DE2816520A1

DE2816520A1 - Hochtemperaturschutzschicht

Info

Publication number: DE2816520A1
Application number: DE19782816520
Authority: DE
Inventors: Helmut Ing Grad Haas; Peter Rudolf Dipl Ing Dr Sahm
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1978-04-17
Filing date: 1978-04-17
Publication date: 1979-10-25
Also published as: JPS54139821A; GB2023175B; GB2023175A; DE2816520C2

Description

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BROWN, BOVERI & CIE ■ AKTIENGESELLSCHAFT

MAN NHEIM BRU¹AM tCi/ΕΓ,Ι

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Mp.-Nr. 535/78 .Mannheim, den H. April 1978

ZFE/P1-Wg/Bt

Hochtemperatur schutzschicht

Die Erfindung betrifft eine Hochtemperaturschutzschicht-, insbesondere für eine Gasturbinenschaufel, auf der Basis von Nickel, Chrom und Bor.

Hochtemperaturschutzschichten dieser Art werden zum Schutz von Bauelementen vor Korrosion eingesetzt. Hierzu müssen diese einerseits eine hohe Korrosionsbeständigkeit selbst bei hohen Temperaturen aufweisen und gleichzeitig jedoch eine gute mechanische und metallkundliche Verträglichkeit gegenüber dem Schichtträger (Grundmaterial) besitzen. Dies gilt insbesondere für Hochtemperaturschutzschichten von Gasturbinenschaufeln, da die gewünschte lange Lebensdauer solcher Schaufeln in erster Linie von ihrer Korrosionsbeständigkeit abhängt.

Die Schutzwirkung der eingangs genannten Hochtemperaturschutzschichten beruht darauf, daß diese beim Korrpsionsangriff Korrosionsprodukte in Form von Deckschichten bilden, welche korrosionsfest sind und die Oberfläche gleichmäßig, homogen, dicht und dauerhaft bedecken und so vor weiterem Angriff schützen. Diese Deckschichten, die Cr₂O, enthalten, sind mit der Schutzschicht sowohl chemisch-metallkundlich als

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auch mechanisch gut verträglich und unempfindlich gegenüber |

schockartiger thermischer und/oder mechanischer Beanspruchung, i Darüber hinaus sind Cr₂O,-enthaltende Deckschichten gegenüber ! einem Angriff schwefelhaltiger Öaskomponenten widerstandsfähig,; was insbesondere beim Einsatz solcher Schutzschichten für Gasturbinenschaufeln von Bedeutung ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Hochtemperaturschutzschicht der vorgenannten Art anzugeben, die eine ! Cr₂C).,-Deckschicht bildet, welche bei hoher Korrosionsfest ig- ■ keit eine lange Lebensdauer aufweist, insbesondere soll die · Deckschicht gegenüber schwefelhaltiger Atmosphäre beständig ' und somit für Gasturbinenschaufeln geeignet sein. Darüber i hinaus soll sowohl die Deckschicht als auch die Hochtemperaturschutzschicht den thermischen und mechanischen Belastungen, ■ welchen solche Schutzschichten ausgesetzt sind, in hohem i Maße gewachsen sein. j

Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Matrix mit 40 bis 70 Gew.# Nickel, 15 bis 30 Gew.^ , Chrom sowie 3 bis 6 Gew.$ Bor, bezogen auf das Gesamtgewicht, in welcher Chrombor id in Mengen von 50 bis 80 YoI. fo_r bezogen auf das Gesamtvolumen der Legierung mit einer Teilchengröße von 3 bis 15 Mikrometer eindispergiert ist.

Bei thermischer Belastung der Hochtemperaturschutzschicht löst sich das Chromborid zunächst langsam auf und diffundiert an die Oberfläche, wo borhaltige Verbindungen gebildet werden. Das frei gewordene Chrom diffundiert ebenfalls, jedoch langsamer, an die Oberfläche der Hochtemperaturschutzschicht und bildet dort mit der oxidierend wirkenden Atmosphäre die gewünschte Cr₂O,-Deckschicht, die den eigentlichen Korrosionsschutz bewirkt.Der hohe Gehalt an fein und homogen verteiltem

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Chromborid in der Matrix bewirkt nicht nur eine sehr schnelle Bildung einer Deckschicht von mindestens ausreichender Dicke, sondern bewirkt zusätzlich, daß auftretende Defekte der Deckschicht sehr rasch ausheilen und zwar auch noch nach sehr langen Betriebszeiten dieser Schichten.

