DE2520192C2

DE2520192C2 - Verwendung von Nicocraly-Legierungen als Werkstoffe zum Beschichten von Superlegierungsgegenständen

Info

Publication number: DE2520192C2
Application number: DE2520192A
Authority: DE
Inventors: Richard Clyde Manchester Conn. Elam; George William North Haven Conn. Goward; Ralph Julius West Palm Beach Fla. Hecht
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1974-05-13
Filing date: 1975-05-06
Publication date: 1986-02-06
Also published as: IL47181A0; JPS5919977B2; SE410476B; FR2271299B1; DE2520192A1; CA1045421A; JPS50158531A; GB1489796A; IL47181A; SE7505339L; IT1038126B; FR2271299A1; CH606454A5; US3928026A

Description

M Die Erfindung betrifft die Verwendung spezieller Legierungen als Werkstoffe zum Beschichten von Gegenständen aus Nickel- und Kobalt-Superlegierungen, die eine hohe Dauerfestigkeit besitzen müssen.

Der Trend in der Konstruktion von Hochleistungsgasturbinen geht in Richtung immer höherer Turbinenaustriustemperaturen, wodurch die Anforderungen an die Materialien der Turbinen bis zu einem Punkt gestiegen sind, wo die gegenwärtig üblichen Aluminldbeschlchtungssysteme diejenigen Komponenten von Legie-

2i rungs/Beschlchtungs-Zusammensetzungen sind, welche die Lebensdauer bestimmen. Es sind verschiedene Mechanismen bekannt, die für den Zusammenbruch der Beschichtungen verantwortlich sind. Aluminidbeschichtungen neigen beispielsweise zur Bildung von Rissen aufgrund von Ermüdung. Es wurde festgestellt, daß die Duktilität der Beschichtung ein wichtiger Faktor für den Zeltpunkt bis zum Eintreten einer Ermüdung ist, da bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen Aluminidbeschichtungen im zu Zugbeanspruchungen führenden

in Teilen des Ermüdungszyklus In einer »spröden« Welse, also unter niedriger Zugverformung, zu einer Rißbildung neigen.

Beträchtliche Verbesserungen hinsichtlich der Lebensdauer von beschichteten Superlegierungen wurden durch die Verwendung von Beschicntungsleglerungen unterschiedlicher Zusammensetzung erreicht. Derartige Legierungen sind die In der US-PS 36 76 085 beschriebenen CoCrAlY-Beschichtungen, die in der US-PS 35 42 530 beschriebenen FeCrAIY-Beschichtungen, die in der US-PS 36 49 225 beschriebene NiCrAlY-Beschichtungen. Zu allen drei genannten Beschichtungstypen gehörende Legierungen sind ferner aus der US-PS 36 49 225 bekannt. Aus der GB-PS 7 34 2Ί0 waren vorher bereits Legierungen, die Nickel und/oder Kobalt sowie Chrom enthielten und außerdem u. a. auch Aluminium und Seltenerdmetalle enthalten konnte, als Legierungen für die Herstellung von Maschinenteilen bekannt.

Bei der Verwendung der bekannten Legierungen als Beschickungen für Superlegierungen zeigten sowohl die NiCrAlY- als auch die CoCrAlY-Legierungen gewisse Vorteile und Nachtelle. Die Legierungen auf Ni-Basis wiesen eine gute Oxidationsbeständigkeit und Diffusionsstabilität bei relativ guter Duktilität auf. Legierungen auf Co-Basls waren hinsichtlich der Sulfidierungsbeständigkelt verbessert, ansonsten jedoch den Legierungen auf Nl-Basis unterlegen. Insbesondere zeigten sie eine deutlich schlechtere Duktilität.

Nachdem erkannt worden war, daß ein wichtiger Grund für die begrenzte Dauerfestigkeit von Beschichtungen unter Verwendung der bekannten Beschichtungslegierungen eine unzureichende Duktilität der gebildeten Beschichtungen ist, war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine technische Lehre anzugeben, die die Verwendung von Legierungen als Werkstoffe zum Beschichten von Gegenständen aus Nickel- und Kobaltsuperlegierungen, die eine hohe Dauerfestigkeit besitzen müssen, derart ermöglicht, daß Beschichtungen mit stark

si' verbesserte Duktilität ohne nennenswerte Verschlechterungen im Bereich der Oxidationsbeständigkeit, Dlffuslonsstabilltät oder Sulfidierungsbeständigkelt erzeugt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Verwendung einer Legierung gelöst, wie sie Im Patentanspruch 1 oder im Patentanspruch 5 wiedergegeben 1st.
Vorteilhafte Spezialformen der in Anspruch 1 angegebenen Legierung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 wieder-

ί^? gegeben.

