DE3246507A1 - Hochtemperatur-schutzschicht - Google Patents
Hochtemperatur-schutzschichtInfo
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Description
BBC Aktiengesellschaft
Brown,Boveri & Cie 01.Dez.lSJ2
Baden/Schweiz ZPT/Pl-Kr/Be
Mp.-Nr. 678/82 ·
,c Hochtemperaturschutzschicht
Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochtemperaturschutzschicht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches
1.
Solche Hochtemperaturschutzschichten kommen vor allem dort zur Anwendung, wo das Grundmaterial von Bauelementen
aus warmfesten Stählen und/oder Legierungen, die bei Temperaturen über 6Ö0°C verwendet werden, zu schützen
ist. Durch diese Hochtemperaturschutzschichten soll die
Wirkung von Hochtemperaturkorrosionen vor allem von Schwefel, ölaschen, Sauerstoff, Erdalkalien und Vanadium
verlangsamt werden. Die Hochtemperaturschutzschichten werden direkt auf das Grundmaterial des Bauelementes
gQ aufgetragen. Bei Bauelementen von Gasturbinen sind Hochtemperaturschutzschichten
von besonderer Bedeutung. Sie werden vor allem auf Lauf- und Leitschaufeln sowie auf
Wärmestausegraente von Gasturbinen aufgetragen. Für die Fertigung dieser Bauelemente wird vorzugsweise ein
-_ austenitisches Material auf der Basis von Nickel, Kobalt
oder Eisen verwendet. Bei der Herstellung von Gasturbinenbauteilen
kommen vor allem Nickel-Superlegierungen als Grundmaterial zur Anwendung. Die aufzutragenden
Hochtemperaturschutzschichten bestehen vorzugsweise aus chromhaltigen Legierungen.
Bis jetzt ist es üblich, zwei Hochtemperaturschutzschichten
zu verwenden, wobei eine davon für Bauteile geeignet ist, die Temperaturen unter oder um 9OO0C
ausgesetzt sind. Diese Schutzschicht bildet unter Betriebsbedingungen, bei denen die
Hochtemperaturschutzschicht thermisch belastet wird, an ihrer Oberfläche eine Passivdeckschicht aus Chromoxid
aus.
Des weiteren ist eine zweite Hochtemperaturschutzschicht
bekannt, die vorzugsweise auf Bauteile aufgetragen wird, welche Temperatureinwirkungen von wesentlich mehr als
900°C ausgesetzt sind. Diese Hochtemperaturschutzschicht weist die Eigenschaft auf, daß sich unter Betriebsbedingungen,
bei denen sie thermisch belastet wird, auf ihrer Oberfläche eine Passivdeckschicht aus Aluminiumoxid
ausbildet.
Von Nachteil ist bei diesen Hochtemperaturschutzschichten,
daß sie nur für ganz bestimmte Temperaturbereiche
geeignet sind. Für Bauelemente, die wechselnden Tempera-25
tureinflüssen ausgesetzt sind, insbesondere solchen, bei denen der Temperaturbereich zwischen Werten unter 9000C
und weit über 900°C variiert, ist ein optimaler Schutz nicht möglich, da keine der beiden angegebenen
Schutzschichten für beide Betriebsbedingungen geeignet ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine
Schutzschicht zu schaffen, auf deren Oberfläche sich eine solche Passivdeckschicht ausbildet, welche Bauteile
sowohl unter als auch weit über 900°C erfolgreich schützen kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelcrt.
Wird die erfindungsgemäße Hochtemperaturschutzsciiicht
auf ein Bauelement aufgetragen, so bildet sich wenigstens eine Passivdeckschicht auf ihrer Oberfläche
^O aus, sobald das Bauelement einer thermischen Belastung
ausgesetzt wird. Diese Passivdeckschicht schützt die Hochtemperaturschutzschicht vor einem schnellen
Verbrauch. Auf der Oberfläche der Hochtemperaturschutzschicht können sich zwei
„_ verschiedene Passivdeckschichten ausbilden. Insbesondere
ίο .
ist die Ausbildung einer Passivdeckschicht aus Chromoxid und einer Passivdeckschicht aus Aluminiumoxid möglich.
