DE2356617B2 - Verfahren zum aufbringen eines gegenueber hohen temperaturen und abrieb bestaendigen ueberzugs auf metallgegenstaenden - Google Patents

Verfahren zum aufbringen eines gegenueber hohen temperaturen und abrieb bestaendigen ueberzugs auf metallgegenstaenden

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DE2356617B2 DE19732356617 DE2356617A DE2356617B2 DE 2356617 B2 DE2356617 B2 DE 2356617B2 DE 19732356617 DE19732356617 DE 19732356617 DE 2356617 A DE2356617 A DE 2356617A DE 2356617 B2 DE2356617 B2 DE 2356617B2
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines gegenüber hohen Temperaturen und Abrieb beständigen Überzugs auf Metallgegenständen, gemäß dem ein Gemenge aus einer pulverförmigen Metall-Legierung aus 10 bis 40 Gew.-% Aluminium, Silicium und/oder Chrom und wenigstens 40 Gew.-% Eisen, Kobalt und/oder Nickel mit Teilchengrößen um oder unter 75 μηι und wenigstens einem der folgenden pulverförmigen Metalloxide, nämlich Aluminiumoxid, Chromoxid, BeryUiumoxid, Siliciumdioxid, Titandioxid, Thoriumoxid, Zirkoniumoxid, Tantaloxid, Magnesiumoxid, Hafniumoxid, Yttriumoxid, Calciumoxid, Nioboxid, Oxide der Seltenen Erden oder Spinell-Verbindungen dieser Oxide, mit Teilchengrößen zwischen 0,05 und 74 μηι bei erhöhter Temperatur aufgespritzt wird.
Ein derartiges Verfahren ist aus der US-Patentschrift 32 79 939 bekannt Nach dem bekannten Verfahren wird ein pulverförmiges Gemenge aus einer Nickel-Chrom-Legierung (80 Gew.-% Nickel, 20 Gew.-% Chrom) und Chromoxid mittels Flammspritzen auf einem Metallgegenstand aufgebracht. Der Nickel-Chrom-Anteil am pulverförmigen Gemenge soll 2 bis 15 Gew.-% betragen; vor größeren Anteilen wird abgeraten, da darunter die Qualität des Überzugs leiden soll. Die Teilchengröße der Pulverteilchen soll unter etwa 40 μηι liegen, für beispielhafte Überzüge wird eine Schichtstruktur aus überlappenden Schuppen mit einer Härte von 800 bis 1000 Vickershärte-Einheiten angegeben.
Eine andere Klasse von abriebbeständigen Materialien, welche zur Zeit eingesetzt wird, sind kombinierte Werkstoffe aus keramischen Massen und Metallen (cermets). Hierzu gehören Materialien, welche zu einem großen Volumenanteil (gewöhnlich über 80%) aus harten Teilchen, wie etwa Oxiden oder Carbiden, und metallischen Bindemitteln bestehen. Obwohl die metallischen Bindemittel relativ korrosionsbeständig sein können, haben diese Materialien nicht befriedigt da ihnen Schlagfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Aufbringen eines Überzugs auf Metallg«genständen anzugeben, der auch bei hohen Temperaturen, beispielsweise über 5300C, gegenüber Oxidation und Abrieb gute Beständigkeit aufweist
Ausgehend von einem Verfahren zum Aufbringen eines gegenüber hohen Temperaturen und Abrieb beständigen Überzugs auf Metallgegenständen der eingangs erwähnten Art ist die erfindungsgemäße
ίο Lösung dieser Aufgabe dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an der Legierung zu 50 bis 98 Vol.-% des pulverförmigen Gemenges gewählt wird und die Auswahl der Gemengebestandteile mit der Maßgabe erfolgt daß die Oberflächenhärte des Überzugs wenigstens 500 Vickershärte-Einheiten (bei der Bestimmung mit dem 300 g Prüfgewicht) beträgt
Das Aufbringen des pulverförmigen Gemenges auf einer geeigneten festen metallischen Unterlage kann mittels üblicher Plasmaspritzverfahren erfolgen, wie sie in den US-Patentschriften 28 58 411 und 3016 447 beschrieben sind, oder mittels Detonationsverfahren gemäß den US-Patentschriften 27 14 563,29 50 867 und 29 64 420 oder mittels dem aus der US-Patentschrif·. 28 61 900 bekannten Fiammspritzverfahren. Das auf diese Weise aufgebrachte einheitliche, abriebbeständige Material besitzt eine lamellare Struktur aus ineinandergreifenden und überlappenden mikroskopischen Blättchen, welche mechanisch miteinander und mit der Unterlage verbunden sind, ohne in wesentlichem Ausmaß an der Zwischenschicht mit der Unterlage eine Legierung zu bilden.