Die Vorteile bei der Verwendung der angegebenen Legierungen ergeben sich besonders ausgeprägt, wenn diese Legierungen in Beschichtungsdicken von mindestens etwa 0,07 mm auf Superlegierungsgegenstände aufgebracht werden.
Die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Legierungen sind als hochduktile Beschichtungsleglerun-

M) gen anzusprechen, die sowohl eine ausgezeichnete Oxidations/Erosions- als auch Sulfidierungsbeständlgkeit besitzen. Die erfindungsgemäßen Legierungen unterscheiden sich von den genannten bekannten Beschichtungslegierungen insbesondere dadurch, daß sie neben Nickel gleichzeitig Kobalt in einer definierten Mindestmenge von mindestens 15Hi enthalten und außerdem die Obergrenze für Aluminium bei 15 Gew.-% liegt. Soweit im Stand der Technik neben Nl oder Co auch Mischungen aus Co/Ni als zulässig beschrieben werden, liegt wie in

^Λ* der US-PS 37 54 903 die zulässige Menge an Kobalt deutlich unter der gemäß der vorliegenden Erfindung zulässigen Umergrenze, während gleichzeitig sehr hohe Aluminiumgehalte zulässig sind, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeschlossen sind, da sie zu Beschichtungen mit mangelhaften Eigenschaften führen.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren noch nüher erläuten.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine grafische Darstellung, welche in anschaulicher Weise das Duktllltätsverhalten von verschiedenen NiCoCrAlY-Beschichtungsleglerungen im Vergleich zu repräsentativen CoCrAlY- und NICrAlY-Beschichtungslegierungen demonstriert;

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

Fig. 3 eine grafische Darstellung, welche die Diffusionsstabiiität von verschiedenen NiCoCrAlY-Beschichtungslegierungen im Vergleich zu repräsentativen CoCrAlY- und NiCrAIY-Beschichtungslegierunpen demonstriert;

Fig.4 eind grafische Darstellung, welche die Oxydationscharakteristiken von verschiedenen NiCoCrAlY-Beschichtüiigslegierungen im Vergleich zu repräsentativen CoCrAlY- und NiCrAlY-Beschichtungslegierungen demonstriert; und

Fig. 5 eine grafische Darstellung, welcne die Sulfidisierungscharakterlstiken von verschiedenen NiCoCrAlY-Beschlchtungslegierungen im Vergleich zu repräsentativen CiCrAIY- und NiCrAlY-Beschichtungslegierungen demonstriert.

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

Legierungsbezeichnung Nominale Zusammensetzung (Gew.-%)

B-1900 8 Cr, 10 Co, 1 Ti, 6 AL 6 Mo, 0,11 C, 4,3 Ta, 0,15 B, 0,07 Zr, Rest Ni

MAR-M302 21,5 Cr, 10 W, 9 Ta, 0,85 C, 0,25 Zr, 1 Fe, Rest Co *

TD Cobalt Alloy 20 Ni, 18 Cr, 2 ThO₂, Rest Co

TD Cobalt Alloy 20 Ni, 30 Cr, 2 ThO₂, Rest Co

IN 100 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

MAR-M200 9 Cr, 10 Co, 2 Ti, 5 Al. 12,5 W, 0,15 C, 1 Nb, 0,05 Zr, 0,015 B, Rest Ni

WI 52 21 Cr, 1,75 Fe, 11 W, 2 (Nb + Ta), 0,45 C, Rest Co

Udimet 700 15 Cr, 18,5 Co, 3,3 Ti, 4,3 Al, 5 Mo, 0,07 C, 0,03 B, Rest Ni

Es soll darauf hingewiesen werden, daß die Superleglerungen, einschließlich der richtungsverfestlgten Superlegierungen. Im allgemeinen oxydationsbeständig sind, daß es aber nötig und üblich Ist, gewisse daraus hergestellte Bauteile zu beschichten, um deren Oxydatlons-, Sulfldlsierungs-, Erosions- und Wärmeschockbeständigkeit zu verbessern und damit ihre Lebensdauer in Hochleistungsgasturbinen zu erhöhen.

