DE2520192A1

DE2520192A1 - Hitzbestaendige nicocraly-beschichtungen

Info

Publication number: DE2520192A1
Application number: DE19752520192
Authority: DE
Inventors: Richard Clyde Elam; George William Goward; Ralph Julius Hecht
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1974-05-13
Filing date: 1975-05-06
Publication date: 1975-11-27
Also published as: IL47181A0; JPS5919977B2; CA1045421A; FR2271299B1; JPS50158531A; SE410476B; US3928026A; CH606454A5; IL47181A; GB1489796A; FR2271299A1; DE2520192C2; SE7505339L; IT1038126B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Beschichtungen und beschichtete Gegenstände und insbesondere auf Beschichtungen für die Superlegieruncen auf Nickel- und Kobaltbasis (in der Folge mit Nickel- und Kobaltsuperlegierunren bezeichnet), welche eine hohe Duktilität und gleichzeitig eine ausgezeichnete Stabilität und Oxydations- und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen aufweisen.

Der Trend in der Konstruktion von Hochleistungsgasturbinen geht auf immer höhere Turbinenaustrittstemperaturen, wodurch die Anforderungen an die Materialien der Turbinen bis zu einem Punkt gestiegen sind, wo die gegenwärtig üblichen Aluminidbeschichtungssysteme diejenige Komponente von Legierungs/Beschichtungs-Zusammensetzungen sind, welche die Lebensdauer bestimmen. Es gibt verschiedene

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Mechanismen, die für den Zusammenbruch der Beschichtungen verantwortlich sind. Aluminidbeschichtunpen neigen beispielsweise zur Bildung von Rissen aufgrund von Ermüdung. Es wurde festgestellt, daß die Duktil!tat der Beschichtung ein wichtiger Paktor in der Zeitdauer bis zum Eintreten der Ermüdung ist, da bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen Aluminidbeschichtungen im Zugbeanspruchungen ergebenden Teil des Ermüdungszyklus in eine^ "spröäen" Weise, also unter niedriger Zugverformung zu einer Rißbildung neigen. Zwar wurden durch die verschiedensten Beschichtungen, wie z.B. die CoCrAlY-Beschichtungen, die in der US-PS 3 676 085 beschrieben sind, die NiCrAlY-Beschichtunpen, die in der US-PS 3 754 903 beschrieben sind und die FeCrAlY-Beschichtungen, die in der US-PS 3 5^2 530 beschrieben sind, beträchtliche Verbesserunpen hinsichtlich der Lebensdauer der Superlegierungen erzielt, aber weitere Verbesserungen sind immer noch erwünscht. Beispielsweise wäre eine verbesserte Beschichtung mit Eigenschaften, die denjenigen von herkömmlichen Beschichtunpslegierungen entsprechen, und gleichzeitig mit einer wesentlich verbesserten Duktilität erwünscht und nützlich. Durch die Erfindung wird nunmehr eine selche verbesserte Beschichtung geschaffen, die auf einem Nickel/Kobalt/Chrom/Aluminlum/ Yttrium-System basiert.

Die Erfindung bezieht sich also auf eine Nickel/Kobalt/ Chrom/Aluminium/Yttrium-BeschichtungsIegierung mit einer stark verbesserten Duktilität und mit anderen Eigenschaften, welche sie für die Verwendung in Gasturbinen und in anderen extremen Fällen besonders geeignet machen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine hochduktile Beschichtungslegierung, welche sowohl eine ausgezeichnete Oxydations/ Erosions- als auch Sulfidisierungsbeständigkeit besitzt

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und welche aus einer speziellen Kombination von Nickel, Kobalt, Chrom, Aluminium und einem reaktiven Metall besteht, wobei das letztere aus Yttrium, Scandium, Thorium, Lanthan und den anderen seltenen Erdelementen ausgewählt ist. Die erfindungsgemäße Beschichtunp-szusammensetzung besteht im wesentlichen aus 11 bis 48 Gew.-? Kobalt, 10 bis 40 Gew.-? Chrom, 9 bis 15 Gew.-5t Aluminium, 0,01 bis 1,0 Gew.-? eines reaktiven Metalls, das aus Yttrium, Scandium, Thoi*ium, Lanthan und den anderen seltenen Erdelementen ausgewählt ist, und im übrigen im wesentlichen aus Nickel, wobei der Nickelgehalt mindestens ungefähr 15 Gew.-? beträgt.