Die im Rahmen dieser Erfindung eingesetzten Metalloxidteilchen sind einzeln oder zu mehreren Aluminiumoxid, Chromoxid, Berylliumoxid, Titandioxid, Siliciumdioxid, Thoriumoxid, Zirkoniumoxid, Tantaloxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid, Hafniumoxid, Yttriumoxid, Oxide der Seltenen Erden und Spinell-Verbindungen dieser Oxide, wie etwa MgO ■ AI2O3, NiO · AI2O3 und CoO · Al2O3. Die Teilchengröße der Metalloxide kann zwischen 0,05 und 74 μπι liegen, bevorzugt beträgt die Teilchengröße 1 bis 44 μπι; der Volumenanteil dieser Metalloxidteilchen am pulverförmigen Gemenge beträgt 2 bis 50 Vol.-%, vorzugsweise 5 bis 25 Vol.-%. Teilchen mit Teilchengrößen unter 0,05 um sind zu klein, um wirkungsvoll zur Abriebbeständigkeit des Überzugs beizutragen, während bei Teilchengrößen über 74 μπι ein zu starker Abrieb der aufeinandertreffenden Oberflächen auftritt Volumenanteile unter 2 Vol.-% führen nicht zu einer ausreichenden Abriebbeständigkeit; wenn demgegenüber der Volumenanteil 50 Vol.-% übersteigt, dann weist der Überzug ungenügende Duktilität, Schlagfestigkeit und eine zu geringe Beständigkeit gegenüber thermischer Ermüdung auf. Die Teilchen, welche als diskrete Bestandteile in der Metallmatrix dispergiert werden, müssen bei der vorgesehenen hohen Arbeitstemperatur und in der dabei auftretenden Atmosphäre beständig sein und dürfen weder mit der Legierung der Matrix noch mit der Unterlage deutlich reagieren.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzten Legierungen für die Matrix bestehen im wesentlichen aus zumindest einem ersten Metall, nämlich Eisen, Kobalt und/oder Nickel, und aus zumindest einem zweiten Metall, nämlich Aluminium, Silicium und/oder Chrom. Der Anteil an dem ersten Metall muß wenigstens 40 Gew.-u/o der Legierung ausmachen, und der Anteil an dem zweiten Metall muß zwischen 10 und 40 Gew.-% liegen. Der restliche
Bestandteil der Legierung kann aus einem oder mehreren daneben vorhandenen Elementen bestehen und/oder aus einem oder mehreren Elementen oder Verbindungen, die zugesetzt wurden, um der Legierung mechanische Festigkeit und/oder Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen zu verleihen. Hierzu gehören etwa Wolfram, Molybdän, Vanadium, Mangan, Kohlenstoff, Rhenium, Yttrium, Lanthan, Bor, Niob, Titan, Tantal, Zirkonium und ähnliche Elemente. Die Legierung muß in feinverteilter Form vorliegen und Teilchengrößen von 75 um und weniger aufweisen.
Diese Ausgangskomponenten, nämlich die Metalloxidteilchen und die Legierungsteilchen, werden vor dem Aufbringen auf die Unterlage sorgfältig miteinander vermischt Zusätzlich erfolgt die Auswahl der Ausgangskomponenten mit der Maßgabe, daß der fertige abriebbeständige Überzug eine Oberflächenhärte mit einer Vickershärte-Zahl von über 500 Vickershärte-Einheiten aufweist, wenn die Vickershärte nach der ASTM-Norm E 92-67 mit einem 300-g-Prüfgewicht bestimmt wird.