Wie bereit erwähnt, haben die CoCrAlY- und NlCrAlY-Beschichtungen bereits beträchtliche Verbesserungen *<· hinsichtlich der Lebensdauer der Superlegierungen mit sich gebracht. Es wurde jedoch gefunden, daß NiCrAIY-Beschichtungen, zwar eine extrem hohe Oxydationsbeständigkeit und Diffusionsstabilität aufweisen, hinsichtlich der Sulfidisierungsbeständigkeit aber verbesserungsbedürftig sind, und daß CcCrAIY-Beschlchtungen zwar eine extrem hohe Sulfidisierungsbeständigkeit aufweisen, hinsichtlich der Oxydationsbeständigkeit und Diffusionsstabilität aber verbesserungsbedürftig sind. Um eine bessere Kombination von Eigenschaften zu erzielen, wurden ·»? die verschiedensten Beschichtungen untersucht. Dabei wurde gefunden, daß die erfindungsgemäßen Beschlchtungslegierungen eine außergewöhnliche und erwartete Zunahme der Duktilität ergaben, wobei aber trotzdem ein zufriedensteltender und beeinflußbarer Ausgleich der Oxydations- und Wärmekorrosionsbeständigkeit wie auch annehmbar niedrige Diffusionscharakteristiken beibehalten werden. Es war zwar bekannt, daß einige der brauchbaren NlCrAlY-Beschichtungen eine höhere Duktilität aufweisen als einige der brauchbaren CoCrAlY- so Beschichtungen und 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/Yttrlum-S^stem eine Duktllltätsverbesserung aufweist, die wesentlich besser ist als sowohl bei NiCrAIY als auch bei CoCrAIY.

Obwohl man es gegenwärtig noch nicht genau weiß, scheint es, daß ein Zusammenhang zwischen der ss Beschichtungsduktilität und den anwesenden Phasen besteht. Insbesondere weiß man, daß durch Änderungen in der chemischen Zusammensetzung, welche die Menge und Kontinuität der (Nl,Co)-y-Lösungsphase erhöhen, ein Trend zur Zunahme der Beschichtungsduktilität erhalten wird, während durch Änderungen in der chemischen Zusammensetzung, welche die Menge und Kontinuität der (Ni,Co)AI-/?-Phase, NljAl-y'-Phase und Cr-a> Phase erhöhen, ein Trend zur Abnahme der Duktilität erhalten wird. Der Zusammenhang zwischen der «> MikroStruktur der Beschichtung und der chemischen Zusammensetzung der Beschichtung zeigt, daß im erfindungsgemäßen Nickel/Kobalt/Chrom/Aluminium-Yttrium-System erwünschte y-/?-Mikrostrukturen bei einem höheren Aluminiumgehalt erzielt werden, wobei die erhöhte Stabilität der y-^-Mikrostruktur, welche durch Zusatz von Kobalt zu NiCrAIY erzielt wird, das Resultat einer loträchtlichen Verringerung der Menge der ·/-Phase (NijAI) und der jr-Phase (Cr) ist, welche bei niedrigeren Temperaturen ausgefällt werden. ("5

Es Ist klar, daß gewisse andere Elemente mit der chemischen Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Legierungen verträglich sind. So können andere Elemente, wie z. B. Tantal oder Hafnium, vortellhafterwelse nach Bedarf in Legierungen bei gewissen Anwendungen zugegeben werdein, um die mechanischen, Diffusions-

oder Wärmekorrosionscharakteristiken der Beschichtungen zu modifizieren.

Bei der Beschichtung von Turbinenschaufeln und -Ventilatoren werden die zu beschichtenden Oberflächen

zuerst sorgältlg von allem Schmutz, Fett und anderen ungünstigen Fremdstoffen befreit, worauf sich eine Konditionierung durch Sandstrahlen anschließt. Die Beschichtung wird durch Dampfabscheldung aus einem in geeigneter Weise erhitzten geschmolzenen Pool des Beschichtungsmaterials, der in einer Vakuumkammer auf ICH 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.