Vorteilhafterweise besteht die Beschichtungzusammensetzung im wesentlichen aus ungefähr 15 bis 40 Gew.-? Kobalt, 12 bis 30 Gew.-? Chrom, 10 bis 15 Gew.-? Aluminium, 0,01 bis 1,0 Gew.-? Yttrium und im übrigen im wesentlichen aus Nickel, wobei der Nickelgehalt mindestens ungefähr 15 Gew.-? beträgt .

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Beschichtungszusammensetzung im wesentlichen aus ungefähr 25 bis 40 Gew.-? Kobalt, 14 bis 22 Gew.-? Chrom, 13 bis 15 Gew.-? Aluminium, 0,01 bis 1,0 Gew.-? Yttrium und im übrigen im wesentlichen aus Nickel.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht die Beschichtungszusammensetzung im wesentlichen aus ungefähr 15 bis 35 Gew.-? Kobalt, 14 bis 22 Gew.-? Chrom, 10 bis 13 Gew.-? Aluminium, 0,01 bis 1,0 Gew.-? Yttrium und im übrigen im wesentlichen aus Nickel.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen.

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In den Zeichnunpen zeigen:

Fig. 1 eine grafische Darstellung, welche in anschaulicher Weise das Duktilita"tsverhalten von verschiedenen NiCoCrAlY-Beschichtunrslegierungen im Vergleich zu repräsentativen CoCrAlY-und NlCrAlY-Beschichtunpslegierunpen demonstriert;

Fig. 2 eine grafische Darstellung, welche die Duktilität einiger NiCoCrAlY-Beschichtungslepierungen im Vergleich zu repräsentativen CoCrAlY- und NiCrAlY-Beschichtunpslegierungen demonstriert;

Fig. 3 eine prafische Darstellung, welche die Diffusionsstabilität von verschiedenen NiCoCrAlY-Beschichtungslegierungen im Vergleich zu repräsentativen CoCrAlY- und NiCrAlY-Beschichtungslegierungen demonstriert;

Fig. H eine prafische Darstellunp, welche die Oxydationscharakteristiken von verschiedenen NiCoCrAlY-Beschichtungslegierungen J.m Vergleich zu repräsentativen CoCrAlY- und NiCrAlY-Beschichtungslegierungen demonstriert; und

Fig. 5 eine grafische Darstellung, welche die Sulfidisierunfs· Charakteristiken von verschiedenen NiCoCrAlY-Beschichtungslegierungen im Vergleich zu repräsentativen CoCrAlY- und NiCrAlY-Beschichtungslegierunpen demonstriert.

In der folgenden Beschreibunp wird auf verschiedene herkömmliche oder gegenwärtig übliche Nickel- und Kobaltsuperlegierungen Bezug genommen. Repräsentative Legierungen dieser Art werden von der Industrie wie folgt bezeichnet:

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Legierung3bezelchnunp;

Nominale Zusammensetzung (Gew.-it)

B-1900

MAR-M3O2

TD Cobalt Alloy TD Cobalt Alloy

IN 100

MAR-M2OO

WI 52 Udimet

8 Cr, 10 Co, 1 .Tl, 6 Al,

6 Mo, 0,11 C, H,3 Ta, 0,15 B, 0,07 Zr, Rest Nl

21,5 Cr, 10 W, 9 Ta, 0,85 C, 0,25 Zr, 1 Pe, Rest Co

20 Ni, 18 Cr, 2 ThO₉, Rest Co

20 Ni, 30 Cr, 2 ThO₂, Rest Co

10 Cr, 15 Co, 4,5 Ti,

5,5 Al, 3 Mo, 0,17 C,

0,75 V, 0,075 Zr, 0,015 B, Rest Ni

9 Cr, 10 Co, 2 Ti, 5 Al, 12,5 W, 0,15 C, 1 Nb, 0,05 Zr, 0,015 B, Rest Ni

21 Cr, 1,75 Fe, 11 W,

2(Nb + Ta), 0,1*5 C, Pest Co

15 Cr, 18,5 Co, 3,3 Ti, 1,3 Al, 5 Mo, 0,07 C, 0,03 B, Rest Ni

Es soll darauf hingewiesen werden, daß die Superleriei'unren, einschließlich der richtunprsverfestigten Superlegierunrren im allgemeinen oxydationsbeständig· sind, daß es aber nötig und üblich ist, gewisse daraus hergestellte Bauteile zu beschichten, um deren Oxydations-, Sulfidisierungs-, Erosionsund YJärmfcschockbestcindlpkeit zu verbessern und damit ihre Le be ii s u<* uw In Hochlt 1 btungspasturblnen zu erhtthen.

