DE2816520C2

DE2816520C2 - Verwendung eines Hartmetalls

Info

Publication number: DE2816520C2
Application number: DE2816520A
Authority: DE
Inventors: Helmut Ing.(grad.) 6906 Leimen Haas; Peter Rudolf Dipl.-Ing. Dr. 6903 Neckargemünd Sahm
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1978-04-17
Filing date: 1978-04-17
Publication date: 1984-04-12
Also published as: GB2023175A; GB2023175B; DE2816520A1; JPS54139821A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines Hartmetalls als Hochtemperaturschutzschicht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Hochtemperaturschutzschichten dieser Art werden zum Schutz von Bauelementen vor Korrosion eingesetzt. Hierfür müssen diese Schichten selbst eine hohe Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen aufweisen und gleichzeitig eine gute mechanische und metallische Verträglichkeit gegenüber dem Schichtträger besitzen. Dies gilt insbesondere für Hochtemperaturschutzschichten von Gasturbinenschaufeln, bei denen die Schutzschicht direkt auf das Grundmaterial aufgetragen wird, um eine lange Lebensdauer dieser Gasturbinenschaufeln sicherzustellen.

Aus der DE-AS 11 36 495 ist ein Hartmetall bekannt, dessen Matrix 0,5 bis 5% Bor, 0,5 bis 90% Chrom und einen restlichen Anteil an Nickel aufweist, wobei in die Matrix eine harte Phase aus Chromborid eingelagert ist.

Von Nachteil ist hierbei, daß dieses Hartmetall als Hochtemperaturschutzschicht nicht geeignet ist, da es auf seiner Oberfläche keine schützende Deckschicht, beispielsweise aus Chromoxid, ausbildet, die als Schutz gegen die korrosive Einwirkung von Schwefel und Ölaschen wirkt.

Aus der DE-A3 24 18 607 Ist eine Hochtemperaturschutzschicht bekannt, welche durch eine Legierung bestehend aus 3 bis 15% Silizium, 10 bis 30% Chrom und bis zu 87% Nickel gebildet wird. Zusätzlich enthält die Legierung bis zu 37% Kobalt sowie 4% Bor und höchstens 1% Kohlenstoff. Die Schutzwirkung dieser Schicht beruht, wie dieser Druckschrift zu entnehmen ist, darauf, daß unter Betriebsbedingungen auf der Oberfläche der Schicht eine Chromoxidschicht gebildet wird.

Von Nachteil ist hierbei, daß diese Ilochtcmperaturschutzschicht nur einen sehr geringen Anteil an Chromborid aufweist. Wird diese Schicht hohen Temperaturen unter Betriebsbedingungen ausgesetzt, so bildet sich auf der Oberfläche die Chromoxidschicht, wobei die harte Phase, bestehend aus Chromborid, vollständig aufgelöst wird Kommt es durch die Einwirkungen von Korrosionen zu einem Abtragen der chromoxidhaltigen Deckschicht, so kann diese nicht nachgebildet werden.
! Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hart-

^r> metall so auszubilden, daß es als Korrosionsschutz für metallische Bauteile, die hoher Temperatur und starken Korrosionen ausgesetzt sind, verwendet werden kann.

Wird die erfindungsgemäß Hochiemperaturschutzschicht einer thermischen Belastung ausgesetzt, so

ίο kommt es auf der Oberfläche der Schutzschicht zur Ausbildung einer Chromoxiddeckschicht. Erfindungsgemäß ist die in der Matrix eingelagerte harte Phase aus Chromborid so bemessen, daß diese bei der Ausbildung der chromoxidhaltigen Deckschicht nicht aufgebraucht wird.