Die Teile werden vorzugsweise 5 bis 7 Minuten auf 955 ± 30° C vorerhitzt, bevor die Abscheidung begonnen

i^fi wird, worauf die Temperatur während des Beschichtungsvorgangs 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-oxydierenden Atmosphäre auf unter 540° C abgekühlt. Nach der Beschichtung können die Teile eine Stunde bei 1040 ± 15° C in Vakuum wärmebehandelt werden, um die Beschichtung besser mit dem Substrat zu verbinden und das Pinnen zu erleichtern.

Die beschichteten Teile können dann mit trockenen Glasperlen unter Verwendung von Perlen mit einem Durchmesser von 0,17 bis 0,27 mm unter Anwendung einer Intensität entsprechend 19 N gepinnt werden. Im allgemeinen wird das Pinnen gemäß den Vorschriften der Processing Specification AMS 2430 ausgeführt. Die Teile können dann in trockenem Argon, trockenem Wasserstoff oder Vakuum auf 1080 ± 15° C erhitzt, 4 Stunden auf dieser Temperatur gehalten und in der Schutzgasatmosphäre mit einer Luftkühlung entsprechenden

-" Geschwindigkeiten abgekühlt werden. So hergestellte Turbinenschaufel η und -Ventilatoren zeigen eine Beschichtungsdicke ohne Berücksichtigung der Diffusionszone von 0.07 bis 0,32 MM.

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

-> Wie bereits erwähnt, zeigt die Fig. 1 eine grafische Darstellung der unerwarteten Duktilität verschiedener Nickel/Kobalt/Chrom/Alumlnium/Yttrium-Beschichtungslegierungen im Vergleich zu repräsentativen CoCrAlY- und NlCrAlY-Beschichtungslegierungen. Die dort gezeigten Resultate wurden dadurch erhalten, daß die Verformung gemessen wurde, bei welcher die auf Zugfestigkeitsproben aus geeigneten Superlegierungen aufgebrachten Beschichtungen rissen. Kurve A zeigt die Wirkungen des Einsatzes verschiedener Mengen Kobalt

-W anstelle von Nickel In einer NiCrAlY-Legierung der nominalen gewichtsmäßigen Zusammensetzung Nl-19Cr-14A1-0.5Y, während die Kurve B die Wirkungen des Einsatzes verschiedener Mengen Kobalt anstelle von Nickel in einer NiCrAlY-Legierung der nominalen gewichtsmäßigen Zusammensetzungen Ni-19Cr-12,5Al-0,5Y darstellt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, wird eine außergewöhnliche Erhöhung der Duktilität erhalten. Es wurde allgemein gefunden, daß NiCoCrAlY- bzw. CoNiCrAlY-Beschichtungslegierungen in dieser Hinsicht besonders günstig sind, wenn sie aus 15 bis 40 Gew.-9t, Co, 12 bis 30 Gew.-% Cr, 10 bis 15 Gew.-% Al, 0,01 bis 1.0 Gew.-% Y und im wesentlichen aus Nickel (mindestens ungefährt 15%) bestehen. Es Ist 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 Beschlchtungszusammensetzung im wesentlichen aus 25-40 Gew.-* Co, 14-22 Gew.-^n Cr. 13-15 Gew.-% Al, 0,01-1,0 Gew.-% Y und im übrigen im wesentlichen aus Ni besteht. Bei

J" einem niedrigeren Al-Gehalt, wie dies durch die Kurve B gezeigt wird, wird im allgemeinen ein niedrigerer Kobaltbereich bevorzugt, wobei eine bevorzugte Beschichtung im wesentlich aus 15-35 -% Co, 14-22 Gev/.-% Ct. 10-13 Gew.-% Al, 0,01-0.1 Gew.-* Y und im übrigen im wesentlichen aus Ni besteht. In Fig. 2 zeigen die Duktilitätskurven für ausgewählte Beschichtungen die Duktilität als Funktion der Temperatur. Die wesentlich verbesserte Beschichtungsrißspannung der NiCoCrAlY-Beschichtungen ist klar zu erkennen.

