DE3139219C2 - Anwendung des Plasmaspritzens auf die Herstellung eines Gegenstandes aus einer hochwarmfesten Legierung - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist die Anwendung gemäß Anspruch 1. Nach dieser Anwendung hergestellte Teile haben einzigartige Mikrostrukturen und folglich neue Kombinationen physikalischer Eigenschaften, die den physikalischen Eigenschaften von Teilen aus den gleichen Legierungszusammensetzungen, nach anderen Methoden hergestellt, überlegen sind. Mit der erfindungsgemäßen Anwendung hergestellte Erzeugnisse mit spezieller Brauchbarkeit aufgrund der vorgenannten überlegenen physikalischen Eigenschaften, wie erhöhte Temperaturfestigkeit und Duktilität und Wärmeermüdungsfestigkeit, umfassen z. B. Gasturbinen-Triebwerksschaufeln und -scheiben aus hochwarmfesten Legierungen auf Nickel-, Kobalt- oder Eisenbasis. Ferner gehören dazu Gegenstände, wie Schwungräder, die bei geringeren Temperaturanforderungen arbeiten als Gasturbinen-Triebwerksteile, aber besondere Probleme bei den Erfordernissen physikalischer Eigenschaften bieten, sowie Gegenstände, die nach herkömmlichen Verfahren wegen ihrer Geometrie oder Materialzusammensetzungen oder deren Kombinationen nicht leicht erhältlich sind.

Seit dem Auftauchen der Gasturbine in verschiedenen Formen vor mehreren Jahrzehnten als Energie erzeugende und Antriebsmaschine von größerer Bedeutung sind allgemein die Grenzen erkannt worden, die dem Betrieb und der Leistung dieser Maschinen durch die verfügbaren Baumaterialien auferlegt worden sind. Verhältnismäßig hohe Zugfestigkeiten und gute Duktilität von Raumtemperatur bis zu den Betriebstemperaturen der Gasturbinen-Brennkammer und gute Wärmeermüdungsbeständigkeit sind in Kombination bei solchen Anwendungen äußerst wünschenswert. Ausgedehnte, bis jetzt fortdauernde Forschungs- und Entwicklungsbemühungen haben zu den heutigen hochwarmfesten Legierungen bzw. den sogenannten "Superlegierungen" geführt, unter denen refraktäre Legierungen auf Nickel-, Kobalt-, Eisen- und Chrombasis herausragen, zu denen z. B. solche unter den Handelsbezeichnungen Rene′ 80, Rene′ 95, IN 738, IN 617 und IN 671, gehören.

Die Legierungen haben die folgenden nominellen Zusammensetzungen in Gew.-% (vergl. "Superalloys Source Book" American Society for Metals 1984):

Aufgrund der Bedeutung der Festigkeitsanforderungen, insbesondere in den niedrigeren Temperaturbereichen beim Gasturbinenbetrieb, werden die ersten vier dieser Legierungen bei der Schaufel- und Scheibenherstellung eingesetzt, während IN 671 hauptsächlich aufgrund der Umgebungsbeständigkeit verwendet wird. Gewöhnlich gehört zu dieser Verwendung IN 671 in Schmiedeblechform, aber es ist als plasmagespritzter Überzug, direkt auf den zu schützenden Gegenstand aufgebracht, vorgeschlagen worden. Die anderen vier Legierungen jedoch werden im allgemeinen geschmolzen und zu Form und Größe gegossen oder aus einem guß- oder pulvermetallurgischen Körper zur endgültigen Verwendung als Schaufeln und andere Gasturbinen-Bestandteile für den heißen Abschnitt mechanisch verformt. Doch unabhängig von dem Herstellungsverfahren können Teile aus diesen Legierungen Korrosionsschutz nötig machen, der derzeit in vielen Fällen die Form eines aufgespritzten Überzugs aus einer der McrAlY-Legierungen annimmt.

Während, wie oben angegeben, bei der Entwicklung von Materialien erhebliche Fortschritte gemacht worden sind, um den speziellen Anforderungen von Gasturbinen-Triebwerken zu entsprechen, fehlt es doch noch wesentlich an Materialmöglichkeiten. Bisher jedoch stellten hochwarmfeste Legierungen, die bei der Herstellung von Gasturbinen-Bestandteilen der heißen Stufe verwendet wurden, Kompromisse zwischen den oben erwähnten verschiedenen physikalischen Eigenschaften, Betriebsbedingungen und Herstellungsvorgängen dar. Dies gilt insbesondere für solche Teile, die direkt in die Form gegossen werden. So hat keine neue hochwarmfeste Legierung, die die Notwendigkeit für solche Kompromisse bei der Herstellung von Gußteilen für Gasturbinen-Triebwerke beseitigt, Gestalt angenommen, und es ist kein weiterer Alternativweg zur Beseitigung solcher Kompromisse vor der vorliegenden Erfindung in Erscheinung getreten.

Bei einer weiteren Lösung gemäß dem Verfahren der US-PS 4 066 117 mit dem Titel "Spray Casting von Gas Atomized Molten Metal to Produce High Density Ingots" ist als wesentliche Stufe die mechanische Deformierung des Gußkörpers durch Schmieden beteiligt, um das Gußstück aus hochwarmfester Legierung zu einer Schaufel oder einem anderen Triebwerkteil zu formen.