WIf- it-ii-H.'i ciKUmt, fr ü-en «lie CoCrAl/- und ÜiCrAl'i -·.< ·- ochl htutif-ti! bereits t,ftr'ichtl 1 ehe

BAD ORIGINAL QOPV

lieh der Lebensdauer der Superlegierungen mit sich gebracht. Es wurde Jedoch gefunden, daß NiCrAlY-Beschichtungen, zwar eine extrem hohe Oxydationsbeständigkeit und Diffusionsstabilität aufweisen, hinsichtlich der Sulfidlsierungsbeständigkeit aber verbesserungsbedürftig sind, und daß CoCrAlY-Beschichtungen zwar eine extrem hohe Sulfidisierungsbeständigkeit aufweisen, hinsichtlich der Oxydationsbeständigkeit und Diffusionsstabili-tät aber verbesserungsbedürftig sind. Um eine bessere Kombination von Eigenschaften zu erzielen, wurden die verschiedensten Beschichtungen untersucht. Dabei wurde gefunden, daß die erfindungsgemäßen Besehlchtungslegierungen eine außergewöhnliche und unerwartete Zunahme der Duktilität ergaben, wobei aber trotzdem ein zufriedenstellender und beeinflußbarer Ausgleich der Oxydations- und WärmekorrosionsbestKndigkeit wie auch annehmbar niedrige Diffusionscharakteristiken beibehalten werden. Es war zwar bekannt, daß einige der brauchbaren NiCrAlY-Beschichtunren eine höhere Duktilität aufweisen als einige der brauchbaren CoCrAlY-Beschichtungen und daß deshalb ein Ersatz eines Teils des Kobalts in CoCrAlY-Legierungen gegen Nickel die Duktilität verbessern könnte, es war jedoch überraschend und unerwartet, daß das oben definierte Nickel/Kobalt/Chrom/Aluminium/Yttrium-Systern eine Duktilitätsverbesserung aufweist, die wesentlich besser ist als sowohl bei NiCrAlY als auch bei CoCrAlY.

Obwohl man es gegenwärtig noch nicht genau weiß, scheint es, daß ein Zusammenhang zwischen der Beschlchtunrsduktilität und den anwesenden Phasen besteht. Insbesondere weiß man, daß durch Änderungen in der chemischen Zusammensetzung, welche die Menge und Kontinuität der (Ni,Co)- Qf-Lösungsphase erhöhen, ein Trend zur Zunahme der Beschichtungsduktilität erhalten wird, während durch Änderungen in der

Π / fi j „ ,-.

chemischen Zusammensetzung, welche die Menge und Kontinuität der (Ni,Co)Al-ß-Phase, Ni-Al-'fl'-Phase und Cr-oC-Phase erhöhen, ein Trend zur Abnahme der Duktilität erhalten wird. Der Zusammenhang zwischen der l^ikrostruktur der Beschichtung und der chemischen Zusammensetzung der Beschichtung zeigt, daß im erfindungsgemäßen Nickel/Kobalt/ Chrom/Aluminium-Yttrium-System erwünschte ^ß-Mikrostrukturen bei einem höheren Aluminiumgehalt erzielt werden, wobei die erhöhte Stabilität der γ^β-Mikrostruktur, welche durch Zusatz von Kobalt zu NlCrAlY erzielt wird, das Resultat einer beträchtlichen Verringerung der Menge der ■J'-Phase (Ni,Al) und der OL-Phase (Cr) ist, welche bei niedrigeren Temperaturen ausgefällt werden.

Es ist klar, daß gewisse andere Elemente mit der chemischen Zusammensetzung der erfindunrsgemäßen Legierungen verträglich sind. So können andere Elemente, wie z.B. Tantal oder Hafnium, vorteilhafterweise nach Bedarf in Legierungen bei gewissen Anwendungen zugegeben werden, um die mechanischen, Diffusions- oder Wärmekorrosionscharakteristiken der Beschichtungen zu modifizieren.

Bei der Beschichtung von Turbinenschaufeln und -Ventilatoren werden die zu beschichtenden Oberflächen zuerst sorgfältig von allem Schmutz, Fett und anderen ungünstigen Fremdstoffen befreit, worauf sich eine Konditionierung durch Sandstrahlen anschließt. Die Beschichtung wird durch Dampfabscheidung aus einem in geeigneter Weise erhitzten geschmolzenen Pool des Beschichtungsmaterials, der in einer Vakuumkammer auf 10 Torr oder darunter gehalten wird, erreicht. Die durch Elektronenstrahlheizung geschmolzene und verdampfte Bramme besitzt im wesentlichen die gleiche chemische Zusammensetzung wie die gewünschte fertige Beschichtung.

