DE2758618C3

DE2758618C3 - Mittel zur Herstellung einestemPenltart>estiindi8en· abriebfesten Überzugs

Info

Publication number: DE2758618C3
Application number: DE2758618A
Authority: DE
Inventors: Robert Clark Brownsburg Tucker Jun.; Thomas Albert Indianapolis Wolfla
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1976-12-30
Filing date: 1977-12-29
Publication date: 1980-04-10
Also published as: DE2758618A1; US4124737A; IT1092174B; CA1096201A; JPS5385829A; FR2394615B1; CH625836A5; JPS5817775B2; GB1595480A; FR2394615A1; DE2758618B2; BE862467A

Description

und daß sie im Vergleich zu Wolfram, das stark zu einer Sulfidierung neigt, keinen schädlichen Einfluß auf die Heißkorrosionsbeständigkeit oder Oxidationsbeständigkeit der Legierungen haben. Des weiteren zeigte es sich, daß Tantalkarbid, das bei der Herstellung dieses Überzuges durch Ausscheidung gebildet wird, ein bei hohen Temperaturen sehr stabiles Karbid ist, das mit der Grundmasse kompatibel ist. Damit sorgt dieses Karbid für eine ungewöhnlich wirkungsvolle Ausscheidungsverfestigung, ohne daß die Korrosionsfestigkeit der Legierung bei sehr hohen Temperaturen verschlechtert wird. Bei konventionellen Superlegierungen liegen Tantalkarbide als sehr feine Dispersion in niedrigen Volumanteilen vor. Erfindungsgemäß sind die Tantalkarbide dagegen als recht große Teilchen und in höheren Volumanteilen als bei konventionellen Superlegierungen vorhanden. Bei üblichen Superlegierungen haben die Karbide die Aufgabe, für eine Dispersionsverfestigung zu sorgen und damit ausreichende mechanische Festigkeiten bei hohen Temperaturen zu erreichen. Sie tragen zu der Verschleißfestigkeit nicht nennenswert bei. Vorliegend sind Tantalkarbide vorgesehen, um für eine erhöhte Verschleißfestigkeit zu sorgen; sie können nur nebenbei auch zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften führen. Vorzugsweise liegt Tantal in einer Menge von 9 bis 15 Gew.-°/o vor. Grundsätzlich kann mit 5 bis 20 Gew.-% Tantal gearbeitet werden. Enthält die Zusammensetzung wesentlich mehr als 20 Gew.-% Tantal, hat der Überzug eine unzureichende Schlagfestigkeit, während die Verschleißfestigkeit des Überzuges unzureichend ist. wenn dieser weniger als etwa 5 Gcw.-% Tantal enthält. Kohlenstoff ist wesentlich, um durch Reaktion mit Tantal und in einigen Fällen auch mit Chrom Karbide zu bilden. Die Abriebfestigkeit des Überzuges geht teilweise oder ganz auf Tantalkarbid zurück. Das Tantalkarbid und/oder das Chromkarbid können ferner /ur mechanischen Festigkeit des Überzuges beitragen. Vorzugsweise sind 2.0 bis 3.0 Gew.-°/o Kohlenstoff vorhanden. Grundsätzlich kann mit 0,5 bis 3,5 Gew.-% gearbeitet werden. Bei Anteilen unter 0,5 Gcw.-% isi die Abricbfcsligkeit zu gering; Anteile von mehr als 3,5 Gcw.-% verschlechtern die Korrosionsbeständigkeit des Überzuges. Der Zusatz von Yttrium oder anderen seltenen Erden erwies sich als sehr günstig, um im Falle von zyklischen Oxidations- oder Sulfidierungsvorgängcn bei erhöhten Temperaturen Zundcrschulzschichlcn aufrechtzuerhalten. Dies gilt insbesondere, wenn die Legierung Aluminium enthält und die Zunderschutzsehicht aus Aluminiumoxid gebildet wird. Der Yttriumzusatz kann zwischen 0 und 2,0 Gcw.-% liegen: vorzugsweise wird mit 0,5 bis 1,5 Gcw.-% gearbeitet. Mehr als 2Gcw.-% Yttrium führen zu einer Versprödung. Werden andere seltene Erden verwendet, sollten sie bezogen auf ihre relativen Molekulargewichte in äquivalenten Mengen vorgesehen werden. Die Alummiumzusätze liegen, falls vorgesehen, in einem Bereich, der brauchbar ist. um eine Zundcrschiilzsohiehl aus Aluminiumoxid zu bilden: die Anicilc sind jedoch nicht so hoch, daß schädliche Voliinianlcilc an Aluminiden entstehen. Brauchbar ist ein Bereich von 5 bis 14 (lew.-%; vorzugsweise wird mil einem Bereich von 7 bis 11 dew. % gearbcilct. Bei einem Anteil von weniger als VAt kann es zu einer beschleunigten Oxidalion kommen, weil zu wenig Aluminium vorhanden ist. um eine zusammenhängende Aliiminiumoxid-Ziinderschicht zu bilden. Aluminium wird zugesetzt, wenn der Überzug in Hingebungen verwendet werden soll, bei denen die Arbejtstemperatur die Werte überschreitet, bei denen eine Chromoxid-Zunderschicht für einen ausreichenden Schutz sorgt, weil Chromoxid bei Temperaturen über 980⁰C instabil wird und selbst bei niedrigeren ι Temperaturen im Hinblick auf einen Langzeitschutz der Aluminiumoxid-Zunderschicht unterlegen sein kann, die gebildet wird, wenn der Überzug Aluminium enthält.

