DE2003433B2

DE2003433B2 - Bei hohen temperaturen verschleissund korrosionsfeste legierung und verwendung derselben zur herstellung von verschleiss- und korrosionsfesten ueberzuegen auf bauteilen

Info

Publication number: DE2003433B2
Application number: DE19702003433
Authority: DE
Inventors: Richard Clyde Rockville; James Dennis Rocky Hill; Conn. Elam (V.StA.)
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1969-01-31
Filing date: 1970-01-27
Publication date: 1973-03-22
Also published as: CA921730A; FR2029785A1; DE2003433C3; SE347532B; DE2003433A1; GB1283336A

Description

kömmlichen Überzugslegierungen auf der Basis Eisen— faktoren bestimmt, während die oberen Grenzen Chrom—Aluminium—Yttrium in bezug auf Ver- durch die mechanischen Anforderungen Destimmt schleiß- und Korrosionsfestigkeit sowie in bezug auf werden. , „«-j..,,.« Duktflität unterlegen. Jedoch wurde ganz unerwartet Die bevorzugte Zusammensetzung der eründungseine ausgezeichnete Verbesserung erhalten, wenn 5 gemäßen Legierungen besteht aus iv dis ^ oewicnL,-die Kobalt-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierung im prozent Chrom, 13 bis 17 Gewichtsprozent AIu-Berich von 10 bis 40 Gewichtsprozent Chrom, 10 bis minium, 0,6 bis 0,9 Gewichtsprozent Yttrium, Rest 25 Gewichtsprozent Aluminium, 0,01 bis 1 Gewichts- Kobalt . _{Λ VnUU} Prozent Yttrium, der Rest im wesentlichen aus Kobalt Beim Überziehen von Mc^e.-^asjs- —~ ""X"'¹" auf einen Superlegierungsträger als Überzug aufge- io Basis-Gasturbinenmaschinenteilen müssen die zu uberbracht wurde, wobei diese Verbesserung sich auf die ziehenden Oberflächen zuerst sorgraltig von allem Lebensdauer im Vergleich mit den anderen Überzügen Schmutz, Fett und Fremdkörper befreit werden.mit bezieht. Dies wird deutlich in der Zeichnung darge- nachfolgender abschleifender AbstrahlungJDer Überstellt, zug wird durch Abscheiden im Vakuum m einer

Die Überzugslegierungen des FeCrAlY-Typs in 15 Kammer aus einer Schmelze aes Überzugsmatenals

der grundsätzlichen Ausführung Jiegen immer in einer bei 10"* Torr oder besser hergestellt. Der geschmolzene

intermetallischen Kobalt-Aluminium-Verbindung vor, Legierungseinsatz hat dieselbe Zusammensetzung w.e

die in einer ternären festen Kobalt-Chrom-Aluminium- der gewünschte fertiggestellte U berzug.

Lösung dispergiert ist. Die verbesserte Leistune der Die Teile werden auf 954^ 10 C fur 5 hsöMmu-

überzogenen Gegenstände dieser Erfindung beruht 20 ten vor dem Überziehen vorerhitzt, und diese lem-

auf der nachgewiesenen grundsätzlichen Überlegen- peratur wird während des Überzugsvorganges auf-

heit der Überzugsmittelzusammensetzung und wurae rechterhalten. Die Überzugszeit variiert etwas wird

als das Resultat einer größeren thermischen Stabilität, jedoch so eingestellt, um die bevorzugte U beraigs-

die eine größere Widerstandsfähigkeit gegen eine Inter- schichtdicke von 76,2 bis 127 μ.zu\vaai\m..ⁿ^Z

diffusion zwischen Überzug und Träger mit sich bringt, 25 folgendes Abkühlen auf unter 538 C ertolgt in einer

festgestellt. Dies ist nicht nur mit Laboratoriumsaus- nicht oxydierenden Atmosphäre mit einer Gcschwin-

führungen, sondern auch in Maschinenprüfungen digkeit, die der Abkühlung an Luft entspricht Nach

bestätigt worden. der Überzugsstufe werden die Teüe wahrend 1 Stunde

Wie in der Zeichnung dargestellt, stammt der Schutz- bei 1038 4- 4° C im Vakuum hitzebehandelt,

effekt des Überzuges aus erfindungsgemäßen Legie- 30 Die Gegenstände werden dann mit trockenen ijlas-

rungen von der Aluminiumkomponente. Ein relativ perlen mit einem Durchmesser von 177,8 \mlrt£\L

hoher Aluminiumgehalt wird demgemäß vom Dauer- mit einem Intensitätsäquivalent bis 15 N Jammernd

haftigkeits-Standpunkt bevorzugt. Unter etwa 10 Ge- abgestrahlt. Die Teile werden dann auf WW ±4,L