B 0 9 R /. ί;\ / P q R η

Die Teile werden vorzugsweise 5 bis 7 Minuten auf 955 _+ 3O⁰C vorerhitzt, bevor die Abscheidung begonnen wird, worauf die Temperatur während des Beschichtungsvorgnngs aufrechterhalten wird. Die Beschichtungszeiten variieren etwas, werden aber so eingestellt, daß die bevorzugte Beschichtungsdicke von 0,07 bis 0,12 mm erhalten wird. Anschließend wird In einer nicht-oxydlerenden Atmosphäre auf unter 54O⁰C abgekühlt. Nach der Beschichtung kennen die teile eine Stunde bei 10¹JO jf 15°C in Vakuum wSrmebehandelt werden, um die Beschichtung hesser mit dem Substrat zu verbinden und das Pinnen zu erleichtern.

Die beschichteten Teile kennen dann mit trockenen Olasnerlen unter Verwendung von Perlen mit einem Durchmesser von 0,17 bis 0,27 mm unter Anwendung einer Intensität entsprechend 19 N gepinnt werden. Im allpereinen wird das Pinnen gern-IP den Vorschriften der Processing Specification AMS 2*130 ausgeführt. Die Teile kennen dann In trockenem Argon, trockenem Wasserstoff oder Vakuum auf lOPO _+ 15°C erhitzt, 4 Stunden auf dieser Temperatur gehalten und In der Schutzgasatmosphäre mit einer Luftkühlung entsprechenden Geschwindigkeit abgekühlt werden. So hergestellte Turbinenschaufel Und -Ventilatoren zeif.en eine Beschiehtunpsdicke ohne Berücksichtigung der Diffusionszone von 0,07 bis 0,12 mm.

Es ist natürlich klar, daß auch andere Verfahren zum Aufbringen der Beschlchtunpen verwendet werden können, wie z.B. Sprühen, Ionenabscheidüng oder Plasmaspritzen, ohne daß ^: vom Bereich der Erfindung'abgewichen wird.

Wie bereits "erwHhnt, zeigt die FIp. 1 eine grafische Darstellung der unerwarteten Düktllltiif verschiedener Nickel/ Kobalt/Chrom/A lumlniurr./Yttrium-Bes chi chtungs legierungen im Vergleich zu'repräsentativen CoCrAlY- und NiCrAlY-Be-

BO 9« A ^ /09 G Π · ' '■'

schichtungslegierungen. Die dort pezeigten Resultate wurden dadurch erhalten, daß die Verformung gemessen wurde, bei welcher die auf Zugfestigkeitsproben aus geeigneten Superlegierungen aufgebrachten Beschichtunpen rissen. Kurve A zeigt die Wirkungen des Einsatzes verschiedener Mengen Kobalt anstelle von Nickel in einer NiCrAlY-Legierung der nominalen gewichtsmäßigen Zusammensetzung Ni-19Cr-l4Al-O,5^Y, während die Kurve B die Wirkungen des Einsatzes verschiedener Mengen Kobalt anstelle von Nickel in einer NiCrAlY-Legierung der nominalen pewichtsmäßigen Zusammensetzungen Nl-19Cr-12,5Al-O,5Y darstellt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, wird eine außergewöhnliche Erhöhung der Duktilität erhalten. Es wurde allgemein gefunden, daß NiCoCrAlY- bzw. CoNiCrAlY-Beschichtunpslegierungen in dieser Hinsicht besonders {rünstip sind, wenn sie im wesentlichen aus 11 bis 48 Gew.-Ϊ Co, 10 bis 40 Gew.-? Cr, 9 bis 15 Gew.-? Al, 0,1 bis 1,0 Gew.-? reaktivem Metall, das aus Yttrium, Scandium, Thorium, Lanthan und den anderen seltenen Erdelementen ausgewählt ist und im übrigen im wesentlichen aus Nickel (mindestens ungefähr 15X), und vorzugsweise aus 15 bis 40 Gew.-? Co, 12 bis 30 Gew.-* Cr, 10 bis 15 Gew.-? Al, 0,1 bis 1,0 Gew.-JS Y und im wesentlichen aus Nickel (mindestens ungefähr 15?) bestehen. Es 1st ersichtlich, daß bei einem höheren Al-Gehalt, wie dies durch die Kurve A gezeigt wird, im allgemeinen ein höherer Kobaltbereich bevorzugt wird, wobei eine bevorzugte Beschichtunrszusammenbetzunfr; im wesentlichen aus 25-¹JO Gew.-? Co, 14-22 Gew.-? Cr, 13-15 Gew.-? Al, 0,01-1,0 Gew.-? Y und im übrigen im wesentlichen aus Nl besteht. Bei einem niedrigeren Al-Gehalt, wie dies durch die Kurve B gezeigt wird, wird im allgemeinen ein niedrirerer Kobaltbereich bevorzugt, wobei eine bevorzugte Beschichtung im wesentlichen aus 15-35 Gew.-? Co, 14-22 Gew.-? Cr, 10-13 Gevir-% Al, Ο,ϋΐ-υ,ΐ Gew.-? Y und im übrigen im wesentlichen aus Ni