Nun wurde gefunden, daß die Notwendigkeit für Kompromisse zwischen den Materialien zum Bau von Gasturbinenteilen und Betriebsbedingungen und für das Schmieden und ähnliche Verarbeitungsvorgänge so vermieden werden kann, daß die lang erwünschte Kombination von Eigenschaften nun in Strömungsmaschinen-Gußteilen aus hochwarmfester Legierung erhalten werden kann. Ferner wurde nun gefunden, daß dieses Ergebnis übereinstimmend erzielt werden kann, ohne die hochwarmfeste bzw. Superlegierung in ihrer Zusammensetzung zu ändern oder eine neue Superlegierung zu schaffen und ohne Belastung irgendwelcher wesentlicher Produktionskosten.

Diese neuen Ergebnisse sind die Folge der überraschenden Feststellung, daß schon lange in gegossener Form in Gasturbinen-Triebwerksteil-Herstellungsverfahren verwendete Superlegierungen in bestimmter neuer Form eine anscheinend ideale Kombination physikalischer Eigenschaften besitzen. Insbesondere wurde nun gefunden, daß in sehr feiner und gleichförmiger Mikrostrukturform diese Superlegierungen ziemlich andere und erheblich überlegene physikalische Eigenschaften, verglichen mit zuvor bekannten Formen der gleichen Legierungszusammensetzungen, besitzen. Diese neue Form, die nach den herkömmlichen Schmelz- und Gußverfahren, die bisher angewandt wurden, nicht erhältlich ist, ist durch ein Plasmaspritzen übereinstimmend herstellbar, das so durchgeführt wird, daß Körper nahezu theoretischer Dichte aus feinen Superlegierungsteilchen nahe der Schmelztemperatur gebildet werden.

Herkömmliche Verfahren, die die Superlegierungsteile mit den einzigartigen Kombinationen physikalischer Eigenschaften nicht herstellen können, sind z. B. die herkömmlichen Verfahren zum Plasmaspritzen, darunter das von Mash und Brown in einer Veröffentlichung in Metals Engineering Quarterly mit dem Titel "Structure and Properties of Plasma-Cast Materials", Februar 1964, beschriebene. Die Festigkeitseigenschaften der von Mash und Brown hergestellten freistehenden Körper waren durch die erzielten Dichten (85-92%) und durch ihre lamellare Morphologie begrenzt.

Die bevorzugte Arbeitsweise zur Herstellung der Superlegierungsteile mit den einzigartigen Eigenschaften ist im einzelnen in der US-PS 3 839 618 beschrieben. Während in der genannten US-PS nur einige relativ einfache Materialien, nämlich ein Pulver aus Wolframkarbid und Kobalt, ein Legierungspulver aus Nickel und Chrom und Teilchen aus einer reinen Aluminiumoxid-Keramik plasmagespritzt wurden, wurde erst im Verlauf der Anwendung des Niederdruck/Hochgeschwindigkeitsverfahhrens jener Patentschrift bei der Herstellung von Superlegierungsüberzügen die dieser Erfindung zugrunde liegende Schlüsselfeststellung gemacht. Bei der Untersuchung und Auswertung von unter Verwendung von Superlegierungen auf Nickelbasis in dieser Weise hergestellten Überzügen wurden nun deren ungewöhnliche Mikrostruktur und die damit verbundenen und ihr zuzuschreibenden physikalischen Eigenschaften beobachtet. Mit diesem Wissen wurden Teststücke nach Plasmaspritzverfahren hergestellt und in Vergleichstests mit herkömmlicherweise geschmolzenen und gegossenen Teststücken das erfindungsgemäße Konzept bestätigt, daß die überlegenen physikalischen Eigenschaften von Überzügen aus derart plasmagespritzter Superlegierung leicht auch in Masseform zu erzielen sind, d. h. in Körpern, die vollständig aus plasmagespritzter Superlegierung bestehen.

Auf der Grundlage der vorstehenden Feststellungen gibt es Grund zu der Annahme, daß hochwarmfeste bzw. Superlegierungen im allgemeinen sowie andere refraktäre oder warmfeste Legierungen und Legierungen mit hoher Zugfestigkeit in Temperaturbereichen deutlich unter Maximaltemperatur des Gasturbinen-Triebwerksbetrieb so zu Teilen für Gasturbinen und andere Strömungseinrichtungen, wie Schwungräder mit hohen Zugbelastungs- und Dauerschwingbeanspruchungserfordernissen plasmagespritzt werden können. Als Beispiele für typische Betriebsbedingungen werden Gasturbinen-Drehscheiben gewöhnlich einer Zugbelastung bis zu 1172 MPa bei 538 bis 650°C und einer Dauerschwingbeanspruchung bis zu 827 MPa bei 400 bis 650°C ausgesetzt. Ebenso werden nicht-drehende Schaufeln und Düsen in solchen Triebwerken gewöhnlich einer Kriechbeanspruchung bei Maschinenbetriebstemperaturen ausgesetzt und erfordern auch eine Erwärmungsermüdungs-Bruchfestigkeit unter Temperaturschwankungen von Raumtemperatur bis zu den Betriebstemperaturen.

Der Erfindung lag somit die Aufgabe zugrunde, eine Anwendung des an sich bekannten Plasmaspritzens bei Unterdruck und mit hoher Geschwindigkeit zur Herstellung von Gegenständen aus hochwarmfester Legierung zu schaffen, die eine bisher nicht dagewesene Kombination von Eigenschaften aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch die Anwendung nach Anspruch 1 gelöst.

In wärmebehandelter Form hat der nach der erfindungsgemäßen Anwendung erhaltene Gegenstand eine Dichte über etwa 98% der theoretischen Dichte und ein noch homogeneres Mikrogefüge aufgrund der bei der Wärmebehandlung auftretenden Homogenisierung. Die Korngröße des wärmebehandelten Teils ist im allgemeinen größer als die des Gegenstands im plasmagespritzten Zustand, und sie ist eine Funktion des Legierungstyps und der Zeit und Temperatur der Wärmebehandlung; aber in durch Ausscheidung einer oder mehrerer Phasen gehärteten hochwarmfesten Legierungen kann die Korngröße unmittelbar nach der Wärmebehandlung im Bereich bis herab zu etwa 0,5 bis etwa 5,0 µm sein.