Die Oxidzusätze sorgen für eine zusätzliche Abriebfestigkeit und eine gewisse Dispersionsverfestigung in

in kritischen Abriebsituationen, wo die Grundlegierung selbst nur eine marginal brauchbare Abriebfestigkeit hat oder der Aluminiumzusatz die Abriebfestigkeit der Grundiegierung etwas verschlechtert hat. Es versteht s.ch, daß die Oxide derart gewählt sein müssen, daß sie

ii in der Grundmasse und bei den Einsatztemperaturen stabil sind. Als geeignet erwiesen sich Aluminiumoxid, Chromoxid, Berylliumoxid, Titandioxid, Siliciumdioxid, Thoroxid, Zirkoniumoxid, Tantaloxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid, Hafniumoxid, Yttriumoxid und die

:·ιί Seltenerdoxide, Verbindungen der vorstehend genannten Oxide, wie MgO · AI₂Oj und CoO · Al₂Oj, oder Mischphasen der vorstehenden Oxide, wie MgO ■ ZrO₂. Die Größe der Metalloxidteilchen kann zwischen ungefähr 0.05 μιπ und ungefähr 74 μιη, vorzugsweise

r> zwischen ungefähr 1 μιη und 74 μιη, liegen. Die Metalloxidteilchen sind in einem Volumanteil zwischen 2% und 50% sowie vorzugsweise ungefähr 5% und 30% vorhanden. Teilchen unter ungefähr 0,05 μηι sind zu klein, um die Abriebfestigkeit auf brauchbare Weise zu

κι steigern, während Teilchengrößen von mehr als 74 μιη zu einem übermäßigen Abrieb bei der betreffenden Gegenfläche führen können. Volumenanteile von weniger als ungefähr 2% führen nicht zu einer ausreichenden Abriebfestigkeit. Liegt der Anteil aber

r> über 50%, hat das Material unzureichende Duktilität, Schlagfestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischen Ermüdungserscheinungen.

Mit Hilfe des erläuterten Micels lasten sich Überzüge insbesondere auf Superlegicrungen, jedoch gcgebenen-

Ui falls auch auf Stahl, rostfreiem Stahl, andere Eisenbasislegierungcn mit niedrigem Lcgierungsgehalt, Chrom und Chrombasislegierungen sowie Legierungen ausbilden, die ganz oder überwiegend aus hochtcmperaiurfesten Metallen bestehen. Dabei ist die spezielle

r> Kombination aus Überzugszusammensetzung und Substratwerkstoff so zu wählen, daß den beabsichtigten Umgebungsbedingungen im praktischen Einsatz widerstanden wird und daß die Kompatibilität bezüglich der mechanischen und der thermischen Eigenschaften

,ii zwischen dem Überzug und dem Substrat für die bei-effendc Umgebung sichergestellt ist. Für gewöhnlich hat der Überzug eine Dicke zwischen ungefähr 75 μιη und 250 μπι. Für spezielle Anwendungsfällc können mit Hilfe des beschriebenen Mittels jedoch

,-, sowohl dünnere als auch dickere Überzüge hergestellt werden.