Welche der beiden Passivdeckschichten auf der Oberfläche der Hochtemperaturschutzschicht gebildet wird, hängt von
den Betriebsbedingungen, insbesondere dem Temperaturbereich ab, in welchem das Bauelement
arbeitet.
Liegt die Arbeitstemperatur des Bauelementes unter bzw. um 900°C, so bildet sich auf der Hochtemperaturschutz-
__ schicht eine Passivdeckschicht aus Chromoxid aus. Der
Zo
Basiswerkstoff, aus welchem die Legierung der Hochtemperaturschutzschicht
hergestellt ist, enthält neben Nickel auch Chrom und Aluminium·. Durch die Zusätze von
Titan und Silizium wird erreicht, daß das Chrom unter Betriebsbedingungen, bei denen die Hochtemperaturschutzschicht
thermisch belastet wird, an die Oberfläche derselben diffundiert. Dort bildet es unter der Einwirkung
der sauerstoffhaltigen Atmosphäre die gewünschte Chromoxid-Passivdeckschicht, die den eigentlichen Korr'osions-
„_ schutz bewirkt.
s
Wird nun das gleiche Bauelement den Einwirkungen einer Temperatur ausgesetzt, die über 90O0C liegt, so bildet
sich die Passivdeckschicht aus Chromoxid zurück. Unter dem Einfluß der Zusätze, bestehend aus Silizium und
Titan sowie der höheren Temperatur, beginnt das in dem Basismaterial der Legierung vorhandene Aluminium an die
Oberfläche der Hochtemperaturschutzschicht zu diffundieren. Dort reagiert es mit der sauerstoffhaltigen
Atmosphäre der Umgebung, wobei eine Aluminiumoxid-Passivdeckschicht gebildet wird. Diese Passivdeckschicht
ist gegen Hochtemperaturkorrosionen beständig. Eine Abtragung dieser Passivdeckschicht bei Temperaturen, die
größer als 9000C sind, ist nicht festzustellen. Durch sie wird die eigentliche Hochtemperaturschutzschicht vor
einem schnellen Verbrauch bewahrt und kann somit dauerhaft zum Schutz des eigentlichen Bauelementes beitragen.
Die gleichen Eigenschaften weist auch die bei niedrigen Temperaturen sich ausbildende Passivdeckschicht aus
Chromoxid auf.
Gelangt das Bauelement wieder in den Wirkungsbereich
einer niedrigeren Temperatur, so bildet sich diese Passivdeckschicht aus Aluminiumoxid zurück und es entsteht
erneut eine Chrom-Passivdeckschicht auf der Ober-
fläche der Hochtemperaturschutzschicht.
Erfindungsgemäß umfaßt der Basiswerkstoff der Legierung wenigstens 8 bis 12 At 58 Aluminium und 18 bis 28 At %
Chrom. Eine bevorzugte Zusammensetzung der Legierung enthält 9 At % Aluminium und 18 At % Chrom. Der
restliche Anteil der Legierung besteht in beiden Fällen aus Nickel. Erfindungsgemäß sind dem Basiswerkstoff
Silizium und Titan als Zusätze beigemischt. Insbesondere enthält der Basiswerkstoff der oben erwähnten Legierung
1 bis 6 At % Silizium und 1 bis. 3 At % Titan. Der pulverförmige Basiswerkstoff der Legierung wird mit
Hilfe des Plasmaspritzverfahrens im Niederdruckbereich auf die zu beschichtenden austenitischen Bauelemente
aufgetragen.