, ß ü «1 b Λ .; -MhUWl

besteht. In Fig. 2 zeigen die Duktilitätsku^ven für ausgewählte Bescnichtungen die Duktilität als Funktion der Temperatur. Die wesentlich verbesserte Beschichtungsrißspannung der NiCoCrAlY-Beschichtungen ist klar zu erkennen.

Bei einer Reihe von thermomechanischen Ermüdungsversuchen wurde eine richtungsverfestigte Probe aus MAR-M2OO (mit Hafnium) mit Ni-2^Co-l6Cr-12,5Al-0,3Y beschichtet und in einer thermomechanischen Ermüdunrsmaschine untersucht, welche die Probe in scharfen Er mtl dun rs- und Temperaturzyklen drückt und zieht, welche den Verformung^/Temperatur-Zyklus einer abgekühlten Turbinenschaufel simulieren. Eine Anzahl von identischen Substraten wurden mit Co-20Cr-12A1-O,5Y und eine weitere Anzahl mit einer Diffusionsaluminidbeschichtung beschichtet. Sowohl die mit CoCrAlY als auch die durch Diffusion mit Aluminld beschichteten Proben bildeten in der thermomechanischen Ermüdungsmaschine bei 1000 Zyklen oder weniger Risse, während die mit NiCoCrAlY beschichteten Proben erst bei 1925 Zyklen Risse bildeten.

In den Figuren 3-5 ist ein Vergleich der Diffusion und Oxydatlonsbeständigkeitsund Korrosionsbeständigseigenschaften von verschiedenen NiCoCrAlY-Legierungsbeschichtungen gezeigt, Für die Ermittlung dieser grafischen Darstellung wurden Beschichtungen aus NiCoCrAlY-Legierung mit einer Dicke von 75-125/U, die im wesentlichen aus den angegebenen Menren Kobalt, 18-21* Cr, 13-1¹Ii Al und 0,05-0,8? Y bestanden, aus der Dampfphase auf B-1900-Substrate wie auch auf richtungsverfestigte MAR-M200(plus Hf)-Substrate (Erosionsstangen) abgeschieden. Für Flg. 3 wurden die beschichteten Proben 1000 Stunden in Luft bei der angegebenen Temperatur gealtert. Für Fig. k wurden beschichtete Teile einem zyklischen Brenneroxydationstest (1O95°C, 29 min - Zwangs-

SO'Ji! . :' /

luftkühlung., 1 min, es wurde JP. 5 Brennstoff verwendet) bis zu 2100 Stunden (2030 Stunden heiße Zelt) unterworfen. Für Fig. 5 wurden beschichtete Teile unter zyklischen Bedingungen (955°C, 3 min - 1O95°C, 2 min - Abkühlunr, 2 min) in einem heißen Gasstrom hoher Geschwindigkeit, der durch Verbrennung von JP 5 Düsenbrennstoff erhalten worden war unter Zusatz von 35 ppm Salz/Luft behandelt. Es ist ersichtlich, daß die beanspruchten NlCoCrAlY-Beschichtungen eine unerwartet hohe Duktilittft und gleichzeitig eine einstellbare und zufriedenstellende Diffusion und Oxydations- und Wa'rmekorrosionsbest^ndigkeit aufweisen.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beispiele näher erläutert. .