Das Überzugsmittel kann auf das Substrat auf verschiedene Weise aufgebracht werden. Vorzugsweise wird mit einem Explosionsplatticr- oder I'lasmaauflrag-

mi verfahren gearbeitet. Es kann aber auch mit einem übertragenen Plasmalichtbogenvcrfahrcn oder einem beliebigen anderen Verfahren tier Schweißtechnik gearbeitet werden. Das erfindungsgemäße Mittel kann benutzt werden, um einen pulvermetallurgisch gcsinlcr-

,-, ten Gegenstand auszubilden, der mit einem .Substrat harivcrlötet werden kann. Überzüge lassen sich auch herstellen, indem ein Auftrag auf eleklrophorciischem W oiler aus einer Aufschlämmung hergestellt wird.

worauf ein Zusammensintern mit dem Substrat erfolgt. Diese Aufzählung ist nicht abschließend, sondern gibt nur charakteristische Arten der Überzugsherstellung an. Wird das Überzugsmittel im Explosionsplattier- oder Plasmalichtbogensprühverfahren aufgebracht, kann es in manchen Fällen von Vorteil sein, im Anschluß an das Auftragsverfahren eine Wärmebehandlung vorzunehmen, um die Kombination aus Überzug und Substrat spannungsfrei zu machen, eine sehr dünne Diffusionsbindung zwischen dem Überzug und dem Substrat zu bewirken oder den Überzug zu verdichten, um für eine zusätzliche Korrosionsbeständigkeit zu sorgen. Versuche haben jedoch gezeigt, daß aus dem beschriebenen Mittel hergestellte Explosionsplattierüberzüge im aufgetragenen Zustand in hohem Maße korrosionsbeständig sind, ohne daß eine anschließende Verdichtung durch Sintern erforderlich ist

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Beispiel I

Eine Kobaltbasislegierung aus 31,7% Cr, 10,3% Ta, 1,0% C, 0,88% Y, 1,78% Mn, 0,97% Si, Rest Co mit einer Teilchengröße von 44 μίτι und kleiner wurde durch Argonzerstäubung hergestellt, um ein im wesentlichen homogenes Metallegierungspulver auszubilden. Ein Überzug aus diesem Werkstoff wurde auf Abriebtestproben unter Verwendung einer Explosionsplattiervorrichtung in bekannter Weise (US-PSen 27 14 563, 29 50 867 und 29 64 420) aufgebracht. Es wurde mit unterschiedlichen Anteilen von Acetylen und Sauerstoff gearbeitet, um Überzüge mit unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten auszubilden. Die MikroStruktur der Überzüge ist im wesentlichen lamellar; die Überzüge bestehen aus miteinander verzahnton und einander überlappenden, mikroskopischen Blättchen, die untereinander mechanisch verbunden sind. In Abhängigkeit von dem Kohlenstoffgehalt blieben die der Verfestigung dienenJen Elemente Chrom und Tantal entweder als Feststofflösungsverfestiger erhalten, oder wurden diese Elemente als Karbid ausgeschieden, das im Mikrogefüge sichtbar ist.

Die Vickers-Härtezahl (HV) aller dieser Überzüge wurde entsprechend dem ASTM-Prüfverfahren E 92-67 unter Verwendung einer Versuchslast von 300 g ermittelt; sie lag über 700 kg/mm². Für die Versuchszwecke wurden die Überzüge auf eine Superlegierung mit der weiter unten angegebenen Zusammensetzung aufgebracht.

Für die Abrieb- oder Verschleißprüfung wurde ein Stift (0,35 mm Durchmesser und 22,1 mm lang) benutzt, der am einen Ende in einer Dicke von 0,25 mm beschichtet war. Das Gegenstück (25,4 mm Durchmesser und 22,1 mm lang) war gleichfalls mit einem 0,25 mm dicken Überzug beschichtet. Die beiden beschichteten Oberflächen wurden mit einer Kraft gegeneinandergepreßt, die ausreichte, um einen Druck von 34,5 bar zu erzeugen. Das beschichtete Gegenstück wurde stationär gehalten, während der beschichtete Stift durch mechanischen Antrieb zu einer oszillierenden Translationsbewegung bei einer Frequenz von 775 Zyklen pro Minute veranlaßt wurde. Der Stift und das Gegenstück wurden mittels eines Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff/Propan-Brenners erhitzt. Die Temperatur wurde mit Hilfe von sorgfältig angeordneten Thermoelementen auf eirem vorbestimmten V'rjrt, normalerweise 816° C oder 1093⁰C, gehalten. Für eine Änderung der Temperatur von dieser vorgegebenen Temperatur auf eine wesentlich iiedrigere Temperatur (für gewöhnlich nahe 260 C) wurde dadurch gesorgt, daß der Brenner von den Proben wegbewegt wurde und eine rasche Zwangskonvektionskühlung erfolgte, für die zwei Luftströme zu beiden Seiten der Probe zugeleitet wurden. Während der Prüfung wurden innerhalb der Versuchsdauer von 4,5 Stunden 200 dieser thermischen Zyklen durchgeführt. Die Proben wurden dann aus der Prüfvorrichtung entnommen und gemessen, um die Verschleißtiefe und

