DE2418607A1

DE2418607A1 - Gegen hochtemperaturkorrosionen widerstandsfaehige bauteile, insbesondere fuer gasturbinen

Info

Publication number: DE2418607A1
Application number: DE2418607A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Felix; Marcel Dipl Ing Villat
Original assignee: Brown Boveri Sulzer Turbomaschinen AG
Current assignee: Brown Boveri Sulzer Turbomaschinen AG
Priority date: 1974-04-11
Filing date: 1974-04-18
Publication date: 1975-10-23
Also published as: NL7504292A; CH597364A5; DE2418607B2; FR2267387A1; FR2267387B1; GB1479498A; JPS50138209A; IT1037208B; SE7504025L

Description

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Brown Boveri - Sulzer Turbomaschinen AG, Zürich, Schweiz

Gegen Hochtemperaturkorrosionen widerstandsfähige Bauteile,

insbesondere für Gasturbinen

Die Erfindung betrifft gegen Hochtemperaturkorrosionen widerstandsfähige Bauteile, insbesondere für Gasturbinen, bei welchen Bauteilen mindestens einzelne Oberflächenbereiche ihres metallischen Grundmaterials, das aus einem austenitischen Werkstoff auf Nickel-, Kobalt- oder Eisenbasis besteht, mit einer Schutzschicht versehen sind. Die erfindungsgemäss ausgebildeten Gasturbinenbauteile sind vor allem Leit- und Laufschaufeln sowie Wärmestausegmente.

Um bei Werkstücken aus warmfesten Stählen und/oder Legierungen, die bei Temperaturen über 600 C verwendet werden, das Grundmaterial zu schützen und die Wirkung von Hochtemperaturkorrosionen, vor allem durch Schwefel oder Oelaschen, zu verlangsamen, ist es bekannt, auf das Grundmaterial Schutzschichten aufzubringen. Diese Schichten bestehen im allgemeinen aus Chrom oder chromhaltigen Legierungen, die, unter Umständen nach Aufbringen einer Zwischenschicht, galvanisch mit dem Grundmaterial verbunden werden.

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Die Praxis hat nun gezeigt, dass die bisher verwendeten Schichten nicht in allen Fällen ausreichenden Schutz gegen die erwähnte Hochtemperaturkorrosion bieten oder in ihrer Haftung auf dem Grundmaterial nicht genügen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Korrosionsbeständigkeit von Bauteilen bei hohen Temperaturen und die Haftfestigkeit der dazu verwendeten Schutzschichten auf dem Grundmaterial zu verbessern.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Schutsschicht eine Zusammensetzung von (in Gew.-%) 3-15 Silizium, 10 - 30 Chrom und bis zu 87 Nickel aufweist, wobei der Nickelanteil mindestens 50 beträgt. Die Schutzwirkung einer derartigen Schicht, deren Dicke im allgemeinen zwischen 0,05 und 0,3 mm liegt, beruht einerseits darauf, dass sich - wie an sich bekannt - unter Betriebsbedingungen auf der Oberfläche der Schicht Chromoxid bildet, und dass andererseits sich, ebenfalls während des Betriebes an der Oberfläche Nickel-Silikate bilden, die sich als sehr korrosionsbeständig erwiesen haben. Der Siliziumanteil· in der Schicht wird daher - innerhalb des angegebenen Bereiches - so hoch gewählt, dass es zur Bildung der genannten Silikate kommt. Neben der Beständigkeit bei höheren Temperaturen weist die Schicht darüberhinaus eine erhöhte Zähigkeit und damit verbunden eine geringere Empfindlichkeit gegen Fremdkörpereinschlag auf.

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Enthält das Grundmaterial des Bauteils Kobalt, so ist es für die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Schicht vorteilhaft, wenn in der Schicht bis zu 31% Kobalt enthalten sind, wobei die minimale, wirksame Menge etwa 1 Gew.-% beträgt. Neben den Nickel-Silikaten bilden sich in der Schicht dann auch Co-rSilikate.