BEISPIELE 1 bis 5

Fünf Erosionsstangen aus B-1900-NickelleßieT*ung wurden mit 75-125/U Legierung durch das oben beschriebene Verfahren beschichtet, wobei die Legierung im wesentlichen gewichtsmäßig, aus Co-20Nl-24Cr-15Al-0,75Y bestand. Die beschichteten Erosionsstangen wurden 62,5 Stunden einem zyklischen Sulfidisierung,stest· (955°C, 3 min - 1120°C, ? n1n - Abkühlunr, 2 min; mit 35 ppm künstlichem Seesalz/Lui't, welches nach der Verbrennung zugesetzt wurde und unter Verwendung von JP 5 Brennstoff)·, unterworfen. Die Beschichtungen zeigten eine spezifische Lebensdauer von 21,1 bis 2¹J,^ Stunden/ 25/U, und waren nit Fe-27Cr-13Al·-O,75Y-Beschichtungen vergleichbar, welche eine spezifische Lebensdauer von .22,2 bis 27>9 Stunden/ 25/U aufwiesen. -; ■·■· ·..- · _: , ■ ,

BEISPIEL 6 ;■ ■■-..·; > ..·■ - - : ... ■-._..= - . _; Ein 97,5/U dicker Belag von Co-20Nl-2iCr-15Al-0,75Y wurde

Bn π ρ '. i-i /nnfiO ' -

aus der-Dampfphase auf eine Erosions st an pe aus MAR-M3O2- · !Cobaltlegierung aufgebracht und -einem modifizierten zyklischen Sulfidisierunp.stest (955⁰C, 3 min .-1175⁰G, ; 2 min -Abkühlung, 2 min; unter Verwendung· von 35 ppm . _; künstlichem .Seesalz/Luft, welches nach der Verbrennung zugesetzt wurde und unter Verwendung von JP 5 Brennstoff) unterworfen, um die Diffusionsstabilität und die Sulfidisierung bei. sehr hohen Temperaturen zu bestimmen. Die ·■" Beschichtungen hatten eine Lebensdauer von 1.6.2 Stunden - ^r ; und eine spezifische Lebensdauer von ^5 Stunden/25/U.

BEISPIELE 7 bJ3 10 - _: ■■·.... .

Zwei Erosionsstangen aus B-1900-Nickellep:ierung und zwei Erosionsstanpen aus MAR-M302-Kobaltlegierung wurden mit nominal 75/U dicken Belägen aus Co-20Ni-2'4er-15Al-0,75Y, \ wie oben beschichtet und einem Oxydations/Erosionstest bei 1O95°C bis zur Rißbildunp, untersucht. Die B-1900-Be-Schichtungen rissen nach 263,2 bzw. 153»7 Stunden; während beide MAR-M3O2-BesQhichtungen bei 3O9_f2 Stunden rissen.

BEISPIELE 11 bis Ht " - . ...-'.

Beschichtungen, die im wesentlichen aus Co-2QNi-20Cr-12Al-0,5Y, Co-20Ni-l6Cr-l6Al_T0,5Y, Ni-32,5Co-20Cr-12Al*0,5Y und Co-20Cr-12Al-0,5Y bestanden, wurden aus der Dampfphase bis zu einer Dicke von 115 bis l^O.u auf Luftflügelproben aus einer Co-20Ni-l8Cr-2Th0₂-Legierunp aufgebracht. Alle Beschichtungen waren im wesentlichen Zweiphasengemische aus ß-CoAl oder B-(CoNi)Al und einer ^Lösunirsphase. Die 00-2QNi-IoCrTlOAl-O,5Y-Beschichtungen bestanden im wesentlichen aus der ß-Phase mit einem kleinen Volumenprozentsatz fi-Lösungsphase. Die ß-Phase war kontinuierlich und hatte eine unerwünschte Struktur, und zwar wegen der niedrigen Verformungs/Riß-Charakteristiken. Die Co-20Ni-20Cr-12Al-0,5Y-

. 5 0 9 8 /+ 8 /' 0 9 6 Π

und die Co-20Cr-12Al-0,^Y-Beschichtungen zeigten außerdem eine kontinuierliche ß-Struktur, enthielten aber beträchtlich mehr ^-Struktur. Die Ni-32,5Co-20Cr-12Al-0,5Y-Legierung hatte die gewünschte Zweiphasenstruktur plus ^Struktur, wobei die ^-Phase die kontinuierliche Matrix bildete.

