DE19926669A1 - NiAl-beta-Phase enthaltende Beschichtung - Google Patents
NiAl-beta-Phase enthaltende BeschichtungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine große Volumenanteile, vorzugsweise 20 bis 90 Vol.-%, an NiAl-beta-Phase enthaltende Beschichtung. Sie ist durch folgende, die Duktilität der Beschichtung erhöhende Mikrolegierungselemente (Angaben in Gew.-%) gekennzeichnet: 0,1-8 Fe und/oder 0,1-8 Mo und/oder 0,1-8 Ga, wobei der Gesamtanteil Fe, Mo und Ga maximal 10% beträgt. Zusätzlich können geringe Anteile an Zr, C und/oder B zulegiert sein, was die beta/gamma-Phasengrenzen festigt.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstofftechnik. Sie betrifft eine
Beschichtung, welche grosse Volumenanteile, vorzugsweise im Bereich von 20
bis 90 Vol%, an NiAl-β-Phase enthält.
Es sind eine Vielzahl von Legierungen bekannt, welche zur Beschichtung von z. B.
Gasturbinenkomponenten eingesetzt werden. Die Gasturbinenkomponenten,
beispielsweise Turbinenschaufeln, sind hohen Temperaturen ausgesetzt und
sollen mittels der Beschichtungen vor Oxidation und Korrosion geschützt werden.
Um den Vorteil einer hohen Temperatur zur Steigerung des Wirkungsgrades der
Turbine und der hervorragenden mechanischen Eigenschaften des
Grundmaterials (beispielsweise Einkristalle oder gerichtet erstarrte Gefüge) voll
auszuschöpfen, ist es notwendig, dass das Beschichtungsmaterial das
Grundmaterial nicht nur vor Oxidation und Korrosion schützt, sondern auch die
mechanischen Eigenschaften des Grundmaterials nicht beeinträchtigt werden.
Insbesondere soll eine niedrige Duktil-Spröd-Übergangstemperatur (Duktile Brittle
Transition Temperature - DBTT) und damit eine gewisse Duktilität bei niedrigen
Temperaturen für das Beschichtungsmaterial erreicht werden.
Dies ist bei den bisher bekannten Beschichtungen leider nicht der Fall.
In US 5,943,138 wird beispielsweise eine Beschichtung beschrieben, welche eine
typische Ni-Basis-Superlegierung (Einkristall-Legierung) ist mit Zusatz von Yttrium
und Silizium. Diese Elemente verbessern zwar die Kriechfestigkeit und führen
ausserdem zu einer niedrigen Duktil-Spröd-Übergangstemperatur, aber die
ausserdem enthaltenen Elemente W, Mo und die geringen Anteile an Cr und Co
bewirken einen schädlichen Effekt auf den Oxidationswiderstand.
Die in den letzten Jahren entwickelten hochfesten NiAl-Legierungen können zwar
in gewisser Weise mit den Ni-Basis-Superlegierungen konkurrieren, jedoch ist ein
Nachteil ihre im Vergleich zu den duktilen hochzähen Ni-Basis-Superlegierungen
niedrige Zähigkeit und ihre hohe DBT-Temperatur (R. Dariola: NiAl for Turbine
Airfoil Application, Structural Intermetallics, The Minerals, Metals & Materials
Society, 1993, S. 495-504), was sich in einer niedrigen Duktilität dieser
Legierungen bei niedrigen Temperaturen widerspiegelt. Die β-Phase der NiAl-
Legierungen weist eine geordnete kubische B2-Kristallstrukur (CsCl Prototyp) auf
und besteht aus zwei einfachen sich durchdringenden kubischen Zellen, bei
denen die Al-Atome die Würfelecken des einen Subgitters und die Ni-Atome die
Würfelecken des anderen Subgitters besetzen. Die β-Phase ist grob und daher
spröd.
Aus US 5,116,438 sind β-Phasen Ni-Aluminide bekannt, die mit Gallium
mikrolegiert sind. Diese weisen bei etwa 0,25 Atom% Ga eine signifikante
Verbesserung der Duktilität bei Raumtemperatur auf. Ein höherer Ga-Anteil wirkt
sich negativ aus.