Dieser Gegenstand, ob ein Schwungrad, eine Schaufel für ein Gasturbinentriebwerk oder eine Scheibe zur Befestigung der Schaufel am Turbinenrad oder ein anderes Teil aus dem heißen Abschnitt, kann nach der erfindungsgemäßen Anwendung als Festkörper oder mit einem Dorn, auf dem die Superlegierung abgeschieden wird und der selektiv gelöst und entfernt wird, um ein Hohlprodukt zu hinterlassen, hergestellt werden. Alternativ kann ein komplexerer Dorn oder Kern verwendet werden, der nach dem Herauslösen einen freistehenden, selbsttragenden plasmagespritzten Körper mit einer Vielzahl hohler Bereiche hinterläßt. Ferner kann der Dorn oder Kern so segmentiert sein, daß ein erster Teil des fertigen Körpers aus einer ersten Superlegierung auf einem Teil des Kerns plasmagespritzt wird, der dann mit den übrigen Teilen des Kerns zusammengesetzt wird, und der Körper wird durch Plasmaspritzen einer zweiten Superlegierung über dem fertigen Kern mit dem ersten Teil vollendet.

Fig. 1 ist ein Aufriß einer Schaufel, die durch Niederdruck/Hochgeschwindigkeits-Plasmaspritzen einer hochwarmfesten Legierung auf Nickelbasis hergestellt werden kann; der Körper ist eine feste Struktur, durchwegs aus der Legierung auf Nickelbasis bestehend.

Fig. 2 ist eine Teilschnittansicht ähnlich der der Fig. 1 einer anderen Schaufel, die hohl ist, hergestellt auf einer Kupferkerneinheit, die anschließend durch selektives chemisches Lösen entfernt wurde.

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht der Schaufel der Fig. 2 entlang der Linie 3-3, die die inneren Durchgänge zeigt, die beim Entfernen der Kupferkerneinheit entstehen, auf der die Schaufel durch Plasmaspritzen gebildet wurde.

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht der Kupferkerneinheit, auf der die Schaufel der Fig. 2 und 3 plasmagespritzt wurde.

Fig. 5 ist eine perspektivische Schemaansicht einer nach dem Niederdruck/Hochgeschwindigkeits-Plasmaspritzen hergestellten simulierten Gasturbinenscheibe.

Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht eines Schwungrades hergestellt nach dem Niederdruck/Hochgeschwindigkeits-Plasmaspritzen.

Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der Streckgrenze bei 0,2% Dehnung gegen die Testtemperatur für den plasmagespritzten Körper aus IN 738-Legierung, wie in Beispiel I beschrieben.

Fig. 8 ist eine graphische Darstellung der Dehnung bis zum Versagen gegen die Testtemperatur für den plasmagespritzten Körper aus IN 738-Legierung, wie in Beispiel I beschrieben.

Fig. 9 ist eine schematische Darstellung der Doppelkeil-Wärmeermüdungsprobe.

Fig. 10 ist ein Transmissions-Elektronenmikroskop-Bild 40 000facher Vergrößerung einer dünnen Blechprobe aus Rene′-80-Legierung im plasmagespritzten Zustand.

Fig. 11 ist ein Transmissions-Elektronenmikroskop-Bild mit 20 000facher Vergrößerung einer dünnen Blechprobe aus Rene′-80-Legierung im plasmagespritzten Zustand nach der Wärmebehandlung für 2 h bei 1200°C.

Die Gasturbinenschaufel 10 der Fig. 1 ist ein Beispiel für die Art von Gegenständen, die nach der erfindungsgemäßen Anwendung durch Plasmaspritzen herstellbar sind. Die Schaufel 10 ist von im allgemeinen herkömmlicher Größe und Form und hat eine Plattform 11 und ein Fußteil 12 zur Befestigung in üblicher Weise an einer Gasturbinenscheibe, wie der simulierten Scheibe 50 der Fig. 5 und des folgenden Beispiels II. Sowohl die Schaufel 10 als auch die Scheibe 50 jedoch unterscheiden sich erheblich von herkömmlichen Gegenstücken hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften und folglich ihrer Leistungsmerkmale bei normalem Betrieb, obgleich sie aus der gleichen Legierungszusammensetzung wie die herkömmlichen Teile gemacht sein können. Dieser grundlegende und wichtige Unterschied ist eine Folge der unterschiedlichen Art und Weise, in der diese neuen Teile hergestellt sind. Die Schaufel 10 und die Scheibe 50 wurden durch Erhitzen der Superlegierung gerade über ihre Schmelzpunktstemperatur in feiner Teilchenform mit hoher Geschwindigkeit in einem Plasmastrom auf ein Substrat in einer Kammer in neutraler Atmosphäre bei geringem Druck plasmagespritzt. Im einzelnen ist die Teilchengröße bei der Herstellung einer Schaufel, wie einer Schaufel 10 und einer Scheibe 50 unter etwa 38 µm Durchmesser, und die Kammeratmosphäre ist Argon bei 40 bis 80 mbar. Der hier verwendete Ausdruck "Gasturbinentriebwerk" soll Gasturbinen für die elektrische Stromerzeugung sowie Triebwerke für den Antrieb von Flugzeugen umfassen.