Besonders vorteilhaft lassen sich die neuartigen Schichten bei Bauteilen verwenden, deren Grundmaterial die - für Gasturbinenteile· in neuerer Zeit viel gebrauchten - Nickel-Superlegierungen sind, da die Schicht in ihrem Grundgefüge ebenfalls einer Nickel-Chrom-Legierung entspricht und aus diesem Grund sich wichtige physikalische Eigenschaften - wie z.B. die Wärmedehnung der Schicht und des Grundmaterials zumindest ähnlich sind.

Die bisher galvanisch aufgetragenen Schutzschichten aus Chrom oder chromhaltigen Legierungen besitzen den weiteren Nachteil, dass sie für eine Reihe von Grundmaterialien, beispielsweise für poröse Grundsubstanzen nur wenig geeignet sind, da mit ihnen die Poren des Grundmaterials nicht verschlossen werden können. Um diesen Nachteil bisheriger Schichten zu vermeiden, ist die Herstellung der erfindungsgemassen Bauteile dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht auf das Grundmaterial mit Hilfe von an sich bekannten Beschichtungsverfahren aufgetragen wird, bei denen sie durch eine mechanische Verankerung

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auf dem Grundmaterial haftet, und dass ferner die beschichteten Teile anschliessend einer, ebenfalls bekannten, Wärmebehandlung unterworfen werden, wobei die Schicht mindestens nahezu ihre Schmelztemperatur erreicht und auf dieser eine vorgegebene Zeit gehalten wird, und wobei weiterhin die Aufheizgeschwindigkeit maximal 200°C/h beträgt.

Zu den geeigneten Beschichtungsverfahren gehören dabei beispielsweise thermische Spritzverfahren, wie Plasma- oder Flammspritzen; Auftragsschweissen im Licht- oder Plasmabogen oder mit Hilfe eines Elektronenstrahls, Abscheidung aus der Dampfphase (CVD: Chemical Vapor Deposition), Ionenplatieren - bei dem durch Glimmentladung erzeugte Ionen der die Schicht bildenden Stoffe in einem elektrischen Feld beschleunigt und auf der Oberfläche des Grundmaterials mechanisch verankert werden - und Slurry-Verfahren, bei denen mit Bindemitteln gemischte Pulver der Schichtsubstanzen auf das Grundmaterial aufgetragen und anschliessend gesintert werden, wobei das Bindemittel zersetzt wird.

Da bei einer Reihe dieser Beschichtungsverfahren - z.B. bei den thermischen Spritzverfahren - die aufgebrachten Schichten porös sind, und ferner im allgemeinen eine rein mechanische Verankerung keine ausreichende Haftfestigkeit erzeugt, schliesst sich an die eigentliche Beschichtung die geschilderte Wärmebehandlung an. Die Aufheizung der Schicht mindestens nahezu auf ihren Schmelz-

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punkt ermöglicht dabei ein Verschliessen der Poren und gleichzeitig eine ausreichende Diffusion der Schichtelemente in das Grundmaterial.

Die Aufheizgeschwindigkeit bei der Wärmebehandlung ist durch die Forderung festgelegt, dass ein Ablösen der Schicht vom Grundmaterial beim Aufheizen vermieden werden muss; sie ist vor allem abhängig vom Grundmaterial und dem geometrischen Aufbau des zu beschichtenden Bauteiles. Die Haltezeit, während der die erreichte Warmebehandlungstemperatur gehalten werden muss, hängt - ausser vom Grundmaterial und der Zusammensetzung der Schicht - von der Dicke der Schicht vor der Behandlung und von der Höhe der Warmebehandlungstemperatur ab. Die gesamte Wärmebehandlung vom Beginn des Aufheizens bis zur Abkühlung des beschichteten Bauteiles auf Raumtemperatur wird vorteilhafterweise im Vakuum durchgeführt, um eine Oxydation des Grundmaterials durch die noch poröse Schicht, vor allem beim Aufheizen, zu vermeiden. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, die Wärmebehandlung statt im Vakuum in einer Schutzgasatmosphäre, z.B. aus Stickstoff oder Argon, bei beliebigem Druck durchzuführen.