Die Zugabe von geringen Anteilen an Bor, sowie Hf, Zr, Fe und Kombinationen
dieser Elemente zu Ni3Al-Legierungen zum Zwecke der Duktilitätsverbesserung ist
beispielsweise aus US 4,478,791 und US 4,612,165 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Duktilität von NiAl-Beschichtungen,
welche einen hohen Anteil an β-Phase aufweisen, zu verbessern. Die β-Phase
kann dabei eine unterschiedliche Zusammensetzung haben, beispielsweise NiAl,
NiAlCr, NiAlMo, NiAlTi.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die NiAl-β-Phase enthaltende
Beschichtung folgende Mikrolegierungselemente aufweist (Angaben in Gew.-%):
0.1-8 Fe und/oder 0,1-8 Mo und/oder 0,1-8 Ga, wobei der Gesamtanteil Fe, Mo und Ga maximal 10% beträgt.
0.1-8 Fe und/oder 0,1-8 Mo und/oder 0,1-8 Ga, wobei der Gesamtanteil Fe, Mo und Ga maximal 10% beträgt.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass die Duktilität der Beschichtung
wesentlich verbessert wird. Durch das Mikrolegieren mit Fe, Ga und Mo wird
erreicht, dass die β-Phase verfeinert und damit die Duktilität erhöht wird, ohne
dass der Oxidationswiderstand verringert wird. Werden die angegebenen
Bereiche überschritten, so hat das ungünstige Auswirkungen auf die Duktilität und
den Widerstand gegen Oxidation und Korrosion.
Es ist besonders zweckmässig, wenn die Beschichtung max. 4 Gew.-% Fe, Ga,
Mo enthält.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn zusätzlich geringe Mengen an B (0.0005-0.9,
vorzugsweise 0.001-0.5 Gew.-%), Zr (0.0005-1.0, vorzugsweise 0.001-0.5 Gew.-%)
und/oder C (0.0005-0.8, vorzugsweise max. 0.5 Gew.-%) zugegeben werden.
B, Zr und C festigen die Korngrenzen und die β/γ-Phasengrenzen.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Kraft-Durchbiegungs-Diagramm für die Legierung VL 1 (Stand
der Technik);
Fig. 2 ein Kraft-Durchbiegungs-Diagramm für die Legierung L 11 in einer
ersten Ausführungsvariante der Erfindung;
Fig. 3 ein Kraft-Durchbiegungs-Diagramm für die Legierung L 12 in einer
zweiten Ausführungsvariante der Erfindung;
Fig. 4 ein Kraft-Durchbiegungs-Diagramm für die Legierung L 13 in einer
dritten Ausführungsvariante der Erfindung;
Fig. 5 ein Kraft-Durchbiegungs-Diagramm für die Legierung VL 2 (Stand
der Technik);
Fig. 6 ein Kraft-Durchbiegungs-Diagramm für die Legierung L 21 in einer
Ausführungsvariante der Erfindung;
Fig. 7 ein Kraft-Durchbiegungs-Diagramm für die Legierung VL 3 (Stand
der Technik);
Fig. 8 ein Kraft-Durchbiegungs-Diagramm für die Legierung L 31 in einer
Ausführungsvariante der Erfindung.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Fig. 1
bis 8 näher erläutert.
Der Duktilisierungseffekt der erfindungsgemässen Mikrolegierung von
Schichtmaterialien, welche grosse Anteile an NiAl-β-Phase enthalten, wurde an
Proben nachgewiesen, die durch Schmelzen des Materials und anschliessendes
Schmieden zu einem Streifen der Grösse 7 × 2 × 35 mm3 hergestellt wurden und
die etwa 40-70 Vol.% NiAl-β enthalten.
An diesen Proben wurden Drei-Punkt-Biegeversuche bei 200°C durchgeführt. Es
wurde der Betrag der plastische Deformation ermittelt, welcher ein Mass für die
Duktilität der Beschichtungen darstellt.