Wichtsprozent Aluminium ist der Aluminiumgehalt in trockenem Argon, trockenem Wasserston oder

unzureichend in der Legierung, um die gewünschte 35 Vakuum erhitzt, 4 Stunden auf Temperatur gehalten

Langzeitdauerhaftigkeit des Überzuges zu erzielen. und in einer Schutzgasatmosphäre abgekühlt und

Die obere Grenze des Aluminiumgehaltes ist anderer- zwar mit einer Geschwindigkeit, die der Abkühlung

seits primär durch die mechanischen Anforderungen an Luft äquivalent ist.

bestimmt. Bei den sehr hohen Aluminiumgehalten ist Die so behandelten Gasturb.nenmaschmente.le zei-

ein niedriger Chromgehalt sehr wünschenswert. 40 gen eine Überzugsschichtdicke die Diffusionszone

Im allgemeinen werden die Minimumgehalte der nicht berücksichtigt, von 76,2 bis Ul μ. uie lmitu-Elemente Chrom, Aluminium und Yttrium oder der sionszone für die Nickellegierungen betragt 25 4 bis Seltenen Erdmetalle durch die Korrosionswiderstands- 50,8 μ und für Kobaltlegierungen von 2,1 bis JS, μ.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 minium, 0,01 bis 1% Yttrium und/oder Seltene Patentansprüche: F.rdmetalle, Rest Kobalt. In der bevorzugten Ausführungsfonn der Erfin-

1. Bei hohen Temperaturen verschleiß- und dung besteht die Legierung aus 19 bis 24°/o Chrom, korrosionsfeste Legierung, bestehend aus 15 bis 5 13 bis 17% Aluminium, ϋ,6 bis 0,9% Yttrium und/ 40% Chrom, 10 bis 25% Aluminium, 0,01 bis oder Seltene Erdmetalle, Rest Kobalt.

1% Yttrium und/oder Seltene Erdmetalle, Rest Die Erfindung betrifft auch die Verwendung von

Kobalt. Legierungen der vorstehenden Zusammensetzung zur

2. Legierung nach Anspruch 1, bestehend aus Herstellung von verschleiß- und korrosionsfesten 19 bis 24% Chrom, 13 bis 17% Aluminium, 0,6 i= Überzügen auf Bauteilen, iusbcsundcrc auf solchen bis 0,9% Yttrium und/oder Seltene Erdmetalle, von Gasturbinen, aus Superlegierungen auf Nickel-Rest Kobalt. oder Kobalt-Basis.

3. Verwendung von Legierungen der Zusam- In der Zeichnung ist eine graphische Darstellung mensetzuug nach Anspruch 1 oder 2 zur Her- der Lebensdauer der B-1900-Legierung mit einem stellung von verschleiß- und korrosionsfesten 15 metallischen Überzug aus der Legierung der vorliegenüberzögen auf Bauteilen, insbesondere auf solchen den Erfindung bei der Schaufel-Zyklus-Sulfidation von Gasturbinen, aus Superlegierungen auf Nickel- dargestellt. Die Darstellung ergibt die spezifische oder Kobalt-Basis. Lebensdauer als Funktion des Aluminiumgehaltes

wieder. Für Vergleichs7wecke ist die normale Lebens-

20 dauer von ähnlichen Stücken, die mit dem herkömmlichen Aluminid-Überzug versehen sind, und Stücke mit einem Eisen-Chrom-Aluminium-Yttrium-Überzug

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf bei mit angegeben, um eine Vergleichsbasis zu erhalten, hohen Temperaturen verschleiß- und korrosionsfeste Die Superlegierungen sind solche festen Hochtem-