4" Bei einer Reihe von thermomechanischen Ermüdungsversuchen wurde eine richtungsverfestigte Probe aus MAR-M200 (mit Hafnium) mit Ni-24Co-l6Cr-12,5A1-0.3Y beschichtet und in einer thermomechanischen Ermüdungsmaschine untersucht, welche die Probe In scharfen Ermüdungs- und Temperaturzyklen drückt und zieht, welche den Verformungs/Temperatur-Zyklus einer abgekühlten Turbinenschaufel simulieren. Zum Vergleich wurden eine Anzahl von identischen Substraten mit Co-20Cr-12Al-0,5Y und eine weitere Anzahl mit einer

*'» Diffusionsaiumlnumbeschichtung beschichtet. Sowohl die mit CoCrAlY als auch die durch Diffusion mit Aluminid beschichteten Proben bildeten in der thermomechanischen Ermüdungsmaschine 1000 Zyklen oder weniger Risse, während die mit NlCoCrAlY beschichteten Proben erst bei 1925 Zyklen Risse bildeten.

In Fig. 3-5 ist ein Vergleich der Diffusion und Oxydationsbeständigkeits- und Korrosionsbeständigseigenschaften von verschiedenen NiCoCrAlY-Legierungsbeschichtungen gezeigt. Für die Ermittlung dieser grafischen

ν Darstellung wurden Beschichtungen aus NiCoCrAlY-Legierung mit einer Dicke von 75-125 μ, die im wesentlichen aus den angegebenen Mengen Kobalt, 18-21% Cr, 13-14% Al und 0,05-0,8% Y bestanden, aus der Dampfphase auf B-1900-Subsiraie wie auch auf richtungsverfestigte MAR-M200(plus HO-Substrate (Erosionsstangen) abgeschieden. Für Fig. 3 wurden die beschichteten Proben 1000 Stunden in Luft bei der angegebenen Temperatur gealtert. Für Fig. 4 wurden beschichtete Teile einem zyklischen Brenneroxydationstest (1095°C, 29 >*'· min - Zwangsluftkühlung, 1 min, es wurde JP 5 Brennstoff verwendet) bis zu 2100 Stunden (2030 Stunden heiße Zeit) unterworfen. Für Fig. 5 wurden beschichtete Teile unter zyklischen Bedingungen (955" C, 3 min 1095° C, 2 min - Abkühlung, 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 NiCoCrAlY-Beschichtungen eine unerwartet hohe Duktilität und gleichzeitig eine '■" einstellbare und zufriedenstellende Diffusion und Oxydations- und Wärmekorrosionsbeständigkeit aufweisen.
Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beispiele näher erläutert.

Beispiele 1 bis 5

Fünf Erosionsstangen aus B-1900-Nickellegierung wurden mit 75-125 μ Legierung durch das oben beschriebenen 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 Sulfldislerungstest (955° C, 3 s min - 1120^cC, 2 min - Abkühlung, 2 min; mit 35 ppm künstlicher? Seesalz/Luft, welches nach der Verbrennung zugesetzt wurde und unter Verwendung von JP 5 Brennstoff) unterworfen. Die Beschichtungen zeigten eine spezifische Lebensdauer von 21,1 bis 24.4 Stunden/25 μ, und waren mit Fe^Cr-OAl-OJSY-Beschichtungen vergleichbar, welche eine spezifische Lebensdauer von 22,2 bis 27,9 Stunden/25 μ aufwiesen.

in Beispiel 6

Ein 97,5 μ dicker Belag von Co-20Ni-24Cr-15Al-0,75Y wurde aus der Dampfphase auf eine Erosionsstange aus MAR-M302-Kobaltleglerung aufgebracht und einem modifizierten zyklischen Sulfldlsierungstest (955° C. 3 min - 1175^C C, 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 Sulfidierung bei sehr hohen Temperaturen zu bestimmen. Die Beschichtungen hatten eine Lebensdauer von 162 Stunden und eine spezifische Lebensdauer von 45 Stunden/25 μ.