Die Hohlschaufel 20 der Fig. 2 und 3 wurde in ähnlicher Weise wie oben und in Beispiel IV beschrieben durch Niederdruck/Hochgeschwindigkeits-Plasmaspritzen mit allgemein der gleichen Mikrostruktur und wichtigen neuen physikalischen Eigenschaften, wie oben zusammenfassend beschrieben, hergestellt. Der wesentliche Strukturunterschied zwischen den Schaufeln 10 und 20 besteht in der Verwendung einer selektiv löslichen Kerneinheit 40 der Fig. 4, die die Innenräume liefert, die zur Herstellung der Wände 21 nötig sind, die das Innere der Schaufel in getrennte Kammern oder Durchlässe 22 und 23 für den Strom des Kühlfluids unterteilen.

Das in Fig. 6 perspektivisch dargestellte Schwungrad 60 ist nach dem gleichen Niederdruck/Hochgeschwindigkeits-Plasmaspritzen, wie oben beschrieben, hergestellt, und jede der hochwarmfesten Legierungen auf Nickel-, Kobalt- oder Eisenbasis kann für diesen Zweck verwendet werden, die in einer derart plasmagespritzten Form die Anforderungen der Zugbeanspruchung und der Dauerschwingbeanspruchung für verlängerte Lebensdauer bei solchen Anwendungen zu erfüllen vermögen. Wie der Fachmann erkennen wird, können solche plasmagespritzten Schwungräder in Abschnitten hergestellt werden, die in geeigneter Weise miteinander befestigt werden oder sie können in Form eines einzigen Stückes durch Plasmaspritzen hergestellt werden.

Der Fachmann wird aus den folgenden Beispielen aus der Praxis der Erfindung diese noch besser verstehen, da Tests zum Erhalt von Vergleichsdaten bezüglich der wichtigen physikalischen Eigenschaften der durch die erfindungsgemäße Anwendung hergestellten Erzeugnisse und solcher nach herkömmlicher Art geschmolzener und gegossener Erzeugnisse durchgeführt worden sind.

Die bei den Beispielen gesammelten, nachfolgend angegebenen Daten entsprechen der üblichen Praxis. So bezeichnet in den Tabellen I, II und III HZ die Höchst-Zugfestigkeit in MPa und SD die Streckgrenze bei 0,2% Dehnung in der gleichen Einheit. Ebenso bezeichnet D_ML die Dehnung bei maximaler Last, D_V bedeutet die Dehnung bis zum Versagen und FR bedeutet die Einschnürung, alle drei Parameter in Prozent ausgedrückt.

Beispiel I

Ein Blech aus der hochwarmfesten Legierung IN 738 auf Ni-Basis von etwa 6,35×15,24×0,635 cm wurde durch Plasmaspritzen nach dem oben beschriebenen Niederdruck/Hochgeschwindigkeits-Verfahren hergestellt. Das Substrat war ein Stahlblech, das mit Siliciumcarbid-Schleifpapier von 600 grit poliert worden war. Das Binden an das Substrat (Dorn oder Kern) und die Steuerung der Dichte der Legierung IN 738 und der Mikrostruktur erfolgten durch Vorerhitzen des Substrats auf etwa 900°C. Der Zersetzungskammerdruck war 40 bis 80 mbar, die Plasmapistolenleistung war 68 kW und die Zersetzungszeit war 4,5 min. Der überzogene Kern wurde in der Zersetzungskammer gekühlt, und dann wurde der Körper aus IN 738 vom Stahlblech abgetrennt, indem um die Kante des Bleches herum mit einem Hammer geklopft wurde. Proben mit den Abmessungen 0,16×1,02×2,54 cm wurden aus dem Blech der Superlegierung IN 738 herausgearbeitet. Der Querschnitt war gleichförmig 0,635×0,203 cm. Die erzielten Testergebnisse sind nachfolgend in Tabelle I zusammen mit typischen Daten herkömmlicherweise geschmolzener und gegossener IN 738-Legierung der gleichen Probengröße und -form angegeben.

Die in herkömmlicher Weise geschmolzenen und gegossenen Proben erhielten eine handelsüblich typische Wärmebehandlung, d. h. ein Erhitzen auf 1120°C für 2 h und anschließendes Abschrecken in Argon, dann Erhitzen auf 845°C für 2 h und anschließendes Abschrecken in Argon vor dem Testen. Dies ist der Zustand, in dem die aus IN 738 hergestellten Teile typischerweise in gegenwärtigen Gasturbinen verwendet werden. Die Plasmaspritzproben erhielten eine der kommerziellen Praxis ähnliche Wärmebehandlung, die im zweistündigen Erhitzen auf 1150°C bestand.

Die Streckgrenze bei 0,2% Dehnung und die Dehnung bis zum Versagen, deren Daten die Tabelle I zeigt, sind in den Fig. 7 bzw. 8 in graphischer Form dargestellt. Unter Bezugnahme auf Fig. 7 ist zu beobachten, daß die plasmagespritzten Körper viel fester als in herkömmlicher Weise geschmolzene und gegossene Körper der gleichen IN 738-Legierung unter etwa 735°C, gemessen durch die Streckgrenze (Fig. 7), sind. Die Höchst-Zugfestigkeit zeigt ein ähnliches Verhalten. Zwischen etwa 790°C und 900°C ist die Streckgrenze der plasmagespritzten Körper nur etwa 41,4 MPa niedriger als die von Körpern, die nach herkömmlichen Schmelz- und Gießverfahren erarbeitet worden sind.