Das in die Matrix eingelagerte Chromborid löst sich nur sehr langsam auf und diffundiert an die Oberfläche, wo borhaltige Verbindungen gebildet werden. Das frei gewordene Chrom diffundiert ebenfalls, jedoch noch langsamer, an die Oberfläche der Hochtemperaturschutzschicht und bildet dort mit der oxidierend wirkenden Atmosphäre die gewünschte chromoxidhaltige Deckschicht, die den eigentlichen Korrosionsschutz bewirkt. Ein sehr großer Anteil der harten Phase aus Chromborid bleibt jedoch in der Matrix erhalten und dient als Spei-

-^!I> eher, der bei Bedarf Chrom abgibt, falls die Deckschicht durch Korrosionseinwirkungen abgetragen wird. Damit ist eine kontinuierliche Neu- und Nachbildung der Deckschicht möglich, so daß auftretende Defekte in der Deckschicht sehr rasch ausheilen, und zwar auch noch nach

w sehr langem Betriebseinsatz dieser Schicht. Der hohe Gehalt an feinem und homogen verteiltem Chromborid in der Matrix bewirkt unter anderem eine sehr schnelle Bildung der Deckschicht, und zwar so, daß sie schon sehr rasch eine ausreichende Dicke aulweist.

Erfindungsgemäß wird die Bildung der Deckschicht dadurch gefördert, daß die Matrix 50 bis 55 Gew.-% Nikkei, vorzugsweise 20 bis 25 Gew.-% Chrom sowie 3 bis 5 Gew.-« Bor enthält.
Eine weitere Verbesserung der Matrix ist auch dann

^w gegeben, wenn diese 0,5 bis 3 Gew.-%, vorzugsweise 0,5 bis 1,5 Gew.-%, mindestens eines der Elemente Wolfram, Molybdän oder Aluminium enthält. Des weiteren wirkt sich vorteilhaft aus, wenn die Matrix zusätzlich jeweils 0,2 bis 2 Gew.-%, vorzugsweise 0,4 bis 1 Gew.-%, Zirko-

^4r> nium 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 die Cr₂Oi-Deckschicht besonders schnell gebildet und die

^r'° Ausheilung von Deckschichtdefekten über lange Zeiträume gewährleistet. Hierbei bewährt sich auch, wenn das Chromborid eine Teilchengröße von 5 bis 10 um aufweist.
Für eine Untersuchung wurde eine Hochtemperatur-

" schutzschicht mit folgender Zusammensetzung gewählt:

Cr

Si

Fe

63,6

47,6

22,3
18,8

5,5
22,3

4,1
6,4

4,1
3,2

0,4

1,7

Gew.-% At.-%

Die untersuchte Hochtemperaturschulzschicht wurde in einer Dicke von etwa 0,2 mm aul einer Turbinenschaufel mit Hilfe des Plasmasprltzverlahrens aulgebracht, andere Aulbringungsmögllchkeiten, wie z. B. Thermo-Spray-Sprltzen, Detonalionssprilzen oder

Vakuum-Plasma-Spritzen sind ebenfalls möglich. Anschließend wurde die beschichtete Schaufel im Vakuumofen bei 10-' bis 10~⁵ 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 Hochtcmperaturschutzschich· wurde nun gefunden, daß bei Beaufschlagung der Schaufel mit schwefelhaltigem Verbrennungsgas einer Temperatur von 900° C nach 2000 Betriebsstunden keinerlei Korrosionen oder Rißbildungen an der Schutzschicht auftraten.

Claims

Patentansprüche:

1- Verwendung eines Hanmetalls aus 50 bis 80 VoI.-⁰^ Chromborid mit einer Teilchengröße von 3 bis 15 μιη und einer Bindelegierung aus 40 bis 70 Gew.-% Nickel, 15 bis 30 Gew.-'io Chrom und 3 bis 6 Gew.-% Bor. bezogen auf das Gesamtgewicht, als Hochtemperaturschutzschicht, die bei thermischer -Belastung eine Cr,O,-Deckschicht bildet.
2. Verwendung nach Anspruch 1, mit der Maßgabe, daß die Bindelegierung zusätzlich 0,5 bis 3Gew.-%, insbesondere 0,5 bis l,5Gew.-%, mindestens eines der Metalle Wolfram, Molybdän oder Aluminium enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.
3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, mit der Maßgabe, daß die Bindelegierung zusätzlich 0,2 bis 2Gew.-%, insbesondere 0,4 bis 1 Ge\v.-%, mindestens eines der Metalle Zirkonium, Yttrium oder Hafnium enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.
4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf Gasturbinenschaufeln.