Beispiele für Materialien, welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung hervorragend als Legierungen für die Metallmatrix geeignet sind, werden in der folgenden Tabelle I aufgeführt
Tabelle!
Bezeichnung der Legierung*)
Fe") Ni Co
Gesamt- AI gehalt an erstem Metall
Si
Gesamt- C Andere
gehalt an Bestand
zweitem teile
Metall
22,5 0,10 0,5 Mn,
0,6W,9Mo
0,08 La,
22 0,08 14 W
0,03 B,
19,25 0,15 3,5 Ti,
5,2Mo
5 Nb, 0,8 Ti,
19,6 0,04 3Mo
0,005 B,
13,6 0,04 1,75 Ti,
2,75 Mo
1 V, 1 Mn,
29 0,85 19,5 W
»Hastelloy X« 18,5 473 1,5 67,3 4,25 22
»Haynes 188« 13 22 40,3 63,8 0,6 22
»Udimet 700« 0 53,3 18,5 71,8 0,10 15
»Inconel 718« 18 53,5 71,5 19
»Discaloy« 55,8 26 81,8 13,5
»Coast Metal 64« 3 5 40,6 48,6 28
0,5
·) Aus Vereinfachungsgründen werden hier Warenzeichen aufgeführt.
Kjtv · »ι A. _■ ·._ *~* - -. λ/
Alle Angaben in Gew.-%,
Nachstehend werden einige Materialien für Metallgegenstände genannt, auf denen der Überzug nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebracht werden kann; hierzu gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, Stahl, rostfreier Stahl, Legierungen auf Eisenbasis, Nickel, Legierungen auf Nickelbasis, Kobalt, Legierungen auf Kobaltbasis, Chrom, Legierungen auf Chrombasis, hochschmelzende Metalle und Legierungen auf der Basis hochschmelzender Metalle.
Die besondere Zusammensetzung des Überzugs, in Abhängigkeit vom Material der Unterlage und dem speziell vorgesehenen Verwendungszweck, sollte so ausgewählt werden, daß der Überzug auf der Unterlage haftet, ohne daß in wesentlichem Ausmaß ein Absplittern oder Abblättern auftritt, während gleichzeitig in der vorgesehenen Umgebung weder die Metalloxidteilchen noch die Legierung der Matrix wirksam mit dem Material der Unterlage reagieren. Für die meisten Anwendungen ist gewöhnlich °in Überzug mit einer Dicke von 76 μπι oder mehr geeignet.
Im Rahmen dieser Darlegungen werden unter Legierungen auf Basis eines bestimmten Metalles solche Legierungen verstanden, in denen das Basismetall den größten Gewichtsanteil ausmacht. Mit dem Begriff »hohe Temperaturen« werden eine Temperatur von 5300C oder höhere Temperaturen bezeichnet. Daher sollten Metallgegenstände, welche erfindungsgemäß iiherzosen werden sollen, von der Art sein, daß sie im wesentlichen ihre Beschaffenheit bei hohen Temperaturen beibehalten.