Unter Bezugnahme auf Fig. 8 kann außerdem bemerkt werden, daß das Plasmaspritzen Körper hervorbringt, die duktiler als in herkömmlicher Weise geschmolzene und gegossene Körper der gleichen Zusammensetzung bis zu etwa 700°C sind. Bei etwa 1090°C ist der Superlegierungskörper dieses Beispiels völlig superplastisch, vermutlich aufgrund der ihm eigenen ultrafeinen Korngröße. Mehrere Proben wurden auf 1260°C erhitzt, um ein Kornwachstum zu bewirken und zu versuchen, festzustellen, daß das superplastische Verhalten auf der ultrafeinen Korngröße beruht. Zwei der wärmebehandelten Proben wurden getestet; eine bei Raumtemperatur und eine bei 1000°C. Nach der Wärmebehandlung bei 1260°C sank die Dehnung bis zum Versagen auf 12% für die bei 1000°C behandelte Probe, was bestätigt, daß das superplastische Verhalten auf der ihr eigenen ultrafeinen Korngröße in dem plasmagegossenen Körper beruhte. Auch stieg für die bei 1260°C behandelte Probe die Streckgrenze bei Raumtemperatur um 179 MPa auf einen Wert von 1213 MPa und um 69 MPa auf einen Wert von 171 MPa für die bei 1000°C getestete Probe.

Tabelle I

Beispiel II

Die simulierte Gasturbinen-Triebswerkscheibe 50 der Fig. 5 wurde aus Rene′-80-Legierung durch Plasmaspritzen nach dem oben beschriebenen Niederdruck/Hochgeschwindigkeits-Verfahren hergestellt. Das Substrat 51 war ein Stahlrohr von 4,2 cm Durchmesser, und die Legierung wurde auf ihm zu einer Struktur mit ringförmigem Querschnitt quer zur Längs- oder Axialrichtung aufgebaut. Der Aufbau wurde über die Länge der Scheibe hinweg verändert, wodurch ein Teil mit parabolischem Querschnitt in Axial- oder Längsrichtung entstand. Der Nenndurchmesser der Scheibe war etwa 10 cm.

Wie in Beispiel I wurde das Substrat durch Oberflächenreinigung, Sandstrahlen und Vorerhitzen auf etwa 900°C vorbereitet. Während des Betriebs betrug, wie in Beispiel I, der Abscheidungskammerdruck 40 bis 80 mbar Argon und die Plasmapistolenleistung 68 kW. Nach dem Abkühlen in der Abscheidungskammer wurde der Ringkörper aus Rene′ 80 vom Stahlrohr 51 entfernt, und nach der maschinellen Bearbeitung zu der in Fig. 5 dargestellten Form wurden Klumpen aus der Scheibe 50 geschnitten, wie durch mehrere Löcher 52 in dem Körper angegeben, um mechanische Teststäbe zu liefern. Diese Testproben von Standardform und -größe wurden 2 h bei 1145°C, dann 2 h bei 870°C wärmebehandelt und darauf in üblicher Weise getestet, wobei die in Tabelle II angegebenen Ergebnisse anfielen. Tabelle II enthält auch Vergleichsdaten für geschmolzene und gegossene Rene′-80-Legierung nach einer typischen kommerziellen 5stufigen Wärmebehandlungsmethode.

Wie aus Tabelle II zu entnehmen ist, sind die physikalischen Eigenschaften des Plasmaspritzkörpers aus Rene′ 80 denen in herkömmlicher Weise geschmolzener und gegossener Rene′-80-Legierungsproben ähnlich wie bei IN 738 in Beispiel I überlegen.

Beispiel III

Bei einem weiteren Versuch zur Messung des thermischen Ermüdungsverhaltens der nach der erfindungsgemäßen Anwendung hergestellten Erzeugnisse wurde Rene′-80-Nickel-Basislegierung auf einen Rene′-80-Substratkörper plasmagespritzt. Eine Schmelze aus Rene′-80-Nominalzusammensetzung wurde in kupferplattierte Formen Kokillen-gegossen, um zwei Bleche von 0,635×3,81×10,16 cm zu liefern. Eine Kantenoberfläche von 0,635×10,16 cm einer jeden Platte wurde sandgestrahlt und entfettet. Dann wurde eine Plasmaspritzstruktur auf der vorbereiteten Kantenfläche nach dem Niederdruck/Hochgeschwindigkeits-Verfahren des Beispiels I aufgebaut, wobei das verwendete Pulver Rene′-80-Nominalzusammensetzung von unter 38 µm war. Die anfallende Abscheidung war etwa 0,38 cm dick. Doppelkeilproben 70 zur thermischen Ermüdung wurden aus den Blechen oder Platten so herausgeschnitten, daß ein Keil 71 in der Gußstruktur und der andere Keil 72 in der Plasmaspritzstruktur für die letzten 0,203 cm, wie in Fig. 9 gezeigt, war. Die Proben 70 wurden getestet, indem sie abwechselnd durch Einhängen in das Loch 73 4 min in ein Fließbett bei 975°C und 2 min in ein Bett von 24°C gehängt wurden. Eine Prüfung der Proben 70 erfolgte nach 10, 30, 100, 300, 600 und 1000 Zyklen dieser Art. Nach 1000 Zyklen wurden in dem plasmagespritzten Keil 72 keine Risse beobachtet, während bei dem in herkömmlicher Weise gegossenen Keil 71 nach 10 Zyklen Risse festgestellt wurden. Nach 30 Zyklen hatten sich bei dem gegossenen Keil 71 die Risse auf mehr als 0,102 cm Länge und nach 1000 Zyklen auf bis zu 0,57 cm vergrößert.