in damit das Volumen des abgetragenen Werkstoffes zu bestimmen.

Die Versuehsergebnisse für diese Überzüge sind in Tabelle I angegeben und den Ergebnissen gegenübergestellt, die mit einer unbeschichteten Superlegierung der genannten Zusammensetzung, einer auf die gleiche Superlegierung im Aufschweißverfahren aufgebrachten üblichen Aufschweißlegierung CM-64 und einem mit der Kurzbezeichnung L-102 versehenen bekannten Explosionsplattierüberzug (Uv <^JS 38 64 093) aus 28 Gew.-% Cr, 19,5 Gew.-% Wolfram, 5,0 Gew.-% Nickel, 3,0 Gew.-% Eisen, 1,0 Gew.-% Vanadium, 1,0 Gew.-% Silizium, l,0Gew.-% Mangan,0,85 Gew.-% Kohlenstoff. Rest Kobalt plus 3,0 Vol.-% Cr₂Oj, erzielt wurden.

CM-64 besteht in Gew.-% nominell aus:

28,0 Chrom, 19,5 Wolfram, 5,0 Nickel,

3,0 Eisen, 1,0 Vanadium, l.OSiwzium,

1.0 Mangan,0,85 Kohlenstoff, Rest Kobalt.

Die erwähnte
nominell aus:

Superlegierung besteht in Gew.-%

22 Chrom, 9,0 Molybdän, 18,5 Eisen.
1.5 Kobalt, 0,6 Wolfram. 1,0 Silizium,
1.0 Mangan, 0.10 Kohlenstoff, Rest Nickel.

Tabelle I	Superlegierung	Verschleißtiere
⁴> Probe Wcrkstofr	CM-64	größer als 760 v.m
I	L-102	größer als 250 v.m
2	31,7 % Cr, 10,3 % Ty,	50\|J.m
-¹' 3	1,0% C, 0,88% Y,	76 ,um
4	1,78 % Mn, 0,97% Si,
	Rest Co
	31,7% Cr, 10,3% Ta
	2,0 % C, 0,88 % Y,	50 ijtm
5	1,78 % Mn, 0,97 % Si,
	Rest Co
	31,7% Cr, 10,3% Ta,
	3,0 % C, 0,88 % Y,	50 μηι
55 6	1,78 % Mn, 0,97 % Si,
	Rest »Jo

Alle vorstehend genannten Daten wurden bei einer Temperatur von IO93°C erhalten. Ähnliche Ergebnisse wurden erzielt, wenn die Versuchstemperaturen 4V₂ Stunden lang 816°C oder 982⁰C betrugen.

Beispiel Il

Eine Kobaltbasislegierung aus 31.7% Cr, 10,3% Ta. 1,0% C, 0,88% Y. 1,78% Mn. 0.97% Si, Rest Co wurde

mil Aluminiunioxidleilehen von 44 μιιι und kleiner mechanisch gemischt, um einen Cicwichisanieil an metallischem Bindemittel von 90% und einen Oxidgewichtsanteil von 10% (entsprechend einem Volumenanteil von ungefähr 30%) zu erhallen. Das Gemisch wurde dann im F.xplosionsplaltierverfahrcn auf den Verschleißstifl und das Gegenstück (oben erläutert) aufgebracht. Es wurde die oben angegebene Verschleißprüfung durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle Il zusammengestellt.

