DE19941228A1

DE19941228A1 - Eisenaluminidbeschichtung

Info

Publication number: DE19941228A1
Application number: DE1999141228
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Bossmann; Mohamed Nazmy; Hans Joachim Schmutzler; Markus Staubli
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 1999-08-30
Filing date: 1999-08-30
Publication date: 2001-03-08
Anticipated expiration: 2019-08-31
Also published as: DE19941228B4

Abstract

Eine Eisenaluminidbeschichtung besteht im wesentlichen aus: DOLLAR A 5-25 Gew.-% Aluminium DOLLAR A 15-25 Gew.-% Chrom DOLLAR A 0,5-10 Gew.-% von Molybdän, Wolfram, Tantal und Niob DOLLAR A 0-0,3 Gew.-% Zirkon DOLLAR A 0-1 Gew.-% Bor DOLLAR A 0-1 Gew.-% Yttrium DOLLAR A 1-5 Gew.-% Platin oder Rhenium DOLLAR A Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Beimengungen und Verunreinigungen. Die Beschichtung zeichnet sich durch ein hervorragendes Oxidationsverhalten aus.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstofftechnik. Sie betrifft eine Eisenaluminidbeschichtung.

Stand der Technik

Aus der EP 0 625 585 B1 ist eine Fe-Cr-Al-Legierung mit hoher Oxidationsbeständigkeit bekanntgeworden. Aus dieser Legierung wurden Folien für Katalysatorträger in katalytischen Konvertern hergestellt.

Beschichtungen, die aus dieser Legierung hergestellt wurden, zeigten aber insbesondere bei hohen Temperaturen und als Beschichtung von thermisch beanspruchten Elementen von thermischen Strömungsmaschinen ungenügende Oxidationseigenschaften.

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 Anwendungstemperaturen über 900°C die Bindeschicht üblicherweise versagt und die Wärmedämmschicht abfällt sowie die ungenügende Oxidationsbeständigkeit der Bindeschicht.

Aus DE 197 53 876 A1 ist eine Eisenaluminidbeschichtung mit verbessertem Oxidationsverhalten bekannt, welche sich sowohl als Beschichtung als auch als Bindeschicht für thermisch beanspruchte Elemente von thermischen Strömungsmaschinen eignet. Die Legierung besteht aus 5-35, vorzugsweise 10- 25 Gew.-% Al; 15-25, vorzugsweise 15-20 Gew.-% Cr; 0.5-10, vorzugsweise 2-10 Gew.-% von Mo, W, Ta und Nb; 0-1, vorzugsweise 0.1-0.3 Gew.-% Zr; 0-1, vorzugsweise 0.1-0.5 Gew.-% B; 0-1, vorzugsweise 0.2-0.5 Gew.-% Y; Rest Fe und herstellungsbedingte Beimengungen und Verunreinigungen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Eisenaluminidbeschichtung der eingangs genannten Art das Oxidationsverhalten weiter zu verbessern.

Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale des ersten Anspruches erreicht.

Kern der Erfindung ist es also, dass die Eisenaluminidbeschichtung folgende Zusammensetzung aufweist:
5-25 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
1-5 Gew.-% von Platin oder Rhenium
Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Beimengungen und Verunreinigungen.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass die Beschichtung 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 versagt, 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 beanspruchte 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 Unteransprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In den Zeichnungen sind Messbeispiele schematisch dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 die Durchbiegung der Legierung L1 in Abhängigkeit von der Druckkraft bei 80°C;

Fig. 2 die Durchbiegung der Legierung L2 in Abhängigkeit von der Druckkraft bei 175°C.

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, wobei folgende Zusammensetzungen gewählt wurden:
5-25 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
1-5 Gew.-% Platin oder Rhenium
Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Beimengungen und Verunreinigungen.

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
2-4 Gew.-% Platin oder Rhenium
Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Beimengungen und Verunreinigungen.

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 aufgebracht werden.

Aluminium ist unbedingt nötig, um eine hervorragende Oxidationsbeständigkeit zu erreichen. Wenn der Aluminiumgehalt unter 5 Gew.-% sinkt, wird eine ungenügende Oxidationsbeständigkeit erzielt, bei einem Aluminiumgehalt über 25 Gew.-% versprödet der Werkstoff. Der Aluminiumgehalt liegt somit zwischen 5 Gew.-% und 25 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 zwischen 15 Gew.-% und 25 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 15 Gew.-% und 20 Gew.-%.

Molybdän, Wolfram, Tantal und Niob erhöhen ebenfalls die Oxidationsbeständigkeit und verbessern die Morphologie der Oxydschicht und reduzieren die Interdiffusion 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 zwischen 2 Gew.-% und 10 Gew.-%.

