DE3103129A1 - Thermisch belastbares maschinenteil und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Thermisch belastbares maschinenteil und verfahren zu dessen herstellung

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DE3103129A1
DE3103129A1 DE19813103129 DE3103129A DE3103129A1 DE 3103129 A1 DE3103129 A1 DE 3103129A1 DE 19813103129 DE19813103129 DE 19813103129 DE 3103129 A DE3103129 A DE 3103129A DE 3103129 A1 DE3103129 A1 DE 3103129A1
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aluminum
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Bulten Kanthal AB
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Description

Buiten-Kanthai AB A 37 015-ko
Haistahammar, Schweden
THERMISCH BELASTBARES MASCHINENTEIL UND VERFAHREN ZU DESSEN HERSTELLUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein thermisch belastbares Maschinenteil sowie auf ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 7. Ein derartiges Maschinenteil kann beispielsweise die Austritts- oder Leitschaufel eIner. Gasturbine sein und dient zum Einsatz In einer Heißgasatmosphäre insbesondere unter dynamischer mechanischer Beanspruchung..
Gasturbinenteile sind Im Betrieb einer extrem hohen Belastung ausgesetzt, die durch das Zusammenwirken der durch die hohen Gasdrucke und Drehzahlen erzeugten mechanischen Kräfte einerseits und der erhöhten und sich rasch ändernden Temperaturen andererseits bedingt Ist. Zur Erzielung immer höherer Wirkungsgrade müssen die beteiligten Werkstoffe dieser Belastung standhalten und damit gegenüber hohen Temperaturen, Korroslonssowie Erosionseinflüssen beständig sein.
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Der vorstehend genannten Forderung steht zunächst entgegen, daß die Hochtemperaturfestigkeit der auf Stahl, Nickel und Kobalt basierenden klassischen Werkstoffe ab 850 bis 900°C drastisch abnimmt. Damit scheiden diese Werkstoffe für Einsatzzwecke oberhalb dieser Temperaturgrenze grundsätzlich aus und können als solche auch nicht wesentl ich für den genannten Zweck verbessert werden.
Aus den erwähnten Gründen wurde nach anderen Wegen gesucht, um einen Werkstoff für einen Einsatz bei diesen höheren Temperaturen oberhalb 850 bis 900 C zu finden. Ein bekanntes Beispiel für ein solches thermisch belastbares Material 1st das sogenannte "Cermet11 ( ein Cermetal 1 ), was ein äußerst zerbrechlicher Metal 1-Keramik-Werkstoff ist, dessen keramische Phase im wesentlichen aus zerbrechlchen Karbiden oder Oxiden besteht. Des weiteren besitzen bestimmte Molybdänlegierungen eine Temperaturfestigkeit bis zu 1200°C. Während Jedoch CermetalIe von Natur aus spröde sind, sind Molybdänlegierungen nicht in ausreichendem Maße oxidationsbeständig und können diesbezüglich auch nicht durch Legierungstechniken verbessert werden.
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Die dargelegte Schwierigkeit bei der Suche nach einem Werkstoff mit den gewünschten Hochtemperatureigenschaften hat In Jüngster Zelt dazu geführt, daß die beanspruchte Materialoberfläche mit einer Schutzschicht versehen wird, welche auf verschiedene Weise, beispielsweise durch mechanisches Plattieren, Diffusion, chemisches Plattieren, elektrolytisches Plattieren, Tauchbaden, Spühen und Emaillieren hergestellt werden kann.