!•rohe Werkstoff

VerschleiUliclc

Tabelle	Il	VerschlciUlicfe
Probe	Werkstoff	größer als 760 v.m
I	Superlcgierung	größer als 250 viii
2	C M-64	50 um
3	L-102	50 um
4	(31.7 % Cr, 10,3 % Ta.
	1.0% C, 0,88 % Y.
	1.78 % Mn. 0,97 % Si.
	Rest Co) + 10Gew.-7„
	(30 Vol.-Tn) ΛΙ,Ο.,	38 um
5	(31.7 %Cr, 10,3 % Ta.
	2.0 % C, 0,88 % Y.
	1.78 % Mn, 0.97% Si,
	Rest Co) + 10 Gew.-7„
	(30 Vol.-%) ΛΙ,Ο,	kleiner als 25 um
6	(31.7 % Cr. 10.3 % Ta.
	3.0 % C, 0.88 % Y.
	1.78 % Mn. 0,97% Si.
	Rest Co) + 10 Gew.-%
	(30 Vol.-%) ΛΙ,Ο,

Alle \orstehend genannten Daten wurden bei 1093 C bestimmt. Ähnliche Ergebnisse wurden erhalten, wenn die Versuchstemperaturen 4'/, Stunden lang 81b C oder 982X betrugen.

r\- ~ u:i .„. .ι J-- —f—. r'iL-

bestand aus diskreten Metalloxidteilchen, die in der Mctallcgierungsgrundmassc im wesentlichen gleichförmig verteilt waren.

Beispiel III

Kobaltbasislegierungen mil den in Tabelle III angegebenen Zusammensetzungen wurden .ml die gleiche Weise geprüft wie die Werkstoffe der Tabelle I. Die Ergebnisse sinj in der Tabelle III angegeben.

Tabelle II!

Probe Werkstoff

Verschleißtiefe

25.9 % Cr. 14.2 % Ta.
7.74 % Al, 0.5 % Y.
0.8 %Si. 1.0% C,
Rest Co

25,3 % Cr. 8,6 % Ta.
11.1 % Al. 1,1 % Y,
0,78 %Si. 1.79% Mn.
3.0 % C. Rest Co

37.7 % Cr. 11.05 % Ta.
7.51 % Al. 0.7% Y,
0.93 % Si. 3.0 % C.
Rest Co

180 um

180 -Jim

25.2 %Cr. 11.0% Ta, 250 um

7,56 % Al, 0,86 % Y.
0.96% Si. 1,0% C.
Res! Co

25.9% Cr, 14,2% Ta, 130 v.m

7,74 % Al. 0.5 % Y.

0.8 % Si. 3.0 % C.

Rest Co

25.2 % Cr. I 1.0% Ta. 180 um

7,56 % Al. 0.86 % Y.

0.96 ", Si. 3.0 % C.

Rest Co

Die obigen Daten lassen erkennen, da U das überzugsmittel, das 37.7% Chrom enthielt, /u einem Verschleiß führte, der größer als für clic vorliegenden /wecke akzeptabel war. Der Verschleiß der anderen Werkstoffe war größer als im falle lies erfindungsgemii Ben Überzugsmittel«, gemäß den Tabellen I und II. was aiii Jon Aluminiumzusalz zurückzuführen ist. Der Verschleiß hielt sich jedoch in annehmbaren Grenzen: zugleich wurde eine größere Oxidationsfestigkeil erzielt, wie dies aus der weiter unten stehenden Tabelle V hervorgehl.

Beispiel IV

Kobaltbasislcgierungen mit den in Tabelle
angegebenen Zusammensetzungen wurden mif
gleiche Weise geprüft wie die Uber/ugsmiltel
Tabelle I. Die Ergebnisse sind in der Tabelle
zusammengestellt.

Tabelle IV

Probe WerUlnfT \ ,.^,hl.-.κι,,.Γ,.

(25.9". Cr. 14.2 % Ta. 90 um

7.74 ", Al. 0.5 ", Y.

0.8 " Si. 1.0 % C.

Rest Co) + 10 Gew.-'«

(30 Vol.-",.) Al-O-.
: (25.9 ",. Cr. 14.2 % Ta. KK) um

7.74 ", Al. 0.5 % Y.

0.8 % Si. 2.0 % C.

Rest Co) + IO Gew.-",,

(30 Vol.-%) AI_:O,
(25.9 ",-, Cr. 14.2 % Ta. 75 um

⁷.74 ■'.. Al. 0.5 % Y.

0.8 " Si. 3.0 % C.

Rest Co) + 10 Gew.-",,

(30 Vol.-,) Al-O-.