Beispiele 7 bis 10 :n

Zwei Erosionsstangen aus B-1900-Nickellegierung und zwei Erosionsstangen aus MAR-M302-K.obaltleglerung wurden mit nominal 75 μ dicken Belägen aus Co-20Nl-24Cr-15Al-0,75Y, wie oben beschichtet und einem Oxydations/Erosionstest bei 1095° C bis zur Rlßblldung untersucht. Die Be-1900-Beschichtungen rissen nach 263,2 bzw. 153,7 Stunden, während beide MAR-M302-Beschlchtungen bei 309,2 Stunden rissen. :.-

Beispiele 11 bis 14

Erfindungsgemäße Beschichtungen, die im wesentlichen aus Co-20Nl-20Cr-12Al-0,5Y und Nl-32,5Co-20Cr-12AI-O,5Y bestanden sowie Vergleichslegierungen aus Co-20Ni-16Cr-16Al-0,5Y und Co-20Cr-12A10,5Y wurden ui aus der Dampfphase bis zu einer Dicke von 115 bis 140 μ auf Luftflügelproben aus einer Co-20Ni-18Cr-2ThOj-Leglerung aufgebracht. Alle Beschichtungen waren im wesentlichen Zweiphasengemische aus /5-CoAl oder ß-(CoNi)Al und einer y-Lösungsphase. Die Co-20Ni-16Cr-16Al-0,5Y-Beschichtungen bestanden Im wesentlichen aus der ß-Phase mit einem kleinen Volumenprozentsatz y-Lösungsphase. Die /?-Phase war kontinuierlich und hatte eine unerwünschte Struktur, und zwar wegen der niedrigen Verformungs/Rlß-Charakteristiken. Die Co- 3* 20Ni-20Cr-12al-0,5Y- und die Co-20Cr-12Al-0,5Y-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 y-Struktur. wobei die '/-Phase die kontinuierliche Matrix bildete.

Diese Systeme wurden in ruhender Luft 100 Stunden auf 1095⁰C, 1150° C, 1205° C und 1315⁰C 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 Co-20Ni-16Cr-16Al-0,5Y-Legierung behielt die kontinuierliche ^-Struktur während der Erhitzung bei. Sie wurde wegen der hohen Rißneigung nicht weiter untersucht. Die anderen Beschichtungssysteme behielten die Form eines zweiphasengemlsches aus einer /?-Phase in einer kontinuierlichen y-Mairix bei oder wandelten sich in ein solches Zweiphasengemisch um. Die beste Stabilität wurde mit Ni-32,5Co-20Cr-12Al- ■*? O.SY-Beschichiung erzielt.

Weitere luftflügelförmige von von C-20Ni-!8Cr-2ThO₂ wurden aus der Dampfhase mit Co-20Cr-12al-0,5Y, Co-20Ni-20Cr-12Al-0,5Y und Ni-32,5Co-20Cr-12Al-0,5Y bis zu einer Dicke von 115 bis 140 μ unter Verwendung der gleichen Technik beschichtet und einem isothermen Oxydationstest bei 980⁰C, 1095° C, 1205° C und 1315'- C einem zyklischen Oxydationstest bei 1205° C (955° C. 3 min - 1205° C, 2 min - Abkühlung, 2 min) und so einem zyklischen Warmkorrosionstest bei 12O5°C (955° C, 3 min - 1205⁰C, 2 min - Abkühlung, 2 min) unterworfen. Bei allen Tests wurden die Luftflügelproben mit 1750 (/min in einem (jasstrom von 12-15 m/sec aus verbranntem JP 5-Brennstoff rotiert. Für den zyklischen Warmkorrosionstest 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 980° C und 1095° C wurden nach 214 bzw. 222 Stunden abgebrochen. Alle Proben zeigten keine sichtbaren Anzeichen eines Abbaus. Eine metallograflsche Prüfung der Proben aus dem 980^eC-Test zeigte, daß der Abbau der Beschichtung bei der N!-32,5Co-20Cr-12al-0,5Y-Legierung am geringsten war. Auch beim 1095°C-Test zeigte die NiCoCrAlY-Beschichtung den geringsten Abbau. Das Ausmaß des Abbaus der CoNiCrAlY- und CoCr Al Y-Beschichtung war annähernd gleich.