Diese Systeme wurden in ruhender Luft 100 Stunden.auf 1O95°C, 1150°Ü, 12O5°C und 1315°C erhitzt, um die Stabilität und Reaktionen zwischen den Elementen zu untersuchen. Nach der Erhitzung zeigten die Beschichtungen keinerlei wesentlichen Änderungen hinsichtlich der Härte oder der Bildung einer spröden Formation. Die 00-2ONi-ISCr-IoAl-O,5Y- Legierung behielt die kontinuierliche ß-Struktur während der Erhitzung bei. Sie wurde wegen der hohen Rißneigung. nicht weiter untersucht. Die anderen Beschichtungssysteme behielten die Form eines Zweiphasengemisches aus einer ß-Phase in einer kontinuierlichen ^-Matrix bei oder wandelten sich in ein solches Zweiphasengemisch um. Die beste Stabilität wurde mit Ni-32,5Co-20Cr-12Al-0,5Y-Beschichtung erzielt. ' ■ ' · " .

Weitere luftflügelförmife Proben von Co-20Ni-lBCr-2Th0₂ ^:- wurden aus der Dampfphase mit Co-20Cr-12Al-0,5Y, Co-20Ni-2OCr-12Al-O,5Y und Ni-32,5Co-20Cr-12Al-0,5Y bis zu einer< Dicke von 115 bis 1^0.ü unter Verwendung der gleichen Technik

beschichtet und einem isothermen Oxydationstest bei 1O95°C, 12O5°C und 1315°C einem zyklischen Oxydationstest bei 1205⁰C (955°C, 3 min - 12O5°C, 2 min - Abkühlung, 2 min) und einem zyklischen Warmkorrosionstest bei 12O5°C (955°C, 3 min - 12O5°C, 2 min - Abkühlunr, 2 min) unterworfen. UeJ allen Tests wurden die Luftflürelnroben mit 1750 U/mlη in einem Gasstrom von 12-15 m/seo aus verbranntem JP 5-Brennstoff rotiert. Für den zyklischen Warmkorrosiöns-

E (J ^ri ο ^; _t ¹C i 0 a 6 U

-IU-

test wurde der Brennstoff mit 0,3% Butyldisulfid versetzt und außerdem wurde eine synthetische Seesalzlösung in die Brennflamme eingespritzt, so daß eine Salzkonzentration, von 3»5 ppm erhalten wurde. ' .

Die isothermen Oxydationstests bei 98O⁰C und 1O95°C wurden nach 214 bzw. 222 Stunden abgebrochen. Alle Probeo zeigten keine sichtbaren Anzeichen eines Abbaus. Eine methllografische Prüfung¹ der Proben aus dem 98O°C-Test zeirte, daß der Abbau der Beschichtung bei der Ni-32,5Co-20Cr-12Al-0,5Y-Legierung am geringsten war. Auch be3mlO95°C-Test zeigte ' die NiCoCrAlY-beschichtung den geringsten Abbau. Das Ausmaß des Abbaus der CoNiCrAlY- und CoCrAlY-Beschichtungen war annähernd gleich. " -

Der isotherme Oxydationstest bei 12O5°C wurde nach 305 Stunden abgebrochen. Wiederum zeipte die NiCoCrAlY-Beschichtunp den geringsten Abbau, während die CoCrAlY-Beschichtung den größten Abbau zeigte.

Der isotherme Oxydaticnstest bei 1315°C wurde bis zur Rißbildung· durchgeführt. Von den drei Besen! chtungssystemen zeigte die NiCoCrAlY-Legierung die längste Lebensdauer, nämlich 226 Stunden.

Der zyklische Oxydationstest und der zyklische Warmkorrosionstest wurden nach 207 Stunden (59 Stunden heiße Zeit) bzw. 20¹I Stunden (58 Stunden heiße Zeit) abgebrochen. Eine Rißbildunp- des Belaps war nicht eingetreten. In der Struktur zwischen den drei Proben wurde beim Warmkorrosionstest im wesentlichen kein Unterschied beobachtet. Jedoch behielt beim zyklischen Oxydatlonstest die Nl -32,5Co-20Cr-12Al-0,5-f-Bescnichtung eine weit

^;. H / υ ^:'- Γ ti -

größere Menge an ß-Phase bei» als die anderen.beiden. BEISPIELE 15 bis 16 . _: ,

In einer Reihe von besonders scharfen Versuchen wurden Turbinenschaufeln der ersten.Stufe aus den angegebenen Legie^ngen wie in Tabelle 1 gezeigt beschichtet und 297 Stunden.laufen gelassen, wobei 2000 Zyklen stattfanden (Beschleunigung bis zur vollen Abhebeschubkraft, Beibehaltung der Geschwindigkeit während einer Zeit, rasche Bremsung bis zu Leerlaufkraft und Anhalten während einer bestimmten Zelt). über 1000 Zyklen wurden mit Wassereinspritzung: (zur Schuberhöhung) durchgeführt, wodurch die Beschichtungen dem schärfsten thermischen Schock . ausgesetzt wurden. .