IV die der

Wie aus einem Vergleich der obigen Daten mit den Daten der Tabellen I. Il und III hervorgeht, verbessert die Zugabe von AI2O3 zu erfindungsgemäßen Überzugsmitteln, die Aluminium enthalten, den Verschleißwider-

größer als 300 um c, stand, so daß die Überzüge vergleichbar mit Zusammensetzungen ohne Aluminium werden. Der AljOj-Zusatz macht die Verschleißfestigkeit der Überzüge weniger empfindlich gegenüber dem Kohlenstoffgehalt. Die

IO

Daten der Tabelle IV wurden bei 1093 C und einer Luft bei K)OOC im Rahmen von vier Arbeitsspielen Versuchsdauer von 4^!/_> Stunden erhallen. Ähnliche ausgesetzt wurden, dk jeweils ungefähr 25 Stunden lang

waren. (Die Proben wurden nach 25 Stunden herausgenommen, auf Raumtemperatur gekühlt und dann erneut

Krgebnisse wurden bei 8IbC und 982 C erzielt. Heispiel V

auf 1000 C erhitzt.) Alle Überzüge wurden auf ein

Kin Oxidatiomsversuch wurde bei den Werkstoffen Substrat aus der obengenannten .Superlegierung aufge gemiiü Tabelle V durchgeführt, indem die Werkstoffe bracht und hatten eine Dicke von 250 μηι.

Tabelle V

l'rolic Werkstoff

4
S 6

X
'J

10

Dicke und Art der Oxid/undcrschiehl

katastrophal - Miseho.xide
größer als KK) μπι Mischoxide

.ils 13 λ ill

u η beschichtete Superlegierung gleich wie 1,-102 in Tabelle I bis auf ('-Gehalt von .1.0 7„

3 !,/ 'Vn Cr, i!!,j "·" ! .ι,

1,0 % C, 0.88 % Y. 1.78 % Mn. ().^l)7 7„ Si.

Rest Co

.11,7 % Cr. KU '"« Ta, .1.0 % C. O.SS ",'« Y, kleiner als 1.1 ;λπι CnO₁

1,78 % Mn. 0.97 ". Si. Rest Co

gleich wie bei .1 mil IO Gew.-"/,. (30 Vol.-" ) kleiner als 1.1 y.ni CnO₁

Al-O₁

gleich wie hei 4 mit K) Gew.-% (30 Vol.-"/,,) kleiner als 13 ;;.m CnO,

Al,O₁

25.9 % Cr, 14,2 % Ta, 7.74 % Al. 0.5 "/„ Y. kleiner als 13 y.m AU),

0,8 % Si, 1,0 % C. Rest Co

gleich wie bei 7 bis auf 3.0 "/« C kleiner als 13 μηι ALO₁

gleich wie bei 7 mit K) Gew.-% (30 Vol.-%) kleiner als 13 ;/.m ALO,

AIO₁

gleich wie bei 8 mit K) Gew.-'¹;, (30 Vol.-",·,,) kleiner als 13 ;/.m ALO₁

ALO₁

Die obigen Daten lassen erkennen, daß die aus einem erfindungsgemäßen Mittel hergestellten Überzüge eine wesentlich größere Oxidationsbeständigkeit als nichlbe-

hih Cl; I k I U kl

Aluminium eine zusammenhängende CnOi-Zunderschicht gebildet wurde. Bekanntlich sorgt Al₂Oi für eine

in wesentlich bessere Langzeitoxidationsbeständigkeit als

Überzüge haben. Obwohl die in den Tabellen I und Il mit L-102 bezeichneten Überzüge die gleiche Verschleißfestigkeit oder eine mit der Verschleißfestigkeit der Überzüge aus einem Mittel nach der Erfindung vergleichbare Verschleißfestigkeit haben, folgt aus der Tabelle V. daß hinsichtlich einer l.angzcitoxidation die Überzüge aus einem erfindungsgemäßen Mittel weit überlegen sind.

Überzüge aus einem erfindungsgemäüen Mittel, das Aluminium enthält, bildeten ferner eine zusammenhängende ALOj-Schicht aus. während bei Überzügen ohne aufweisende Überzug einen besseren Langzcit-I lochtemperaturschutz in korrodierender Umgebung.