Zum Schutz von Gasturbinen bei hohen Temperaturen ist speziell vorgeschlagen worden, durch Aufsprühen beispielsweise von Zirkoniumoxid verschiedene Hochtemperaturmäntel herzustellen. Wie aus dem Vortrag "ZrO„ coatings on NIMONIC alloys" von J.M. NIjpjes auf dem 6. Plansee-Seminar 1968 über Hochtemperaturmaterialien ( Tagungsbericht Seite 481 ff. ) hervorgeht, bestand das gesetzte Ziel darin, die Betriebstemperatur einer Industriellen Gasturbine von etwa 1200°C auf etwa 14000C zu steigern. Als Ausgangswerkstoff wurde NIMONlC 115 verwendet C NIMONIC Ist eine Warenbezeichnung für eine Legierung aus 18% Cr, 5,2% Mo, 2,3% Ti, 0,8% Al, 38% Ni und Rest Eisen ), was eines der amstärksten auf Nickelbasis legierten vorhandenen Werkstoffe darstellt. Die maximale
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Temperatur für diese Legierung beträgt 10000C, so daß sie für einem Einsatz bei höheren Temperaturen geschützt werden muß.
Nach dem letztgenannten Vorschlag wurde eine etwa 1mm starke Zirkoniumoxid-Schicht durch Sprühen C zunächst durch Plasmasprühen und dann durch Flammsprühen ) auf den Ausgangswerkstoff aufgebracht. Bei dieser Sprühfolge erweist sich die Porosität der flammgesprühton Schicht höher als die der plasmagesprühten Schicht. Der Verfasser weist eigens darauf hin, daß die 1mm starke Zirkoniumoxidschicht die Konstruktion von Gasturbinen mit einer Eintrittstemperatur zwischen 1200 und 1400 C gestatte, es jedoch Schwierigkeiten aufgrund der rauhen Oberfläche und der Porosität der Oxidschicht gäbe.
In der gleichen Literaturstelle berichtet J.D. Gadd in dem Aufsatz "Corrosion resistant coating for refractory metals and super-alloys" ( Seite 803 ) u.a. über eine Vakuumdiffus lon von Alumlnid In Nickellegierungen. Während dieses Prozesses wird in erster Linie B-NiAl gebildet.
Eine weitere Möglichkeit zum Beschichten einer Turbinenschaufel besteht In der Vakuumbeschichtung, wie auf Seite
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854 der gleichen Literaturstelle von A.M. Shroff In dem Aufsatz "Vapor deposition on refractory metals" ausgeführt Ist. Die bei diesem Verfahren aufgebrachten Schichten sind sehr dünn und zeigen andererseits eine hohe Dichte von 98,5 bis 991 des theoretisch erzielbaren Wertes 1, so daß sie gasdicht gemacht werden können.
Des weiteren ist In der SW-OS 345 146 vom 15.05.1972 die Herstellung dünner Schichten mittels Vakuumbeschichtung beschrieben. Die dort erwähnte Oberflächenschicht besteht aus 20 bis 50% Cr, 10 bis 20% Al, 0,03 bis 2% Y C oder einer oder mehrerer der seltenen Erden ) und restlichem Elsen. Die Schichtstärke Ist sehr gering ( etwa 0.07mm ), wodurch die Oberflächenschicht nicht in der Lage Ist, stets das beschichtete Maschinenteil ausreichend gegen Wärmeschocks zu schützen. Ferner neigt das in der Oberflächenschicht enthaltene Aluminium zum Diffundieren In das Trägermaterial, so daß die Schutzwirkung dieser Schicht zeltlich begrenzt ist. Um eine annehmbare Schutzdauer zu gewährleisten, muß der Al-Anteil bet wenigstens 10 Gew.-% und darüber liegen, beispielsweise bei 12 bis 14 Gew.-ξ.
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Im Gegensatz dazu bezieht sich die vorliegende Erfindung auf das Aufbringen einer Schutzschicht durch sogenanntes' thermisches Sprühen. Es wurde bereits vorgeschlagen, eine Schicht der Zusammensetzung Ni-Cr-B, Nl-Si-B oder Al-Si-Cr zu sprühen. Derartige Schutzschichten sind zwar duktil und mechanisch schlagfest, doch besitzen sie einen geringen Wärmeleitungswiderstand. Ferner weisen diese Schichten eine geringe Erosionsfestigkeit auf, während sie wiederum eine Oxidationsbeständigkeit bis mindestens 1000 - 1100°C besitzen können.