Die Bildung der Deckschicht kann weiter dadurch gefördert werden, daß die Matrix 50 bis 55 Gew.% Nickel, vorteilhaft 20 bis 25 Gew.$ Chrom sowie vorteilhaft 3 bis 5 Gew.$ Bor enthält.

Eine weitere Verbesserung der Matrix ist auch dann gegeben, wenn diese 0,5 bis 3 Gew.$, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 Gew.$ mindestens eines der Elemente Wolfram, Molybdän oder Aluminium enthält. Desweiteren wirkt sich vorteilhaft aus, wenn die Matrix zusätzlich jeweils 0,2 bis 2 Gew.^, vorzugsweise 0,4 bis 1 Gew.$ Zirkonium und/oder Yttrium und/oder Hafnium enthält.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, daß Chromborid in einer Menge von 55 bis 65 Vol.$ eindispergiert ist. Hierdurch wird diß Cr₂O₅-DeCkschicht besonders schnell gebildet.und die Ausheilung von Deckschicht-Defekten über lange Zeiträume gewährleistet. Hierbei bewährte es sich auch, wenn das Chromborid eine Teilchengröße von 5 "bis 10 Mikrometer aufweist.

Für eine Untersuchung wurde eine Hochtemperaturschutzschicht mit folgender Zusammensetzung gewählt.

Ni	Cr	B	Si	Fe	C	Ge w. # At 4"
63,6 47,6	22,3 18,8	5,5 22,3	4,1 6,4	4,1 3,2	0,4 1,7

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ZFE/P 4 F 1 (67UB00O/KE)

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Die Hochtemperaturschutzschicht war in einer Stätke von etwa 0,2 mm auf einer Turbinenschaufel mit Hilfe des Plasma-Spritzverfahrens aufgebracht, andere Aufbringungsmöglichkeiten, wie z.B. Thermo^spray-Spritzen, Detonationsspritzen oder Vakuum-Plasmaspritzen sind ebenfalls möglich. Anschließend wurde die beschichtete Schaufel im TTakuumofen bei 10 bis 10""* mbar einer Wärmebehandlung von etwa 2 Stunden bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1100⁰C unterworfen, die Wärmebehandlung könnte ebenfalls in inerter Ofenatmosphäre oder in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden.

Bei Versuchen mit einer derart auf einer Turbinenschaufel aufgebrachten Hochtemperaturschutzschicht wurde nun gefunden, daß bei Beaufschlagung der Schaufel mit schwefelhaltigem Verbrennungsgas von 90O⁰C über 2000 Betriebsstunden keinerlei Korrosionen oder Rißbildungen an den Deck- bzw. Schutzschichte' auftraten.

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ΖΓΕ/Ρ 4 F 1 (67ΙΪ8000/ΚΕ)

Claims

2.

3.

4.

5.

Patentansprüche

Hochtemperaturschutzschicht, insbesondere für eine Gasturbinenschaufel, auf der Basis von Nickel, Chrom und Bor, gekennzeichn.et durch eine Matrix mit 40 bis 70 Gew.5 Nickel, 15 bis 30 Gew.$ Chrom sowie 3 bis 6 Gew.$ Bor, bezogen auf das Gesamtgewicht, in welcher Chromborid in Mengen von 50 bis 80 Yol.fo, bezogen auf das Gesamtvolumen der legierung, mit einer Teilchengröße von 3 bis 15 Mikrometer ..eindispergiert ist.

Hochtemperatur schutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix 50 bis 55 Gew.$ Nickel enthält.

Hochtemperaturschutzschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix 20 bis 25 Gew.$ Chrom enthält.

Hochtemperaturschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix 3 bis 3 Gew,$ Bor enthält.

Hochtemperaturschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix 0,5 bis 3 Gew.^, vorteilhaft 0,5 bis 1,5 Gew.^ mindestens eines der Elemente Wolfram, Molybdän oder Aluminium enthält.

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6. Hochtemperaturschutzschicht nach einem der Ansprüche

1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix jeweils 0,2 bis 2 Gew.^, vorteilhaft 0,4 bis 1,0 Gew.^ Zirkonium und/oder Yttrium und/oder Hafnium enthält.

7. Hochtemperaturschutzschicht nach einem der Ansprüche

1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Chromborid in einer Menge von 55 bis 65 VoI.^ eindispergiert ist.

8. HoDhtemperaturschutzschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Chromborid eine Teilchengröße von 5 bis 10 Mikrometer aufweist.

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