Zirkon erhöht die Oxidationsbeständigkeit und die Duktilität des Werkstoffes, wobei 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 Grundwerkstoff, der Yttriumgehalt sollte 1 Gew.-% nicht übersteigen. Der Yttriumgehalt liegt somit bei maximal 1 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0.2 Gew.-% und 0.5 Gew.-%.

Das Besondere der erfindungsgemässen Beschichtungen ist das Zulegieren von Platin bzw. Rhenium. Platin erhöht die Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffes in besonderem Masse. Der Platingehalt liegt bei maximal 5 Gew.- %, vorzugsweise zwischen 2 und 4 Gew.-%.

Eine ähnliche Wirkung wie Platin hat auch die Zugabe von Rhenium. Der Rheniumgehalt liegt somit ebenfalls bei 1-5 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 2 und 4 Gew.-%.

In der nachfolgenden Tabelle sind beispielhaft zwei erfindungsgemässe Legierungen mit ihrer chemischen Zusammensetzung angegeben:

Aus den in der Tabelle genannten Legierungen L1 und L2 wurden streifenförmige Proben hergestellt. Das Herstellungsverfahren war folgendes: Erschmelzung von ca. 20 g Knopfproben im Lichtbogen, Schmieden bei 950°C unter Ar-Atmosphäre zu Scheiben von ca. 40 mm Durchmesser und ca. 2 mm Dicke, Herstellung von streifenförmigen Proben mit ca. 5 mm Breite und 2 mm Dicke. An diesen Proben wurde das Oxidationsverhalten an Luft untersucht. Als Ergebnis konnte festgestellt werden, dass die Proben ein hervorragendes Oxidationsverhalten aufweisen.

Die Proben haben eine Duktil-Spröd-Übergangstemperatur (DBTT) im Bereich von 80-175°C, während eine Vergleichslegierung ohne Pt- bzw. Re-Zusätze mit 20 Gew.-% Cr, 6 Gew.-% Al, 4 Gew.-% Ta, 0,05 Gew.-% B, 0,2 Gew.-% Zr und 0,5 Gew.-% Y, Rest Eisen und herstellungsbedingte Beimengungen und Verunreinigungen, eine DBTT von 125°C aufweist.

In den Fig. 1 und 2 sind als Ergebnis von Biegeversuchen Kraft- Durchbiegungs-Diagramme dargestellt. Fig. 1 zeigt das Kraft-Durchbiegungs- Diagramm einer Probe mit der Zusammensetzung von L1 bei 175°C, während Fig. 2 das Kraft-Durchbiegungs-Diagramm einer Probe mit der Zusammensetzung L2 bei 80°C zeigt. Die Figuren verdeutlichen, dass bei den genannten Temperaturen eine plastische Verformung stattfindet.

Die Eisenaluminidbeschichtung kann direkt auf Werkstücke, insbesondere thermisch beanspruchte Elemente von thermischen Strömungsmaschinen, beispielsweise Schaufeln, Hitzeschilde, Auskleidungen von Brennkammern, usw. aus Nickel-Basis-Legierungen aufgetragen werden.

Die Eisenaluminidbeschichtung kann auch als Bindeschicht zwischen thermisch beanspruchten 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 Magnesiumoxid teil- oder vollstabilisiert wurde.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.

Claims

1. Eisenaluminidbeschichtung, im wesentlichen bestehend aus:
5-25 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
1-5 Gew.-% Platin oder Rhenium
Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Beimengungen und Verunreinigungen.

2. Eisenaluminidbeschichtung nach Anspruch 1, im wesentlichen bestehend aus:
10-25 Gew.-% Aluminium
5-20 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
2-4 Gew.-% Platin oder Rhenium
Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Beimengungen und Verunreinigungen.

3. Eisenaluminidbeschichtung nach Anspruch 1, im wesentlichen bestehend aus:
6 Gew.-% Aluminium
20 Gew.-% Chrom
4 Gew.-% Tantal
0.5 Gew.-% Zirkon
0.05 Gew.-% Bor
0.2 Gew.-% Yttrium
3 Gew.-% Platin
Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Beimengungen und Verunreinigungen.

4. Eisenaluminidbeschichtung nach Anspruch 1, im wesentlichen bestehend aus:
6 Gew.-% Aluminium
20 Gew.-% Chrom
4 Gew.-% Tantal
0.5 Gew.-% Zirkon
0.05 Gew.-% Bor
0.2 Gew.-% Yttrium
3 Gew.-% Rhenium
Rest Eisen sowie herstellungsbedingte Beimengungen und Verunreinigungen.

5. Eisenaluminidbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, als Bindeschicht zwischen thermisch beanspruchten Elementen von thermischen Strömungsmaschinen und einer Wärmedämmschicht.

6. Eisenaluminidbeschichtung nach Anspruch 5, wobei das thermisch beanspruchte Element aus einer Nickel-Basis- Legierung besteht.