Anhand eines Ausführungsbeispiels, das die Herstellung eines beschichteten Gasturbinen-Bauelementes beschreibt,
wird die Erfindung näher erläutert. Das zu beschichtende
1Q Bauelement selbst ist aus einem austenitischen Werkstoff
auf der Basis von Nickel, Kobalt oder Eisen gefertigt. Vorzugsweise wird eine Nickel-Superlegierung, insbesondere
IN 738 benutzt. Die Beschichtung des Bauelementes erfolgt mit Hilfe des Plasmaspritzverfahrens im Niederdruckbereich.
Der Basiswerkstoff der Legierung, welche die Hochtemperaturschutzschicht bildet, besteht aus
einem Pulver, welches 18 At % Chrom und 9 At % Aluminium aufweist, wobei der restliche Anteil des Basiswerkstoffes
aus Nickel besteht. Zusätzlich enthält der Basiswerkstoff 1 bis 6 At % Silizium und 1 bis 3 At % Titan.
Die in Pulverform vorliegende Legierung weist vorzugsweise eine Korngröße von i\5juum.auf. Das zu beschichtende
Bauelement wird zunächst chemisch gereinigt und dann mit einem Sandstrahlgerät aufgerauht. Die Beschichtung des
._ Bauelementes erfolgt unter Vakuum mit Hilfe des Plasmaspritzverfahrens.
Die nicht zu beschichtenden Teile des Bauelementes werden vor der Beschichtung abgedeckt. Vor
dem Aufbringen der fiochtemperaturschutzschicht wird das Bauelemt mit Hilfe des Plasmastrahls auf etwa 800^ C
erhitzt. Die Legierung, welche die Hocht.emperaturschutz-
schicht bildet, wird direkt auf das Grundmaterial des Bauelementes aufgebracht. Als Plasmastrom wird Argon und
Wasserstoff verwendet. Der Plasmastrom beträgt 580 Ampere und die angelegte Spannung 80 Volt. Nach dem
_ Aufbringen der Legierung auf das Bauelement wird dieses
35
Mp.-Nr. 678/82 'k- -'" 3246507
einer Wärmebehandlung unterzogen. Diese erfolgt in einem Hochvakuumglühofen. In ihm wird ein Druck ρ aufrechterhalten,
der kleiner als 5 x 10-3 Torr ist. Nach dem Erreichen des Vakuums wird der Ofen auf eine Temperatur
■ von 11000 c aufgeheizt. Diese wird während etwa einer Stunde mit einer Toleranz von etwa +/- M0 C gehalten.
Anschließend wird die Heizung des Ofens abgeschaltet. Das beschichtete, wärmebehandelte Bauelement wird im
Ofen langsam abgekühlt.
Claims (1)
- ANSPRÜCHE/ 1J Hochteraperaturschutzschicht bestehend aus einer Legierung auf der Basis von Aluminium, Chrom und Nickel, insbesondere für Gasturbinenbauelemente aus einem austenitischen Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiswerkstoff der Legierung wenigstens.8 bis 12 At- % Aluminium und 18 bis 28 kt-% Chrom sowie einen restlichen Anteil bestehend aus Nickel enthält, und daß dem Basiswerkstoff wenigstens Silizium und Titan als Zusätze beigemischt sind, derart, daß bei einer Temperatur unterhalb von 900° C eine Passivdeckschicht aus Chromoxid und bei einer Temperatur über 900^ c eine Passivdeckschicht aus Aluminiumoxid über der aufgetragenen Legierung ausgebildet ist.2Q 2. Hochtemperaturschutzschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiswerkstoff der Legierung 9 At-% Aluminium und 18 At- % Chrom sowie einen restlichen Anteil bestehend aus Nickel enthält.3· Hochtemperaturschutzschicht nach einem der 25Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Basiswerkstoff der Legierung wenigstens jeweils ein Zusatz aus 1 bis 6 At-$ Silizium und 1 bis 3 At-ΐ Titan beigemischt ist.4. Hochtemperaturschutzschicht nach einem derAnsprüche 1 bis 3? dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung mittels Plasmaspritzen im Niederdruckbereich auf die austenitischen Bauelemente aufgetragen ist.
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