Überzüge aus dem erfindungsgemäßen Mittel wurden auch im Plasmaauftragverfahren hergestellt. Ks wurden für im Plasmavcrfahren aufgetragene Werkstoffe ausgezeichnete Übcrzugsmikrogcfüge und Härtewerte erzielt. Beispielsweise hatte ein derart aufgebrachter Überzug aus 25.0 Gew.-% Cr, 7,0 Gew.-% Al. 0.7 5 G.-w.-% Y. 10.0 Gew.-"/« Ta. 0.7 Gew.-% C. 0.7 Gew.-% Si. Rest Kobalt, gemisch! mit 7 Gew.-% AI)O) eine Vickers-Härte von 614 kg/mm-.

Claims

Patentanspruch:

Mittel zur Herstellung eines hochtemperaturbeständigen, abriebfesten Überzugs, in Gewichtsprozent bestehend aus 17 bis 35 Chrom, 5 bis 20 Tantal, 0,5 bis 3,5 Kohlenstoff; gegebenenfalls bis 2 Yttrium oder ein Grammäquivalent an Sc'tenerdmetallen, bis 2^5 Silizium, bis 3 Mangan, 5 bis 14 Aluminium, 2 bis 50 Volumprozent Aluminiumoxid. Chromoxid, Berylliumoxid, Titandioxid, Siliziumdioxid, Thoroxid, Zirkoniumoxid, Tantaloxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid, Hafniumoxid, Yttriumoxid und Seltenerdoxide, oder Verbindungen oder Mischphasen dieser Oxide; und der Rest Kobalt.

Die Erfindung betrifft ein Mittel zur Herstellung eines hochtemperaturbeständigen, abriebfesten Überzugs.

Für den Schutz von Metallegierungssubstraten gegen Abrieb oder Korrosion in zahlreichen Umgebungen steht eine große Anzahl von Überzügen zur Verfugung. Diese Überzüge reichen von rein metallischen Überzügen zu rein keramischen Überzügen; zu ihnen gehören auch Cermetüberzüge, die einen hohen Volumanteil einer keramischen Phase in einem metallischen Gefüge haben. Eine der schwierigsten Umgebungen für den Schutz eines metallischen Substrats lieg! vor, wenn zu einer oxidierenden oder sulfidierendcn Hochlemperjturbeanspruchung eine mechanische Beanspruchung durch Reibung oder Stoß hinzukommt. Nur wenige Überzüge erwiesen sich bei dieser Art von Umgcbungsbedingungcn als erfolgreich, und praktisch kein Überzug wirkt dabei befriedigend, wenn die Temperatur einen Wen von ungefähr 980⁰C übersteigt. Innerhalb des relativ niedrigen Temperaturbereiches von bis zu 540⁰C oder 650⁰C werden Cermctüber/ügc aus Wolframkarbid mit einem Kobaltbindcmittcl in großem Umfang und sehr erfolgreich angewendet. Oberhalb dieser Temperaturen wird jedoch ein derartiger Überzug zu rasch oxidiert, um für ausgedehnte Zeiträume brauchbar zu sein. Ccrmctc haben ferner generell eine geringe Beständigkeit gegenüber Werkstoffermüdung und Stoßbeanspruchungen. Wolframkarbid oxidiert nicht nur sehr leicht, sondern bildet, wenn es einer Heißkorrosion (einem beschleunigten Sulfidicrungsangriff infolge des Vorhandenseins von Natriumsulfat oder ähnlichen Salzen), ein Natriumwolframal, das zu einer sehr aggressiven, katastrophalen Korrosion führt. Im mittleren Temperaturbereich wurde ein Überzug bestehend aus Chromkarbid in einem Nickcl-Chrom-Mctallgcfüge zahlreiche |ahre lang mit mäßi-.gem Frfolg bei Temperaturen bis zu ungefähr 980" C verwendet, wenn die Anforderungen hinsichtlich des Abriebes nicht übermäßig groß waren. Min Heispiel für den Einsatz eines solchen Überzuges sind Z-Niilen von Gasiurbiiienschaufeln bei Maschinen allerer Ausführung. I Im den ständig wachsenden Anforderungen an die Korrosionsfestigkeit und bessere Abriebfestigkeil bei wcilcrenlwickcllcn Maschinen /\\ erfüllen, wurde in lüiigerer /eil eine neue Klasse von Überzügen entwickelt (US-PS 3H b4 043). die aus einer Dispersion von harten Teilchen, beispielsweise Oxiden, in einem relativ kleinen Vohimanleil in Nickel-lüsen- oder Kobaltbasislcgieriingen bestehen. Hei noch stärkeren Abricbbcanspriiehungcn in korrodierenden Umgebungen ist insbesondere bei weiter gesteigerten Temperaturen diese Art von Legierungen im allgemeinen nicht ausreichend fest; das Gefüge neigt dazu, unter Druckoder Zugbeanspruchungen zu kriechen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mittel zu schaffen, das sich für die Herstellung von Überzügen eignet, die verbesserten Schutz bei hohen Temperaturen, korrodierender Umgebung und gleichzeitiger mechanischer Beanspruchung bieten.

in Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Überzugsmittel in Gewichtsprozent besteht aus 17 bis 35 Chrom, 5 bis 20 Tantal, 0,5 bis 3,5 Kohlenstoff; gegebenenfalls bis 2 Yttrium oder ein Grammäquivalent an Seltenerdmetallen, bis 2,5 Silizium, bis 3 Mangan, 5

π bis 14 Aluminium, und 2 bis 50 Volumprozent Aluminiumoxid, Chromoxid, Berylliumoxid, Titandioxid, . Siliziumdioxid, Thoroxid, Zirkoniumoxid, Tantaloxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid, Hafniumoxid, Yttriumoxid und Seltenerdoxide, oder Verbindungen oder

:ü Mischphasen dieser Oxide, und der Rest Kobalt.

Die Grundkomponente des Überzugsmittels ist eine Kobaltbasislegierung. Kobalt wurde wegen seiner guten mechanischen und thermischen Eigenschaften gewählt; es ist kompatibel mit den meisten Superlegierungen und

r> hat auch eine ausreichende Kompatibilität mit Eisenbasislegierungen bei niedrigeren Temperaturen. Unter Superlegierungen sollen vorliegend flächenzentrierte kubische Legierungen aus Eisen, Nickel oder Kobalt verstanden werden, die eine erhebliche Menge an

in Chrom und weniger als 1% Kohlenstoff sowie für gewöhnlich weniger als 0,1% Kohlenstoff enthalten; sie können ferner verschiedene zusätzliche Lcgierungsclemente aufweisen, um fur eine Mischkristallisicrung oder eine Ausscheidungsverfestigung zu sorgen. Kobalt

i". wurde in kleinen Volumanteilcn für Wolframkarbid-Kobald-Übcrzüge viele Jahre lang verwendet. Kobalt bildet auch die Grundlage für zahlreiche Hochtcmpcralur-Supcrlcgicrungcn. Eis ist bekannt, daß Kobalt im Vergleich zu Nickel oder Eisen eine bessere Hcißkorro-

W sionsbcständigkcit hai. Die derzeit bekannten Superlegierungen haben jedoch bei hohen Temperaturen eine sehr schlechte Abricbfesligkeit, selbst wenn sie mit verschiedenen Mischkristallen bildenden Vcrfcstigungsclcmenten, beispielsweise Wolfram oder Tantal, oder

■ti mit Ausscheidungsphasen, beispielsweise MC-, M_hC-odcr MjiCfc-Karbiden, verfestigt werden, wobei M ein Metall wie Wolfram, Molybdän, Tantal oder Chrom ist.

Der Chromzusatz, zu dieser Legierung kann nicht nur Karbide bilden und damit die Festigkeit des Überzuges

»o durch eine Ausschcidungsvcrfesligung erhöhen; es wird vielmehr auch für eine Heißkorrosions- und -oxidationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen gesorgt, indem CoOi-Zundcrschutzschichicn gebildet und Natriumsulfat sowie weitere in gewissen lleißkorrosions-

Vi Umgebungen entstehende Salze so weil modifiziert werden, daß sie weit weniger aggressiv gegenüber /undcrschuiz.schichlcn aus Chromoxid oder Aluminiumoxid und den darunterliegenden Substralen werden. Vorzugsweise wird mil einem Chromanteil von 28 bis 32

mi (icw.-% gearbeitet. Als brauchbar erwies sich ein Bereich von 17 bis 35 Gew. %. Ils wurde experimentell ermittelt, daß die Überzüge übermäßig spröd werden, wenn Chrom in Mengen über J5 Gcw.-% vorliegt. Andererseils haben Zusammensetzungen mil weniger

h"i als 17 C»cw.-% Chrom eine unzureichende Korrosionsbeständigkeit. IvS wurde gefunden, daß Tanlalzusiilze zu Legierungen eine l'estslofflosungs- oder Mischkrislallverfestigung bei hohen Temperaturen zur Folge haben