Als Vergleichsmaterial dienten folgende Legierungen (Angabe in Gew.-%):
Erfindungsgemäss wurden die Vergleichslegierungen VL 1, VL 2 und VL 3
mikrolegiert mit Zr, B, und Fe. Im einzelnen wurden folgende Legierungen
(Angaben in Gew.-%) hergestellt, an denen ebenfalls im Drei-Punkt-Biegeversuch
bei 200°C die plastische Deformation ermittelt wurde:
Fig. 1 zeigt das Kraft-Durchbiegungs-Diagramm für die aus dem Stand der
Technik bekannte Vergleichslegierung VL 1. Die Probe zeigte nur eine geringe
plastische Durchbiegung und ging bei einer Krafteinwirkung von ca. 1 kN zu
Bruch.
Fig. 2 zeigt das Kraft-Durchbiegungs-Diagramm der erfindungsgemässen
Legierung L 11 (Vergleichslegierung VL1, mikrolegiert mit 0.2 Gew.-% Zr, 0.05%
Gew.-% B und 4 Gew.-% Fe). Die Probe zeigte im Vergleich zu VL 1 eine
wesentlich grössere plastische Durchbiegung und ging erst bei etwa 1.2 kN zu
Bruch.
Während die VL 1 eine Duktil-Spröd-Übergangstemperatur von grösser 300°C
aufweist, hat die Legierung L 11 eine wesentlich niedrigere Duktil-Spröd-
Übergangstemperatur (200°C).
Wird die Legierung L 12 verwendet (Zusammensetzung wie L 11, aber ohne Bor-
Zusatz und mit nur 3 Gew.-% Fe), so zeigt das Kraft-Durchbiegungs-Diagramm
gemäss Fig. 3, dass im Vergleich zu Fig. 2 die plastische Durchbiegung etwas
geringer war, dafür aber die Kraft, bei welcher die Probe zu Bruch ging, mit ca. 1.3
kN etwas höher war.
Fig. 4 zeigt das Kraft-Durchbiegungs-Diagramm für die Legierung L 13
(Zusammensetzung wie L 12, aber 4 Gew.-% Fe). Die plastische Durchbiegung ist
hier wieder etwas höher, die Kraft bis zum Bruch betrug ca. 1.8 kN.
Durch Mikrolegieren mit Fe, Zr und B kann somit die Duktilität der NiAl-β-Phase
enthaltenen Beschichtungen erhöht werden. Die Mikrolegierungselemente
verfeinern die grobe β-Phase. B, Zr und C festigen die Korngrenzen und die β/γ-
Phasengrenzen.
Noch gravierender zeigt sich der Einfluss der Mikrolegierungselemente Zr und Fe
auf die Duktilität der Vergleichslegierung VL 2.
Gemäss Fig. 5 kam es bei der Drei-Punkt-Biege-Probe bei einer Krafteinwirkung
von etwa 0.9 kN und einer Durchbiegung von etwa 1.65 mm zum Bruch.
Wird dagegen die erfindungsgemässe Legierung L 21 ( = VL 2 + 0.2 Gew.-% Zr +
3 Gew.-% Fe) im Drei-Punkt-Biegeversuch untersucht (Fig. 6), so kann die
plastische Durchbiegung wesentlich erhöht werden. Der Bruch trat erst bei einer
Kraft von ca. 1.4 kN ein, wobei die Durchbiegung der Probe ca. 2,5 mm betrug.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 7 und 8
verdeutlicht. Die Vergleichslegierung VL 3 ging bei einer Krafteinwirkung von ca. 2
kN und einer Durchbiegung von 1,7 mm zu Bruch, während die
erfindungsgemässe Legierung L 31, welche sich von VL 3 dadurch unterscheidet,
dass sie zusätzlich mit 3 Gew.-% Fe und 0.2 Gew.-% Zr mikrolegiert ist, beim
Bruch eine Durchbiegung von ca. 2,2 mm aufwies. Die plastische Deformation
und damit die Duktilität der Beschichtungslegierung konnte somit entscheidend
durch die Zugabe dieser zusätzlichen Elemente erhöht werden. Durch die
Duktilisierung der NiAl-Phase wird die Rissausbreitung verlangsamt, d. h. die
Risszähigkeit wird erhöht, was sich positiv auf das Beanspruchungsverhalten der
Beschichtungen auswirkt.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen
Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie kann auf alle β-Phase-NiAl enthaltende
Beschichtungen angewendet werden. Fe, Mo und Ga können dabei jeweils im
Bereich von 0.1 bis 8, vorzugsweise 4 Gew.-%, zulegiert werden. Die Elemente
können sowohl einzeln, als auch in Kombination zugegeben werden, wobei ein
Gesamtanteil von max. 10 Gew.-% nicht überschritten werden sollte. Die
genannten Elemente verfeinern die β-Phase und erhöhen damit die Duktilität,
ohne den Oxidationswiderstand zu verringern. Werden die angegebenen Bereiche
überschritten, so hat das ungünstige Auswirkungen auf die Duktilität und den
Widerstand gegen Oxidation und Korrosion.