Tabelle II

Beispiel IV

Eine Schaufel ähnlich Fig. 2 und 3, mit der Ausnahme, daß sie ohne Fußteil 12 war, wurde nach dem oben beschriebenen Verfahren zum Plasmaspritzen hergestellt, und zwar unter Verwendung der Kupferkerneinheit 40 der Fig. 4. Die Bedingungen der Abscheidungskammer waren die des Beispiels I. In der ersten Verfahrensstufe wurde IN 738 auf Kupferkernsegmente 41 und 42 bis zu einer Dicke von etwa 0,38 mm plasmagespritzt. Kernsegmente 41 und 42 wurden dann mit dem Rest der Kernsegmente zur Bildung der Gestalt 40 gemäß Fig. 4 zusammengesetzt. Löcher 43 in Kernsegmenten 44 wurden mit Drähten aus einer Nichrom-Zusammensetzung gefüllt.

In der zweiten Verfahrensstufe wurde Rene′ 80 von 0,38 bis 0,76 mm auf die Kupferkerneinheit 40 der Fig. 4 und die zuvor plasmagespritzten IN 738-Wände 21 zu einer verbundschichtartigen Struktur in Bereichen, wie Bereich 24, plasmagespritzt. Nach dem Abkühlen in der Abscheidungskammer wurde die Schaufeleinheit in wäßrige Salpetersäure getaucht, um die Kupferkernteile zu lösen und zu entfernen und eine plasmagespritzte Schaufel 20 zu hinterlassen, die etwa 5,1 cm Höhe (wie in Fig. 2) und etwa 3,81 cm von der Führungskante bis zur Hinterkante maß. Unter Bezugnahme auf Fig. 3 kann festgestellt werden, daß Innenwandsegmente 21 aus der IN 738-Legierung sind und strukturell durch die Rene′-80-Außenschale 25 zur Schaufel 20 verbunden sind. Die Außenumfangsoberfläche 26 der Rene′-80-Schale 25 definiert die Gestalt der Schaufel 20. Die Innenumfangsoberfläche 27 umschließt Leitungen 22 und 23 und paßt zumindest entlang einem Teil ihres Umfangs an die Wände 21 der plasmagespritzten Legierung IN 738 und ist damit strukturell verbunden. Die Drähte, die zuvor in Löchern 43 waren, sind nun integrale Bestandteile 45 der Schaufel und durchmischen das Kühlmedium, wenn dieses in dem hohlen Inneren 23 des hinteren Abschnitts der Schaufel 20 fließt. Die Wanddicke einer Schaufel 20 liegt im Bereich von etwa 0,38 bis 0,76 mm aus Rene′ 80 und bis zu etwa 1,14 mm, wovon 0,38 mm IN 738-Legierung sind.

Beispiel V

Ein dünnwandiges, rohrähnliches Teil oder Gehäuse wurde aus Rene′ 80 durch Plasmaspritzen mit den Parametern des obigen Beispiels I hergestellt. Die Rene′-80-Legierung wurde bis zu einer Dicke von 0,51 mm auf einem Stahlrohr mit einem Innendurchmesser von 10,16 cm und einer Länge 30,48 cm plasmagespritzt.

Das dünnwandige rohrähnliche Teil dieses Beispiels hätte nach herkömmlichen Gußtechniken um einen zentralen Kern herum nicht hergestellt werden können, ohne eine hohe Wahrscheinlichkeit, ein stark rissiges Produkt zu erzeugen. Andere herkömmliche Techniken, wie das Gießen eines zu großen, dickwandigen Teils und maschinelles Bearbeiten auf die passende Größe sind kostspielig. Auf jeden Fall jedoch kann keine herkömmliche Technik das dünnwandige Gehäuse dieses Beispiels mit den einzigartigen Eigenschaften herstellen, z. B. mit einer Korngröße in der Größenordnung von etwa 0,2 bis etwa 0,5 µm und einer chemisch homogenen Mikrostruktur, praktisch frei von Mikroentmischung.

Beispiel VI

Das Verfahren des Beispiels I wurde wiederholt, indem ein platten- oder blechartiger Körper aus einer hochwarmfesten Legierung auf Kobaltbasis (Co-29Cr-6Al-1Y) plasmagespritzt wurde, die normalerweise als Überzug für Gasturbinenschaufeln aus hochwarmfesten Legierungen auf Nickelbasis verwendet wird. Die Korngröße des Gußkörpers auf Kobaltbasis in dem plasmagespritzten Zustand, gemessen durch Transmissions-Elektronenmikroskopie, lag im Bereich von 0,1 bis etwa 0,3 µm.

Beispiel VII

Das Verfahren des Beispiels I wurde nochmals wiederholt, wobei ein platten- oder blechartiger Körper aus einer hochwarmfesten Legierung auf Eisenbasis (19,5Cr-9,5Al-Rest Fe) plasmagespritzt wurde. Die Korngröße des Gußkörpers auf Eisenbasis in dem plasmagespritzten Zustand, wie durch Transmission-Elektronenmikroskopie gemessen, lag im Bereich von etwa 0,15 bis etwa 0,25 µm. Die mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur, 600°C und 750°C sind in der folgenden Tabelle III wiedergegeben und mit der kommerziellen geschmolzenen und gegossenen hochwarmfesten Legierung auf Eisenbasis MA956 (20Cr-4,5Al-0,5Ti-0,5Y-Rest Fe) verglichen. Wenngleich die plasmagespritzte Legierung geringere Festigkeitswerte als die herkömmliche Legierung hat, liegt sie im Vergleich zu MA956 günstig, und die Bewertung der beiden Legierungen ist nicht unerwartet, da die Legierung MA956 die verstärkenden Elementzusätze Titan und Yttrium hat.

Die plasmagespritzten Körper der Beispiele I und IV und VI und VII zeigten alle im wesentlichen die gleichen Mikrostrukturmerkmale, d. h. in dem plasmagespritzten Zustand lag die Korngröße typischerweise zwischen etwa 0,2 und etwa 0,5 µm, und die Strukturen waren chemisch homogen und praktisch frei von Mikroentmischung. Wenngleich nicht untersucht, ist zu erwarten, daß die Mikrostruktur des dünnwandigen Rene′-80-Gehäuses des Beispiels V die gleiche wie die Mikrostrukturen der übrigen Beispiele war.