Der isotherme Oxydationstest bei 1205⁰C wurde nach 305 Stunden abgebrochen. Wiederum zeigte die NiCoCrAlY-Beschichtung den geringsten Abbau, während die CoCrAIY-Beschichtung den größten Abbau zeigte.

Der isotherme Oxydationstest bei 1315° C wurde bis zur Rißbildung durchgeführt. Von den drei Beschichtungssystemen 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. 204 Stunden (58 Stunden heiße Zeit) abgebrochen. Eine Rißbildung des Belags war nicht eingetreten. In der Struktur zwischen den drei Proben wurde beim Warmkorrosionstest im wesentlichen kein Unter-

schied beobachtet. Jedoch behielt beim zyklischen Oxydationstest die Ni-32,5Co-20Cr-12AI-0,5Y-Beschichtung eine weit größere Menge an /J-Phase bei, als die anderen beiden.

Beispiel 15

In einer Reihe von besonders scharfen Versuchen wurden Turblnenschaufeln der ersten Stufe aus den angegebenen Legierungen wie in Tabelle 1 gezeigt beschichtet und 297 Stunden laufen gelassen, wobei 20(X¹ Z;k:jn stattfanden (Beschleunigung bis zur vollen Abhebeschubkraft. Beibehaltung der Geschwindigkeit während einer Zeit, rasche Bremsung bis zu Lerrlaufkraft und Anhalten während einer bestimmten Zeit). Über 1000 Zyklen wurden mit Wassereinspritzung (zur Schuberhöhung durchgeführt, wodurch die Beschichtungen dem schärfsten thermischen Schock ausgesetzt wurden.

Tabelle I

Legierung

Beschichtung

getestete
Anzahl

Anzahl der gerissenen Beschichtungen

Prozentsatz der gerissenen Beschichtungen

B-1900 & Hf B-1900 & Hf B-1900 & Hf B-1900 & Hf B-1900 & Hf B-1900 & Hf B-1900 & Hf B-1900 & Hf B-1900 & Hf Richtungsverfestigtes MAR-M200 & Hf B-1900 & Hf

Platinaluminid

Rhodiumaluminid

Hochtemperaturpackaluminid

Niedertemperaturpackaluminid

Ni-18Cr-14Al-0,5Y

Ni-12Cr-14Al-0,5Y

Ni-18Cr-10Al-0,5Y

Ni-12Cr-12Al-0,5Y

Ni-18Cr-12Al-0,5Y

Ni-20Co-16Cr-ll,5Al-0,05Y

8	8	100
7	7	100
14	13	93
56	56	100
4	4	100
2	2	100
2	2	100
3	3	100
3	3	100
7	5	71

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

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

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

25 2G 192 Patentansprüche:

1. Verwendung einer Legierung aus 15 bis 40 Gew.-* Kobali. 12 bis 30 Gew.-% Chrom, 10 bis 15 Gew.-% Aluminium, 0,01 bis 1,0 Gew.-9b Yttrium, Rest mindestens 15% Nickel, als Werkstoff zu.n Beschichten von Gegenständen aus Nickel- und Kobalt-Superlegierungen, die eine hohe Dauerfestigkeit besitzen müssen.

2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 aus 25 bis 40 Gew.-% Kobalt, 14 bis 22 Gew.-% Chrom, 13 bis 15 Gew.-% Aluminium, 0.01 bis 1,0 Yttrium, Rest Nickel, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 aus 15 bis 35 Gew.-% Kobalt, 14 bis 22 Gew.-% Chrom, 10 bis 13 Gew.-* Aluminium, 0,01 bis 1,0% Yttrium, Rest Nickel, für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 aus 32,5 Gew.-% Kobalt, 20 Gew.-<t Chrom, 12 Gew.-9& Aluminium, 0,5 Gew.-% Yttrium, Rest Nickel, für den Zweck nach Anspruch 1.

5. Verwendung einer Legierung aus 20 Gew.-% Nickel, 20 Gew.-% Chrom, 12 Gew.-% Aliminium, 0,5 Gew.-* Yttrium, Rest Kobalt, für den Zweck nach Anspruch 1.

6. Verwendung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5. bei der die jeweilige Legierung in einer Beschichtungsdlcke von mindestens 0.07 mm verwendet wird.