DE3246507A1

DE3246507A1 - Hochtemperatur-schutzschicht

Info

Publication number: DE3246507A1
Application number: DE19823246507
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl.-Phys. Dr. 6903 Neckargemünd Gross; Andrew R. 6836 Oftersheim Nicoll; Georg Dipl.-Phys. Dr. 6901 Eppelheim Wahl
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1982-12-16
Filing date: 1982-12-16
Publication date: 1984-06-20
Also published as: US4537744A; DE3246507C2; JPS59118844A

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

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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

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 25

Ansprüche 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 der

Ansprüche 1 bis 3? dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung mittels Plasmaspritzen im Niederdruckbereich auf die austenitischen Bauelemente aufgetragen ist.