. 609BA R/0960 COPY

	TABKLLE	Beschichtunp	I	Anzahl der gerissenen	Prozentsatz der rerissenen
Le pie run rr		petestete Anzahl	Beschichtunfen	3eSchichtungen
	Platinaluminid Rhodiumaluir.ini d Hochtemperatur- packaluminid		8 7 13	100 100 93
B-1900 4 Hf It η	8 7

It •I

Ri chtungs verfestigtes
MAR-K200 & Hf

B-1900 & Hf

Niedertemperaturpackaluminid

Ni-l8Cr-lilAl-O,5Y

Ni-lRCr-10Al-0,5Y Ni-12Cr-12Al-O,5Y Ni-lRCr-12Al-O,5Y

Ni-l8Cr-12Al-O,5Y 7

Ni-llCo-22Cr-llAl-0,06Y 5

Ni-20Co-l6Cr-ll,5Al-

0,05Y 5

100

100 100 100 100 100

71 0

Zwar ist NiCrAlY bisher bei anderen Turbinentests nicht gerissen und wird deshalb für die meisten Turbinenbedinpiunpen als annehmbar angesehen, aber dieser Test war besonders scharf. Es ist ersichtlich, daß nur die mit NiCoCrAlY beschichteten Schaufeln vollkommen frei von Beschichtunprsrissen waren. Bei ähnlichen Tests rissen CoCrAlY-BeSchichtungen ständig.

Es wurde also klar gezeigt, daß die erfindunpsp-emäßen Legierungsbeschichtungen nicht nur eine lange OxydationsbestSndigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Stabilität ergeben, sondern auch eine stark verbesserte Duktilität zeigen.

: χ

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Beschichtungszusammensetzung für Legierungen auf ' ' Nickelbasis und Kobaltbasis, dadurch gekennzeichnet, ^s daß sie im ,wesentlichen aus 11-¹Ie Gew.-? Kobalt;, 10-MO Gew.-? Chrom, 9t15 Gew.-? Aluminium, 0;01-l,0 Gew;-? eines reaktiven Metalls, das aus Yttriumi Scandium; Thorium, Lanthan .und den anderen seltenen Erdelemehten ausgewählt ist, und im übrigen im wesentlichen aus^: Nickel besteht, wobei der Nickelgehalt" mindestens ün^^v gefähr 15 Gew.-? ausmacht.

2. Beschichtμngszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch" gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus 15-^O Gew.-? Kobalt, 12_r3O Gew.-? Chrom, 10-15 Gew."-? Aluminium,'· " 0,01-1,0 Gew.-? Yttrium und im übrigen i'ni wesentlichen aus Nickel besteht, wobei der Nickelgehalt mindestens ungefähr 15 Gew.-? ausmacht. - ·

3. Beschichtunfszusammensetzungr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus 25-ΊΟ Gew.-? Kobalt, 1*1-22 Gew.-? Chrom, 13-15 Gew.-? Aluminium, 0,01-1,0 Gew.-? Yttrium und im übrigen im wesentlichen aus Nickel besteht.

Jl. Beschichtung-szusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch (■^Kennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus 15-35 Gew.-% Kobalt, 1*1-22 Gew.-? Chrom, 10-13 Gew.-? Aluminium, 0,01-1,0 Gew.-? Yttrium und im übrigen im. wesentlichen aua 1,'ickel besteht.

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5. Beschichtunpszusammensetzunp nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus 32,5 Gew.-Ji Kobalt, 20 Gew.-Jl Chrom, 12 Gew.-J Aluminium, 0,5 Gew.-Jt Yttrium und im ttbrlfren irr wesentlichen aus Nickel besteht.

6. Beschichtunpszusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen aus 20 Gew.-i Nickel, 20 Gew.-Ji Chrom, 12 Gew.-* Aluminium, 0,5 Gew.-Jt Yttrium und im übrigen im wesentlichen .aus Kobalt besteht.

7. Verwendung einer Beschichtungszusammensetzunp nach Anspruch 1 zur Beschichtung von Bauteilen von Gasturbinen, die aus einer Superlepierung auf Nickelbasis oder Kobaltbasis bestehen, wobei eine Beschichtung von mindestens ungefähr 0,07 nun Dicke aufgebracht, wird.

S090A8/0960

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