Vorteilhafterweise weist die Schicht zur Erniedrigung ihres Schmelzpunktes dabei einen zusätzlichen Gehalt von bis zu 4 Gew.~% Bor und/oder bis zu 1 Gew.-% Kohlenstoff auf, wobei

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die für die erwünschte Wirkung notwendige Mindestmenge bei Bor 0,1 Gew.-% und bei Kohlenstoff 0,05 Gew.-% beträgt. Weiterhin ist es zur Verbesserung der mechanischen Verankerung der Schicht auf dem Grundmaterial vorteilhaft, wenn die zu beschichtenden Oberflächenteile vor dem Aufbringen der mechanisch haftenden Schicht aufgerauht, beispielsweise sandgestrahlt, werden.

Anhand eines Ausführungsbeispiels, das die Herstellung einer beschichteten Gasturbinenschaufel beschreibt, wird die Erfindung im folgenden näher erläutert.

Die heissen Gasen ausgesetzten Teile der Turbinenschaufel sollen mit der neuartigen Schutzschicht versehen werden. Die Beschichtung der Schaufel erfolgt mit Hilfe des Plasmaspritzverfahrens.

Das Grundmaterial der-Schaufel ist im Beispiel die bekannte Nickel-Superlegierung IN 738; das Schichtmaterial besteht aus einer homogenen Legierung von (in Gew.-%) 16,5 Chrom, 4,3 Silizium, 3,3, Bor, 0,9 Kohlenstoff und Rest Nickel; diese Legierung, von der 50 g/min, in einer handelsüblichen Plasmaspritzapparatur verspritzt werden, liegt in pulverförmiger Form vor und besitzt eine Körnung von 50 -

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2 Als Plasmagas dient Argon in einer Menge von etwa 2,1 Nm /h; das Trägergas ist ebenfalls Argon in einer Menge von etwa Ο,25 - 0,3 Nm /h. Der Plasmastrom beträgt 480 Ampere und die angelegte Spannung 60 Volt.

Die Herstellung der Schicht erfolgt im wesentlichen auf nachstehende Weise:

Zunächst wird die aus dem Grundmaterial gefertigte Schaufel mit chemischen und/oder mechanischen Mitteln gereinigt und entfettet; dar.aufhin werden alle nicht zu beschichtenden Schaufelbereiche z.B. eventuelle Kühlkanäle oder der Schaufelfuss und das Deckband - abgedeckt. Dafür können beispielsweise Blech- oder Graphitabdeckungen dienen; es ist jedoch auch möglich, diese Bereiche mit Hilfe von bei Raumtemperatur aushärtenden Kunststoffen, z.B. handelsüblichem Silikongummi, abzudecken. Selbstverständlich kann im letzten Fall die Aushärtung des Kunststoffes durch Erhöhung der Temperatur beschleunigt werden.

Nunmehr werden die zu beschichtenden Bereiche mechanisch aufgerauht, z.B. sandgestrahlt, wobei z.B. Elektrokorundsand mit einer Körnung von 0,8 - 1,2 mm bei einem Strahldruck von 6-7 a tu; verwendet wird.

Bestehen die Abdeckungen aus nicht hitzebeständigem Material, so werden sie nunmehr entfernt und durch eine neue Abdeckung, beispielweise durch eine Spezialfarbe, die ein Haften der an-

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schliessend aufgetragenen Spritzschicht auf den nicht zu beschichtenden Oberflächenbereichen verhindert, ersetzt.