Legierungen und auf die Verwendung derselben zur 25 peraturmaterialien, die besonders nützlich in hoch Herstellung von verschleiß- und korrosionsfesten beanspruchten Regionen, wie Gasturbinen-Maschinen, Überzügen auf Bauteilen, insbesondere auf solchen verwendet werden. Repräsentative Legierungen dieser von Gasturbinen, aus Superlegierungen auf Nickel- Art besitzen folgende Zusammensetzungen:

oder Kobalt-Basis. Legierungs- Nominale Zusammensetzung

Ein einschränkender Faktor bei der Verwendung 3° bezeichnung in Gewichtsprozent

der derzeitigen Superlegierungen für Düsenmotoren _Β._{19(χ) g & 1QC 1 TJ 6 A}, _{6M Q n c} beruht auf ihrer Empfindlichkeit gegen Oxydations- ₄, _{T n1}<_{R nn77r Rpct} xj;
Erosion und Hitzekorrosion bei sehr hohen Temperaturen. Aus diesem Grunde ist es die gegenwärtige INlOO 10 Cr, 15 Co, 4,5 Ti, 5,5 AI, 3 Mo, Praxis, die Superlegierungen mit einer abweichend 35 0,17 C, 0,75 Zr, 0,015 B, Rest Ni.
zusammengesetzten Legierung zu überziehen, die Wasnaloy 19,5 Cr, 13,5 Co, 3 Ti, 1,25 Al, 4,25 Mo, bessere Korrosionswiderstandsfähigkeit als die Träger- ' * o,l C, 0,005 B, 0,12 Zr, Rest Ni.

Tb^sÄen auch die Aluminid-Überzüge, wie ^{Wi 52} 21 Cr 1,75 Fe, 11 W, 2(Nb ■■ Ta), 0,45 C,

diese in der USA.-Patentschrift 3 102 044 beschrie- 40 ^{Rest Co}·

ben sind, in der Vergangenheit eine bemerkenswerte Als Klasse betrachtet zeigen die Superlegierungen

Verbesserung in der Lebensdauer der Superlegie- relativ gute Oxydationswiderstahdsfähigkeit bei Tem-

rungen erzielt, jedoch sind noch weitere Verbesse- peraturen, wie sie im heißen Teil von Düsenmotoren

rungen erforderlich. Einen solchen verbesserten Über- auftreten. Da normalerweise ein Kompromiß in der

zug betrifft die vorliegende Erfindung aus einer 45 Legierungszusammensetzung eingegangen wird, um

Kobalt-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierung, die den besten Ausgleich zwischen Festigkeit und Korro-

hier beschrieben wird. sionswiderstandsfähigkeit wie auch anderen Faktoren

Zuvor sei jedoch bemerkt, daß gewisse Kobalt- herbeizuführen, ist es übliche Praxis, diese Legie-Basislegierungen in bezug auf ihre Oxydations- und rungen mit einem metallischen Überzug zu versehen, Sulfidation-Widerstandsfähigkeit durch die Zugabe 5° die wegen ihrer hohen Temperatur-Korrosionswidervon kleinen Mengen Aluminium und Yttrium ver- Standsfähigkeit ausgesucht sind,
bessert werden können. Eine solche Legierungsserie Die bisher bekannten Überzüge werden im allgeist in der USA.-Patentschrift 3 399 058 beschrieben. meinen meistens in üblicher Weise durch Reaktion Jedoch beim nächsten Stand der Technik hat man des Aluminiums mil der deoxydierten Oberfläche des Legierungen mit guter Hochtemperaturfestigkeit und 55 Trägermetalls verbessert, um ein schützendes AIu-Bearbeitbarkeit wie auch entsprechender Oxydations- minid zu bilden. Die Aluminidschicht oxydiert nach- und Sulfidations-Widerstandsfähigkeit verbessert; die folgend, um die gewünschte inerte Grenzschicht zu chemische Zusammensetzung der verschiedenen Legie- bilden. Jedoch ist die Steuerung der Überzugszusamrungen sind auf dieser Basis formuliert worden. mensetzung schwierig wegen der komplexen Natur Jedoch sind metallische Überzugsmittel-Legierungen 60 der meisten gegenwärtig benutzten Legierungen, mit den bisherigen bekannten Zusammensetzungen Besonders nach dem Aussetzen in einem Oxydationsallgemein unbefriedigend, um einen Langzeit-Ober- bereich von hohen Temperaturen für verlängerte fiächenschutz auf Nickel- oder Kobalt-Basis-Super- Zeiträume können unerwünschte Verunreinigungen legierungen bei Temperaturen, wie diese in Düsen- in den Überzug eingeschleppt werden, oder es kann motoren auftreten, zu erhalten. 65 ein Absinken des Aluminiumspiegels durch Diffusion

Gegenstand der Erfindung ist eine bei hohen Tem- in das Trägermetall eintreten.

peraturen verschleiß- und korrosionsfeste Legierung, Bei der Prüfung im kompakten Zustand erweisen

bestehend aus 15 bis 40% Chrom, 10 bis 25% Alu- sich die erfindungsgemäßen Legierungen zwar her-