt. Die Ober­ fläche der Proben wurde danach sandgestrahlt. Die Endgröße der Proben betrug ca. 40 mm im Durchmesser bei 2 bis 2.5 mm Dicke.
Diese Proben wurden nun bei 1050°C an Luft gehalten und die Gewichtsänderung im Verhältnis zur Oberfläche gemessen.
Nach Fig. 1 zeigen die Proben der Legierungen 1, 3 und 4 ein hervorragendes Oxidationsverhalten. Schon nach wenigen Minuten zeigen die Proben keine Ge­ wichtszunahme mehr und die Gewichtszunahme in Bezug zur Oberfläche [Δm/A] liegt unterhalb 1 mg/cm2.
Auch die Probe nach der Legierung 2 zeigt ein hervorragendes Oxidationsverhal­ ten, ist aber leicht schlechter als die Proben nach den Legierungen 1, 3 und 4. Trotzdem zeigt die Probe 2 auch nach wenigen Minuten keine Gewichtszunahme mehr und die Gewichtszunahme in Bezug zur Oberfläche [Δm/A] liegt immer noch unterhalb 1 mg/cm2.
Die Probe nach der Legierung 5, die in ihrem Cr- und Al-Gehalt der EP 0 625 585 B1 entspricht zeigt ein deutlich schlechteres Oxidationsverhalten. Die Gewichts­ zunahme in Bezug zur Oberfläche [Δm/A] nimmt zwar nach einigen Minuten nicht mehr so stark zu, es wurde jedoch eine stetige Gewichtszunahme über die ge­ samte Meßdauer gemessen.
Ausführungsbeispiel 2
Tabelle 2
Aus den in der Tabelle 2 genannten Legierungen 6 und 7 wurden Proben herge­ stellt und das Oxidationsverhalten bei 1300°C an Luft untersucht. Die Proben zei­ gen nach Fig. 2 ein hervorragendes Oxidationsverhalten bei 1300°C, sie wiesen nach ungefähr 10 Stunden ebenfalls praktisch keine Gewichtszunahme durch Oxidation mehr auf.
Die Eisenaluminidbeschichtung kann direkt auf Werkstücke, insbesondere ther­ misch beanspruchte Elemente von thermischen Strömungsmaschinen, beispiels­ weise Schaufeln, Hitzeschilde, Auskleidungen von Brennkammern, usw., aus Nic­ kel-Basis-Legierungen aufgetragen werden. Vorteilhaft ist es, zwischen der Ei­ senaluminidbeschichtung und der Nickel-Basis-Legierung eine Schicht aus Platin anzuordnen. Diese Platinschicht fungiert als Diffusionsbarriere zwischen der Ei­ senaluminidbeschichtung und der Nickel-Basis-Legierung. Die Platinschicht weist vorzugsweise eine Dicke von 10 bis 20 µm auf.
Die Eisenaluminidbeschichtung kann als Bindeschicht zwischen thermisch bean­ spruchten Elementen von thermischen Strömungsmaschinen, beispielsweise Schaufeln, Hitzeschilde, Auskleidungen von Brennkammern, usw., und einer Wärmedämmschicht verwendet werden. Die Wärmedämmschicht besteht dabei beispielsweise aus Zirkonoxid das mit Yttriumoxid, Calciumoxid oder Magnesiu­ moxid teil- oder vollstabilisiert wurde.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.

Claims (9)

1. Eisenaluminidbeschichtung, im wesentlichen bestehend aus:
5-35 Gew.-% Aluminium
15-25 Gew.-% Chrom
0.5-10 Gew.-% von Molybdän, Wolfram, Tantal und Niob
0-0.3 Gew.-% Zirkon
0-1 Gew.-% Bor
0-1 Gew.-% Yttrium
Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Beimengungen und Verunreinigun­ gen.
2. Eisenaluminidbeschichtung nach Anspruch 1, im wesentlichen bestehend aus:
10-25 Gew.-% Aluminium
15-20 Gew.-% Chrom
2-10 Gew.-% von Molybdän, Wolfram, Tantal und Niob
0.1-0.3 Gew.-% Zirkon
0.1-0.5 Gew.-% Bor
0.2-0.5 Gew.-% Yttrium
Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Beimengungen und Verunreinigun­ gen.
3. Eisenaluminidbeschichtung nach Anspruch 1 oder 2, als Bindeschicht zwischen thermisch beanspruchten Elementen von ther­ mischen Strömungsmaschinen und einer Wärmedämmschicht.
4. Eisenaluminidbeschichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das thermisch beanspruchte Element aus einer Nickel-Basis- Legierung besteht.
5. Eisenaluminidbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zwischen dem thermisch beanspruchten Element und der Eisenalu­ minidbeschichtung eine Platinschicht angeordnet ist.
6. Verfahren zum Aufbringen einer Eisenaluminidbeschichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zu beschichtende Werkstück mit einer Platinschicht überzogen wird und daß die Eisenaluminidbeschichtung auf die Platinschicht aufge­ tragen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Platinschicht eine Dicke von 10 bis 20 µm aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Eisenaluminidbeschichtung eine Wärmedämmschicht aufge­ tragen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmschicht aus Zirkonoxid das mit Yttriumoxid, Calciu­ moxid oder Magnesiumoxid teil- oder vollstabilisiert wurde besteht.
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