In der DE-PS 2 842 848 vom 19.04.1979 ist ferner der Vorschlag gemacht worden, zur Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit von Supei—Legierungen eine Schicht der Zusammensetzung M-Cr-Al-Y aufzusprühen, wobei M ein Element aus der Gruppe Nl, Co und Fe ist und eine bevorzugte Zusammensetzung 10 bis 40% Cr, 8 bis 30% Al sowie o,1 bis 51 Y bei 5 bis 85% verteilten ChromkarbldteIIchen aufweist. Eine durch Plasmasprühen aufgebrachte Schicht blieb 500 Stunden lang bei einer Temperatur von 927 C bruchfrei. Schließlich ist In der US-PS 4 145 481 vom 20.03.1979 eine mittels he Iß-I sostatischem Pressen hergestellte Schicht für beispielsweise eine Gasturbine beschrieben. Auch hler Ist eine Schicht der Zusammensetzung Co-Cr-Al-Y angegeben, die mittels Plasmasprühen aufgebracht wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein thermisch belastbares Maschinenteil sowie ein Herstellungsverfahren hierfür zu schaffen, welches auch bei großen Temperaturschwankungen eine gute Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen, eine gute Oxidations- und ErosionsbeständigkoIt selbst bei Anwesenheit stark korrosiver Gase sowie eine ausgezeichnete Festigkeit sowohl bei statischer als auch dynamischer Belastung, insbesondere starken Schwingungen aufweist.
Diese Aufgabe.wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 C Maschinenteil ) bzw. 7 C Verfahren ) gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Maschinenteils gemäß Anspruch 1 ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 6.
Wie aus den Verfahrensansprüchen 7 bis 10 hervorgeht, erfolgt die. Herstei1ung des erfindungsgemäßen Maschinenteils in bevorzugter Weise durch Flamm- oder Lichtbogensprühung einer Legierung der erfindungsgemäßen Zusammensetzung, vorzugsweise in Form eines Gespinstes. Ferner kann durch anschließende mechanische Behandlung der Oberflächenschicht, z.B. durch Schleifen oder Polieren, die Korrosionsbeständigkeit noch welter erhöht werden.
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Die zur Bildung der Oberf1ächenschIcht bei dem erfindungsgemäßen Maschinenteil verwendete Materialzusammensetzung umfaßt sowohl einen Legierungsbestandteil als auch eine kleinere Menge eines Oxldbestandteils. Der Legierungsbestandteil umfaßt C in Gew.-% ) 1 bis 12% Al, vorzugsweise 3 bis 8% Al, 10 bis 30% Cr, geringe Mengen eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe SI, Mn, Co, Y und Hf sowie restliches Elsen, wohingegen der Oxidbestandteil Al„0, .sowie gegebenenfalls ein oder mehrere Oxide der übrigen Metalle des Legierungsbestandteils aufweist.
Der Oxldbestandteil der Oberflächenschicht sollte nicht über etwa 5 Vol.-% hinausgehen, während die Porosität der Oberflächenschicht nicht mehr als %%, vorzugsweise 1 bis *♦ % betragen sollte.
Die Struktur der Oberflächenschicht ergibt sich aus der beigefügten Abbildung, welche ein Mikroskopbild einer zusammengesetzten Schicht 1 zeigt, die auf einen aus einer Fe-Ci—Nl-Legierung bestehenden Kernkörper 2 aufgesprüht wurde. Die Vergrößerung des Mikroskopbildes beträgt etwa das 120-fache. Die Poren und der Oxidbestandteil der Oberflächenschicht bilden längliche, wellenförmige, schmale Zonen C entsprechend den geschwärzten Linien auf dem Mikroskopbild ), welche Im
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wesentlichen parallel zu der Berührungsfläche zwischen der Schicht 1 und dem Kernkörper 2 bzw. der Oberfläche der Schicht 1 verlaufen, derart, daß sie den Legierungsbestandteil teilweise umgeben oder bedecken. Die Stärke dieser Zonen beträgt bis zu maximal 2,um und Hegt normalerweise bei etwa 0,1 bis 0,5/Um.