Nach dein eigentlichen Plasmaspritzen mit Hilfe der angegebenen Apparatur und den erwähnten Daten und nach dem Abkühlen wird die Spezialfarbe und damit die auf nicht zu beschichtende Bereiche gelangte Spritzschicht entfernt, z.B. abgewaschen.

Für die anschliessende Wärmebehandlung dient ein Hochvakuumglühofen, in dem ein Druck von p< 5.10" Torr aufrechterhalten wird. Nach Erreichen des Vakuums wird de,r Ofen linear von Raumtemperatur innerhalb von 6 Stunden auf 1042⁰C aufgeheizt. Diese Temperatur, bei der einerseits die Plasmaspritzschicht mindestens teilweise fliesst und daher ihre Poren schliesst und andererseits eine Diffusion des beim Plasmaspritzen nur mechanisch mit dem Grundmaterial verbundenen Schichtmaterials in das Grundmaterial hinein erfolgt, wird während etwa 2 Stunden mit einer Toleranz von etwa £ 4 C gehalten, woraufhin die Heizung des Ofens ausgeschaltet wird. Der beschichtete, wärmebehandelte Bauteil kühlt sich dann im Ofen langsam ab.

Falls erforderlich, wird die beschichtete Schaufeloberfläche abschliessend einer. Glattungsbearbeitung, beispielsweise durch Schleifen oder Schlämmstrahlen - einem Glättverfahren mit einem

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Luft-Wasser-Gemisch, in dem die Rauhigkeit abtragende Sandkörner enthalten sind, und das ähnlich wie das Sandstrahlen durchgeführt wird - unterworfen.

Schliesslich kann zusätzlich - sofern für das verwendete Grundmaterial notwendig oder vorteilhaft,- noch eine Warmauslagerung der beschichteten Schaufel vorgenommen werden; diese zweite Wärmebehandlung dient zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Grundmaterials und besteht bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel in einer 24-stündigen Anlassbehandlung bei 850 C und anschliessendem Abkühlen in Luft oder im Ofen. Bei dieser -Abschlussbehandlung sind weder die Aufheiz- noch die Abkühlungsgeschwindigkeiten von erheblicher Bedeutung.

Claims

Patentansprüche

1/ Gegen Hochtemperaturkorrosionen widerstandsfähige Bauteile, insbesondere für Gasturbinen, bei welchen Bauteile mindestens einzelner Oberflächenbereiche ihres metallischen Grundmaterials, das aus einem austenitischen Werkstoff auf Nickel-, Kobalt- oder Eisenbasis besteht, mit einer Schutzschicht versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht eine Zusammensetzung von (i'n Gew.-%) 3-15 Silizium, 10 - 30 Chrom und bis zu 87 Nickel aufweist, wobei der Nickelanteil· mindestens 50 beträgt.
2. Bauteil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gehalt der · Schutzschicht an Kobalt bis zu höchstens 31%.
3. Bauteil nach Anspruch 1, gekennzeichnetdurch einen zusätzlichen. Gehalt der Schutzschicht an Bor bis zu höchstens 4%.
4. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt der Schutzschicht an Kohlenstoff bis zu höchstens 1%.
5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundmaterial eine Nickel-Superlegierung, z.B. IN 738, dient.

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6. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht auf das Grundmaterial mit Hilfe von an sich bekannten Beschichtungsverfahren aufgetragen wird, bei denen sie durch eine mechanische Verankerung auf dem Grundmaterial haftet, und dass ferner die beschichteten Teile anschliessend einer, ebenfalls bekannten, Wärmebehandlung unterworfen werden, wobei die Schicht mindestens nahezu ihre Schmelztemperatur erreicht und auf dieser eine vorgegebene Zeit gehalten wird, und wobei weiterhin die Aufheizgeschwindigkeit maximal 200°/h beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beschichtenden Oberflächenteile des Grundmaterials vor dem Aufbringen der Schutzschicht aufgerauht, beispielsweise sandgestrahlt, werden.

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