Beispiel
Eine pulverförmige Legierung auf Kobaltbasis (28 Gew.-% Cr, 19,5 Gew.-% W, 5 Gew.-% Ni, 3 Gew.-% Fe, 1 Gew.-% V, 1 Gew.-% Si, 1 Gew.-% Mn, 0,85 Gew.-% C, Rest Co) mit Teilchengrößen von 43 um und feiner wurde mit Chromoxidteilchen mit Teilchengrößen von 30 μπι in verschiedenen Volumenanteilen gemischt und daraufhin nach den in den US-Patentschriften 27 14 563,29 50 867 und 29 64 420 beschriebenen Detonationsverfahren auf Turbinenschaufeln aufgebracht. Die Turbinenschaufeln bestanden aus einer Superlegierung auf Nickelbasis (13 Gew.-% Al, 3,00 Gew.-% Ti, 4,25 Gew.-% Mo, 19,50 Gew.-O/o Cr, 13,5 Gew.-o/o Co, 2,0 Gew.-O/o Fe, 0,005 Gew.-% B, 0,085 Gew.-% Zr, max. 0,50 Gew.-% Mn, max. 0,75 Gew.-°/o Si, max. 0,030 Gew.-% S, max. 1,10 Gew.-% Cu, max. 0,10 Gew.-% C, Rest Ni). Ein 3x6 mm großes Oberflächenstück der Schaufel (Z-Nut) wurde mit den genannten Ausgangskomponenten überzogen, bis darauf eine 203 bis 254 μπι dicke Schicht aufgebracht war. Die überzogenen Schaufeln wurden daraufhin in einer Vorrichtung, welche Abriebbedingungen simuliert, geprüft, wobei ähnliche thermische Beanspruchungen und Stoß- und Gleitabriebschäden verursacht wurden wie sie in einer Turbine bei realer Beanspruchung durch
Gegeneinanderreiben von zwei Z-Nut-Abschnitten der Tabelle
Schaufeln auftreten. Während der Untersuchung wurde
jn Simulator eine Temperatur von 899° C gemessen. Material Infolge der Berührung zwischen den überzogenen
Oberflächen der beiden Schaufein wurden Abrieb- 5
schrammen in die überzogenen Untersuchungsflächen eingekratzt In Tabelle II wird die Tiefe der Abriebschrammen, die an verschiedenen Oberzugszusammensetzungen gemessen wurde, aufgeführt Wie aus den Untersuchunfsergebnissen deutlich hervorgeht, erhöht der Zusatz von Metalloxidteilchen in verschiedenen Volumenanteilen zu dem Überzug erheblich die Abriebbeständigkeit des Überzugs, ohne dessen gute Oxydationsbeständigkeit zu verschlechtern.
Tiefe der Dauer des Abrieb- Versuchs schrammen
Kobaltlegierung ohne 25 μπι 12 Stunden
Zusatz Kobalt-Legierung +
6 Vol.-% Ο2Ο3
Kobaltlegierung +
4 Vol.-% Ο2Ο3
Kobaltlegierung + 5 μπι 12 Stunden
2 Vol.-% Cr2Os
weniger als 12 Stunden 23 μπι 10 μπι 12 Stunden

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verfahren zum Aufbringen eines gegenüber hohen Temperaturen und Abrieb beständigen Oberzugs auf Metallgegenständen, gemäß dem ein Gemenge aus einer Legierung, die 10 bis 40 Gew.-% Aluminium, Silicium und/oder Chrom und wenigstens 40 Gew.-% Eisen, Kobalt upd/oder Nickel enthält, mit Teilchengrößen um oder unter 75 μπι und wenigstens einem der folgenden Metalloxide, nämlich Aluminiumoxid, Chromoxid, BeryUiumoxid, Siliciumdioxid, Titandioxid, Thoriumoxid, Zirkoniumoxid, Tantaloxid, Magnesiumoxid, Hafniumoxid, Yttriumoxid, Calciumoxid, Nioboxid, Oxide der Seltenen Erden oder Spinell-Verbindungen dieser Oxide, mit Teilchengrößen zwischen 0,05 und 74 μπι bei erhöhter Temperatur aufgespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an der Legierung zu 50 bis 98 VoI.-% des pulverförmigen Gemenges gewählt und die Auswahl der Gemengebestandteile mit der Maßgabe vorgenommen wird, daß die Oberflächenhärte des Überzugs wenigstens 500 Vickershärte-Einheiten (bei der Bestimmung mit dem 300 g Prüfgewicht) beträgt
DE2356617A 1972-11-17 1973-11-13 Verfahren zum Aufbringen eines gegenüber hohen Temperaturen und Abrieb beständigen Überzugs auf Metallgegenständen Expired DE2356617C3 (de)

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