Bislang strebte man bei der Beschichtung von Gasturbinenschaufeln mit Fe-Ct—Al-Legierungen beispielsweise mittels Vakuumbeschichtung an, sehr dünne Oberflächenschichten zu erzielen. Erfindungsgemäß wird Jedoch vorgeschlagen, daß die Oberflächenschutzschicht mit verhältnismäßig großer Dicke aufgesprüht wird, nämlich zumindest mit 0,15 mm, vorzugsweise 0,3 bis 3,0 mm C die restliche Stärke nach einer gegebenenfalls vorgenommenen mechanischen Oberflächenbehandlung ). Diese Maßnahme führt zu einem Wärmeschild, da die Oberflächenschicht eine geringere Wärmeleitfähigkeit besitzt als die warmfeste Legierung, welche normalerweise den Kernkörper 2 bildet. Als Legierungsmaterialien kommen Chromstahl mit 13% Cr, Nickel-Chromstahl mit 18% Cr und 8% Ni, Legierungen der Warenbezeichnungen NIMONIC 75, HASTELLOY X,.INCONEL 600, INCOLOY 800 und ähnliche Werkstoffe In Betracht. Der Wärmeschild schützt das
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Kernkörpermaterial gegen zu hohe Temperaturen sowie, was von größter Bedeutung 1st, gegen. Wärmeschocks.. Auf diese Welse dämpft der Wärmeschild rasche Temperaturänderungen, wobei Brüche Infolge von thermischen Schocks In stärkerem Maße als bisher vermieden werden können. Der Wärmeschild Ist ganz besonders wirksam, da die Wärmeleitfähigkeit der Oberflächenschicht in OberflächenquerrIchtung geringer 1st als in der Ve?— laufsrIchtung, was sich aufgrund des wellenförmigen Aufbaus der zusammengesetzten Oberflächenschicht 1 ergibt und der Oberflächenschicht eine anisotrope Struktur verleiht, wie aus dem Mikroskopbild gut ersieht 1 Ich Ist.
Eine ziemlich dicke Oberflächenschicht, wie dies erfindungsgemäß vorgesehen Ist, besitzt ferner eine gute Absorptionsfähigkeit bezügl Icfr Schwingungen, wodurch die dynamische Festigkeit noch weiter erhöht wird. Entsprechend gut Ist auchdle Geräuschdämpfung einer derartigen Dickschicht.
Der Sprühvorgang erfolgt auf an sich bekannte We I se mittels einer Flammsprühvorrichtung oder einer Llchtbogensprühvorrichtung, wie sie beispielsweise In der SW-PS 78 07 523-1 beschrieben Ist.
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Vorzugswelse wird für den Legierungsbestandteil ein Gespinst der vorstehenden Zusammensetzung verwendet. Der Sprühvorgang erfolgt unter einer geringen, gesteuerten Oxidation unter Verwendung eines Treibgases wie z.B. Argon. Dabei bilden sich das zusammengesetzte Mater IaI und die die Legierungskristalle teilweise umgebenden Zonen spontan. Der Durchmesser der Gespinstfasern beträgt 1,5 bis 5 mm, vorzugsweise 2,0 bis 2,5 mm, wobei der Jeweilige Wert unter Berücksichtigung der gewünschten Schichtdicke gewählt wird.