Die Mikrostruktur der Rene′-80-Legierung der Fig. 10, plasmagespritzt zu einem platten- oder blechartigen Körper gemäß dem Verfahren und den Arbeitsweisen des Beispiels I, ist typisch für die Mikrostruktur von hochwarmfesten Legierungen im plasmagespritzten Zustand. Fig. 10, die eine Transmissions-Elektronenmikroskopaufnahme einer dünnen Blechprobe bei 40 000facher Vergrößerung ist, zeigt die ultrafeine Korngröße, die zwischen etwa 0,2 und etwa 0,5 µm liegt. Fig. 10 zeigt auch, daß die Korngrenzen sowie das Korninnere praktisch frei von Abscheidungen und Entmischungen sind, d. h. sie sind chemisch homogen und praktisch frei von Mikroentmischung. Ein ungeschmolzenes Teilchen kann aufgrund von Störungen in der Spritzanlage oder dem Pulver gelegentlich in der Mikrostruktur der mit der erfindungsgemäßen Anwendung hergestellten Körper aus Superlegierung im plasmagespritzten Zustand beobachtet werden. Die Merkmale dieser Teilchen überleben aber nach der Wärmebehandlung, z. B. 2 h bei 1150°C nicht. Zur Prüfung der Körper im plasmagespritzten Zustand muß aufgrund der extrem feinen Korngröße, die unter den Grenzen der Auflösung eines Lichtmikroskops liegt, anstelle des herkömmlichen Lichtmikroskops ein Elektronenmikroskop verwendet werden.

Tabelle III

Eine Charakterisierung der chemischen Homogenität und des Fehlens der Mikroentmischung der Rene′-80-Legierung der Fig. 10 im plasmagespritzten Zustand ist durch die Elektronenmikrosonden-Röntgenstrahlen-Fluoreszenzdaten der folgenden Tabelle IV gegeben. In Tabelle IV wird plasmagespritzte Rene′-80-Legierung mit in herkömmlicher Weise geschmolzener und gegossener Rene′-80-Legierung verglichen, die eine durchschnittliche Korngröße von etwa 1525 µm hatte. Die Daten der Tabelle IV wurden durch stufenweises Abtasten eines Stahls von 1 bis 3 µm Durchmesser durch die Proben in 50 µm-Schritten für die in herkömmlicher Weise geschmolzene und gegossene Probe und in 1 µm-Schritten für die plasmagespritzte Probe erhalten. In beiden Fällen tastete der Strahl sowohl Körner als auch Korngrenzen ab, und dies war für die plasmagespritzte Probe notwendigerweise so, da der Strahldurchmesser etwa viermal größer als der Korndurchmesser war.

Kobalt ist ein Element, das sich in Nickel im wesentlichen nicht entmischt, daher kann die Schwankung der Kobaltkonzentration als Anzeichen für das Ausmaß der Streuung bei diesen Daten herangezogen werden. Für die plasmagespritzte Probe liegt die Schwankung, d. h. die Mikroentmischung oder chemische Inhomogenität an Ti, Al und Cr etwa 2 bis 3% über der normalen Streuung. Für in herkömmlicher Weise geschmolzene und gegossene Rene′-80-Legierung ist die Schwankung für Cr und Al etwa 11% über der normalen Streuung, während die Schwankung für Ti etwa 70% über der normalen Streuung liegt. Daher liegt aufgrund der Daten der Tabelle IV eigentlich keine Mikroentmischung oder chemische Inhomogenität in dem plasmagespritzten Material relativ zum in herkömmlicher Weise geschmolzenen und gegossenen Material vor.

Fig. 11 ist eine Transmissions-Elektronenmikroskop-Abbildung bei 20 000facher Vergrößerung einer dünnen Folienprobe, die die Mikrostruktur der Rene′-80-Legierung im plasmagespritzten Zustand wie in Fig. 10 nach 2stündiger Wärmebehandlung bei 1200°C zeigt. Die Körner sind bis auf eine Durchschnittsgröße von etwa 5 µm gewaschen, bleiben jedoch klein im Vergleich zu deren von in herkömmlicher Weise geschmolzener und gegossener Rene′-80-Legierung. γ′-Abscheidungen sind im Inneren der Körner sichtbar. Wärmebehandlung bei tieferen Temperaturen, z. B. die zweistündige Wärmebehandlung bei 1150°C, wie oben im Beispiel I erwähnt, führten zu noch geringerem Kornwachstum, d. h. die Korngröße lag in der Größenordnung von etwa 2,0 bis etwa 3,0 µm, und theoretisch gibt es eine noch geringere Mikroentmischung aufgrund der Homogenisierungseffekte der Wärmebehandlung. Die Beständigkeit der Rene′-80-Legierung gegen Kornwachstum bei erhöhter Temperatur wurde erhofft, da diese Superlegierung durch die Abscheidung der γ′-Phase gestärkt wird.