Ausser der in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Zugabe von Zr und B
kann als ein β/γ-Phasengrenzenfestiger auch C zulegiert werden. Es ist die
Zugabe von 0.0005 bis 0.9, vorzugsweise 0.001 bis 0.5 Gew.-% B, 0.0005 bis 1.0,
vorzugsweise 0.001 bis 0.5 Gew.-% Zr und 0.0005 bis 0.8 Gew.-% C vorgesehen.
Die Phasengrenzenverfestiger B, C und Zr können einzeln oder in Kombination
zugegeben werden.
Claims (15)
1. NiAl-β-Phase enthaltende Beschichtung mit einem Anteil an NiAl-β im
Bereich von 20 bis 90 Vol.%, gekennzeichnet durch folgende
Mikrolegierungselemente (Angaben in Gew.-%):
0.1-8 Fe und/oder 0,1-8 Mo und/oder 0,1-8 Ga, wobei der Gesamtanteil Fe, Mo und Ga maximal 10% beträgt.
0.1-8 Fe und/oder 0,1-8 Mo und/oder 0,1-8 Ga, wobei der Gesamtanteil Fe, Mo und Ga maximal 10% beträgt.
2. NiAl-β-Phase enthaltende Beschichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch (Angaben in Gew.-%):
max. 4 Fe und/oder max. 4 Mo und/oder max. 4 Ga.
max. 4 Fe und/oder max. 4 Mo und/oder max. 4 Ga.
3. NiAl-β-Phase enthaltende Beschichtung nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch 0.0005-1.0 Gew.-% Zr.
4. NiAl-β-Phase enthaltende Beschichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet
durch 0.001-0.5 Gew.-% Zr.
5. NiAl-β-Phase enthaltende Beschichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet
durch 0.2 Gew.-% Zr.
6. NiAl-β-Phase enthaltende Beschichtung nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch 0.0005-0.9 Gew.-% B.
7. NiAl-β-Phase enthaltende Beschichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet
durch 0.001-0.5 Gew.-% B.
8. NiAl-β-Phase enthaltende Beschichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet
durch 0.2 Gew.-% B.
9. NiAl-β-Phase enthaltende Beschichtung nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch 0.0005-0.8 Gew.-% C.
10. NiAl-β-Phase enthaltende Beschichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet
durch 0.5 Gew.-% C.
11. NiAl-β-Phase enthaltende Beschichtung nach Anspruch 3 und 6,
gekennzeichnet durch (Angaben in Gew.-%) 13 Cr, 24 Co, 12 Al, 0.3 Y, 1.2
Si, 0.5 Ta, 3 Re, 0.2 Zr, 0.05 B, 4 Fe, Rest Ni.
12. NiAl-β-Phase enthaltende Beschichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet
durch (Angaben in Gew.-%) 13 Cr, 24 Co, 12 Al, 0.3 Y, 1.2 Si, 0.5 Ta, 3 Re,
0.2 Zr, 4 Fe, Rest Ni.
13. NiAl-β-Phase enthaltende Beschichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet
durch (Angaben in Gew.-%) 13 Cr, 24 Co, 12 Al, 0.3 Y, 1.2 Si, 0.5 Ta, 3 Re,
0.2 Zr, 3 Fe, Rest Ni.
14. NiAl-β-Phase enthaltende Beschichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet
durch (Angaben in Gew.-%) 13 Cr, 30 Co, 11,5 Al, 0.3 Y, 1.2 Si, 0.5 Ta, 0.2
Zr, 3 Fe, Rest Ni.
15. NiAl-β-Phase enthaltende Beschichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet
durch (Angaben in Gew.-%) 22 Cr, 35 Co, 10 Al, 1 Y, 0.2 Zr, 3 Fe, Rest Ni.
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