Falls das Maschinenteil sehr hohen Temperaturen ausgesetzt werden soll, sollte die aufgesprühte Oberflächenschicht mechanisch nachbehandelt werden, um eine mögliehst glatte Oberfläche zu erzielen. Eine solche Behandlung kann durch Schleifen oder Polieren erfolgen, wobei normalerweise etwa 0,2 bis 0,3 mm Schichtdicke abgetragen werden . Wie bereits erwähnt wurde, sollte die restliche Schichtdicke der Oberflächenschicht 1 mindestens 0,15 mm betragen. Aufgrund der besseren Oberflächenglätte, nämlich maximal RA5, läßt sich eine gute Korrosions- und Erosionsbeständigkeit erzielen, Die Härte der Oberflächenschicht 1 liegt bei etwa 230 HB,
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Zur Erzielung einer ausreichenden Haftung zwischen dem Kernkörper 2 und der Oberflächenschicht 1 ist es In manchen Fällen erforderlich, zuerst auf den Kernkörper 2 eine sehr dünne Haftschicht beispielsweise aus Nickel-Alumlnium oder Kupfer aufzusprühen und erst anschließend die zusammengesetzte Oberflächenschicht aufzusprühen. Eine derartige Haft- oder Zwischenschicht wirkt ferner der Diffusion beispielsweise von Stickstoff und Aluminium zwischen die Oberflächenschicht 1 und den Kernkörper 2 entgegen. Bei zu großem Unterschied Im Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kernkörpers 2 und der zusammengesetzten Oberflächenschicht 1 ist es In gleicher Welse günstig, durch Aufbringen zumindest einer Zwischenschicht einen sukzessiven übergang zwischen den beschichteten und den Schichtmaterialien zu schaffen. Im dargestellten Beispielsfall haben der Kernkörper 2 und die Oberflächenschicht 1 annähernd gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten von 19x10 C bzw.14x10 0C, so daß dort eine Zwischenschicht nicht erforderlich Ist.
Es hat steh gezeigt, daß die erfindungsgemäß beschichteten Körper in einer oxidierenden Atmosphäre bei Temperaturen bis zu etwa 13500C korrosionsbeständig sind.
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Mit Ausnahme von Gasturbinenschaufeln kann die Beschichtung mit Hilfe verschiedener Aufbringungsmethoden erfolgen. Es wurden praktische Versuche mit Beschichtungen In Verbrennungskammern von (Innen-)VerbrennungsmaschInen, mit Schutzschichten auf Molybdänelektroden und mit Korrosionsschichten auf Gebläseschaufeln von Schmelzöfen erfolgreich durchgeführt. Der erfindungsgemäß her— gestellte Werkstoff wurde ferner Im Verdampfer eines Dampfkraftwerkes geprüft, wobei die Oberflächenschicht über einen Zeitraum von 7000 Stunden einer Atmosphäre mit 1000 ppm SO- und einer Temperatur zwischen etwa 800 und 900 C ausgesetzt wurde. Die anschließend gemessene Korrosionstiefe betrug lediglich 50,Um.
Als Träger für die erfindungsgemäße Oberflächenschicht kann eine Vielzahl metallischer Werkstoffe verwendet werden, beispielsweise Weichstahl, Molybdän, Chromstahl, Chrom-Nickel stahl swowie folgende, mit ihrem Warennamen angegebene Werkstoffe: KANTHAL, NIKROTHAL, KANTHAL SUPER, INCOLOY, HASTELLOY, INVAR, NIMONIC, INCONEL usw..