Im Vergleich steht das Verhalten der nicht-γ′-gefestigten Nickelbasislegierung IN617. Plasmagespritzt nach dem Verfahren des Beispiels I zeigte IN617 die gleiche ultrafeine Korngröße (0,2 bis 0,5 µm Durchmesser) der Körper aus anderen Superlegierungen, hergestellt durch Plasmaspritzen. Die Raumtemperatur-Zugeigenschaften der plasmagespritzten IN 617-Legierung waren beträchtlich besser, z. B. HZ 979 gegenüber 765 MPa und D_V von 54 gegenüber 34%, als die von in herkömmlicher Weise geschmolzener und gegossener IN 617-Legierung. In herkömmlicher Weise gegossene und plasmagespritzte Proben von IN 617 zeigten jedoch nahezu identische Eigenschaften beim Test bei 900°C. Dieses nahezu identische Verhalten wird dem beim Test auftretenden Kornwachstum zugeschrieben. Wärmebehandlung bei 1250°C ließ die Körner der plasmagespritzten IN 617-Legierung beträchtlich wachsen, und nach der Wärmebehandlung waren die Zugeigenschaften der plasmagespritzten IN 617-Legierung etwa die gleichen wie die der in herkömmlicher Weise geschmolzenen und gegossenen IN 617-Legierung sowohl beim Test bei Raumtemperatur als auch bei 900°C.

Vor der Wärmebehandlung waren die plasmagespritzten Körper hergestellt, gemäß der Anwendung nach der Erfindung, alle von etwa gleich hoher Dichte von etwa 97 bis nahezu 100% der theoretisch möglichen. Herkömmliche Spritzgußkörper haben charakteristischerweise Lücken, Poren oder Hohlräume zwischen einzelnen Spritzgußteilchen, entweder gleichförmigg oder statistisch oder beides über die Körper verteilt. Diese Lücken oder Hohlräume verhindern, wenn vorhanden, eine völlige oder 10%ige Dichte der Körper.

Nach der Wärmebehandlung, z. B. der zweistündigen Wärmebehandlung bei 1150°C des Beispiels I, waren die plasmagespritzten Körper, erhalten nach der Anwendung gemäß der Erfindung, um bis zu 1% oder darüber dichter, wobei die Mindestdichte über etwa 98% der theoretischen Dichte lag. Die Wärmebehandlung änderte den Sauerstoffgehalt dieser Testproben nicht, aber bei einem Wert von weniger als etwa 1000 TpM ist Sauerstoff kein wesentlicher Faktor bei den Festigkeitseigenschaften der nach der erfindungsgemäßen Anwendung hergestellten plasmagespritzten Erzeugnissen, wenngleich er die Duktilitätseigenschaften nachteilig beeinflussen kann.

Weiterhin sind, wie aus den mechanischen Eigenschaften der nach der erfindungsgemäßen Anwendung plasmagespritzten Körper hervorgeht, als Teile von Strömungsmaschinen in der Lage, lange sowohl als Rotor- als auch als Statorteile von Gasturbinen-Triebwerken zu dienen, einschließlich als Schaufeln, die gewöhnlich Mittellinien-Spannungen von etwa 172 MPa bei 815 bis 982°C, insbesondere in Flugzeugtriebwerken, unterliegen. Tatsächlich sind für nach der Erfindung erhaltene Blätter, Leitschaufeln und Düsen oder Übergangsteile und Scheiben auf der Grundlage dieser Erfahrungen und der obigen Daten längere Lebensdauer in Gasturbinen-Triebwerken als für ihre nach herkömmlichen Lehren und Praktiken hergestellten Gegenstücke zu erwarten.

Aus den vorstehenden Ausführungen ist auch klar, daß die mechanische Verformung der plasmagespritzten Erzeugnisse gemäß der Anwendung nach der Erfindung bei der Herstellung von Teilen, wie Gasturbinen-Triebswerksteilen, nicht nötig ist; hohle Schaufeln, wie die der Fig. 2 und 3 z. B., sind mit Außen- und Innenwandabschnitten so dünn wie gewünscht durch Plasmaspritzen erhältlich, wobei die überlegenen Mikrostruktur- und physikalischen Eigenschaften, wie sie für die nach der erfindungsgemäßen Anwendung hergestellten Erzeugnisse typisch sind, wie oben angegeben sind. So ist die Erfindung speziell brauchbar bei der Anwendung auf verhältnismäßig kleine Teile mit dünnen Abschnitten, aber auch mit erheblichem Vorteil auf größere Teile mit schwereren Abschnitten, da die Notwendigkeit mechanischer Verformung, wie das Schmieden von Gußstücken, entfällt.

In der vorliegenden Beschreibung ist die Korngröße diejenige, die durch Transmissions-Elektronen-Mikroskopaufnahmen, wie die der Fig. 10 und 11, unter Anwendung der als Direktinterzeptverfahren bekannten Methode gemessen wird, wobei die Korngröße dann als Korn-"Durchmesser" angegeben wird, wenngleich die Körner typischerweise das gleichachsige Aussehen der der Fig. 10 und 11 bei zur Abscheidungsebene paralleler Betrachtung haben.

Claims (3)

1. Anwendung des an sich bekannten Plasmaspritzens bei Unterdruck und mit hoher Geschwindigkeit auf die Herstellung eines Gegenstands aus einer hochwarmfesten Legierung auf Nickel-, Kobalt- oder Eisen-Basis, der im plasmagespritzten Zustand eine Dichte von mehr als 97% der theoretischen und ein chemisch homogenes Mikrogefüge mit einer Korngröße im Bereich von 0,2 bis 0,5 µm sowie weniger als 1000 ppm Sauerstoff aufweist.

2. Anwendung nach Anspruch 1, wobei der Gegenstand zusätzlich wärmebehandelt ist und dadurch eine Dichte von mehr als 98% der theoretischen und ein Gefüge mit einer Korngröße im Bereich von 0,5 bis 5,0 µm aufweist.

3. Anwendung nach Anspruch 1 oder 2 auf die Herstellung eines Verbunderzeugnisses aus mindestens zwei plasmagespritzten Schichten aus unterschiedlich zusammengesetzten hochwarmfesten Legierungen.