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13aO52/OA93

Claims (1)

  1. BuIten-Kanthal AB A 37 015-ko
    Hal 1stahammar, Schweden
    THERMISCH BELASTBARES MASCHINENTEIL UND VERFAHREN ZU DESSEN HERSTELLUNG
    Patentansprüche
    1. ) Thermisch belastbares Maschinenteil, beispielsweise Austrittsschaufel oder Leitschaufel einer Gasturbine oder dergleichen, zur Verwendung in einer Heißgasatmosphäre, insbesondere unter dynamischer mechanischer Beanspruchung, mit einem aus warmfestem Material bestehenden Kernkörper, gegebenenfalls wenigstens einer Zwischenschicht und einer darauf aufgebrachten Obei— flächenschicht aus einer Eisen-Chrom-Aluminlum-Legierung, dadurch gekennzeich net, daß die Oberflächenschicht aus einem zusammengesetzten Material mit einer Porosität bis zu 8 Vol.-% besteht und einerseits einen Legierungsbestandteil mit 1 bis 12% Aluminium, Vorzugs-
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    weise 3 bis 8| Aluminium, 10 bis 30% Chrom, geringen Anteilen eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe Si, Mn, Co, Y und Hf, sowie restlichem Elsen und andererseits einen kleineren Anteil eines Oxidbestandteils aus Al„0, und gegebenenfalls einem oder mehreren Oxiden der übrigen Metalle des Legierungsbestandteils aufweist, wobei die Poren und der Oxidbestandteil längliche, schmale Zonen bilden, weiche den Legierungsbestandteil teilweise umgeben oder bedecken.
    2. ■ Maschinenteil nach Anspruch 1, dadurch
    ge'kennze i chnet , daß die länglichen, schmalen Zonen wellenförmig ausgebildet sind und sich in Hauptrichtung im wesentlichen parallel zur Oberfläche der Oberflächenschicht erstrekken.
    3. Maschinenteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxldbestandtell der Oberflächenschicht bis zu 5 Vol.-% ausmacht.
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    ^. Maschinenteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Porosität der Oberflächenschicht 1 bis ^ Vol.-% ausmacht.
    5. Maschinenteil nach einem der Ansprüche 1 bis h, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Dicke der Oberflächenschicht wenigstens 0,15 mm beträgt.
    6. Maschinenteil nach Anspruch 5, dadurch
    gekennzei chnet, daß die Dicke der Oberflächenschicht 0,3 bis 3,0 mm beträgt.
    7. Verfahren zum Herstellen eines Maschinenteils,
    insbesondere einer Austrittsschaufel oder einer Leitschaufel einer Gasturbine oder dergleichen, zur Verwendung ?n einer Heißgasatmosphäre, insbesondere unter dynamischer mechanischer Beanspruchung, bei dem eine Oberflächenschicht, die Im wesentlichen aus einer Elsen-Chrom-Aluminium-Legierung besteht, auf einen aus warmfestem Material bestehenden Kernkörper gegebenenfalls
    unter Anbringung wenigstens einer Zwischenschicht
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    aufgesprüht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufsprühen der Ober— flächenschlcht mittels Flamm- oder Lichtbogensprühung von einer Legierung erfolgt, welche aus 1 bis 121 Aluminium, vorzugsweise 3 bis 8% Aluminium, 10 bis 30% Chrom, geringen Anteilen eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe SI, Mn, Co, Y und Hf sowie restlichem Eisen besteht, wobei der Sprühvorgang unter einer geringen, gesteuerten Oxidation erfolgt, derart, daß sich eine Oberflächenschicht mit bis zu 8 Vol.-% Poren und mit einem Legierungsbestandteil der genannten Zusammensetzung auf der einen Seite und mit einem geringen Anteil eines Oxidbestandteils aus Al_0, sowie gegebenenfalls einem oder mehreren Oxiden der übrigen Metalle des Legierungsbestandteils auf der anderen Seite aufweist, und wobei die Poren und der Oxidbestandteil längliche, schmale Zonen bilden, welche den Legierungsbestandteil teilweise umgeben oder bedecken.
    8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch g e kennze Ichnet, daß die Legierung in Form
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    _ C —
    eines Gespinstes ausgebildet fst.
    9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch g e kennze i chnet, daß der Gespinstfaserdurchmesser 1,5 bis 5 mm, vorzugsweise 2,0 bis 2,5 mm beträgt.
    10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9 , dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Oberflächenschicht nach dem Sprühvorgang fertig bearbeitet wird, derart, daß eine geringere OberflächenrauhIgkeit erzielt wird.
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